kontemirov

Рис. 2. Нагрузочная характеристика гидропривода с дроссельным регулированием

На рис.2 показана обобщенная нагрузочная характеристика гидропривода с дроссельным регулированием (кривая 1 на рис.2), которая в явном виде свидетельствует о том, что все рассмотренные выше системы не обеспечивают жесткую передачу сил (и моментов).

Систему с высокой жесткостью (прямая 2 на рис.2) можно реализовать, используя регулятор расхода типа МПГ 55–2. Такое устройство состоит из гидродросселя и редукционного клапана, который поддерживает постоянный перепад давления на дросселирующей щели, благодаря чему расход рабочей жидкости, проходящей через дроссель, не зависит от давления на входе и выходе из него. Так же, как и дроссели, регуляторы расхода устанавливают на входе, выходе и параллельно двигателю [2].

18) АНАЛИЗ СИСТЕМЫ

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ НА ВЫХОДЕ ИЗ ТЕПЛООБМЕННИКА СМЕШЕНИЯ

Автор: Кравченко А. Д., Жукова Н. В.

Источник: Материалы XV международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2014». – Ухта, 2014

Общая постановка проблемы.

Регулирование теплообменников смешения заключается в поддержании постоянства температуры суммарного потока на выходе. Для создания необходимого температурного режима в химических аппаратах используют передачу энергии в результате двух и более веществ с разными теплосодержаниями.

Задача состоит в поддержании заданного значения температуры выходного потока путем изменения расхода одного из теплоносителей при условии, что основным источником возмущений является расход и температуры второго потока, а температура первого потока и удельные теплоемкости веществ постоянны.

Исследование динамики системы автоматического управления температурой на выходе из теплообменника проводится на примере охлаждения сероводородных газов, путем их смешения с воздухом.

Из большого количества факторов, которые влияют на температуру выходных газов можно выделить подачу сероводородного газа. Подача газа и температура газа являются основным источником возмущений, а подача воздуха – управляющее воздействие, температуру воздуха можно считать постоянной. Функциональная схема процесса охлаждения сероводородных газов, которая отображает основные информационные переменные теплообменника, с точки зрения рассмотрения его как объекта управления, приведена на рис. 1

Рисунок 1 – Схема анализа процесса охлаждения сероводородных газов в теплообменнике, как объекта управления

Существует несколько вариантов решения проблемы: с помощью одноконтурной замкнутой системы регулирования, в котором регулирующее воздействие – это расход первого потока. Использование регулятора с интегральной составляющей в законе регулирования гарантирует поддержание заданного значения температуры выходного потока в установившемся режиме (недостаток: качество переходного процесса может оказаться неудовлетворительным при большой инерционности канала регулирования и сильных возмущениях); другой вариант включает систему регулирования соотношения расходов двух потоков, это разомкнутая система (недостаток: при наличии внешних возмущений температура не будет равна заданной).

Целью данной публикации является анализ системы автоматического наблюдения и стабилизации температуры газов, которые выходят из печи-котла с учетом ограничений на ее производительность и конструкторские особенности разных типов исполнительных механизмов.

Повышение качества регулирования температуры суммарного потока на выходе из теплообменника смешения.

Постановка задачи.

Исследование динамики системы автоматического регулирования температуры суммарного потока на выходе из смесительного теплообменника.

Методика решения проблемы.

Для стабилизации температуры газов, следует выбрать замкнутую двухкаскадную систему автоматического управления с отклонением по управлению. Представим структурную схему такой САР (рис. 2).

Обозначения на рисунке: G1 (расход воздуха); G2 (расход газов); 1 – регулятор соотношения расхода воздуха и газов.

Регулирование температуры происходит путем изменения расходов теплоносителей. Отклонение значения температуры от заданного, является задающим сигналом для регулятора соотношений (2). Регулируемой величиной является расход воздуха.

Температура выходного потока из теплообменника, для рассматриваемого технологического процесса сжигания сероводородных газов, определена на основе определенных исследований и опыте эксплуатации камеры смешения [1] составляет 450 °C.

Рисунок 2 – Функциональная схема процесса стабилизации температуры суммарного потока на выходе из теплообменника смешения

Основная задача синтеза САР заключается в выборе закона регулирования и определении настроечных параметров регулятора. Из практики применения регуляторов соотношения потоков [5] принимаем ПИ-закон управления:

Рассмотрим работу САР температуры выходного потока с исполнительным механизмом ДПТ. Этот механизм позволяет открыть заслонку только в допустимых границах.

Пусть соотношение расхода газов и воздуха такое, что газы, выходящие из теплообменника, имеют температуру 450 °C. Заслонка находится в фиксированном положении. При увеличении возмущения (увеличение расхода сероводородного газа), как результат начнет увеличиваться температура выходных газов. Это приведет к тому, что ошибка рассогласования начнет возрастать, что в свою очередь вызовет увеличение сигнала на выходе регулятора. Двигатель начнет вращаться, поворачивая заслонку в сторону открывания, что произведет к увеличению подачи воздуха в камеру смешения. Это приведет к некоторому снижению температуры выходного потока.

Если подача сероводородного газа будет продолжать линейно увеличиваться, то в результате переходного процесса ошибка регулирования стабилизируется, заслонка будет открываться все больше, с постоянной скоростью. По достижению подачи газа некоторой

постоянной величины, двигатель приведет заслонку к такому положению, при котором ошибка станет равной нулю, двигатель остановится и снова температура на выходе теплообменника будет равна 450 °C.

При резких изменениях подачи сероводородного газа в камеру смешения появляется инерционно-колебательные свойства САР и на некоторое время переходный процесс может сделать температуру колебательной.

В структурной схеме с ДПТ, по которой осуществляется моделирование и анализ системы введены традиционные ПИ и ПИД регуляторы. Они гарантируют поддержание заданного значения температуры в установившемся режиме.

Интерес вызывает поведение САР при других значениях расхода сероводородного газа, который подается в камеру смешения.

Список источников

1.Производственная инструкция аппаратчика производства серной кислоты Авдеевского коксохимического завода. – Авдеевка, 2013 – 57 с.

2.Кузьменко Н. В. Автоматизация технологических процессов и производств: Учеб. Пособие. – Ангарск 2005, АГТА. – 78 с.

3.Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. Пер. с англ. Копылова Б. И.

– М.: Лаборатория базовых знаний, С_Пб., 2002. – 832 с.

19)Лекция 2.

Основные определения и понятия

2.1. Принцип работы АСР

Рассмотрим работу автоматической системы регулирования на примере регулирования уровня в реакторе (рисунок 1).

Вреактор поступает реакционная смесь в определенном количестве Fпр.

Вреакторе при заданных условиях температуры и давления происходит реакция, и

реакционная смесь в количестве Fст поступает на следующую стадию. По условиям ведения процесса необходимо в реакторе поддерживать уровень (L) на заданном значении (Lз).

Рисунок 1

Таким образом, регулируемым параметром в данном процессе является уровень (L), а входными переменными – изменение расхода на стоке ( Fст), которое в данном примере является возмущающим воздействием и применение расхода на притоке ( Fпр), которое является управляющим воздействием.

Структурная схема процесса выглядит следующим образом (рисунок 2).

Рисунок 2

Для автоматического регулирования процессом необходимо подключить регулятор. В качестве регулятора используют реверсивный двигатель с постоянной скоростью вращения, включающийся от контактной системы, связанной с датчиком уровня, в виде поплавкового устройства. Таким образом, при уменьшении уровня ниже заданного включается двигатель и открывает клапан на притоке; при увеличении уровня выше заданного двигатель закрывает клапан на притоке.

Рисунок 3

Блок-схема данной системы стабилизации уровня приведена на рисунке 4.

Рисунок 4

Данная АСР является замкнутой одноконтурной системой.

Рассмотрим, как будут меняться переменные во времени при изменении равновесия в системе. Графики изменения переменных во времени называются переходными процессами.

При равенстве притока и стока (Fпр=Fст) система находится в состоянии равновесия и L=Lзад

(рисунок 5).

Пусть в момент t=t0 сток уменьшился на величину Fст=Fпр–Fст. Приток стал больше стока (Fпр>Fст), и уровень начнет увеличиваться. При отклонении уровня от заданного значения в сторону увеличения замкнется верхний контакт, включится двигатель и начнет с постоянной скоростью закрывать клапан на притоке. Одновременно с повышением уровня за счет увеличения гидростатического напора будет увеличиваться расход на стоке Fст.

Этот процесс будет продолжаться до момента времени t1, когда произойдет выравнивание расходов на притоке и стоке. Но, так как в этот момент уровень остается выше заданного значения (L>Lзад), верхний контакт будет включен, и расход на притоке будет продолжать уменьшаться, что приведет к повышению стока над притоком (Fст>Fпр). В силу этого, уровень начнет постоянно уменьшаться, что повлечет за собой уменьшение стока.

Процесс будет продолжаться до момента времени t2, пока уровень не достигнет заданного значения L=Lзад. В этот момент контакты разомкнуться, двигатель остановится, и прекратится уменьшение расхода на притоке.

Но так как в этот момент приток остается меньше стока (Fпр<Fст), уровень начнет уменьшаться, замкнется нижний контакт, включится двигатель, и начнет с постоянной скоростью открывать кран на притоке.

Уменьшение уровня приведет к снижению гидростатического напора, и сток будет уменьшаться. В момент времени t3 произойдет выравнивание притока и стока (Fпр=Fст), но, так как уровень остается меньше заданного (L<Lзад), и нижний контакт остается замкнутым, то приток будет повышаться и окажется больше стока (Fпр>Fст), что приведет к увеличению уровня, который достигнет заданного значения в момент времени t4.

Процесс изменения параметров во времени будет повторяться, но после нескольких колебаний уровень придет к заданному значению (L=Lзад), и процесс регулирования прекратится, то есть в системе вновь наступит динамическое равновесие (L=Lзад), (Fпр=Fст).

Рисунок 5

В данном случае переходной процесс является колебательным, затухающим.

Изменим свойства объекта регулирования, вместо клапана на стоке поставим насос. В этом случае будем считать, что изменение уровня не будет влиять на производительность насоса, т. е. на сток.

Рисунок 6

Вновь в момент времени t0 уменьшим сток на величину ΔFст=Fпр–Fст.

Всилу неравенства притока и стока Fпр>Fст уровень начнет увеличиваться, и замкнется верхний контакт, двигатель включится и начнет закрывать клапан, уменьшая приток с постоянной скоростью. Но изменение уровня не влияет на сток, и он остается постоянным.

Вмомент времени t1 произойдет выравнивание притока и стока (Fпр=Fст), но уровень остается выше заданного (L>Lзад), двигатель будет продолжать уменьшать приток, который будет меньше стока (Fпр<Fст). Соответственно, уровень начнет уменьшаться.

Вмомент времени t2 уровень достигнет заданного значения (L=Lзад). Контакты разомкнутся, двигатель остановится, но приток останется меньше стока (Fпр<Fст), что приведет к уменьшению уровня (L<Lзад) и включению нижнего контакта, двигатель будет открывать клапан, и расход на притоке станет увеличиваться. В силу линейной характеристики изменения расхода на притоке и постоянства стока, процесс будет симметрично повторяться. Процесс регулирования в этом случае не прекратится, т. е. система, выйдя из состояния равновесия, вновь в это состояние не возвращается. Переходной процесс является колебательным незатухающим.

Таким образом, изменение свойств объекта привело к изменению свойств АСР в целом.

Внесем изменения в конструкцию регулятора. Вместо двигателя поставим рычажную систему, связанную с датчиком уровня (поплавком) таким образом, что увеличение уровня приведет к закрытию клапана на притоке, а уменьшение уровня – к его открытию.

Вновь изменим в момент времени t0 расход на стоке на величину ΔFст=Fпр–Fст.

Уровень будет увеличиваться и, одновременно, через рычажную систему закрывать клапан на притоке. Процесс будет продолжаться до времени t1, пока приток не сравняется со стоком Fпр=Fст. В этот момент в системе наступит равновесие. Но уровень не возвратится к заданному значению, возникнет отклонение уровня на некоторую величину (ΔL=L–Lзад).

Переходной процесс в данном случае не колебательный (апериодический), затухающий. Таким образом, изменение свойств регулятора привело к изменению свойств АСР в целом.

2.2. Требования к автоматическим системам регулирования

Как было рассмотрено в предыдущем примере, свойства объекта регулирования и свойства регулятора влияют на свойства системы автоматического регулирования в целом и определяют устойчивость системы автоматического регулирования и качество её работы.

Устойчивость системы заключается в ее способности вернуться в первоначальное состояние после того, как внешние возмущающие воздействия вывели её из этого состояния.

Устойчивой работе АСР соответствует затухающий характер переходных процессов (рисунок 7, кривые 1, 2). Неустойчивой работе АСР соответствует незатухающий, расходящийся переходной процесс (рисунок 7, кривые 3, 4). Процесс регулирования может быть незатухающим, колебательным с постоянной амплитудой колебаний, который называется автоколебательным и относится к устойчивым процессам регулирования. В то же время, характер переходных процессов может быть колебательным (рисунок 7, кривые 1, 3, 5) и апериодическим (рисунок 7, кривые 2, 4).

Рисунок 7

АСР должна быть не только устойчивой, но и обладать определенными свойствами, которые позволяют вести технологический процесс с выполнением всех норм технологического регламента. Эти свойства АСР определяются показателями качества её работы.

К таким показателям качества относятся:

-время регулирования, за которое регулируемая величина возвращается к заданному значению;

-степень затухания, которая определяет скорость затухания колебательного процесса;

-динамическая ошибка, определяющая максимальную величину отклонения регулируемого параметра;

-статистическая ошибка, конечное отклонение регулируемого параметра от заданного значения.

Рисунок 8

На кривой переходного процесса (рисунок 8) показаны соответствующе показатели. Степень затухания определяется отношением разности между двумя последовательными амплитудами одного знака к максимальной из них:

Время регулирования определяется в момент, когда отклонения регулируемой величины входят в 5%-ный коридор.

Для обеспечения хорошего качества регулирования необходимо обеспечить степень затухания Ψ≈0,9, динамическую ошибку ΔΥд<20%, нулевую статистическую ошибку, допустимое по технологическому регламенту время регулирования. В реальных технологических процессах, как правило, не удается одновременно обеспечить высокие значения всех показателей качества. Поэтому необходимо обеспечить выполнение основных показателей, обеспечивающих получение продукта в соответствии с технологическим регламентом.

2.3. Классификация систем автоматического регулирования

Классификацию АСР можно проводить по разным признакам, из которых можно выделить два основных подхода. Первый связан с классом математического описания системы и характером сигналов, реализуемых в системе. Второй подход связан с принципом регулирования, определяющий функциональные связи между переменными и с физической реализацией АСР.

На рисунке 9 приведена укрупненная классификация системы.