Назад в библиотеку

---

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ НА ВЫХОДЕ ИЗ ТЕПЛООБМЕННИКА СМЕШЕНИЯ

Автор: Кравченко А. Д., Жукова Н. В.
Источник: Автоматизація технологічних обʼєктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІV науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 22-24 квітня
2014 р. – Донецьк, ДонНТУ, 2014. – 341 с.

Общая постановка проблемы.

Регулирование теплообменников смешения заключается в поддержании заданного значения температуры выходного потока путем изменения расхода одного из теплоносителей при условии, что основным источником возмущений является расход и температура второго потока, а температура первого потока и удельные теплоемкости веществ постоянны. Для создания необходимого температурного режима в химических аппаратах используют передачу энергии в результате двух и более веществ с разными теплосодержаниями. В качестве базового объекта управления для исследования системы автоматического управления температурой на выходе из теплообменника выбран технологический процесс (ТП) охлаждения сероводородных газов с 750 °С до 450 °С, путем их смешения с воздухом [1].

Анализ процесса охлаждения сероводородных газов как объекта управления, показал, что расход сероводородного газа G2 и температура газа являются основным источником возмущений, а подача воздуха G1 – управляющим воздействием, температура воздуха принимается постоянной [2]. Авторами в [2] был проведен анализ математической модели объекта. Анализ показал, что при обычных возмущениях, наблюдаемых на практике, ошибка в результате линеаризации может оказаться существенной. При увеличении расхода газов на 30% по сравнению с заданным, коэффициент усиления по управляющему воздействию может измениться на 5–20%, а по возмущающему на 25–40% от расчетных, в зависимости от соотношения расходов G1 и G2. Также было показано, что стабилизация отношения расходов G1/G2=g° позволяет уменьшить влияние нелинейности в математической модели, так как при отсутствии других возмущений, кроме G2, будет обеспечиваться постоянство выходной температуры. Наличие других источников возмущения, кроме расхода газа, потребует введение коррекции g° [2].

Анализ структурных схем систем автоматического управления объектами данного класса показал, что хорошо зарекомендовали себя комбинированные автоматические системы регулирования, в которых обеспечивается компенсация основных возмущений и вводится обратная связь по регулируемой координате. На рис. 1 приведены функциональная и структурная схемы системы автоматического регулирования температуры выходного потока с внутренним регулятором соотношения расходов G1 и G2 , таким, что G1 = g(T)G2. При наличии других возмущений, например, изменение теплопотерь в окружающую среду, такая структура будет поддерживать температуру выходного потока в заданных границах.

Основной целью работы, является исследование динамики представленной САР, анализ показателей качества при изменении возмущающих воздействий.

Методика решения задачи.

Анализ процесса охлаждения сероводородных газов как объекта управления, показал, что расход сероводородного газа G2 и температура газа являются основным источником возмущений, а подача воздуха G1 – управляющим воздействием, температура воздуха принимается постоянной [2]. Авторами в [2] был проведен анализ математической модели объекта. Анализ показал, что при обычных возмущениях, наблюдаемых на практике, ошибка в результате линеаризации может оказаться существенной. При увеличении расхода газов на 30% по сравнению с заданным, коэффициент усиления по управляющему воздействию может измениться на 5–20%, а по возмущающему на 25–40% от расчетных, в зависимости от соотношения расходов G1 и G2. Также было показано, что стабилизация отношения расходов G1/G2 = g° позволяет уменьшить влияние нелинейности в математической модели, так как при отсутствии других возмущений, кроме G2, будет обеспечиваться постоянство выходной температуры. Наличие других источников возмущения, кроме расхода газа, потребует введение коррекции g° [2].

Рассмотрим работу САР температуры выходного потока. В качестве исполнительного механизма выберем двигатель постоянного тока (ДПТ). Этот механизм позволяет открыть заслонку только в допустимых пределах.

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

Если подача сероводородного газа будет продолжать линейно увеличиваться, то в результате переходного процесса ошибка регулирования стабилизируется, заслонка будет открываться все больше, с постоянной скоростью. По достижению подачи воздуха некоторой постоянной величины, двигатель приведет заслонку к такому положению, при котором ошибка станет равной нулю, двигатель остановится и температура на выходе теплообменника будет равна 450 °C.

При резких изменениях подачи сероводородного газа в камеру смешения появляется инерционно-колебательные свойства САР и на некоторое время переходный процесс может сделать температуру колебательной. Для того, чтобы избежать такого режима, когда ошибки стабилизации могут превысить допустимые значения, технологией запрещено увеличивать скорость подачи сероводородного газа в печь-котел больше чем 1500 м³/час [1].

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

Значения параметров настройки, достаточно близкие к оптимальным, получены в результате исследования динамики замкнутой системы. В качестве метода нахождения настроечных параметров регулятора выбран метод автоматической настройки блока PID–control пакета моделирования Matlab, поскольку методы автоматической оптимизации являются мощным средством современных промышленных контроллеров. Метод автоматической настройки основывается на трех этапах: идентификации модели объекта, определении параметров регулятора и настройку параметров. Выбор вышеупомянутого метода обусловлен тем, что параметры регулятора, определяемые по существующей и широко распространенной методике Зиглера и Никольса затем настраиваются вручную или автоматически в процессе анализа динамики САР [3].

На рис. 3 приведены графики переходной характеристики температуры на выходе из теплообменника при параметрах регулятора, рассчитанных по выше названной методике и оптимизированных с помощью автоматической настройки. Изменение подачи сероводородных газов осуществляется следующим образом: на 150 секунде – происходит уменьшение скорости подачи на 100 м³/час и на 300 секунде – увеличение скорости подачи на 200 м³/час от номинального значения. Номинальная подача воздуха составляет 1200 м³/час.

Из рис. 3 видно, что переходная характеристика температуры с регулятором, настроенным в ручную носит апериодический характер, время регулирования составляет t_p=150 с. Переходной процесс по температуре с оптимальными параметрами более быстродействующий: время регулирования составляет t_p=50 с, перерегулирование h=10%. Время отработки возмущающего воздействия по подаче газа составляет в обоих случаях около 30 с. Данные показатели являются удовлетворительными.

На рис. 4, 5 приведены переходные характеристики задающего воздействия по расходу воздуха и угла открытия регулирующего органа для внутреннего регулятора соотношения расходов, т.е. G1 = g(T)G2. Коэффициент соотношения G1/G2 = g° корректируется в соответствие с возможным возмущением по расходу газа.

Как видно из графика переходная характеристика угла открытия регулирующего органа не выходит за пределы технологических ограничений, что свидетельствует нормальном режиме работы САР.

В исследуемой САР проведен анализ на повышенную восприимчивость к наличию шумов в поступающем на регулятор температуры сигнале ошибки. Для этого на выход сумматора главной обратной связи подан сигнал с генератора белого нормального шума. Задан широкополосный гауссовский шум со стандартным отклонением, равным 10 °С. Как видно, из рис. 3 САР легко справляется со своей задачей.

Таким образом, результаты моделирования показали работоспособность каскадной САР и возможность применения разработанных систем, основными показателями качества которых выступают:

1. Отсутствие статической ошибки.
2. Время регулирования – порядка 100 сек.
3. Апериодический характер переходных процессов с допустимым перерегулированием до 10%.
4. Удовлетворительное время отработки сигналов уставок и возмущений порядка 30 сек.
5. Компенсация как контролируемых, так и неконтролируемых возмущений за счет выбранного принципа управления по отклонению с подчиненным регулированием.

Выводы

1. Рассмотрен технологический процесс охлаждения сероводородных газов как объект управления. Основным источником возмущений является расход и температура газа, а температура воздуха и удельные теплоемкости веществ постоянны. В качестве базового объекта управления для исследования системы автоматического управления температурой на выходе из теплообменника выбран технологический процесс охлаждения сероводородных газов с 750 °С до 450 °С.
2. Показано, что стабилизация отношения расходов G1/G2 = g° позволяет уменьшить влияние нелинейности в математической модели. Анализ структурных схем систем автоматического управления объектами данного класса показал, что хорошо зарекомендовали себя комбинированные автоматические системы регулирования, в которых обеспечивается компенсация основных возмущений и вводится обратная связь по регулируемой координате.
3. Результаты моделирования каскадной САР с различными вариантами настроек ПИ–регуляторов показали хорошие показатели качесвта системы.

Список источников

1. Производственная инструкция аппаратчика производства серной кислоты Авдеевского коксохимического завода. – Авдеевка, 2013 – 57 с.
2. Кравченко А. Д., Жукова Н. В. Система автоматического управления температурой выходного потока из теплообменника смешения. Материалы ХVI международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2014»: (6–28 марта 2014 г.); ч. 1. – Ухта, УГТУ, 2013.
3. Денисенко В. ПИД регуляторы: вопросы реализации (часть вторая). – С_Пб., 2004. – 723  с.
4. Кузьменко Н. В. Автоматизация технологических процессов и производств: Учеб. Пособие. – Ангарск 2005, АГТА. – 78 с.