Автоматизированные системы управления химико- технологическими

Автоматизированные
системы управления
химикотехнологическими
процессами
Доцент, к.т.н., Вильнина Анна Владимировна
1
Магнитные газоанализаторы
В магнитных
газоанализаторах, относящихся к
анализаторам бинарных смесей,
концентрация определяемого
компонента измеряется по
изменению магнитных свойств
газовой смеси.
2
Электрохимические газоанализаторы
К электрохимическим газоанализаторам относятся
устройства, в которых выходной сигнал определяется
электрохимическими явлениями, происходящими в
электродных системах, погруженных в анализируемый газ
или контактирующий с ним раствор.
Электрохимические методы в основном используются
для анализа жидкостей.
Различают кондуктометрический и
потенциометрический
методы анализа.
3
Измерение концентрации растворов
1. Денсиметрические анализаторы –
пьезокомпенсационные плотномеры
2. Ультразвуковые анализаторы.
4
Автоматизированные системы управления
химико-технологическими процессами
• Механизация производственного процесса - замена
физического труда человека работой механизмов,
получающих энергию от какого либо источника.
• Автоматизация производственного процесса - замена
физического труда человека, затрачиваемого на
управление механизмами и машинами, работой
специальных устройств, обеспечивающих это управление
(СУ)
• Автоматизация управления - замена физического и
умственного труда человека, затрачиваемого на
управление работой технических средств,
обеспечивающих выполнение задач управления.
5
• Автоматизированная система управления разновидность систем управления, включающая
технические средства, которые обеспечивают замену
физического и умственного труда человека, но требуют,
затрат труда для своего обслуживания и выполнения
отдельных функций управления.
• Автоматическая система управления - разновидность
систем управления, включающая технические средства,
которые обеспечивают автоматический сбор, обработку
информации, в том числе принятие решения и
реализацию принятого решения.
6
Управление заключается в сборе информации (данных
о ходе технологического процесса), ее переработке и
формировании и реализации управляющих воздействий для
изменения хода процесса, направленных на достижение
некоторой цели.
Технологический объект управления (ТОУ) – это
совокупность технологического оборудования и
реализованного на нем по соответствующим алгоритмам и
регламентам технологического процесса.
7
Цель управления – достижение желаемых результатов
функционирования объекта.
Например:
• Получение максимального количества
высококачественного продукта при переработке 1 т.
сырья
• Получение максимальной прибыли при переработке 1 т.
сырья
• Минимизация энергетических затрат на переработку 1 т.
сырья и т.п.
8
Чтобы привести объект управления в желаемое
состояние, ведущее к достижению цели управления,
необходимо воздействовать на некоторые параметры
состояния, называемые управляемыми (регулируемыми)
параметрами.
Управляемые параметры являются выходными
сигналами (выходами) объекта управления (температура,
давление, концентрация и другие переменные,
характеризующие состояние объекта).
9
Воздействие – управляющее и возмущающее.
10
Принципы управления
а) управление по задающему воздействию
б) управление по отклонению
в) управление по возмущающему воздействию
г) комбинированное управление
11
Принципы управления
Управление по задающему воздействию (принцип разомкнутой
системы управления)
𝑌 𝑡 = 𝑌𝑈 𝑡 + 𝑌𝐹 (𝑡)
ОУ – объект управления;
УУ – управляющее устройство;
ЗУ - задающее устройство;
Y - управляемая величина;
F - внешнее возмущающее воздействие;
U- управляющее воздействие.
YЗ – заданное (желаемое) значение управляемой величины.
12
Принципы управления
Управление по возмущающему воздействию (принцип
компенсации)
F1 - контролируемое возмущающее воздействие;
F2 - неконтролируемое возмущающее воздействие.
U - вырабатывается таким образом, чтобы скомпенсировать
вредное влияние контролируемого возмущающего воздействия
(F1).
13
Принципы управления
Управление по отклонению (принцип обратной связи)
14
Принципы управления
Комбинированное управление
15
Классификация систем управления
По характеру изменения задающего воздействия:
 Система автоматической стабилизации
 Система программного регулирования
 Следящая система
 Экстремальные системы
 Адаптивные системы
Функциональная схема экстремальной системы
УАПЭ - устройство автоматического поиска экстремума
16
Классификация систем управления
По способу организации:
 Непрерывные
 Периодические
 Циклические
По числу контуров
 Одноконтурные
 Многоконтурные
17
Классификация систем управления
По числу управляемых величин
 Одномерные – одна управляемая величина
 Многомерные
 Системы несвязанного управления, используют
одноконтурные САР
 Зависимые
 Независимые
 Системы связанного управления, используют
многоконтурные САР
18
Классификация систем управления
По характеру управляющих воздействий
 Непрерывные
 Дискретные (импульсные, релейные)
По виду зависимости установившейся ошибки от внешнего
воздействия
 Статические (ошибка стремится к постоянному значению)
 Астатические (ошибка стремится к нулю)
19
Классификация систем управления
По энергетическим признакам (регуляторы прямого
действия)
По математическому описанию
 Линейные
непрерывные
 Нелинейные
дискретные
дискретно-непрерывные
20
Структурные схемы САУ
 Алгоритмическая структура САУ
 Функциональная структура САУ
 Конструктивная структура САУ
21
Функциональная схема САР
22
Качество процесса управления
Типовые виды возмущающих воздействий
Переходный процесс – изменение выходной величины
системы во времени с момента нанесения воздействия до
прихода ее в новое установившееся состояние.
23
Качество процесса управления
𝑦 𝑡 = 𝑦𝑐 𝑡 + 𝑦вын 𝑡
Изменение выходного сигнала САР:
 Апериодический переходный процесс
 Колебательный переходный процесс
24
Качество процесса управления
Задача САР – устойчиво поддерживать заданное значение
регулируемой величины в зависимости от внешних
воздействий или изменять ее по определенной программе.
Под устойчивостью системы понимается способность
возвращаться к состоянию установившегося равновесия после
устранения возмущения, нарушившего указанное равновесие.
Прямые показатели качества процесса регулирования:
• установившаяся ошибка;
• время регулирования;
• степень затухания;
• перерегулирование;
• динамический коэффициент регулирования.
• .
25
Качество процесса управления
𝜀 𝑡 = 𝑦зад 𝑡 − 𝑦(𝑡)
Установившаяся ошибка:
 Статическая
 Динамическая
26
Качество процесса управления
Время переходного процесса (регулирования) –
продолжительность переходного процесса, охватывающего
временной интервал от момента внесения возмущающего или
управляющего воздействия до достижения управляемым
параметром нового установившегося значения с заданной
точностью
27
Качество процесса управления
Степень затухания: 𝜓 =
А1 −А3
А1
∙ 100%
𝜓 > 0 – колебания переходного процесса затухают
𝜓 = 0 – колебания переходного процесса незатухающие
𝜓 < 0 – колебания переходного процесса расходятся
А2
Перерегулирование: 𝜓 = ∙ 100%
от 10 % до 30 %.
А1
28
Качество процесса управления
Величина динамического коэффициента Rd характеризует
степень воздействия регулятора на процесс, т.е. степень
понижения динамического отклонения в системе с регулятором
и без него.
𝑌1
𝑅𝑑 = ∙ 100%
𝑌0
29
Качество процесса управления
Классификация показателей качества состоит из нескольких
групп:
 прямые - определяемые непосредственно по переходной
характеристике процесса,
 корневые - определяемые по корням характеристического
полинома,
 частотные - по частотным характеристикам,
 интегральные - получаемые путем интегрирования функций.
30
Качество процесса управления
Из устойчивых переходных процессов в качестве оптимального
(удовлетворяющего технологическим требованиям) выбирают
один из следующих:
1. Апериодический процесс с минимальным временем
регулирования
2. Процесс с 20-процентным перерегулированием и
минимальным временем первого полупериода колебаний
3. Процесс с минимальным значением интеграла от квадрата
∞ 2
ошибки 𝜎 = 0 𝜀 𝑡 𝑑𝑡
31
Объекты управления
Объект управления является частью системы управления,
представляет собой динамическую систему управляющих,
возмущающих воздействий и управляемых величин.
32
Объекты управления
Классификация объектов управления:
 Одномерные и многомерные объекты (по количеству
входных и выходных величин)
 Односвязные и многосвязные объекты
Односвязный объект – объект управления, в
математической модели которого каждая входная величина
влияет только на одну входную величину.
33
Объекты управления
Классификация объектов управления:
 Линейные и нелинейные объекты (по виду статических
характеристик )
Необходимым условием линейности объекта управления
является соответствующая взаимосвязь между входным
воздействием и реакцией объекта на это воздействие, т.е
справедлив принцип суперпозиции.
 Объекты с сосредоточенными и распределенными
параметрами
34
Свойства объектов управления
 Емкость – способность объекта накапливать или сохранять
вещество или энергию.
Коэффициент емкости – количество вещества или
энергии, которое необходимо подвести к объекту или отвести
от объекта, чтобы изменить величину регулируемого параметра
на единицу.
Различают одноемкостные и многоемкостные объекты.
Емкость характеризует инерционность объекта.
35
Свойства объектов управления
 Самовыравнивание - способность объекта без участия
регулятора входить в новый режим работы.
Нейтральные (астатические) объекты (без самовыравнивания)
Пример: гидравлический резервуар с откачивающим насосом.
Устойчивые (с самовыравниванием)
объекты.
Пример: гидравлический резервуар
со свободным стоком.
Неустойчивые объекты
(с отрицательным самовыравниванием).
Коэффициент самовыравнивания 𝜌 =
1
Ко
36
Свойства объектов управления
 Запаздывание - промежуток времени от момента нанесения
возмущения до начала изменения регулируемой переменной.
Различают чистое (транспортное) и ёмкостное (переходное)
запаздывание.
Транспортное запаздывание
Переходное запаздывание
37
Методы определения свойств ОУ
 Аналитический метод - составление математического
описания объекта.
 Экспериментальный метод – определение характеристик
объекта путем постановки эксперимента .
 Экспериментально-аналитический – составление
уравнений, на анализе явлений происходящих в исследуемом
объекте.
38
Линеаризация уравнений
Статической характеристикой объекта называется
зависимость его выходной величины от входной в
установившемся режиме.
xвых = kxвх,
где k – коэффициент
усиления (передачи) звена,
показывающий, во сколько раз изменение выходной
величины больше или меньше изменения входной
39
Статические и динамические свойства ОУ
Переходная характеристика (кривая разгона)
40
Динамические свойства ОУ
 Коэффициентом усиления называется величина,
показывающая, во сколько раз данное звено усиливает
входной сигнал (в установившемся режиме)
 Установившееся значение выходной величины Хуст - это
значение Х при t → ∞
 Емкостное запаздывание зависит от емкости объекта
регулирования
 Транспортным (динамическим) запаздыванием τd
называется промежуток времени от момента изменения
входной величины У до начала изменения выходной
величины Х
 Постоянная времени обьекта Т
41
Преобразование Лапласа
В общем случае дифференциальное уравнение, связывающее
входной и выходной сигналы линеаризованной системы, имеет
следующий вид:
а2 𝑝2 𝑦 𝑝 + а1 𝑝𝑦 𝑝 + а0 𝑦 𝑝 = 𝑏1 𝑝𝑥 𝑝 + 𝑏0 𝑥 𝑝
42
Передаточная функция звена
Передаточная функция показывает, какое действие совершает
звено над входным воздействием.
𝑥вых (𝑝)
𝑊 𝑝 =
𝑥вх (𝑝)
Введение передаточной функции позволяет:
1. Динамические свойства звена (системы)
2. Оценить устойчивость системы
3. Определить тип звена
43
Структурные схемы
44
Типовые динамические звенья
Безынерционное звено
45
Типовые динамические звенья
Инерционное звено 1-го порядка
46
Типовые динамические звенья
Звено транспортного запаздывания
47
Типовые динамические звенья
Статическое звено второго порядка
48
Типовые динамические звенья
Идеальное
интегрирующее звено
Реальное
интегрирующее звено
𝑛 = 𝑘𝑈
𝑑𝑎
𝑑𝑡
𝑛=
1 𝑑𝑎
2𝜋 𝑑𝑡
= 2𝜋𝑘𝑈
𝑎 𝑡 − угол поворота якоря − выходная величина
U(t) – напряжение – входная величина
49
Типовые динамические звенья
Идеальное (безынерционное)
дифференцирующее звено
Реальное (инерционное)
дифференцирующее звено
𝑑𝑦(𝑡)
𝑇
𝑑𝑡
+ 𝑦(𝑡) =
𝑑𝑥(𝑡)
𝑘
𝑑𝑡
50