автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Регулирующие устройства с расширенными функциональными возможностями для автоматизации химико-технологических процессов

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р Г Б ОД

На правах рукописи

ФРОЛОВ АЛЕКСЕИ АЛЕКСЕЕВИЧ

РБГУЛИРЖГДВ УСТРОЙСТВА а РАСВШРШШН ФУНКШОНДЛШЫМИ ВОЗНОЯИОСТКШ ря АВТОМАТИЗАЦИИ ШЛЖО-ТЕХНОЛОГЙЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических Наук

ТУЛА - 1995

Работа выполнена в Тульском государственном университете.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Говоров А.А.

Официальные отюнонта - доктор технических, наук,

профессор Арсеньэв Ю.Н.

кандидат технических наук, Саломыков И.О.

Ведущая организация - Акционерное общество "Азот"

г. Новомосковск.

Запита диссертации состоится " ¿О " ^_1935 г.

в у^^часов на васодании диссертационного совета Д 083.4?.04 Тульского государственного университета по ■ адресу» ' 300600, г.Тула, пр.Ленина, 92 (учебный корпус Н9 В, ауд. 101).

С диссертацией мокло ознакомится в библиотеке университета.

Лвторефорат разослан " " _1995 г.

Ученый секретарь диссертационного сонета

к.т.н., доцент у Корякин О.Г.

- 3 -

ОПНЛЯ ХАГЛКТЕШСЯЕНА ГЛ1ЮЦ| 'лту.г'мюсть Иитонсгфшшия хмшко - тоятолоппои-и,?

процессов (ХТП), рост мощности и произвол* те.« »кн;пг проуик/пси установок, возросши гробогапия к качеству топорище продуктов (Г)Ч минимизация потерь сирьл, материалов, зипрпш) и состорда.> окруиащоЯ сродн и прошплешнх зонах тробуют шдаержттл (оптима.лытх) тохлологичаг;йх р'зшдов с высокой точность». В ракшах промшшэтте установки, как объекта управления, Г'-т: т повышенную сложность из-за большого числа входннх воздейстггГс и неконтролируемых факторов, а татстс из-за идарщкнтости я запаздывания процессов управления, нестащгоизрностн I! нминоГпю'пп статических п динамических характеристик. .

Наличие или преобладание в каждом конкретном случат раакп .'п. свойств (инерционность, запаздывание, нелинейность и т. л.) промшленннх объектов управления согласно фундаментальному а?г;оп¥ кибирюпти "принципу НвОбХОЛЯМОГО разнообразил ЭЯбИ" совергшпюо управление достигается тогда, когда управления оддаияч по всем своим характеристикам и , в частности , по сложнооп V неопределенности объекту управления) обуславливает не об ходи! п? г ь построения индивидуальна* рогулнруквди устройств о расвироЕиЧ'П' функционалышми возможностями (РУ а ГФВ) .

Под РУ а РРВ будем о •дальнейшем понижать устройства, реалиэуюалэ, помимо основного закола регулирования (П, ПИ, !Ш, ШП),' алгоритмы защити от насшясния (■онтинасншенпе) и ограничения внходного сигнала, алгоритмы "безударного" (плавного) переключения режимов , алгоритмы коррекция выходного сигнала, я также различнее комбинации этих алгоритмов.

По проблеме расширения функниопялыгах возможностей Р,У имеется иного различных публикаций, Алгоритмы функционирования регуляторов с защитой от насыщения и безударного переключения рассматриваются в работах Ялшпева А.У. и Разоренова О.И., Мининой О.М. и Круг Е.К., других авторов. Различные конструкции ГУ о защитой от насыщения (Р.УЗН) разработаны в центральном научно-исследоватольском институте комплексной автоматизации (ЩПШКЛ), НИИ теплоэнергетического приборостроения и в других организациях. Извесгт; разработки в отой области фирм США, Германии, Полыни. Работа по исследовании и применению пневматических РУЗН для химико-технологических процессов

гяшолнллись на протяжеккц ряда дот в Тульском гсоударстаонноы техническом университете по заказу АО "ЩШШОАЗОГ".

Учитывая достигнутые результата в области разработки и пригАЯюшя РУ с К® следует отмотять, что ■ резерва повшоипя качества регулирования в химико-технологических. процессах ва счет нсполь»опаш1Я оригинальных алгоритмов далеко hü исчерпаны. Этот факт стимул!фует дальнейшее проведение научно-исследовательских работ по созданию попах принципиальных схем й алгоритмов функционирования ГУ с РОТ.

Цель работы. Разработка (на основе ужо кшвдэгося в этой области ош1тв) принципиальных схом и алгоритмов функционирования FJ a IIB, штодики моделирования и оптимизации параметров ЛОР с Р®3 для сбтоктоп управлять первого порядка с запаздыванием в управляющем к шале как с; самовнравшвашем ОшерциошаШ объект), так и без Него (интегральный объект).

Сформулированная таким образом гэдача включает в csßßi

1.Разработку новпх обядах принципов построения РУ с PCB, получение на их основе оригинальных и более ефктнвних олгоритеоа Фумщионщювант и структурных схем ПИ- и ШЩ-рогулятороп, иопыиагоктх качество регулирования непрерывными ХТГ1.

2.Разработку методики, алгоритмов й программ моделирования я' оптимизации АСР с РФВ на ПЭВМ; проведение сравнительного анализа работы АСР с ГФВ с различными типами РУ на основе расчета основных показателей качества переходных, процессов в таких ЙСР, выработку рекомендаций по выбору алгоритмов функционирования РУ и. инженерной митодики их настроек,

3.Получение исходных дашшх для создания серии промышленных РУ с РФВ; техническую реализация й внедрение результатов научных исследований на предприятиях химической промышленности с использованием элементной база шювмоавтоматикй и микропроцессорной техники.

Научная новизна. Разработаны общие принципы построения РУ с РФВ.Предложены оригинальные принципиальные схекн и влгоритш функционирования ГМ- и ПМД- регуляторов с РФЛ, повшаодиэ качество регулирования и позволяющие решать дополнительные задачи в непрерывных XTI1. На основе оптимизационно-имитациойного подхода разработаны методика, алгоритмы и . программы исследования ц

глшмизащщ динамики ДСР с РФВ на ПЭВМ. Проведен сравнителишЯ анализ качества АСР с РФВ с различными типами РУ, позволивший дать рекомендации по практическому применению новых Р.У и предложена инженерная методика их настроек.

Результаты научных исследований и разработок, зящнщешша авторскими свидетельствами на изобротения, использованы при внедрении р производство микропроцессорной АСР температуру в технологическом процессе очистки сбросных газов производства кяпролактама, АСР загрузки и подготовки раствора катализатора и АСР температурного режима конвертора метана.

Практическая ценность.- Предложенные алгоритмы-РУ с РФВ удобны для инженерного использования при проектировании и модернизации АСР XT1I.

Разработанные методика, алгоритмы и программы исследования л оптимизации динамики АСР с РФВ могут быть использованы дли р^шышя разнообразиях задач анализа и синтеза систем управлении (СУ) с' лилейными и нелинейными алгоритмами функционирования РУ.

Проведенный сравнительный анализ РУ с РФВ дает возможность выбрать наиболее подходящий для практической реализации алгоритм функционирования РУ.

Реализация работа. Результата работы нашли практическое применение в АО "1ЦЕКШОАЗОТ" гфи разработке АСР технологических процессов производства капролактама.

внедрение АСР с РФВ позволило повысить производительность XTI1, сэкономить энергетические и материальные ресурсы, упростить обслуживание и поеышггь надежность СУ.Экономический эффект от внедре РУ с РФВ в АО "ЩЕКИН0А30Т" составил 68 тысяч рублей в ценах IS9I год» Многие разработанные РУ с РФВ имеют межотраслевое значение, и техническая документация для их внедрения на других предприятиях передана Тульскому ИНТИ. ' Три разработки защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

Практические рекомендации, полученные в результате исследования и сравнительного анализа алгоритмов функционирования РУ о РФВ, могут быть использованы при разработка АСР разнообразными непрерывными ТП в химической, фармацэвтичбской и других отраслях промышленности.

Пневматический ПЙ-регулятор с РФВ (условный шифр ПР3.37) прошел типовые испытания ita Московском заводе точ'шх измерительных приборов ^Тизпрйбор" с цельЬ организаций серийного производства.

¿нробщщ работа. Осыоиш псишенвз дассертшиояяой робота Сшл нзлокекы в вида докладов на различит Всесоюзных И Всероссийских научно-технических кон&зранщшх в Пензе (19Э0 г.)> Суздалю (1990 Г.), 1'улэ (1987, IS90, 1993 гг.),

Иублякадоа, Основное содержание диссертации опубликовано в & статьях, 2 авторских свидетельствах на изобретет® и одном патента.

Структур» и обьеа работы» Диссертационная работа состоит во ыъдеиая, пяти глав, заключения, описка литература и приложений. Работа аздогена на ~120 страницах основного текста, содоргит 51 страницурисунков, 4 страниц« таблиц п байшогра|ачвекка список рз TS машэнованяй.

ОСНОВНОЕ СОДЕРНАШЕ РАБОТЫ

Во Еведоыпп обозначен круг исследувиой проблемы, обосношваотся актуальность чет, в общем шдо формулируется цель даосвртбцвошой работы.

В первой главе представлен обзор цо тело диссертационной работу, сделан выбор типовых моделей объектов управления (ОУ) для исслсдо .гшия AGP с P4S, подробно сфарму-Екроваднн еадачи исследования.

¿нализ дэйствувдих на химических предприятиях автоматических систем регулирования (ЛОР)» состоящих кз вдошйтов пневмоавтоматики, показнвает, что в них, как правило,' используются вадускае^ью отечественной промиожшюотью рагулнрущшэ устройства (РУ), реализующие стандартные П, ПИ, ГШ и 1Щ - закона управления. Круг функционалышх воэмоаностой таких . РУ не выходе за ршха рогулкровагля по отим закон®.!, D последнее время появйлаоь микропроцессорные обладакщйэ дополнительном оврвишищ

функциями, • однако их универсальность, ориентированная но широкий класс объекг >и, не всегда позволяет добиться вялаойо^о результата от использования отих дмкшште льнах • функций. К тону 2Я йэсТКиЗ требования к Покаро- л взривобоЕскасШатп на предприятиях хк-шескоЙ промьвленнооти 1ю гаозволязт .'в «одной laps .попользовать кг'крэяроцэосорнне Щ с Их болта богшчлй! фдашдошдас&З К031КЛ100ТЯЧИ.

Ирохшцешше объакги в, теемзскоЗ прощкд81дюо$и teaato'i) ряд особенностей. 'К етш особенной.^ обгйктоа отдоятсяi суеаотрепЦйЙ B6.v.jji6iieocTb. ьшшздодоше« Яаогыаюнарпасть t о'олмшя ашрщ'.ощйогЬ, неполнота вщорааЦии -t др» Ьяоддо о№»кт» lii"ci

эозмоетюотп стаидэртшх линвШвд регуляторов, работагящх в атах' условиях.» orpaini'^im, Из-за существенной нслптЯносги обтектсв управлять сОлзств уото.Фгавостп ляпзйшя ДСР недостаточна, о в критических рэгоках работы объектов ллиэйтгоо упрашлипэ продассо;: становится практачэрш! ненрнгодгым,

Как показал рроводойгай по темэ обзор, задача повотг-чия качества рзгулировангет хштео-мхяолопдасктэд процессам! (XTíi) путем paspsOoTjta ориггагалышх алгоритмов по является повой, однако остается актуальной И нп данный момент, Гредпсшешш в репетти отсй задачи отдается алгоритмам, рволйзукэды рекам работы рогулятор"п о переменной структурой (ШО). Пршлэнешю FI10 является одним ¡.;з дарспектшшя »апраилогай! улучшения данамцтш переходник нрсцзссов v ЛСР.

При создания FI pasen йэ ташсо jrx псрмзлыш;! fуикдаонировашш, ко и другта рояззгн работа, текпэ, как шрёктетввэ с ручного да аотоггтгюскод управление, Ган как регулятор ютится двйзмкчйскоЯ системой, необходимо гарантировать уяовлэтвориголыюч поведение снстоги пта nopeturmotwmt ручного л ввтокэягоекого родагав рогу^ропаишь Иогда сиотекя находится э ручной pf»r.""j, регулятор ввраватнвгот ?правляш?Гс сигнал, вотора.1 иохвт огли'мться РТ спцша, оодававкот оператором, Восмозэтость . осупествить "безударный" переход oí . ручного управления к автоматическому является пагкч?! фушшоналышм достоинством РУ.

v Регулятор о ииогрзрудагм екэном - это, вооосуз говоря, неустойчивая система. Era потенциальная неустойчивость пр;< определенная сйотслтольстпах пакет привести я сорьезнь-м неприятности 1, п momo н "насиЕЗШяэ" регулятора. "Насыщение"-произойти, БйГ4 шход дооиw eopxHoí! (нияяей) границы» а регулятор продолжает интегрировать ошибку. В эгоЛ случае сигнал ид шходо интегратора мозкет достигнуть очень большого значения, и потребуется много времени, чтобы вернуть ого в нормальное положение. Создание и применение алгоритмов функционирования РУ с "антинаензюнием" и ограничением выходного сигнала существенно расширяют функциональнее возможности автоматических систем регулирования (ЛСР).

При Автоматическом управлении объектами, подверженными действии значительных возмущений, Часто требуется оперативно корректировать выходной Сигнал РУ, например, подавать упрежпядата

rmдействия па исполнительные механизмы, если о нарушениях технологического процесса известно заранее м еще до начала к&шдаивя регулируемых параметров, что позволяет резко улучшить качества регулирования. Алгоритмы функционирования регуляторов с коррекцией выходного сигнала взводят их в класс РУс Р5В.

Таким образом, под РУ с РФВ будем в дальне£гшэм понимать устройства, реализующие, помимо основного закона регулирования (П, ИЛ, ИД, Шип, алгоритмы защиты от насыщения (антинаснщение) и ограничения выходного сигнала, алгоритмы "безударного" (плавного) переключения режимов , алгоритмы коррекции выходного сигнала, а тзгеке различные комбинации этих алгоритмов.

К настоящему времени опубликовано больное количесто статей, несколько монографий, посвященных разработке и Исследовании регуляторов, улучшающих качественные показатели управления химико-технологическими процессами. Различные конструкции РУ с РФВ разработаны в ЦИНИКА и НИИ теплоэнпргетического приборостроения (г.Москва). Из зарубежных фирм следует отметить разработки Siemens (JIT), sisteme Elettronioi (Италия), Ricoh со..Ltd. (Япония), Honeywell (Англия) И др.

Для оценки эффективности работа АСР необходимо иметь максимально приближенную к реальной математическую модель система. Определенные трудности при анализе и синтезе систем с (РФВ),' обусловленные их нелинейностью, возникают из-за отсутствия оригинальной методики математического моделирования для таких систем.

Наиболее распространены в химико-технологических процессах модели объектов управления первого порядна с запаздыванием в управляющем канале как с самовыравниванием (инерционный объект), так и без него (интегральный объект) (Шигии Б. К., Шински Ф.). Эти модели приняты в качество типовых, (базовых) динамических - моделей объектов управления для разработки и исследования А СКВ, что значительно упрощает изучение динамических свойств АСР И позволяет провести исследования в более общем виде.

Из анализа литературных источников делается вывод, что растущие требования к качеству управления настоятельно требуют создания новых, более эффективных алгоритмов функционирования РУ, обеспечиватаих по сравнению с- известными более высокие йинамическиа показатели качества переходных процессов.

Ро ртсрсй глава на основа предложениях принципов построения 1У з МВ разработаны шесть ' новых алгоритмов функционирования и зтруктурних ■ схем ПИ-регуЛяторов и два алгоритма функционировании "¡¡ТД-регуляторов.

В системах управления производственными процессами часто используются исполнительные механизмы, прадставлявцие собой «линейности типа насыщения, когда нижняя и верхняя границы соответствуют полностью открыто?,(у или закрытому положениям. Коли эти челинейности не принимать во внимание, то в системах автоматического регулирования могут возникнуть Серьезные сложности (К.Остром, З.Йиттонмарк). Все сложности происходят от того, что регулятор даше.тся динамической системой, Поэтому необходимо следить за тем, ¡тоСц регулятор Должным образом реагировал на насыщенна управляющей гаременной. В связи с ' этш предлагаются новые алгоритмы 1.'уиниио1шрова1шя и разработанный на ЦХ основе структурные схеш .тропарционально-интегральнщ: регуляторов с защитой с;т насыщения, шстроейнне по прщшдпу ограниченной защиты от Насыщения. Такие ;)8гул.Т!'Ора имеют ряд преимуществ по сравнению с ПН-регуляторами, ээалкзувдкми заэдту о? Насыщения беа ограничения.

К ним относятся*

- пропорционально-интегральный регулятор о ограниченной на заданном уровне защитой от насыщения по выходу регулятора, регулятор этого типа реализует ограниченную на заданном уровне Л защиту от ваеыиешш интегральной частй.

Процесс ограничения выходного сигнала в данном типе регулятора ю сопровождается автоколебания,га, так как все элементы узла защиты тт насыщений (УЗН) работают практически в непрерывном реиша.

пропорциональг:о-;1нтогрэлышй регулятор с переменной структурой зепщто'Л от наошчения при оптимальной постоянной времени ,'птегрнровзНия Т,',. Алгоритм функционирований такого регулятора с мршюгаюЯ структурой и зо'.тлтоЛ от нйсндания предусматривает з?..'!3йе!ш структур;! при отклонена« виходиого сигнала за /стаповдешмз пределы р , с целью вицатн ого от пасмщздшя. В г«гуд,т)оро итого ткпо предусмотрена шоп видегга от насыщения по й».?о»у ¡ттегратсра, Постчгшшю,'! цель достигается перезадзяиш.» тосуошюб брш&йй ¡1нто!'рт;роп8ни,1 Г,, па оптеыояыюз Т* для данного ряиога снсто?.;!! при Нарушкпп ^сЛ0Ш!Й1

- 10 -рн^рр«рв ■

или

Р1ЗД ^H € (2)

Для этого типа регулятора э era структурной схеме предусмотрен

переключатель, который позволяет изменить рекам аевдтн от насщанпя

по внходу щтегратора на режим защита от насыщения по рнходу

{ьч'улятора и нсоОорог, Алгоритм функционирования регулятора q 31Î по

внходу интегратора аналогичен алгоритму с SH по выходу регулятора

с той лишь разницей, Что проверяются условия (2 ), при которых

ьаходцой сигнал интегратора долввн находиться в заданных пределах.

Наиболее часто защиту от насщеадя . А.СР -осуществляют путей

ограничения только шходного сигнала интегральной Части регулятора

\алгоритм типа-И), или только выхода регулятора (алгоритм тина-Р).

щ..1чем известно, что для ронкрбтНнх условий функционирования АСР

опттаяиши может быть ода аз &тих двух алгоритмов ( Бакенов В.И.).

b AGí- с комбинированной защитой от Насыщения (КЗН) осуществляется

одновременной" согласованное ограничение виходешх сигналов регулятора

и его интегрально?! части, что позволяет Использовать полезные

свойства обоих кдвосшлс алгоритмов. ■ •

Предлагаются новые, болов эффективные глгоритш

функционирования и разработанные на хц основа структурное схемы

Ш-регулаторов с вшитой от насщценщ, цостроенше fjo принципу

комбинированной вавдты oír насыщения, к |соторим отнесены:

- процорвдюнаЛыю-антеградыше . регуляторы ' с шгбщщрованной

»надатой от насидеш'я На выходу регулятора' щ {щтегратора типа

Ш-КЗН-Р/И. Алгоритм функционирований данного тийй регулятора

плодущий: Ecjbî Рн ¡S и ¡s Рв работает Щ- закон регулирования, ■

когда н РБ, то пока ^ к ц = Р -|1«х), при s том |i is Рв - А

если Jkx| > д то: ц = fB - й '

При и < f> , то пока |ia| Д ц = Рч j¡a|, При ото;,! р í Рц + А

если |кх) > А та 'ц = Рц + А

где Рц, Рв - нижний и верхний уровШ ограничения соотвествешо,

и - выходной сигнал регулятора» ц- выходной сигнал интегратора,

h - величина смещения диапазона, х - ошибка регулирования,

lex - выходной сигнал'иропорпйорплъного звена.

временные дашгршма поясняющие работу'ПИ-рогулятора типа К2Н-Р/И

крчдстовлшш на рис. г.

кзг

Рис. I. Временные диаграммы работы ПИ-регулятор-. чша K3I1 Р/1!

- пропорциоиолыю-интегралышо регуляторы с комбшшровышсЛ зсщнтоП от насыщения по выходу интегратора и регулятора типа ПН-КЭН-И/Р. Алгоритм функционировашт ПН-регулятора данного типа, но сравнению с предложенным выше (Щ-ре^улятороа типа КЗН-Р/Н, действует противоположным образом. При малых, ошибках регулирования |2j < ~ происходит защита от Насыщают ira выходу интегратора, а при больших ошибках |х| > реализуется защиуа выхода регулятора, глэ диапазон ограничения выходного сигнала регулятора аира рабочего Диапазона регулирующего воздействия на заданную величину д, что обеспечивает надежной срабатывание исполнительного механизма АСР в его крайних положениях.

При автоматическом управлении объектами, подверженными действию значительных возмущения, часто требуется оперативно корректировать выходной сигнал РУ, например, подавать упреагдаувцио воздействия на испол1штелышо механизм, если о нарушениях технологического процесса известно заранее или еще до начала изменений регулируемых параметров, что позволяет резко улушччъ качество регулирования. Алгоритмы функционирования регуляторов, иострооших ио пранцйпу уярвадвшчЙ коррекции, швойят их в клякс п с PIB.

Регулирую®» устройства данного тша представляют аиъ-й i.o¡4 »ы«.

Риа,2.Структурная схема АСРФВ q ПН-регулятором о коррекцией

рнходааго сигнала

НИ - или ПИД - регулятора, у которых к вцходу интегрально!? части подключен выгодной канал опока формирования сдгнала норрокцщ! (БКК). У регулчгоров с .коррекцией Появляется воемокность оперативного изменения виходдаго" сигнала в. реудша автоматического управления объектом без поревода систем на дастанцздащюв гш ручное управление, *¡tq расишряе? фушщкоиаяыша возшиюсти ря-уляторч» Причем, ее® корректировать выходной сигнал ИГ при'Перехода м peia&J автоматического упраЕЛэй1;яв то устрашится сигналу на выходе

(безударное шроклвчедае peiamifh 450 позволяв» ßpauy устаиавлащиь задание на требуемо« уровне. Оперативной сиеаатольстйо в работу регулятора (особенно регуляторов), при ргшачшис возкуцешях технологического режима позволяет повпеить дщшдчоокуй точность процессов р-гулгроЕашм( раезнрягь рОласть .'ярцшне&зя регуляторов данного типа. • . '

Структурная схема ЛСМВ, о ttil-рогулятором а коррекцией ,к;;:одного сигнала врздетаплена на рио. Я. Ода состоит ga взойпога одедаора I, пропорционального арена 2< щтеграпьяого 'цвоПа 8, öiixojujoro сенатора блока формировании сигнала коррекция 8, шюдка ручной коррекция 6» емкости 7 на шходо iatrörpaabnafo önaita.

Коррекция шходного едшгда 1з _ дггпеи ригуля'уорз koí^s с/суч!)ствия»ь',в как iiyic» аэдо&-?31№1 К шгоду Ь1'лгрсл:ю'са Сйо1Ц (Já"0K) , тек il пЬднл: ieiüiéu. шила керреищгд от ручного Ьадатчаиа

РКОр через кнопку корре^.ндгд, Спгна.л, поступался из к-лгаа коррекция Р;;0р тлеет произвольную (по годашио оператора) форму. Сигнчлы, поступающие от БФСК, рмопт заранее заданную форму и выбираются в соответствии! о рзкскеццвциягп! по настройке из таблицы. Рекомендации по внбору форты й параметров Корректору гдэго сигнала вытекают да требований технологического процесса п результатов моделирования ДОГ с таким тцпом регулятора из ШВ!,(.

В ГВД-рвгулятора.ч ггрч длительном действии на входа огаибки рассогласовать бдцого знака происходит "насыщенна" как интегральной, так п дифференциальной составляющей выходного сигнала. Поэтому в ?зкнх РУ необходимо одновременно воздействовать на интегратор -т дифференциатор с целью недопущения "насыщения" еыходного сигнала регулятора. Защита от "насыщения" здесь монет свестись к воздоЯовиго па И- и Д-составляршпэ либо пря шходэ за предел!! ограничения сигналов соответстпувдях блоков, либо при выходе за пределы ограничения выходного сигнала регулятора.

Предлагаются яза новых алгоритма функционирования и соотвотствугсциэ [Л двэ структурные ьхош ПИД-рвгуллторов, которые реализуют: зэооту от "насыщения" И ограничение выходного сигнала при оптимальном параметре соотношения 7; ограниченную защиту выходного сигнала • от "яасшценил" с оптимальотмй параметрами 7, Т*. изменение структура ц настроек регулятора при ограничении выходного сигнала. К ним относятся: '

прспордаонэльно-штегрально-диффзрендаалышй регулятор с ограничением выходного сигнала н оптшшыпм параметром 7 тяпа ПВД-ОВС-7. В регуляторе этого пша пснлючается возможность превышения суммарны:.? внходтшм сигналом регулятора установленных пределов изменения, благодаря чему обеспечивается улучшение динамических характеристик систем регулирования, вследствие реализации явления "антшаейцешя". При атом обеспечивается оптимальное соотношение 7 мекду приращениями интегральной п дифференциальной составляющих закона регулирования в процессе ограничения выходного сигнала# что способствует повышению точности регулятора.

. - проюргиюнвльно-йнтзгрзльно-даффаренциальннй регулятор с переменной структурой и оптимальными параметрами' 7, Т*, Тд. в регуляторе этого тктга ограничивается выходной сигнал не уровне Рп,

Рг, до момента, пока ошибка регулирования но прввыааэт ваданный уровень Ь. После превышения атого уровня в интеграторе и ■ дифференциаторе происходит замена начально задаявдх постоянных времени Ти, Тд на оптимальные для датюго реиийа работа систем! постоянные времени Т*, Т*. Благодаря этому [значительно повышается точность регулятора.

В третьей глазе на основе оптимизационно-имитационного подхода разработана оригинальная методика и алгоритмы цифрового моделирования и оптимизации сложных нэлкнейных автоматических систем регулирования с расширенными функциональными возможностями (АСРСЗ) для хга-шко-технологических процессов с запаздыванием при детерминированных, случайных и параметричоскпх возмущениях,

Для наследования попользовалась обобщенная структурная схема АСРФВ, приведенная на рис. 3. Она позволяет рассматривать системы с различными Алгоритмами функционирования регулятора п различиями типами объектов управления (ОУ) с запаздыванием в состоянии ¡1 управлении, а также нелинейными объектами с еапаздываниеы.

Структурная схема АСРФВ родершт« I- математическую модель ГШ как объекта управления с запаздыванием ! 2- модель регулятора с различными алгоритмам! работы 3- элемент сравнения! 4- блок формирования задающего воздействия; 6- блок изменения структуры регулятора; 6- блок формирования возмущающих воздействий.

На основе предложенной методики и алгоритмов разработана программа ГОРТ, в которой выполняется построение переходных процессов и в результате определяются показатели качества ДСРФВ при действии ступенчатых возмущений. Программа ГОРТ написана па языка Р'ОйГНАП. Она позволяет исследовать чэщю распространвщщх типа Х7П как объектов с запаздыванием в управляющем канала) инерционный и интегрирующий объекты 1-го порядка, разностный интегрирущий объект 1-го порядка с самовиравниванием и (матричный объект управления (вшпэ 1-го порядка). При ртом определяются шеоть показателей качества АСРФ время регулирования обойденный интегральный ' квадратичный

критерий качества <?к, интегральные квадратичная ,Т2 и абсолютная Лу ошибки, минимальный о, и максимальный выбросы ошибки

регулирования.

Расчет точности АСРФВ при действии случайных возмущений проводится о помощью программы А5ТА5, в которой определяются

Блок формирования задающего воздействия

Блек нзменошш . структуры регулятора

т

Регулятор с расширегпшми функциональными

ВОЗМОЖНОСТЯМИ

X

Блок «формирования иоамущгшцнх воздействий

ТИ1

------

Химико-техиоло-гаческий процесс как объект упраа ления с запаздыванием

Рио. 3. ООобвешшя структурная схема АСРФВ

вероятностное характеристик!! показателей качества регулирования: ■ттоиатическоо ожидание, дисперсия и ннтегрг лышЛ закон распределения - которыми и характеризуется точность систем]. !рсгра; ¡л АЭТАТ наттсана на языке РОНТШН, и состоит иг? трех ш^грограг-'Ч алалюа точности АСРФЭ:иятерпал!на1Сннн1д штоком 1ПТШ' , гатодом статистических ' исютапий (Моите-Нарло) ГЭГТИ и методом ¡.Г.Доступопа В05ТР.

Разработка алгоритма синтеза оптимальной АСРФВ сводится к зеаэнню задач« оптимизации параметров настройки регулирующего устройство. Ввиду того, что аналитическая зависимость показателя сачэотва' работи систем о регуляторами с расширенными функциональными ¡озмойностями от ■ параметров та Настройки неизвестна, синтез штимальной АСРФВ проводится путем поиска экстремальных значений ¡елевой (ХуняЦил, в качеотвз которой шбираэтеп одйа из показателей сячества ¿ШРФ&.В качество'мзтода поиска окстрсмума целевой функции щбрсн .последователышй симплексный метод. Симплексный метод .птиг."азацШ1 с автоматически.! выбором шага позволяет с келаемой ■очйостмэ определять кастойвлояеИП') экстремума.

Прзддодааше плгорпИш и разработанный на их основа комплекс !^бочнк Программ бить исНольЗорашй! для решения разнообразных

пдзч 0И8ЛЙВ& й синтеза ляне'Ь&х И гашюШШ.Ч снотеМ управления.

У г:г.':т) о псйоЛьоованНвМ г.атода имитационного

юдолгррЕ-чйгвд Нсслэ*'оваяа Модель рза&ШоЙ АСР, Изучено ее поведение Утр?! геюгекратны* прогонов" на ПЗБУ Вря раатчннх условиях

функционирования реальной системы, то есть проведены компьютерные ЁКСПьрИШНТЫ с ЫОД8ЛЫ).

для иллюстрации эффективности различных алгоритмов защиты от насыщения Щ-регуляторов получены результаты имитационного моделирования на ПЭВМ систем управления типовым объектом первого порядка с запаздыванием прь действии двух типов ступенчатых возмущений Ы на входе объекта. Регулирующее воздействие, подаваемое исполнительным механизмом на объект управления (ОУ), было ограничено на уровнях ¿1, которые определяют соответствующие заданные пределы изменения сигналов Ри=-1, Рй=+1.

Значение верхдего уровня питания Рвшв равно +2, что сс^четствует давлению питания 140 кПа пневматических приборов. ■Когда аада!шые пределы изменения сигналов в интервала (-1, +1) будут соответствовать стандартному диапазону пневматических сигналов 20 -100 к11а с условным пневматическим нулем 60 кПа. Параметры настройки к , Т^ II- и И-частей. у всех ПИ-регуляторов постоянные и обеспечивают минимальное значение интегральной квадратичной ошибки ^ 0 заданным показателем колебательности (0,7Б) для линейной АСР (при Рц-» -ю, р +«>) (Цирлин А.Ы.). .

При проведении исследований АСР® на ГОШ последо^гтельно изменялись только типы .алгоритмов функционирования ПИ-регуляторов, остальные элемента схемы АСР и их параметры оставались постоянными.

Для сравнения приводятся данные по обычному ПИ-рагулятору без защиты от насыщения с учетом ограниченного па тех кэ .уровнях +1 управляющего воздействия.

Сравнительный анализ данных цифрового моделирования АСР с 1Щ-рэгуляторами с.защитой от насыщения позволяет сдалвть вывод, что даже самый простой алгоритм защиты от насыщения обеспечивает существенное повышение качества регулирования. Дальнейшее усложнение алгоритма в большинстве случаев улучшает качественные показатели. Причем чем сильнее насыщается система управления, тем больше выигрыш от применений защиты от насыщения. Наиболее Высокое качество регулирования обеспечивает ГШ-регулятор о защитой ог насыщения по выходу регулятора. С учетом того» что втот алгоритм цозйолйет расширить функциональные возможности регулятора (безударное пзраклйченйэ режимов, ограничение выходного сигнала на задашшх уровнях), следубт рекомендовать его для преимущественного применения & АСР ХТП.

Лпзл1з р*.{з!стсгяюотг1 алгоритмов фуЕгщяотропприа ГПЩ-рзгулотсроз а Р'В проводился (по гашопго о алгоргтегч-т Ш-регуллторов о.РСВ) яэгодаМ иштоциошого дая<эл1!рова:шя на ГР)ГМ для сбшста парного порядка о оапаздашанием при действия тох иго дгу:г типов соямущэгай по наг узко. Получены результаты нсследовяп'л алгоритмов ЩД-рогулягоров о защитой от насыщения и для срзБгюнмч алгоритма типового ГОЩ-рогуляторэ йео ващити" от насмеши л га ограниченном из. уровнях ¿1 управляющем воздействий. ' Паргга^рч цаотройси ШД-чостн у всех регуляторов постоянные и гнСршга из условия минимума интегрально?* квадратичной сшкбки <Г? дли лкиеЛгсЯ АСР. По каздому Ьоказатвлэ качества откэчош! няплучвие алгоритмов, из которих (югно ваСрзть оптимальный. Для алгоритм ПИД-регуллтора о отгоалщзя настрой«»® т" й Т*, н8йло»1 ;те значения, получзнннэ также из условия гтопвалыгой осиСкп ^

Оравизгелькай анализ прявэдетта данных цифрового модэлироззнтя АСР с олгорйтмзш ЩД-рэгуляторов о РТЗ для 07 о запаздыванием ггпл ртупзнчатнл ройм^пт показывает, что ста ялгоритга в болыкгястгг. случзап обаопочивают повнзоккз качоотш рогулфовгяия по срашотггр о обычннм ТИЩ-регуляторо'1 без задай» от насыщения.

В йягоЛ глет гтрэдлагрзтоя описание разработанных асргп технологически« процзссаьз! о производства кспролэктама на бояо микропроцессорной техники и ппевЪэвтоМаипсн.

Технологически^ процесс очистки овродолс газов организовал ллч' Есюгочвякя .врадавд вйбросов п загрязнэшм Ьтносферя продукт*-."', содэрйзздма рнсокпо дол! СО м органических соединений. Cxsf.fi-: предусмотрено автоматическое регулирование токшратурн газа посот первого слоя катализатора п реакторе кяапанамя пч линий холодного брйпаса, Анализ работы реактора позвойш выявить ряд существенных недостатков, не позволявших получать на ваходо газ высокой степэгн очистки.

Применение в контуре регулирования температур; микропроцессорного регулятора, реализующего елгоритм ПИ-закона о защитой от НаснщеНйЯ И ограничением выходного сигнала, позволят поддергивать нормальную работоспособность роактора. в условиях, когда "старение" катализатора пр1- штатном. рэгулпторо приводило к нэдрНустимому оршееиш качества очистки реакционных газов. Тем сатам срок слупсбн катализатора увеличился в 1,5 раза при одноврэ'-энном

- го -

т>я'.торгй кзчошва протекания {юакцкз окисления.

Полготоркэ раствора кэтатизагора для реактора очистки сбросных тазов п нроипгодотве капроляктама является нэпрврнвннм технологию спим процессом, во время которого происходит растворение •шорпспо порошпо нафтвцатакобальта в жидком (чистом) цкклогексанэ до пиС'ХодимоЯ концентрации.

7Г.п; 1 нормального протекания процесса в реакторе окисления геоходимо, чтобы содержание нафтенатакобальта' в растворе катализатора было строго определенным. Это достигается тем, что во гремя загрузки компонентов раствора неоходимо поддерживать заданный уровень в емкостях для приготовления смеси. Для этого в контуре регулирования потоком циклогексана используется ПИ-регулятор с защитой от насыщения , ограничением выходного сигнала и коррекцией.

Применение данного типа ГУ о РФВ позволило при незначительны; затратах ускорить протекание процесса, повысить качество раствора, что в свою очередь позволило сэкономить энергетические и сырьевыэ

р9С.У]К,'1.

В АО'РТВ температурного режима процесса конверсии метена основным элементом является ИИ-регулятор с коррекцией выходного сигнала ,с безударным переходом на автоматический реким и защитой от насыщения в пневматическом исполнении. Коррекция выходного сигнала регулятора осуществляется пневматическими кнопками "Большо" ¿1 "Меньше', установленными на щите управления.

Конвертор является взрывоопасным объектом., управлении которым представляет довольно сложную задачу. Поэтому использование коррекции в АСР его' температурного--режима позволило повысить качество регулирования при незначительных затратах.

Внедрениэ результатов научных исследований и разработок г производство позволило получить значительный экономический эффект. Применение АСРФВ в химико-технологических процессах позволяет такжэ улучшить их качественные показатели, получить экономию сырья т топливно-энергетических ресурсов. Предложенные алгоритмы РУ с РФВ т требуют больших затрат при их реализации.На них легкс перестраиваются выпускаемые отечественной промышленность» пневматические и микропроцессорные РУ.

- 19 -

•ссиошяз РЕЗУЛЬТАТЫ и вывода

I, разработда ор$тгшшлышэ алгоритмы функционирования и структурные схоки вести различных типол ГПГ-регуляторов н двух типов ПЙД-регуляторов о РФВ, построэнннх по принципам комбйгаравагагой защити от нясшцедая (БН), ограничэшгой ЗН, упрездайщей коррекции, Новые РУ о РФВ позволяют повыоить надежность п качество регулирования в непрерывных 2ГГП.

3. Для типовых модолей объектов управления первого порядка с запаздыванием Н нэлдаейноотыо типа "насидания" на основе оптимизационно - имитационного подхода разработаны методика, плгоритш! анализа и синтеза оптшалышх АОР о РФВ на ПЭВМ.

3. Для разработанных методик и алгоритмов создано прикладное программное обеспечение на языке гоптяди.

4. На основе предложенных методик, алгоритмов и программ проЕодзны исслодовешм и сравнительный анализ качества АСР о Р1В с различными типами РУ, по результатом которых получены рекомендации по практическому применению этих РУ и инженерная методика определения их настроек..

Б. Результаты научных исследований реализованы в химико г технологических процессах? очистки реакционных газов, подготовки' раствора катализатора, конверсии метана в ДО "Щэкюгоазот", Внедрение РУ с Р1В но' производстве позволило повысить надежность и качество процессов регулирования и получить экономический офрокт в 68 тыс. рублей по ценам 1991 года.-

Пневматический Ш-регулятор о РФВ (условный шифр ГГГЗ.37) прошел типовые испытания с целью организации серийного производства на Московском заводе точных измерительных приборов "Гизприбор".

6. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанные РУ с РФВ для автоматизации различных промшплегашх объектов управления. Научно - техническая новизна предложенных в настоящей работе алгоритмов функционирования и структурных схем '.РУ с подтверждаются двумя авторскими свидетельствами на изобретения и одним патентом на изобретение.

- 20 -

даЫШКАЦЖ! ПО ТЕМЕ ЖССЕРТЩШ

1. Паумкин В.Г.., Подсевалов В.В., Фролов A.A. Микропроцессорная система автоматического рогулирования с еащтой оу насыщения// Хишчоская промцяленнооть. 1981. - Н- I. - С БЗ - Б8.

2. Баженов В.И.,- Говоров A.A.', Фролов А.Д. и др. Алгоритмы анализа и оптимизации автоматических систем регулирований с рас&нранннш функциональными вовмокноотямн для хиыико - технологических процессов// Теоретические основы химической технологии. Y. 2S. 1992. - № 4. - О Б62 - Б6Э.

3. Баженов В.И., Говоров A.A., Подсевалов В.В., Фролов A.A. Пневматические устройства предварения с ограничениями сигнала производной. // Пневматические средства контроля и управления '¿¿хнодогнчесюши процессами: Tea. докл. к вокальной конф. - Пенза, 1990. - 0 45 - 46.

4. Баженов В.11., Говоров A.A., Подсевалов В.В., Фролов A.A. Пневматические регулятора о коррекцией выходного сигнала // Шбшогидроввтоыатика и пневмопривод; Тез. докл. Ссесоиз. совец. Суздаль, апрель 1990. Чаогь I. - !,!., 1990. - 0, 100 - 101.

Б. Говоров A.A., Беляев Д.А., Фролов A.A. Комбинированная защита от насыщения АСР кимико - ■ технологических . процессов // Иатематичэскиэ методу в химии (ШХ-8); Тез. докл. УШ Всёрос. конф. -Тула, I9S3. - 0, 203.

6. A.c. 1691818 соср- ШШ с. OS В 11/60. Пневматический пропорционально - интегральный регулятор/ В,И. Баженов, А.И. Бирман, A.A. Фролов и др. - ОпуОл. в ВД„ - 1991, - Н9 42. - 4 о.

Ч. A.c. 1763453'ССОР 1Ш О CS В II/6Q. Пневматический регулятор с ограничениями выходного сигнала/ В.И. Баженов, А.д. Говоров, A.A. Фролов и др. - Опубл. в БИ. - 1992, 89. - 4 о.

8. Пат, ... РФ Wit G 05 В Ii/14! ПропорЦионально-интвгральш-даффервнциалкнай регулятор/ В.If. Баженов, А.Д. Говоров, A.A. Фролов и Др, - Положительное решвнив По ааявке 4868440/24 от 22.09.94. Заявя. 09.08.90.

Подписано к печати формат бумаги бОхб^ J/|6t

Буиага *иногр* а й^фоа^п-^Уоя.пвч.л.М.Гч^-ивд.лЛ.О. Тира* ЮО вка. Ш&ъ й Щ*

Издано в Т-'льзкои гооуд^рошанАы уннверсите»

Отпечатано на ротаприте В'ТулГУ.