Стационарные и нестационарные процессы

Стационарные и нестационарные процессы

Стационарный процесс (СП) - процесс, который с течением времени остается неизменным.

Для исследования СП достаточно иметь большой объем реализации в течение определенного интервала времени.

Нестационарный процесс - процесс, который меняется с течением времени за весь период существования этого объекта.

Анализировать и принимать решения на основании этих данных сложно, для этого необходимо много реализаций в течении рассматриваемого периода.

Структурная схема автоматизации

После анализа технологического процесса строится примерная структурная схема автоматизации.

Определяет основные функциональные части системы, их назначение и взаимодействие. Структурная и функциональная схемы разрабатываются при проектировании на стадии, предшествующей разработке принципиальной схемы. Функциональные элементы на структурной схеме изображают в виде прямоугольника с порядковым номером, передаточной функцией, графиком переходной функции и т.д. Структурные схемы нужны при анализе и синтезе систем.

 

Организация АСУ ТП

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) находят применение в энергетике, в химической и газовой промышленности, в черной и цветной метал­лургии и в других областях.

Применяемые в различных отраслях промышленности АСУ ТП существенно различаются как по характеру выполняемых ими функций, так и по составу используемых технических средств, но в общем виде под АСУ ТП понимают систему, обеспечивающую автоматическое управление (в реальном масштабе времени) технологическим процессом по заданным технико-экономическим критериям и представляющую собой совокупность методов опти­мизированного управления (алгоритмов управления), комплекса аппаратуры управления (технического обеспечения системы) и оперативного персонала (операторов, диспетчеров, машинистов и т. п.), принимающего непосредственное участие в процессе управления.

Кроме того, производя централизованную обработку первичной информации в темпе протекания технологического процесса, АСУ ТП не только использует ее для непосредственного управления этим процессом, но и преобразует информацию в форму, необхо­димую для передачи ее на вышестоящие уровни управления с целью решения оперативно-производственных и организационно-экономических задач.

В свою очередь АСУ ТП получают с вышестоящих уровней управления производственные задания и основные критерии реализации этих заданий.

Принципиальная особенность любой АСУ ТП состоит в том, что она является неотъемлемой частью автоматизированного техно­логического процесса.

В АСУ ТП информация, поступающая от объекта, обрабаты­вается ЭВМ, а затем в обработанном виде предоставляется диспетчеру или реализуется автоматическими устройствами. В первом случае вычислительная машина используется в качестве советчика диспетчера, облегчая его работу и повышая ее эффективность, во втором осуществляет непосредственное управление технологиче­ским процессом.

Вторым направлением применения ЭВМ является использо­вание их не только для управления машинами и оборудованием, но и для руководства производственно-хозяйственной деятель­ностью предприятия, отрасли.

Помимо функциональной базы в состав АСУ входят также так называемые обеспечивающие подсистемы: информационного, технического, математического и организационного обеспечения.

Одноконтурная САР

Современные системы автоматического регулирования (САР) обычно используют серийно выпускаемые промышленностью регуляторы.

Здесь О - объект управления; ПР - промышленный регулятор; X(t) - управляющее воздействие; Y(t) - процесс на выходе объекта; f(t) - возмущающее воздействие; E(t) = X(t) - У(t) - отклонение регулируемого процесса от заданного (ошибка регулирования); μ (t) - регулирующее воздействие на объект.

Промышленные регуляторы - это универсальные устройства, предназначенные для регулирования самых разнообразных величин и объектов. Их конструкция такова, что к ним могут подключаться различные измерительные преобразователи и исполнительные механизмы. Они состоят из отдельных блоков, выполняющих конкретные операции (усиление, сложение, интегрирование и т.п.). Из этих блоков можно собрать схемы, реализующие практически любые законы регулирования. Современные промышленные регуляторы выполняются на основе микроконтроллеров.

Динамические свойства САР зависят от характеристик объекта и регулятора. Все параметры САР можно разделить на три группы:

- заданные параметры, которые нельзя изменить (например, статические и динамические параметры объекта);

- параметры, которые могут быть выбраны конструктором при разработке регулятора, но не могут быть изменены при настройке;

- параметры, которые можно изменить при настройке (настроечные).

При разработке САР на основе промышленного регулятора возникает задача определения и установки настроечных параметров регулятора по заданным параметрам объекта. Решение этой задачи производится в следующем порядке:

- на основании сведений о регулируемом объекте, характере возмущений, управляющих воздействий и т.п. выбирается достаточно простой типовой закон регулирования;

- производится расчет оптимальной настройки регулятора;

- производится повторный анализ качества работы системы;

- если система не удовлетворяет поставленной задаче, выбирают более
сложный закон регулирования;

- если и эта мера не даст удовлетворительные результаты, усложняют структуру САР (вводят дополнительные контуры регулирования, уточняют характер воздействия возмущений и т.д.).

Расчет одноконтурной САР

В практике построения систем автоматизации объектов нефтяной и газовой промышленности широкое применение нашли одноконтурные системы автоматического регулирования (САР). Задача сводится к следующей: исходя из найденной ПФ объекта и выбранного регулятора, необходимо определить параметры настройки регулятора, которые бы обеспечивали устойчивость и заданное качество САР.

Рассмотрим расчет одноконтурной САР методом расширенных амплитудно-фазовых характеристик. Оптимальная САР – это такие настройки регулятора, которые обеспечивают заданную степень колебательности φ.

С помощью АФХЧ в области параметров настройки регулятора строится «линия равного затухания», соответствующая заданной степени затухания φ переходного процесса САР. Далее на этой линии выбирается точка, координаты которой определюят параметры настройки регулятора, обеспечивающие при заданном φ наилучшее качество САР (оптимальные настройки).

Дано: W₀(p) - ПФ объекта; W_p(p) - ПФ регулятора; φ ->m - степень колебательности.

Расширенная АФХ объекта

.

Расширенная АФХ объекта в алгебраической форме

Выражения для определения настроек ПИ-регулятора

Подставляя действительную и мнимую части АФХ объекта в выражения для ПИ-регулятора, получаем:

Изменяя ω в пределах (0,1), рассчитываем настройки регулятора. В плоскости настроечных параметров строим линию «равной степени затухания».

 

Для выбора оптимальных настроек необходимо взять несколько пар точек на кривой и для каждой определить настройки регулятора. По качеству переходного процесса можно судить о качестве САР.

Выбор типа регулятора

Тип регулирования выбирается с учетом свойств объекта и заданных параметров переходного процесса. К параметрам переходного процесса могут предъявляться различные требования. В одних случаях оптимальным является процесс с минимальным значением динамической ошибки, в других - с минимальным значением времени регулирования и т.д. Обычно выбирают один из трех типовых переходных процессов: граничный апериодический, с 20% перерегулированием, с минимальной квадратичной площадью отклонения.

Ориентировочно характер действия регулятора определяется по отношению запаздывания τ к постоянной времени объекта Т.

При τ/ Т < 0,2 выбирается позиционное регулирование.

При 0,2 < τ/ Т < 1,0 выбирается непрерывное регулирование, либо импульсное.

При τ/ Т > 1,0 применяют многоконтурные системы регулирования и принимают меры по компенсации влияния запаздывания.

В зависимости от типа уравнения связывающего величину отклонения регулирующей величины ε(t) и перемещение регулирующего органа Y(t) различают следующие законы регулирования.

Интегральный, или И - закон регулирования. Регуляторы, у которых регулирующее воздействие пропорционально интегралу отклонения регулируемого параметра, называют астатическими. И - регуляторы могут устойчиво регулировать работу лишь объектов с самовыравниванием.

Пропорциональный, или П - закон регулирования. П - регуляторы называют статическими. Они могут устойчиво регулировать работу практически всех объектов. Их отличает простота реализации. Однако они обладают статической ошибкой, величина которой зависит от нагрузки объекта.

Пропорционально - интегральный, или ПИ - закон регулирования. ПИ - регулятор называют изодромным. ПИ - регуляторы отличаются простотой конструкции, позволяют устойчиво и без статической ошибки регулировать работу большинства промышленных объектов, вследствие чего получили наибольшее применение в практике.

Пропорционально - интегральный закон с введением производной, или ПИД - закон регулирования.

ПИД регуляторы называют регуляторами с предварением. Введение в закон регулирования производной позволяет повысить устойчивость системы регулирования, уменьшить время регулирования, улучшить другие ее качественные показатели.

В промышленности используются автоматические регуляторы прямого действия. В таких регуляторах не использу­ются посторонние источники энергии (регулирующий орган РО перемещается за счет энергии чувствительного элемента). Эти регуляторы обла­дают маломощным сигналом на выходе и поэтому находят весьма ограниченное применение.

В зависимости от вида используемой энергии регуляторы непрямого действия подразделяются на пневматические, электрические и гидравлические.

Основные преимущества электрических регуляторов - быст­родействие, возможность передачи электрического сигнала на большие расстояния и простота энергоснабжения. Пневматиче­ским и гидравлическим системам свойственны существенное ограничение по дальности передачи сигналов и быстродейст­вию, а также необходимость использования специальных источников энергии.

Существенными достоинствами пневматических регуляторов являются взрыво- и пожаробезопасность, простота обслуживания, а также высокие скорости и надежность исполнительных механизмов.

Для электрических регуляторов характерны ограничения по скорости исполнительных механизмов и трудность выполнения электрических систем во взрывобезопасном исполнении.

Отличительной особенностью гидравлических регуляторов является возможность получения больших мощностей исполнительных механизмов с небольшими габаритами.

 

Передача информации по ЛЭП

В промышленных предприятиях в системах управления используются воздуш­ные линии на отдельных участках сети. Эти линии используются также для значительно удаленных от диспетчер­ского пункта промышленных объектов или в особых условиях (вечная мерзлота, скальный грунт и т. д.). Для сооружения воздушных линий применяют в основном стальные, медные и биметаллические провода диаметром 3-4 мм.

Электрические свойства воздушных линий связи определяются их первичными и вторичными пара­метрами. К первичным параметрам относятся: активное сопро­тивление проводов Rа, индуктивность L, емкость С и проводи­мость изоляции проводов G. В однородной проводной линии эти параметры равномерно распределены по всей ее длине.

Активное сопротивление линии переменному току возрастает с увеличением частоты тока, что связано в первую очередь с поверхностным эффектом.

Для воздушных линий, у которых расстоя­ния между проводами достаточно велики, величиной R_бл (эффект близости) можно пренебречь.

Индуктивность линии L зависит главным образом от рас­стояния между проводами и их диаметра, а также от материала провода и частоты тока.

Емкость линии С зависит от расстояния между проводами, диаметра провода и диэлектрика между проводами цепи.

Проводимость изоляции (утечка) G зависит от вида изоля­ции, частоты тока и климатических условий.

Вторичные параметры линии характеризуют условия распро­странения электромагнитной энергии по линии связи и зависят только от первичных параметров и частоты тока. К вторичным параметрам относят волновое сопротивление линии Z_B и постоян­ную передачи (коэффициент распространения) γ.

Волновое сопротивление Z_B представляет собой сопротивле­ние, которое встречает падающая или отраженная волна электро­магнитной энергии при распространении вдоль однородной ли­нии.

В линиях значительной протяженности при высокой частоте вследствие влияния емкости по всей длине линии ток в начале и конце линии различен. Различное значение в разных точках ли­нии будет иметь и падение напряжения.

Сопротивление, измеренное в начале линии, называется вход­ным и определяется как отношение напряжения и тока в начале линии.

Энергия электромагнитной волны, распространяющейся вдоль линии, реализуется полностью в нагрузке только тогда, когда со­противление нагрузки равно волновому сопротивлению. При этом по линии связи передается максимальная мощность и достигает­ся наибольший КПД. В противном случае часть энергии возвра­щается от конца линии к ее началу в виде отраженной волны тока и напряжения, что приводит к значительным нерациональ­ным потерям энергии в линии и, кроме того, может вызвать искажение телемеханической передачи. Отражение волны будет происходить во всех точках линии, в которых нарушается ее однородность (например, на стыках воздушных и кабельных линий). Поэтому для уменьшения этого явления обычно проводят согласование входных сопротивлений соединяемых аппаратов или разнородных участков линий с помощью специальных согла­совывающих трансформаторов.

Постоянная передачи (коэффициент распространения) харак­теризует изменение мощности электромагнитной волны при ее распространении вдоль линии, а также фазы напряжения и тока.

Затухание зависит в основном от активного сопротивления линии. Поэтому для увеличения дальности передачи необходимо применять провода с малым удельным сопротивлением или устанавливать промежуточные усилительные станции.

 

Каскадная САР

Каскадные системы применяются для автоматизации объектов, обладающих большой инерционностью по каналу регулирования. Применения каскадной САР возможно в случае, если допустимо выбрать промежуточную регулируемую переменную, зависящую от того же регулирующего воздействия Xр, что и основная регулируемая переменная Y.

Сравнение одноконтурных и каскадных систем показывает, что вследствие более высокого быстродействия внутреннего контура в каскадной САР повышается качество переходного процесса, особенно при компенсации возмущений, поступающих по каналам регулирования.

Каскадная САР

Каскадные системы применяются для автоматизации объектов, обладающих большой инерционностью по каналу регулирования. Применения каскадной САР возможно в случае, если допустимо выбрать промежуточную регулируемую переменную, зависящую от того же регулирующего воздействия Xр, что и основная регулируемая переменная Y.

Сравнение одноконтурных и каскадных систем показывает, что вследствие более высокого быстродействия внутреннего контура в каскадной САР повышается качество переходного процесса, особенно при компенсации возмущений, поступающих по каналам регулирования.

Каскадная САР

Каскадные системы применяются для автоматизации объектов, обладающих большой инерционностью по каналу регулирования. Применения каскадной САР возможно в случае, если допустимо выбрать промежуточную регулируемую переменную, зависящую от того же регулирующего воздействия Xр, что и основная регулируемая переменная Y.

Сравнение одноконтурных и каскадных систем показывает, что вследствие более высокого быстродействия внутреннего контура в каскадной САР повышается качество переходного процесса, особенно при компенсации возмущений, поступающих по каналам регулирования.

Стационарные и нестационарные процессы

Стационарный процесс (СП) - процесс, который с течением времени остается неизменным.

Для исследования СП достаточно иметь большой объем реализации в течение определенного интервала времени.

Нестационарный процесс - процесс, который меняется с течением времени за весь период существования этого объекта.

Анализировать и принимать решения на основании этих данных сложно, для этого необходимо много реализаций в течении рассматриваемого периода.