Производство одноразовой посуды экструзионным процессом (стр. 10 из 11)
Хотя описанные выше параметры и не описывают полностью все характеристики системы, они всё же позволяют приблизительно предсказать трудности, связанные с управлением температурным режимом данного аппарата:
td / tc ≤ 0,1 – контроль легко осуществим;
0,1 < td / tc < 0,3 – контроль возможен;
td / tc ≥ 0,3 – аппарат трудно контролировать.
5.3 Настройка параметров регулятора
5.3.1 Характеристики работы терморегулятора
Для правильного выбора конструкции регулятора температуры и правильной его настройки необходимо руководствоваться определенными критериями, описывающими параметры функционирования нужного прибора. Критерии отклика включают перегрев, скорости отрицательного и положительного откликов, задержку отклика, частоту колебаний, функцию накопления ошибок вследствие разницы в фале и усилении и т.д. Интеграл квадратичной ошибки, интеграл абсолютной ошибки, двойной интеграл времени и абсолютной ошибки наиболее часто используются как величины, описывающие отклонения в работе регулятора. Некоторые из этих критериев проиллюстрированы на рис. 27, на котором представлен отклик регулирующей системы на изменение заданной температуры.
Рис. 27. Критерии отклика.
5.3.2 Влияние PID-параметров на режим работы регулятора
Настройка PID-регулятора в идеале должна привести к таким значениям параметров P, I и D регулятора, которые обеспечат наиболее подходящий режим функционирования регулятора. При этом коэффициент P зависит от коэффициента усиления Kp или размеров области пропорциональности Xp. Влияние пропорциональности на режим работы регулятора проиллюстрировано на рис. 28. Узкая область пропорциональности может стать причиной осцилляций, а слишком широкая – большой величины рабочего отклонения.
Рис. 28. Влияние ширины области пропорциональности на режим работы.
Коэффициент I описывает функцию сдвига области пропорциональности и характеризуется константой интегрирования ti или скоростью сдвига. Влияние этого параметра на работу регулятора проиллюстрировано на рис. 29.
Рис. 29. Влияние константы интегрирования.
Если константа интегрирования слишком велика, температура после перегрева будет очень медленно возвращаться к заданному значению. В противоположном случае, когда константа интегрирования слишком мала, могут возникнуть колебания. Оптимальной считается такая величина, при которой система как можно быстрее возвращается к заданной температуре без возникновения перегрева.
Вклад дифференцирующей обратной связи характеризуется константой времени дифференцирования td. Влияние величины этой константы на функционирование системы показано на рис. 30. При избыточной величине этой константы температура начнет меняться очень быстро, что приведёт к перегреву и колебаниям. Если константа слишком мала, температура будет возвращаться к заданной величине очень медленно. Оптимальная константа обеспечивает возврат к заданному значению с минимальным размахом колебаний.
Рис. 30. Влияние величины константы времени дифференцирования на функционирование регулятора.
5.4 Тепловые характеристики экструдера Reifenhauser 3201
В документации на систему не было обнаружено никаких сведений о процессах происходящих в экструдере. Поэтому было принято решение о составлении модели объекта управления путём его идентификации.
Производственная линия работает в непрерывном режиме и изменение каких-либо параметров может привести к её аварийному останову. Единственное что удалось снять, это характер изменения температуры в соэкструдере Reifenhauser 3201 в момент его пуска. Была получена следующая переходная характеристика:
Рис. 31. Переходная характеристика температуры в выходной зоне экструдера Reifenhauser 3201
одноразовая посуда экструзионный способ
Произведем графическую идентификацию нашего объекта. Представим его как последовательное соединение 2 звеньев, апериодического и звена чистого запаздывания. Передаточная функция экструдера будет иметь следующий вид:
По полученному графику переходного процесса определим значения коэффициентов k, T, τ.
k = 1
T = 1833 с.
τ = 62 c.
Принимая во внимание тот факт, что переходную характеристику экструдера удалось снять всего один раз, чего явно не достаточно для точной идентификации объекта, для последующего исследования и настройки параметров регулятора зададимся следующими параметрами:
k = 1
T = 1800 с.
τ = 60 c.
Составим структурную схему и промоделируем переходный процесс используя компьютерный пакет MatLabSimulink.
Рис. 32. Переходная характеристика модели объекта управления - температурой расплава полимера в выходной зоне экструдера Reifenhauser 3201.
На основе полученной структуры объекта управления синтезируем САР температурой расплава полимера в зоне дозирования одночервячного экструдера. Температура расплава полимера контролируется на выходе зоны дозирования экструдера. Управление температурой в зоне дозирования будем осуществлять с использованием PID-регулятора. Произведем настойку параметров регулятора двумя методами.
5.4.1 Метод Циглера-Николса
Метод неустойчивости, называемый методом Циглера-Николса, основанном на экспериментальном подборе работы регулятора с помощью данных динамического отклика системы. Данные динамического отклика получаем при отключенных цепях интегрирующей и дифференцирующей обратной связи, осуществляя ступенчатое изменение коэффициента K. Коэффициент усиления постепенно повышаем, добиваясь перевода системы в неустойчивое состояние. Соответствующее этому состоянию значение коэффициента усиления, а также частота колебаний позволяют определить время отклика незамкнутой системы. По этим данным используя специальные таблицы определяем оптимальные значения параметров работы регулятора.
| Регулятор | K | Ti | Td |
| P | 0.5*Ku | - | - |
| PI | 0.45*Ku | 0.833*tu | - |
| PID | 0.2*Ku | 0.33*tu | 0.5*tu |
Повышаем коэффициент усиления и переводим систему в неустойчивое состояние.
Рис. 33. К=47,76. Дальнейшее увеличение К приведёт к переводу системы в неустойчивое состояние.
Ku= 47,76
tu= 238
По таблице найдем коэффициенты PID:
K = 9,55
Ti = 79
Td = 119
Рис. 34. Переходный процесс по управлению САР температуры расплава полимера с регулятором настроенным по методу Циглера-Николса
Из рис. 32 видно что время переходного процесса составляет порядка 1260 сек. Перерегулирование равно 10%, что является приемлемым результатом.
В методе Циглера-Николса сделано допущение, что уровень внешних помех на систему всегда постоянен. Следовательно этот метод не всегда может давать удовлетворительный результат, то есть в итоге все равно придется подстраивать параметры регулятора вручную.
Этот метод никак не учитывает требования к запасу устойчивости системы, что является вторым его недостатком. Судя по медленному затуханию переходного процесса в системе, этот метод даёт слишком малый запас устойчивости.
5.4.2 Регуляторы температуры с фиксированными характеристиками
Использование регулятора температуры с типовыми характеристиками. Некоторые производители поставляют регуляторы, параметры которых заданны при производстве и не могут быть изменены. В этом случае параметры устанавливаются на основе длительного опыта эксплуатации регуляторов в экструзионной промышленности. Такие регуляторы могут быть вполне удачными, поскольку большинство экструдеров имеет сходные тепловые характеристики. Кроме того, невозможность перенастройки регулятора гарантирует от нарушения работы оборудования в результате действий неквалифицированных работников.
Типичные значения параметров регуляторов, устанавливаемые при производстве, представлены в таблице:
| Тип регулятора | Значения фиксированных параметров | Диапазон настройки параметров |
| PD | Xp = 5%Td = 30 сек. | Xp = 0-10% |
| PID | Xp = 8%Ti = 480 секTd = 30 сек. | Xp = 0-10% |
Рис. 35. Переходный процесс по управлению САР температуры расплава полимера с фиксированными настройками регулятора
Время переходного процесса составляет 420 секунд. Перерегулирования нет.