Рис.1. Структура каскадного ПИД-регулятора температуры в рубашке реактора
Рис.2. Структура каскадного ПИД-регулятора
температуры в обратном холодильнике реактора
1. Регуляторы
Общие моменты
– Подсистема регулирования состоит из четырех ПИД-регуляторов, образующих два каскада регулирования (Рис.1., Рис.2.);
– Управление ведущим и ведомым регуляторами (изменение режима работы и задания) разрешается всегда, независимо от того, в работе реактор или нет как с мнемосхемы "Состояние установки", так и из окон регуляторов;
Резервирование регуляторов
– Для повышения надежности в системе предусмотрено резервирование регуляторов. Основным считается программный регулятор, резервным – аппаратный (SIPART DR22).
– Изменение коэффициентов аппаратного регулятора (коэффициент передачи, постоянная времени интегрирования и постоянная времени дифференцирования) в соответствии с настройками программного регулятора производится по нажатию кнопки "Применить" в окне настроек программного регулятора;
Структура программного регулятора
Структура программного регулятора приведена на Рис.1., Рис.2.
Управление регулятором
– Управление всеми четырьмя регуляторами реактора осуществляется из окон регуляторов или с мнемосхемы "Состояние установки". Внешний вид окон приведен на Рис.1., Рис.2.
– По каждому из четырех регуляторов реактора существует индивидуальное окно, имеющее две формы: основную – "окно управления регулятором" и вспомогательную – "окно настроек регулятора". Переключение между этими формами производиться по нажатию кнопок или в верхней правой области окон.
– По нажатию кнопки "RAMP" (есть только на окне ведущего регулятора по холодильнику) открывается окно настройки и управления рэмпом (см. Рис.2.).
– Сам рэмп – это линейное изменение задания по температуре от значения "Начальное значение" до значения "Конечное значение" за время "Время перехода";
– Окно настройки и управления рэмпом предназначено для наблюдения за ходом рэмпа, а также предоставляет оператору возможность управления рэмпом;
– В исходном состоянии при неактивном рэмпе кнопка "Стоп" нажата, кнопки "Старт" и "Пауза" отжаты, кнопка "Пауза" недоступна, поля "Конечное значение" и "Время перехода" доступны для ввода, в поле "Начальное значение" отображается текущее значение температуры, в полях "Прошедшее время" и "Оставшееся время" – нуль;
– При активном рэмпе кнопки "Стоп" и "Пауза" отжаты, кнопки "Старт" нажата, кнопка "Пауза" доступна, все поля недоступны для ввода.
В поле "Начальное значение" отображается значение температуры, с которого было начато плавное изменение задания регулятора после нажатия кнопки "Старт" или запуска рэмп системой.
В поле "Конечное значение" отображается значение задания регулятора, которое будет установлено после завершения рэмпа.
В поле "Время перехода" отображается общее время рэмпа, в поле "Прошедшее время" – прошедшее время рэмпа, в поле "Оставшееся время" – оставшееся время рэмпа;
– По истечении времени "Время перехода" задание регулятора равно значению "Конечное значение", поля ввода и кнопки принимают исходное состояние;
Проведение рэмпа оператором
– В системе существует возможность проведения рэмпа по команде оператора с настройками, заданными оператором;
– Перед запуском рэмпа оператор вводит требуемые значения в поля "Конечное значение" и "Время перехода";
– От начала фазы полимеризации до момента начала первой плановой дополнительной дозировки воды оператору в поле "Конечное значение" запрещено вводить значение большее, чем текущая температура в реакторе.
Если реактор в работе, до начала фазы полимеризации и от момента начала первой плановой дополнительной дозировки воды, поля ввода в окне настройки и управления рэмпом недоступны для ввода оператору, кнопки управления рэмпом недоступны для нажатия оператору.
Если реактор не в работе, поля ввода в окне настройки и управления рэмпом доступны для ввода оператору, кнопки управления рэмпом доступны для нажатия оператору;
– Для запуска рэмпа оператор нажимает кнопку "Старт", кнопка "Стоп" при этом отжимается";
– Во время рэмпа в поле вывода "Начальное значение" отображается значение температуры, с которого было начато плавное изменение задания регулятора после нажатия кнопки "Старт";
– Если во время проведения рэмпа требуется изменить его параметры (конечное значение или время перехода) необходимо нажать кнопку "Пауза". Кнопка "Старт" в этом случае остается нажатой, "Стоп" – отжатой, а поля ввода "Конечное значение" и "Время перехода" доступными для ввода. Изменение подпрограммой RAMP задания регулятора и отсчет прошедшего времени в поле "Прошедшее время" при этом будет временно приостановлено;
– После того, как новые параметры рэмпа введены в поля ввода, оператор отжимает кнопку "Пауза", автоматически пересчитывается значение в поле вывода "Оставшееся время" и возобновляется процесс плавного изменения задания с новыми параметрами и отсчет времени рэмпа в поле "Прошедшее время";
– Расчет нового значения в поле "Оставшееся время" производиться следующим образом: . Если рэмп до нажатия кнопки "Пауза" длился больше времени, чем ввели в поле "Время перехода" во время паузы, то оставшееся время принимается равным нулю, задание регулятора устанавливается равным значению в поле "Конечное значение";
– В двух случаях: по нажатию кнопки "Старт" и по отжатию кнопки "Пауза" производится установка задания ведущему регулятору в рубашке на один градус меньше чем "Конечное значение" рэмпа;
Функционирование регуляторов
– Все четыре регулятора реактора имеют два режима работы: ручной и автоматический. В ручном режиме обратная связь разомкнута, ПИД-алгоритм не функционирует, оператор и система имеют возможность изменять управляющее воздействие на клапан. В автоматическом режиме обратная связь замкнута, работает ПИД-алгоритм, оператор и система имеют возможность изменять задание по температуре;
– Четыре регулятора реактора объединены в две каскадные схемы регулирования, в каждой из которых есть ведущий и ведомый регулятор. Каскад считается замкнутым, если ведомый и ведущий регуляторы находятся в автоматическом режиме;
– Ведущий регулятор не может находиться в автоматическом режиме управления, если ведомый находится в ручном режиме. Если оператор или система переключает ведомый регулятор в ручной режим, ведущий также переключится в ручной режим, каскад размыкается. Если оператор или система переключает ведомый регулятор в автоматический режим, режим ведущего не изменяется (остается в ручном), каскад остается не замкнутым. Ведущий регулятор можно переключить в автоматический режим только если ведомый находиться в автоматическом режиме;
– При включении ведущего регулятора в автоматический режим обеспечивается безударность замыкания каскада путем предустановки управляющего воздействия ведущего регулятора равного заданию ведомого регулятора.
Изобретение относится к области автоматического регулирования. Технический результат заключается в повышении быстродействия и уменьшении перерегулирования при изменении параметров объекта или нагрузки, а также в упрощении процедуры расчета настроек параметров регуляторов. Технический результат достигается за счет того, что во внутреннем контуре используют адаптивный трехпозиционный регулятор со средней позицией, зависящей от нагрузки объекта. Кроме того, по результату работы регулятора внутреннего контура с помощью устройства управления к объекту подключают управляющее воздействие либо внутреннего, либо внешнего регулятора. При выходе вспомогательного параметра из зоны задания работает внутренний контур регулирования, а по возвращении его в зону включается внешний и отключается внутренний контур. При этом интегральная составляющая выходного сигнала внешнего регулятора формируется внутренним регулятором и равна значению сигнала средней позиции трехпозиционного регулятора на момент отключения внутреннего контура. Безударный переход к работе внешнего регулятора, формирование мощного релейного управляющего воздействия во внутреннем контуре обеспечивают более высокое качество регулирования основного параметра. Независимая во времени работа внешнего и внутреннего контуров позволяет использовать известные инженерные методы расчета настройки регуляторов в одноконтурных системах. 2 ил.
Предлагаемое устройство относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в системах автоматического управления объектами с распределенными параметрами или имеющими по крайней мере два регулируемых параметра и одно управляющее воздействие. Традиционная схема каскадного регулирования имеет структуру, приведенную на фиг. 1. Технологический объект управления (ТОУ) имеет два регулируемых параметра: основной Y1, поскольку он является целью регулирования, и вспомогательный Y2, который используется для улучшения качества регулирования основного параметра. Регулирование основного параметра-Y1 осуществляется внешним контуром, включающим в себя входной сигнал задания Y1 зд, внешний (ведущий, корректирующий) регулятор R1 и функциональные блоки O макс и O мин, ограничивающий выходной сигнал внешнего регулятора сверху вниз. Регулирования вспомогательного параметра Y2 осуществляется внутренним контуром, включающий внутренний (ведомый, стабилизирующий) регулятор R2. Для него сигналом задания Y2 зд является регулирующее воздействие внешнего регулятора, являющегося ведущим по отношению к внутреннему (ведомому) регулятора. Последний - R2 формирует управляющее воздействие на объект через исполнительное устройство (ИУ) на входе, общем как для основного - Y1, так и для вспомогательного параметра - Y2. Сигналы об основном и вспомогательном параметрах внешнего и внутреннего контуров формируются соответственно датчиками Д1 и Д2 и подаются для сравнения с сигналами заданий Y1 зд и Y2 зд на элементы сравнения ЭС1 и ЭС2 соответственно. Условием реализуемости (эффективности) подобных каскадных систем является меньшая инерционность объекта по каналу вспомогательного параметра Y2 относительно основного Y1. Известен способ каскадного регулирования температуры в реакторе с коррекцией задания регулятору температуры на выходе теплообменника (см. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для вузов. Под ред. Е.Г.Дудникова. -М.: Химия, 1987, с. 42 - 43, рис. 1.22). В этом способе внутренним контуром является система автоматического регулирования температуры на выходе теплообменника, а внешним - температура в реакторе. Регулирующее воздействие - расход пара подается на вход теплообменника. Канал регулирования, включающий два аппарата (теплообменник и реактор) и трубопроводы, является сложной системой с большой инерционностью. На объект действуют ряд возмущений, поступающих в разные точки системы, - давление и энтальпия пара, температура и расход реакционной смеси, потери тепла в реакторе и т. п. При возмущении по давлению пара регулятор внутреннего контура изменяет степень открытия регулирующего клапана таким образом, чтобы поддержать заданную температуру на выходе теплообменника. При возмущении по расходу реакционной смеси имеется температура в реакторе и, как следствие, задание регулятору температуры теплообменника, что вновь изменит степень открытия регулирующего клапана в сторону восстановления температуры в реакторе и теплообменнике. В зависимости от требований к точности регулирования основного параметра во внешнем контуре применяют астатические (И, ПИ) регуляторы, а во внутреннем - быстродействующие статические, как правило, П- или ПД-регуляторы. Недостатком подобных каскадных систем регулирования является применение регуляторов аналогового типа и связанного с этим усложнения схемных решений - включения специальных функциональных блоков, ограничивающих сверху и снизу корректирующий сигнал внешнего (ведущего) регулятора. В силу этого рассмотренные каскадные системы управления при изменении параметров объекта регулирования или нагрузки характеризуется сравнительно невысоким быстродействием и большим перерегулированием в динамике, т.е. недостаточным качеством регулирования. Другим недостатком таких каскадных систем является сложность расчета настроечных параметров регуляторов, вызванная необходимостью использования итерационных процедур для каждого контура в отдельности (при настройке одного из регуляторов другой содержит еще неопределенные оптимальные параметры). Целью изобретения является повышение быстродействия и уменьшение перерегулирования при изменении параметров объектов или нагрузки, а также упрощение процедуры расчета настроек параметров регуляторов. Поставленная задача достигается тем, что устанавливают сигналы задания верхнего Y2"" и нижнего Y2" допустимых значений вспомогательного параметра для регулятора внутреннего контура и определяют на заданном интервале ошибку рассогласования E1 для астатического регулятора внешнего контура, воздействующего посредством исполнительного устройства на объект на этом интервале с помощью аналогового сигнала, определяемого законом регулированием этого внешнего регулятора. При выходе вспомогательного параметра из зоны задания Y2" < Y2 < Y2"" с выхода регулятора внутреннего контура на исполнительное устройство подают управляющее воздействие релейного типа, со знаком, уменьшающим отклонение вспомогательного параметра от заданных крайних значений интервала, а основного параметра - от заданного значения. Одновременно отключают от объекта управляющее воздействие внешнего астатического регулятора, формируя и сохраняя при этом его интегральную составляющую равную значению сигнала средней позиции трехпозиционного адаптивного регулятора, используемого в качестве регулятора внутреннего контура (см. авт. св. N 675399. Пневматический регулятор. Магергут В.З., Гимпельсон В.Г., Стальнов П.И. Бюл. 27 от 28.07.79). При возврате вспомогательного параметра в заданную зону одновременно отключают управляющее воздействие внутреннего регулятора и включают управляющее воздействие внешнего регулятора. Таким образом, при каждом выходе вспомогательного параметра из заданной зоны, управляющее воздействие на объект формируется лишь во внутреннем контуре, а при возврате его в заданную зону управляющее воздействие на объект формирует регулятор внешнего контура, обеспечивая стабилизацию основного параметра с заданной точностью. Иначе, в каждый момент времени объектом управляет лишь один из регуляторов: внутренний, если вспомогательный параметр Y2 вышел из зоны нечувствительности внутреннего регулятора, или внешний, когда Y2 находится в зоне. Управление работой регуляторов ведется по вспомогательному параметру Y2 (точнее по сигналу рассогласования E2 между Y2 и сигналами задания Y2" и Y2""), который в этом плане становится ведущим параметром объекта, т.е. параметром, который определяет логику работы управляющего устройства регуляторов, формирующего соответствующие управляющие воздействия на регуляторы, по сигналу рассогласования E2. Обеспечивая единовременную работу либо внешнего либо внутреннего регулятора, т.е. автономность работы внешнего и внутреннего контуров системы каскадного регулирования, благодаря их логическому переключению посредством управляющего устройства, отпадает необходимость в проведении сложной итерационной процедуры расчета настроек регуляторов, и появляется возможность использовать известные методы расчета одноконтурных систем аналогового и позиционного действия (см., например, Магергут В.З., Вент Д.П., Кацер И.А. Инженерные методы выбора и расчета оптимальных настроек промышленных регуляторов. Новомосковск, НФ РХТУ, 1994. 158 с.). Применение во внутреннем контуре адаптивного трехпозиционного способа регулирования с подстраиваемой к нагрузке объекта средней позицией (см. авт. св. N 458812. Способ автоматического трехпозиционного регулирования. Магергут В.З., Гимпельсон В.Г., Стальнов П.И., Беляев Ю.В. Бюл. 4 от 30.01.75) позволяет, с одной стороны, формировать мощное релейное управляющее воздействие, приводящее к увеличению быстродействия системы регулирования и уменьшению перерегулирования основного параметра, а, с другой стороны, обеспечить в это же время нахождение управляющего воздействия примерно соответствующего значению нагрузки и осуществлять благодаря слежению за этим значением интегральной составляющей внешнего контура, безударное переключение управляющего воздействия внешнего регулятора на это значение при его подключении к объекту. Регулятор внутреннего контура дает задание регулятору внешнего контура, причем не по заданию, а по выходному сигналу его интегральной составляющей, обеспечивая тем самым безударность включения внешнего регулятора в момент вхождения вспомогательного параметра объекта Y2 в зону нечувствительности внутреннего регулятора и точную настройку управляющего воздействия на значение нагрузки объекта. Иначе, в предлагаемом способе уже внутренний регулятор становится как бы ведущим по отношению к внешнему регулятору, ставшему ведомым. Таким образом, предложен способ каскадного автоматического регулирования путем измерения вспомогательного параметра объекта и стабилизации его с помощью одноконтурной системы регулирования, измерения основного параметра объекта и стабилизации его с помощью астатической одноконтурной системы регулирования и формирования сигнала задания регулятору внутреннего контура, отличающийся тем, что устанавливают сигналы задания верхнего и нижнего допустимых значений вспомогательного параметра объекта для регулятора внутреннего контура и определяют на заданном интервале ошибку рассогласования для астатического регулятора внешнего контура, воздействующего посредством исполнительного устройства на объект в заданном интервале с помощью аналогового сигнала, определяемого законом регулирования астатического регулятора внешнего контура, при выходе вспомогательного параметра объекта из заданного интервала с выхода регулятора внутреннего контура на исполнительное устройство подают управляющее воздействие релейного типа со знаком, уменьшающим отклонение вспомогательного параметра объекта от верхнего и нижнего допустимых значений, а основного параметра объекта - от заданного значения и одновременно отключают управляющее воздействие астатического регулятора внешнего контура, формируют и сохраняют интегральную составляющую этого регулятора на уровне значения средней позиции выходного сигнала регулятора внутреннего контура; при возврате вспомогательного параметра объекта в заданный интервал одновременно отключают управляющее воздействие регулятора внутреннего контура и включают управляющее воздействие астатического регулятора внешнего контура. Предлагаемый способ иллюстрируется функциональной схемой, приведенной на фиг. 2. Схема содержит технологический объект управления 1, регулятор внешнего контура регулирования 2 и задатчик 3, блок сравнения 4, регулятор внутреннего контура 5, задатчики верхнего и нижнего уровня 6 и 7 соответственно, блок сравнения 8, устройство управления 9, исполнительное устройство 11, 12 основного и вспомогательного параметров соответственно. Способ каскадного автоматического регулирования осуществляется следующим образом. Непрерывно измеряют с помощью датчика 11 параметр Y1 и стабилизируют его с помощью автоматического регулятора 2 по астатическому закону с воздействием на исполнительное устройство 10. Датчиком 12 непрерывно измеряют вспомогательный параметр Y2 и с помощью задатчиков 6 и 7 формируют величину задания верхнего и нижнего уровня этого параметра. С помощью трехпозиционного адаптивного регулятора 5 автоматически поддерживают значение этого параметра в заданном интервале, воздействуя на исполнительное устройство 10. Устройство управления 9 непрерывно измеряют ошибку рассогласования E2 внутреннего контура регулирования и в зависимости от величины и знака этой ошибки включает регулирующее воздействие, поступающее либо с внутреннего, либо с внешнего регулятора. При выходе вспомогательного параметра из зоны задания с выхода регулятора внутреннего контура 5 на исполнительное устройство подают управляющее воздействие релейного типа, со знаком, уменьшающим отклонение вспомогательного параметра от заданных крайних значений интервала, а основного параметра - от заданного значения. Одновременно устройство управления 9 отключает управляющее воздействие внешнего астатического регулятора 2, формируя и сохраняя его интегральную составляющую на уровне значения средней позиции выходного сигнала трехпозиционного адаптивного регулятора 5. Поскольку в предлагаемом способе каскадного автоматического регулирования регуляторы внешнего и внутреннего контуров работают равномерно, то на период отключения регулятора 2 внешнего контура от исполнительного устройства 10 канал связи между выходами регулятора 5 и 2 используют для подачи сигнала средней позиции адаптивного регулятора 5 в регулятор 2 для формирования в нем интегральной составляющей, равной сигналу средней позиции регулятора 5. Таким образом, по каналу, помеченному разнонаправленными стрелками, сигнал проходит то с выхода регулятора 2 к исполнительному устройству 10, то от регулятора 5 (со звена формирования средней позиции) к регулятору 2 (в интегральную составляющую регулятора). Рассмотрим применение данного способа для различных известных систем каскадного регулирования. Так для способа-аналога - каскадное регулирование температуры в реакторе - он сводится к следующему: основным параметром объекта регулирования является температура Т р в реакторе, а вспомогательным температура Т т на выходе теплообменника. Для последней устанавливают два значения ее задания - больше номинального Т т "" и меньше Т т ". Для реактора устанавливают заданное значение температуры Т рзд и поддерживают ее обычным ПИ-регулятором по одноконтурной системе регулирования. При отклонении температуры реактор Т р от задания одновременно отклоняется от номинала и температура Т т на выходе из теплообменника, причем, выбег последней за пределы зоны, т.е. за значения Т т "" или Т т " происходит быстрее, чем произойдет отклонение Т р от Т рзд на величину требуемой точности регулирования (из-за меньшей инерционности объекта по каналу: температура на выходе теплообменника Т т -управляющее воздействие Gn по пару и соответствующего выбора значений Т т "" и Т т ". Происходит срабатывание адаптивного позиционного регулятора и формирование им релейного управляющего воздействия на объект по Gn (верхнего Gn"" или нижнего Gn", направленного на возврат Т т в зону, к Т рзд. Одновременно позиционным воздействием на объект происходит формирование нового значения средней позиции этого регулятора Gn ср, соответствующего новому значению нагрузки объекта или эквивалентному ей изменению его параметров. Это новое значение отслеживается в интегральной части ПИ-регулятора, который при управлении объектом посредством внутреннего адаптивного позиционного регулятора отключен от управления объектом. При вхождении Т т в зону за счет мощного и быстрого позиционного управляющего воздействия (затем, что оно будет мощнее и быстрее воздействия даже ПД-регулятора, используемого в способе прототипа) происходит переключение на новое значение Gn ср как в регуляторе внутреннего контура, так и в подключаемом к управлению объектом вместо него ПИ-регуляторе, т.е. управление объектом начинается с нового значения управляющего воздействия, равновесного (или близкого) к новому значению нагрузки. Последнее, наряду с быстрым возвратом Т т в зону, а Т р к Т рзд, также обеспечивает повышение качества регулирования по предлагаемому способу. Рассмотрим второй пример применения способа для автоматического регулирования работы дефлегматора в процессе перегонки по авт. св. N 971395. Магергут В.З., Бебелис В.Я., Масленников И.М., Бюл. 41 от 07.11.82. Объектом является дефлегматор, в котором необходимо поддерживать температуру Т д на его выходе (основной параметр). Для повышения точности предложен традиционный способ каскадного регулирования, в котором в качестве вспомогательного параметра используется Р д внизу дефлегматора, т.е. на его входе. Управляющим воздействием является расход хладоагента Gx в дефлегматор. Для увеличения эффективности работы этой системы также можно использовать предлагаемый нами способ. Для внутреннего контура на базе адаптивного позиционного регулирования потребуется задать два значения давления на входе в дефлегматор: Р д "" и Р д " - соответственно больше и меньше номинального. Работать способ будет аналогично рассмотренному для объекта первого примера. Улучшение качества регулирования будет достигнуто как за счет большого быстродействия и более мощного воздействия внутреннего контура, так и нахождения одновременно с этим воздействием нового равновесного значения управляющего воздействия, соответствующего новому значению адаптивной средней позиции внутреннего регулятора. За счет автономности работы каждого из контуров регулирования (внешнего и внутреннего) настройка регуляторов как в первом, так и во втором примерах, естественно будет проще, чем для прототипа. Аналогичным образом быть видоизменены и все другие применяющиеся в промышленности системы автоматического каскадного регулирования, имеющие два регулируемых параметра (основного и вспомогательного) при одном управляющем воздействии при дополнительном условии, чтобы управляющее воздействие не являлось одновременно и вспомогательным параметром. В настоящее время авторы занимаются внедрением предлагаемого способа на ряде предприятий Тульской и Рязанской областей: АО "ОРГСИНТЕЗ" и НАК "АЗОТ", АООТ "Ключанский спиртзавод", причем, как путем замены существующих способов автоматического каскадного регулирования, так и самостоятельного внедрения предлагаемого способа для ряда объектов, со всеми вытекающими экономическими эффектами.
Вопросы, рассматриваемые в лекции:
1. Что такое эквивалентный объект в каскадной САР.
2. Объяснение эффективности каскадных АСР.
3. Методы расчета каскадных АСР.
4. Расчет АСР с дополнительным импульсом по производной.
Системами каскадного регулирования называют такие системы, у которых выходной сигнал одного из регуляторов направляется в качестве задания на другой. Основной и вспомогательный параметры объекта подаются соответственно в виде входных сигналов на эти регуляторы. При этом только основной регулятор имеет независимое задание. Выходной сигнал вспомогательного регулятора подается в качестве регулирующего воздействия на объект. Обычно вспомогательный замкнутый контур регулирования, образованный быстродействующей частью объекта и вспомогательным регулятором, находится внутри основного контура регулирования. На рисунке 1.8.1 приведена схема системы каскадного регулирования. Системы каскадного регулирования обеспечивают:
1) быструю компенсацию возмущений, воздействующих на вспомогательный контур регулирования, вследствие чего эти возмущения не вызывают отклонения основного параметра от заданного значения;
1 – основной регулятор; 2 – вспомогательный регулятор; 3, 4 – быстро – и медленнодействующие части объекта
Рисунок 1 - Схема каскадного регулирования
2) существенное уменьшение фазового сдвига в быстродействующей части объекта вследствие образования вспомогательного контура регулирования, что повышает быстродействие основного контура;
3) компенсацию изменения коэффициента передачи быстродействующей части объекта путем изменения коэффициента передачи вспомогательного контура регулирования;
4) требуемую подачу вещества или энергии в объект
Таким образом, системы каскадного регулирования целесообразно применять в тех случаях, когда необходимо поддерживать регулируемый параметр на заданном значении с высокой степенью точности, а также при очень большом запаздывании объекта. Вспомогательный контур регулирования может быть, например, замкнут вокруг интегрирующего элемента объекта с целью преодоления его собственного запаздывания. В качестве вспомогательной переменной можно использовать расход, так как благодаря быстродействию контура регулирования этого параметра предотвращаются значительные отклонения основной регулируемой величины.
Для создания системы каскадного регулирования необходимо предварительно выявить приемлемую промежуточную переменную, что в ряде случаев довольно трудно.
Системы каскадного регулирования расхода используются для непрерывной подачи вещества в объект или вывода его из объекта. Обычно регулирование расхода осуществляется изменением давления воздуха, подаваемого на клапан с нелинейной характеристикой. Если при этом измерение текущего значения параметра выполняется методом переменного перепада давления (при котором выходной сигнал датчика нелинейно зависит от расхода), то обе нелинейности компенсируют друг друга.
Использование метода переменного перепада давления во вспомогательном контуре при регулировании процессов теплообмена или смешения может привести к дополнительным трудностям. Предположим, что регулируемый параметр объекта линеен по отношению к расходу. Выходной сигнал основного регулятора пропорционален перепаду давления, изменяющемуся прямо пропорционально квадрату расхода. Следовательно, коэффициент передачи контура будет изменяться обратно пропорционально расходу. Однако многие процессы необходимо регулировать в момент пуска; кроме того, часто необходимо длительно поддерживать в объекте низкие значения расхода, что довольно сложно. Если основной регулятор не переведен на ручное управление, то в контуре регулирования около нулевого значения расхода возникнут незатухающие колебания. Для того, чтобы этого не произошло, целесообразно включить в линию измерения расхода с целью линеаризации вспомогательного контура устройство для извлечения квадратного корня.
Период колебаний контура регулирования расхода обычно равен нескольким секундам. Поэтому расход в качестве основного параметра в каскадных схемах при регулировании процессов теплообмена или смешения не используют.
При регулировании уровня кипящих жидкостей или конденсирующихся паров применяют системы каскадного регулирования с коррекцией по расходу. В таких системах период собственных колебаний основного контура больше, чем период колебаний контура регулирования расхода.
Системы каскадного регулирования температуры используются довольно широко. При проведении химических реакций для получения высокого качества регулирования выходной сигнал регулятора температуры реактора обычно направляют в камеру задания регулятора температуры хладоагента, т. е. используют схему каскадного регулирования температуры хладоагента по температуре реактора. Интенсивность теплообмена зависит от разности температур реагирующих веществ и хладоагента, поэтому текущее значение температуры хладоагента влияет на процесс.
На работу системы регулирования влияют нелинейности и фазовые сдвиги вспомогательного контура регулирования. Так как в такой системе диапазон пропорциональности вспомогательного регулятора температуры обычно не превышает 25%, то действием астатической составляющей этого регулятора можно пренебречь.
Незначительное перерегулирование по температуре хладоагента не оказывает большого влияния на работу системы, поскольку астатическая составляющая всегда действует в основном контуре. Наличие астатической составляющей во вспомогательном контуре лишь несколько уменьшило бы скорость изменения температуры. При регулировании температуры хладоагента в реакторе периодического действия астатическая составляющая не используется. Обычно при проектировании систем каскадного регулирования основной задачей является определение соотношения периодов собственных колебаний основного и вспомогательного контуров регулирования температуры. Если в обоих контурах использован один и тот же метод измерения, то соотношение между периодами собственных колебаний контуров линейно и, следовательно, коэффициент передачи основного контура будет постоянным.
Расчет каскадной АСР предполагает определение настроек основного и вспомогательного регуляторов при заданных динамических характеристиках объекта по основному и вспомогательному каналам. Поскольку настройки основного и вспомогательного регуляторов взаимозависимы, расчет их проводят методом итераций.
На каждом шаге итерации рассчитывают приведенную одноконтурную АСР, в которой один из регуляторов условно относится к эквивалентному объекту.
Эквивалентный объект для основного регулятора представляет собой последовательное соединение замкнутого вспомогательного контура и основного канала регулирования.
W Э (p) = [- R 1 (p) / 1 – W(p)*R 1 (p) ]* W(p), (1)
где R 1 (p) – передаточная функция вспомогательного регулятора,
W(p) = W 1 (p) * W 2 (p) – передаточная функция объекта
Эквивалентный объект для вспомогательного регулятора является параллельным соединением вспомогательного канала и основной разомкнутой системы.
W Э 1 (p) = W 1 (p) – W(p)*R (p), (2)
где R (p) – передаточная функция основного регулятора
В зависимости от первого шага итерации различают два метода расчета каскадных АСР.
1-й метод. Расчет начинают с основного регулятора. Метод используют в тех случаях, когда инерционность вспомогательного канала намного меньше, чем основного. На первом шаге принимают допущение о том, что рабочая частота основного контура намного меньше, чем вспомогательного. И тогда:
W Э (p) = W 2 (p) . (3)
На втором шаге рассчитывают настройки вспомогательного регулятора для эквивалентного объекта.
В случае приближенных расчетов ограничиваются первыми двумя шагами. При точных расчетах их продолжают до тех пор, пока настройки регуляторов, найденные в двух последовательных итерациях, не совпадут с заданной точностью.
2-й метод. Расчет начинают со вспомогательного регулятора. На первом шаге предполагают, что внешний регулятор отключен. Таким образом, в первом приближении настройки вспомогательного регулятора находят по одноконтурной АСР для вспомогательного канала регулирования из выражения:
W Э 1 (p) = W 1 (p) . (4)
На втором шаге рассчитывают настройки основного регулятора по передаточной функции эквивалентного объекта. Для уточнения настроек вспомогательного регулятора расчет проводят по передаточной функции. Расчеты проводят до тех пор, пока настройки вспомогательного регулятора, найденные в двух последовательных итерациях, не совпадут с заданной точностью.
АСР с дополнительным импульсом по производной из промежуточной точки.
Такие системы обычно применяют при автоматизации объектов, в которых регулируемый технологический параметр (например, температура или состав) распределен по пространственной координате (как в аппаратах колонного или трубчатого типа). Особенность таких объектов состоит в том, что основной регулируемой координатой является технологический параметр на выходе из аппарата, возмущения распределены по длине аппарата, а регулирующее воздействие подается на его вход. При этом одноконтурные замкнутые АСР не обеспечивают должного качества переходных процессов вследствие большой инерционности канала регулирования.
Подача на вход регулятора дополнительного импульса из промежуточной точки аппарата дает опережающий сигнал, и регулятор включается в работу прежде, чем выходная координата отклонится от заданного значения.
Для того чтобы обеспечить регулирование без статической ошибки, необходимо, чтобы в установившихся режимах дополнительный импульс исчезал. С этой целью вспомогательную координату пропускают через реальное дифференцирующее звено, так что входной сигнал регулятора равен e=y+y’ 1 –y 0 (рисунок 1.9.1а). В установившихся режимах, когда y’ 1 =0, при e=0, y=y 0 .
а – исходная схема; б – преобразованная к схеме каскадной АСР
Рисунок 2 - Структурные схемы АСР с дополнительным импульсом по производной из промежуточной точки
Эффективность введения дополнительного импульса зависит от точки его отбора. Выбор последней определяется в каждом конкретном случае динамическими свойствами объекта и условиями его работы. Так, измерение y 1 в начале аппарата равносильно дополнительному импульсу по возмущению, которое поступает по каналу регулирования. При этом дифференцирующее устройство играет роль динамического компенсатора возмущения. Измерение y 1 на выходе объекта (y 1 =у) равносильно введению производной от основной координаты. Для каждого объекта можно выбрать оптимальное место отбора дополнительного импульса, при котором качество регулирования оказывается наилучшим.
Расчет подобных систем регулирования аналогичен расчету каскадных АСР после соответствующих преобразований. В приведенной каскадной АСР на рисунке 2 б роль внешнего регулятора играет звено с передаточной функцией R д -1 (p), а внутреннего – последовательно соединенные регулятор и дифференциатор, так что передаточные функции для приведенных регуляторов соответственно равны.
Каскадное регулирование - это регулирование, в котором два или больше контуров регулирования соединены так, чтобы выход одного регулятора корректировал уставку другого регулятора.
На рисунке выше приведена блок-схема, которая иллюстрирует понятие каскадного регулирования. Блоки на диаграмме фактически представляют компоненты двух контуров регулирования: ведущий контур, который составлен из элементов системы регулирования A, E, F, и G и ведомый контур, который составлен из элементов системы регулирования A, B C, и D. Выход регулятора ведущего контура является заданием (уставкой) для регулятора ведомого контура регулирования. Регулятор ведомого контура вырабатывает управляющий сигнал для исполнительного механизма.
Для процессов, которые имеют значительные характеристики запаздывания (емкость или сопротивление, которые замедляют изменения переменной), ведомый контур регулирования каскадной системы может обнаружить рассогласование в процессе раньше и уменьшить тем самым время, требующееся для устранения рассогласования. Можно сказать, что ведомый контур регулирования «делит» запаздывание и уменьшает воздействие возмущения на процесс.
В системе каскадного регулирование используется больше, чем один первичный чувствительный элемент, и регулятор (в ведомом контуре регулирования) получает больше, чем один входной сигнал. Следовательно, система каскадного регулирования - это многоконтурная система регулирования.
Пример системы каскадного регулирования
В примере выше контур регулирования будет в итоге ведущим контуром при построении системы каскадного регулирования. Ведомый контур будет добавлен позже. Цель этого процесса состоит в том, чтобы нагреть воду, проходящую через внутреннее пространство теплообменника, обтекая трубы, по которым пропускается пар. Одна из особенностей процесса - то, что корпус теплообменника имеет большой объём и содержит много воды. Большое количество воды обладает ёмкостью, позволяющей сохранять большое количество теплоты. Это означает, что, если температура воды на входе в теплообменник изменится, эти изменения проявятся на выходе теплообменника с большим запаздыванием. Причиной запаздывания является большая ёмкость. Другой особенностью этого процесса является то, что паровые трубы оказывают сопротивление передаче теплоты от пара внутри труб к воде снаружи труб. Это означает, что будет иметься запаздывание между изменениями в паровом потоке и соответствующими изменениями температуры воды. Причиной этого запаздывания является сопротивление.
Первичный элемент в этом контуре регулирования контролирует температуру воды на выходе из теплообменника. Если температура воды на выходе изменилась, соответствующие физические изменения первичного элемента измеряются измерительным преобразователем, который преобразовывает значение температуры в сигнал, посылаемый регулятору. Регулятор измеряет сигнал, сравнивает его с уставкой, вычисляет разность и затем вырабатывает выходной сигнал, который управляет регулирующим клапаном на паровой линии, являющимся конечным элементом контура регулирования (регулирующим органом). Паровой регулирующий клапан или увеличивает, или уменьшает поток пара, обеспечивая возвращение температуры воды к уставке. Однако, из-за характеристик запаздывания процесса, изменение температуры воды будет медленным, и потребуется длительное время прежде, чем контур регулирования сможет считывать на сколько температура воды изменилась. К тому времени, могут произойти слишком большие изменения температуры воды. В результате, контур регулирования выработает избыточно сильное управляющее воздействие, что может привести к отклонению в противоположную сторону (перерегулированию), и снова будет "ждать" результат. В связи с медленной реакцией подобно этой, температура воды может циклически колебаться вверх и вниз в течение долгого времени прежде, чем придёт к устойчивому состоянию, возвратившись на значение уставки.
Переходной процесс системы регулирования улучшается, когда система дополняется вторым контуром каскадного регулирования, как показано на рисунке выше. Добавленный контур - это ведомый контур каскадного регулирования.
Теперь, когда изменяется расход пара, эти изменения будут считываться чувствительным элементом расхода (B) и измеряться измерительным преобразователем (C), который посылает сигнал ведомому регулятору (D). В то же самое время, температурный чувствительный элемент (E) в ведущем контуре регулирования воспринимает любое изменение температуры воды на выходе теплообменника. Изменения эти измеряются измерительным преобразователем (F), который посылает сигнал ведущему регулятору (G). Этот регулятор выполняет функции измерения, сравнения, вычисления и производит выходной сигнал, который посылается ведомому регулятору (D). Этот сигнал корректирует уставку ведомого регулятора. Затем ведомый регулятор сравнивает сигнал, который он получает от датчика расхода (C), с новой уставкой, вычисляет разность и вырабатывает корректирующий сигнал, который посылается на регулирующий клапан (A), чтобы корректировать расход пара.
В системе регулирования с добавлением к основному контуру ведомого контура регулирования любое изменение расхода пара немедленно считывается дополнительным контуром. Необходимая корректировка выполняется почти сразу, прежде, чем возмущение от парового потока воздействует на температуру воды. Если произошли изменения температуры воды на выходе из теплообменника, чувствительный элемент воспринимает эти изменения и ведущий контур регулирования корректирует уставку регулятора в ведомом контуре регулирования. Другими словами, он устанавливает контрольную точку или "смещает" регулятор в ведомом контуре регулирования так, так, чтобы скорректировать расход пара, с целью обеспечения заданной температуры воды. Однако, это реакция регулятора ведомого контура регулирования на изменения расхода пара уменьшает время, требуемое для компенсации влияния возмущения со стороны парового потока.
Эмуляторы
