Автоматизация технологических процессов и объектов (стр. 5 из 10)

Общей особенностью объектов при регулировании рН является нелинейность их статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью рН от расходов реагентов. На рис. 3.15 показана кривая титрования, характеризующая зависимость рН от расхода кислоты G1. Для различных заданных значений рН на этой кривой можно выделить три характерных участка: первый (средний), относящийся к почти нейтральным средам, близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления; второй и третий участки, относящиеся к сильно щелочным или кислым средам, обладают наибольшей кривизной.

Рис. 3.15. Зависимость величины рН от расхода реагента

На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релейному элементу. Практически это означает, что при расчёте линейной АСР коэффициент усиления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными уравнениями первого порядка с запаздыванием. При этом, чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора, и запаздывание в импульсных линиях.

Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные системы. На рис. 3.16, а показан пример системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами. Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора [хРН, хРВ] (рис.2.16,б, кривая 1). Клапан 2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что при хр=хр0+Δ он полностью открыт, а при хр=хр0-Δ - полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначительном отклонении рН от рН0, когда хр0-Δ£хр£хр0+Δ, степень открытия клапана 1 практически не изменяется, и регулирование ведётся клапаном 2. Если |хр-хр0|>Δ , клапан 2 остаётся в крайнем положении, и регулирование осуществляется клапаном 1.

Рис. 3.16. Пример системы регулирования рН:

а – функциональная схема; б – статические характеристики клапанов; 1,2 – регулирующий клапан; 3 – регулятор рН.

Лекция № 9. Регулирование параметров состава и качества

В процессах химической технологии большую роль играет точное поддержание качественных параметров продуктов (состава газовой смеси, концентрации того или иного вещества в потоке и т.п.). Эти параметры характеризуются сложностью измерения. В ряде случаев для измерения состава используют хроматографический метод. При этом результат измерения бывает известен в дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на продолжительность цикла работы хроматографа. Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда единственным способом измерения качества продукции является в той или иной степени механизированный анализ проб.

Дискретность измерения может привести к значительным дополнительным запаздываниям и снижению динамической точности регулирования. Чтобы уменьшить нежелательное влияние задержки измерения, используют модель связи качества продукта с переменными, которые измеряют непрерывно. Эта модель может быть достаточно простой; коэффициенты модели уточняют, сравнивая рассчитанное по ней и найденное в результате очередного анализа значение качественного параметра. Таким образом, одним из рациональных способов регулирования качества является регулирование по косвенному вычисляемому показателю с уточнением алгоритма его расчёта по данным прямых анализов. В промежутках между измерениями показатель качества продукта может быть рассчитан экстраполяцией ранее измеренных значений. Блок-схема системы регулирования параметра качества продукта показана на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Блок-схема АСР параметра качества продукта:

1 – объект; 2- анализатор качества;

3 – вычислительное устройство; 4 – регулятор.

Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку показателя качества

по формуле

(3.13)

в которой первое слагаемое отражает зависимость

от непрерывно измеряемых переменных процесса или величин, динамически с ними связанных, например производных, а второе – от выхода экстраполирующего фильтра.

Для повышения точности регулирования состава и качества применяют приборы с устройством автоматической калибровки. В этом случае система управления производит периодическую калибровку анализаторов состава, корректируя их характеристики.

Лекция № 10. Регулирование тепловых процессов

Передача тепловой энергии является неотъемлемой частью большинства химико-технологических процессов. Для создания необходимого температурного режима в химических аппаратах используют передачу энергии в результате смешения двух и более веществ с разными теплосодержаниями.

Во многих задачах регулирования состава или температуры в резервуаре с мешалкой при определении передаточных функций принимают перемешивание идеальным. Тогда объект описывается дифференциальным уравнением первого порядка с постоянной времени, равной времени пребывания в резервуаре. Однако на практике отмечается запаздывание, по истечении которого изменение концентрации или температуры питания происходит на выходе из резервуара. Это запаздывание (называемое запаздыванием смешения) зависит от размеров резервуара, вязкости жидкости, конструкции и скорости вращения мешалки, определяющих интенсивность перемешивания.

Рассмотрим для примера аппарат непрерывного типа, в котором смешиваются два потока с расходами G1 и G2, температурами q1 и q2 и удельными теплоёмкостями сР1 и сР2 (рис. 2.19,а).

Рис.3.19. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы теплообменника смешения.

Пусть задача регулирования состоит в поддержании заданного значения q0 температуры выходного потока путём изменения расхода G1 при условии, что основными источниками возмущений являются расход и температура второго потока G2 и q2, а температура q1 и удельные теплоёмкости веществ постоянны и равны q01, сР1 и сР2. Найдём статические характеристики объекта по каналу регулирования G1-q и каналам возмущения G2-q и q2-q (рис.3.19,б). Для этого запишем уравнение теплового баланса:

G1q10cР1+G2q2cР2=(G1+G2)qcР, (3.31)

где cР=(G1cР1+G2cР2)/(G1+G2).

Отсюда

. (3.32)

Как видно из (3.32), характерной особенностью теплообменников смешения является нелинейность статических характеристик по каналам, связывающим расход любого вещества с температурой смеси q и линейность характеристик по температурным каналам q1-q и q2-q.

При условии малых отклонений координат объекта от их заданных значений можно провести линеаризацию зависимости (3.32) и найти приближённо коэффициенты усиления объекта по каждому каналу.

Обозначим заданные значения входных и выходных координат через G10, G20, q20 и разложим функцию (3.32) в ряд Тейлора в малой окрестности G10, G20, q20.

Переходя к отклонениям y=q-q0, хР=G1-G01, xВ1=G2-G02, хВ2=q2-q02, получим уравнение статической характеристики в виде:

y=kРхР+k1xВ1+k2xВ2, (3.33)

где

, , .

Рассмотрим несколько вариантов систем автоматизации теплообменников смешения и проведём их сравнительный анализ по качеству процессов регулирования.

Вариант 1. Задача стабилизации выходной температуры смеси q решается применением одноконтурной замкнутой системы регулирования, в которой регулирующим воздействием является расход G1 (рис. 3.20). Использование регулятора с интегральной составляющей в законе регулирования (ПИ- или ПИД-регулятор) гарантирует поддержание заданного значения q в установившемся режиме, однако качество переходного процесса может оказаться неудовлетворительным при большой инерционности канала регулирования и сильных возмущениях.

Рис.3.20. Функциональная (а) и структурная (б) схемы замкнутой одноконтурной АСР температуры в теплообменнике смешения.

Вариант 2. Включает систему регулирования соотношения расходов G1 и G2 (рис. 3.21). Это разомкнутая система регулирования, способная обеспечить инвариантность регулируемой температуры смеси q к возмущениям по расходу G2, однако при наличии любого другого возмущения q не будет равна заданной.

Рис.3.21. Функциональная (а) и структурная (б) схемы разомкнутой АСР температуры в теплообменнике смешения.