Типовые динамические звенья. Соединение звеньев

К типовым звеньям относят следующие динамические звенья:

1. Безынерционное (масштабирующее, пропорциональное) звено

.

2. Дифференцирующее звено

.

3. Интегрирующее звено

.

4. Апериодическое звено

.

5. Колебательное звено

.

6. Форсирующие звенья

.

Замечание

Следующие звенья не являются элементарными в полном смысле этого слова, но их часто относят к типовым в силу их широкого распространения.

7. Реальное дифференцирующее звено

.

8. Интегральное звено с замедлением

.

9. Пропорционально-интегральное звено

.

5. Регулирование основных технологических параметров (принципы, походы, схемы). Регулирование расхода. К основным технологическим параметрам, подлежащим контролю и регулированию в химико-технологических процессах, относят расход, уровень, давление, температуру, значение рН и показатели качества (концентрацию, плотность, вязкость и др.)

Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации практически любого непрерывного процесса. АСР расхода, предназначенные для стабилизации возмущений по материальным потокам, являются неотъемлемой частью разомкнутых систем автоматизации технологических процессов. На рис.3.4 дана принципиальная схема объекта при регулировании расхода. Обычно таким объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства - 1 и регулирующим органом 2. Длина этого участка определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет обычно несколько метров. Динамика канала “расход вещества через клапан – расход вещества через расходомер” приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Время чистого запаздывания обычно составляет доли секунд для газа и несколько секунд – для жидкости; значение постоянной времени – несколько секунд.

Ввиду малой инерционности объекта регулирования особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчёта АСР. В частности, в промышленных установках инерционность цепей контроля и регулирования расхода становится соизмеримой с инерционностью объекта, и ее следует учитывать при расчете систем регулирования.

Рис. 3.4. Принципиальная схема объекта при регулировании расхода: 1-измеритель расхода; 2-регулирующий клапан.

Выбор законов регулирования диктуется обычным требуемым качеством переходных процессов. Для регулирования расхода без статической погрешности в одноконтурных АСР применяют ПИ-регуляторы. Если АСР расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования, регулирование расхода может осуществляться П-законом регулирования. При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода применение регуляторов с дифференциальными составляющими в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в промышленных АСР расхода применение ПД- или ПИД-регуляторов не рекомендуется.

В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:

дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);

изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);

байпасирование, т.е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. 3.5,а). Если для перекачивания жидкости используют поршневой насос, применение подобной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода (или к помпажу, если клапан установлен на оси насоса). В этом случае для регулирования расхода используют байпасирование потока (рис. 3.5,б).

Рис. 3.5. Схемы регулирования расхода послецентробежного (а) и поршневого (б) насосов: 1-измеритель расхода; 2-регулирующий клапан; 3- регулятор; 4-насос.

Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис. 3.6,а) или изменением скорости движения ленты транспортера (рис. 3.6,б). Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.

Рис. 3.6. Схемы регулирования расхода сыпучих веществ:

а - изменением степени открытия регулирующей заслонки;

б–изменением скорости движения транспортера; 1– бункер;

2 - транспортер; 3 – регулятор; 4 – регулирующая заслонка;

5 – электродвигатель

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять по одной из трех схем, описанных ниже.

1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис.3.7,а) G1, называемый “ведущим”, может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении g с первым, так что “ведомый” расход равен gG1. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рис.3.7,б). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношения g, подается в виде задания регулятору 5, обеспечивающему поддержание “ведомого ”расхода.

2. При заданном “ведущем” расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР “ведущего” расхода (рис. 3.7,в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G1 автоматически изменится и расход G2 (в заданном соотношении с G1).

Рис. 3.7 Схемы регулирования соотношения расходов:

а, б – при незаданной общей нагрузке; в – при заданной общей нагрузке; г – при заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента соотношения по третьему параметру; 1,2 – измерители расхода;3- регулятор соотношения; 4,7 – регулирующие клапаны; 5 – регулятор расхода; 6 – реле соотношения; 8 – регулятор температуры; 9 – устройство ограничения

3. АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра g (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра, так что G2 = g(y) G1 (рис. 3.7,г).

Регулирование уровня. Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уровня равна нулю. Следует отметить, что “приток” и “сток” здесь являются обобщенными понятиями. В простейшем случае, когда в аппарате не происходят фазовые превращения (сборники, промежуточные ёмкости, жидкофазные реакторы), приток равен расходу жидкости, подаваемой в аппарат, а сток – расходу жидкости, отводимой из аппарата. В более сложных процессах, сопровождающихся изменением фазового состояния веществ, уровень является характеристикой не только гидравлических, но и тепловых и массообменных процессов, а приток и сток учитывают фазовые превращения веществ. Такие процессы протекают в испарителях, конденсаторах, выпарных установках, ректификационных колоннах и т.п.

В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида

, (3.11)

где S – площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата; GВХ, GВЫХ - раcходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него; GОБ - количество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени.

В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:

1) позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах: LН L LВ. Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях (рис. 3.8). При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную ёмкость.

Рис. 3.8. Пример схемы позиционного регулирования уровня:

1-насос; 2- аппарат; 3- сигнализатор уровня;

4 – регулятор уровня; 5, 6 - регулирующие клапаны

2) непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т.е. L = L0.

При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нём регулируют одним из трёх способов:

изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование “на притоке”, рис. 3.9, а);

изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование “на стоке”, рис. 3.9,б);

регулирование соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, рис.3.9, в);

Рис. 3.9. Схемы непрерывного регулирования уровня:

а - регулирование “на притоке”; б – регулирование “на стоке”;в – каскадная АСР; 1 – регулятор уровня; 2 – регулирующий клапан; 3,4 – измерители расхода; 5 – регулятор соотношения.

Отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расхода жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу и вследствие интегрирующих свойств объекта уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).

В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладоагента), как это показано на рис. 3.10. В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования уровня в каждом конкретном случае должен выполняться с учётом остальных контуров регулирования. Особое место в системах регулирования уровня занимают АСР уровня в аппаратах с кипящим (псевдожиженным) слоем зернистого материала. Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя. При значительных колебаниях расхода газа (или расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания. Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особенно высокие требования. В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рис. 3.11, а) или расход газа на ожижение слоя (рис. 3.11, б).

Рис. 3.10. Схема регулирования уровня в испарителе: 1 – испаритель; 2 – регулятор уровня; 3- регулирующий клапан.

Рис. 3.11. Регулирование уровня кипящего слоя:

а – отводом зернистого материала; б – изменением расхода газа;

1- аппарат с кипящем слоем; 2 – регулятор уровня;

3 – регулирующий орган

Регулирование давления. Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой фазе. Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабилизируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке (рис. 3.12) стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате. В остальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое определяется из условий материального и теплового балансов с учётом гидравлического сопротивления технологической линии.

В тех случаях, когда давление существенно влияет на кинетику процесса, предусматривается система стабилизации давления в отдельных аппаратах. Примером может служить процесс ректификации, для которого кривая фазового равновесия существенно зависит от давления. Кроме того, при регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного показателя состава смеси используют её температуру кипения, которая однозначно связана с составом лишь при постоянном давлении. Поэтому в продуктовых ректификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации давления (рис. 3.13).

Рис. 3.12. Регулирование разрежения в многокорпусной выпарной установке: 1,2 – выпарные аппараты; 3 – барометрический конденсатор; 4 – регулятор разрежения; 5 – регулирующий клапан.

Рис. 3.13. АСР давления в ректификационной колонне:

1 – колонна; 2 – дефлегматор; 3 – флегмовая ёмкость;

4 – регулятор давления; 5 – регулирующий клапан.

Уравнение материального баланса аппарата по газовой фазе записывается в виде:

, (3.12)

где V- объём аппарата; GВХ и GВЫХ – расход газа, соответственно подаваемого в аппарат и отводимого из него; GОБ – масса газа, образующегося (или расходуемого) в аппарате в единицу времени.

Как видно из сравнения уравнений (3.11) и (3.12), способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня. В рассмотренных выше примерах АСР давления регулирующими воздействиями выбраны расход несконденсировавшихся газов, отводимых из верхней части колонны (т.е. GВЫХ, рис. 3.13) и расход охлаждающей воды в барометрический конденсатор, который влияет на скорость конденсации вторичного пара (т.е. на GОБ, рис. 3.12).

Особое место среди АСР давления занимают системы регулирования перепада давления в аппарате, характеризующего гидродинамический режим, который существенно влияет на протекание процесса. Примерами таких аппаратов могут служить насадочные колонны (рис. 3.14,а), аппараты с кипящим слоем (рис. 3.14,б) и др.

Рис. 3.14. Схема регулирования перепада давления:

а – в колонном аппарате с насадкой; б – в аппарате с кипщим

слоем; 1 – аппарат; 2 – регулятор перепада давления;

3 – регулирующий клапан.

Регулирование рН. Системы регулирования рН можно подразделить на два типа в зависимости от требуемой точности регулирования. Если скорость изменения рН невелика, а допустимые пределы её колебаний достаточно широки, применяют позиционные системы регулирования, поддерживающие рН в заданных пределах: рНН рН рНВ. Ко второму типу относятся системы, обеспечивающие регулирование процессов, в которых требуется точное поддержание рН на заданном значении (например, в процессах нейтрализации). Для их регулирования используют непрерывные ПИ-или ПИД-регуляторы. Общей особенностью объектов при регулировании рН является нелинейность их статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов. На рис. 3.15 показана кривая титрования, характеризующая зависимость рН от расхода кислоты G1. Для различных заданных значений рН на этой кривой можно выделить три характерных участка: первый (средний), относящийся к почти нейтральным средам, близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления; второй и третий участки, относящиеся к сильно щелочным или кислым средам, обладают наибольшей кривизной.

Рис. 3.15. Зависимость величины рН от расхода реагента

На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релейному элементу. Практически это означает, что при расчёте линейной АСР коэффициент усиления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными уравнениями первого порядка с запаздыванием. При этом, чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора, и запаздывание в импульсных линиях. Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. На рис. 3.16, а показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами. Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора [хРН, хРВ] (рис.2.16,б, кривая 1). Клапан 2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что при хр=хр0+Δ он полностью открыт, а при хр=хр0-Δ - полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначительном отклонении рН от рН0, когда хр0-Δ£хр£хр0+Δ, степень открытия клапана 1 практически не изменяется, и регулирование ведётся клапаном 2. Если |хр-хр0|>Δ, клапан 2 остаётся в крайнем положении, и регулирование осуществляется клапаном 1.

Рис. 3.16. Пример системы регулирования рН: а – функциональная схема; б – статические характеристики клапанов; 1,2 – регулирующий клапан; 3 – регулятор рН.

Регулирование параметров состава и качества. В процессах химической технологии большую роль играет точное поддержание качественных параметров продуктов (состава газовой смеси, концентрации того или иного вещества в потоке и т.п.). Эти параметры характеризуются сложностью измерения. В ряде случаев для измерения состава используют хроматографический метод. При этом результат измерения бывает известен в дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на продолжительность цикла работы хроматографа. Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда единственным способом измерения качества продукции является в той или иной степени механизированный анализ проб. Дискретность измерения может привести к значительным дополнительным запаздываниям и снижению динамической точности регулирования. Чтобы уменьшить нежелательное влияние задержки измерения, используют модель связи качества продукта с переменными, которые измеряют непрерывно. Эта модель может быть достаточно простой; коэффициенты модели уточняют, сравнивая рассчитанное по ней и найденное в результате очередного анализа значение качественного параметра. Таким образом, одним из рациональных способов регулирования качества является регулирование по косвенному вычисляемому показателю с уточнением алгоритма его расчёта по данным прямых анализов. В промежутках между измерениями показатель качества продукта может быть рассчитан экстраполяцией ранее измеренных значений. Блок-схема системы регулирования параметра качества продукта показана на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Блок-схема АСР параметра качества продукта:

1 – объект; 2- анализатор качества; 3 – вычислительное устройство; 4 – регулятор.

Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку показателя качества по формуле

(3.13) в которой первое слагаемое отражает зависимость от непрерывно измеряемых переменных процесса или величин, динамически с ними связанных, например производных, а второе – от выхода экстраполирующего фильтра. Для повышения точности регулирования состава и качества применяют приборы с устройством автоматической калибровки. В этом случае система управления производит периодическую калибровку анализаторов состава, корректируя их характеристики.

Дата добавления: 2015-04-24