183728 (Колонна для перегона коньячного спирта)

Содержание

Вступление

1. Краткое описание колонны перегонки коньячного спирта

2. Математическая модель установки и преобразование ее в пространство состояний

3. Преобразование математической модели в дискретное время и ее проверка с помощью построения разгонных характеристик.

4. Синтез многомерного ПИ-регулятора

5. Моделирование замкнутой системы и оценка качества переходных процессов

6. Преобразование модели регулятора в форму, отвечающую ее реализации в программном обеспечении

7. Выбор технических средств реализации системы управления

Выводы

Литература

Приложение1 – текст программы

Аннотация

Целью курсового проекта является проектирование математического обеспечения системы управления технологической установкой для дальнейшего его использования в программном обеспечении АСУТП установки. В результате выполнения курсового проекта было получено математическое обеспечение, с помощью которого можно реализовать программное обеспечение автоматизированной системы управления технологическим процессом колонной перегонки коньячного спирта.

Вступление

В данной курсовой работе проводится проектирование математического обеспечения колонны перегонки коньячного спирта для дальнейшего его использования в программе обеспечения АСУТП установки. Были построены характеристики объекта: кривые разгона, переходные процессы без подачи возмущений. Вышеперечисленные операции выполнялись согласно исходной матрице передаточных функций. Все математические расчеты были произведены с помощью пакета MATLAB7. Выбраны технические средства автоматизации для реализации спроектированной системы управления.

Задание

Колонна перегонки коньячного спирта

Рисунок 1.- Технологическая схема

Таблица 1. Матрица передаточных функций объекта

у1,…, у2 – управляемые переменные (измерения), u1,…,u2 – управляющие воздействия, время в секундах

1 Краткое описание колонны перегонки коньячного спирта

Колонная установка - это устройство для перегонки виноматериалов в непрерывном потоке.

Установка для получения коньячного спирта, устройство для перегонки виноматериала и коньячного спирта-сырца. Различают установки периодического и непрерывного действия (см. колонная установка). Установки периодического действия бывают однократной (ПУ-500) и двукратной (установка для получения коньячного спирта шарантского типа) перегонки. Установка ПУ-500 позволяет получать коньячный спирт крепостью 62—70% об. непосредственно из виноматериала и наряду с аппаратом шарантского типа нашла широкое распространение в коньячном производстве. Состоит из перегонного куба 1 полезной емкостью 500 дал, ректификационной колонны 2 с 3—4-колпачковыми тарелками, вертикального кожухотрубчатого дефлегматора 3, подогревателя виноматериала 4, холодильника 5, сборников дистиллята 6 и контрольно-измерительных приборов. Установка снабжена также вакуум-прерывателем, обеспечивающим безопасность работы аппарата. В перегонном кубе виноматериал доводят до кипения.

Конденсат (флегма) непрерывно подается на орошение колонны, а несконденсировавшиеся пары спирта из дефлегматора поступают в змеевик подогревателя для нагрева до 60—70°С новой порции виноматериала или непосредственно направляются в холодильник, откуда охлажденный дистиллят стекает в сборники. В процессе дистилляции отделяют головную, среднюю (коньячный спирт) и хвостовую фракции (см. перегонка виноматериалов ). Головную фракцию крепостью 80—87% об. отбирают в количестве 0,8—1,2% от безводного спирта, содержащегося в навалке, и используют для получения ректификованного спирта. Затем приступают к отбору средней фракции (коньячный спирт), крепостью 62—70% об. Процесс ведут в течение 4—4,5 ч. При снижении крепости дистиллята до 45—50°С начинают отбор хвостовой фракции, которую добавляют к виноматериалу и после пятикратного возврата выделяют и направляют на ректификацию. Дистилляцию прекращают при показании спиртомера 1% об. Кубовый остаток (барду) сливают и направляют на утилизацию. За 5—6 ч до окончания процесса в подогреватель загружают 450 дал виноматериала и 50 дал хвостовой фракции от предыдущей перегонки. Общая продолжительность процесса (загрузка куба, перегонка вина, слив остатка) 12 ч. Производительность установки (при перегонке виноматериала крепостью 10% об.) 100 дал безводного спирта в сутки. На базе ПУ-500 разработана новая установка Б2-ВУФ производительностью до 200 дал коньячного спирта в сутки.

Дефлегмация (от де… и греч. phlégma — мокрота, влага) — частичная конденсация смесей различных паров и газов с целью обогащения их низкокипящими компонентами.Дефлегмация основана на преимущественной конденсации высококипящих компонентов при их охлаждении. Дефлегмация представляет собой разновидность противоточной фракционированной конденсации. Дефлегмация пользуются как промежуточной стадией при разделении газовых смесей, а также в процессах дистилляции и ректификации. Самостоятельно дефлегмацию применяют при разделении газовых смесей, компоненты которых значительно различаются по температуре конденсации.

В странах СНГ колонные установки применяют для получения коньячного спирта с отделением эфиро-альдегидной фракции (К-5М; КПИ) и без отбора головного погона (К-5, производство Болгарии).

Основные части промышленной колонной установки:

- колонна с контактными устройствами,

- дефлегматор,

- холодильник,

- подогреватель.

В колонную установку К-5 виноматериал из подогревателя подается непрерывно на питающую тарелку, пары поступают в дефлегматор, где примерно 2/3 конденсируются, образуя флегму, стекающую в колонну. Оставшаяся часть паров конденсируется в холодильнике, а дистиллят отводится в сборник. Спирт содержит значительное количество головных примесей, снижающих его качество.

Особенностью других колонных установок являются устройства для тепловой обработки вина и для отделения эфироальдегидной фракции.

Наибольшее распространение получила колонная установка К-5М, которая (наряду с общими элементами) содержит перегреватель, где вино выдерживается 3 ч при температуре 105°—110°С, охладитель, в котором перегретое вино охлаждается до 85°—90°С, и эпюрационную колонну, обеспечивающую отбор головной фракции (1—3% в пересчете на безводный спирт). Производительность К-5М до 400 дал/сутки безводного спирта при расходе 160—180 дал/ч вина (10% об.).

2 Математическая модель установки и преобразование ее в пространство состояний

Математическая модель в виде матрицы передаточных функций приведена в таблице 2.

Таблица.2

На рисунке 2 представлена блок – схема модели колонны.

Рисунок 2 – Блок-схема модели колонны

В исходных данных, модель дана как мы видим в виде матриц передаточных фунцый. Для преобразования передаточных функций в пространство состояний использовали соотношения. Наиболее простой аппроксимацией опоздания является замена его инерционным звеном первого порядка. Для проверки правильности преобразования следует найти собственные значения системы с помощью функции Eig и убедиться, что или все собственные значения имеют отрицательные действительные части (система постоянна), или число нулевых собственных значений совпадает с числом интегральных звеньев в исходной модели. Окончательно система должна быть представлена матрицами A,B,C,D.

Рисунок 3. Развернутая структурная схема системы с учетом запаздывания

Исходя из систем получим матрицы модели в пространстве состояний

где х- состояние систем;

y- измеряемые входы;

f- возмущение;

u- управление.

Матрицы системы имеют вид:

A=[-1/35 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;

0 -1/129 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;

0 4/48 -2/48 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;

0 0 0 -1/38 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;

0 0 0 4/9 -2/9 0 0 0 0 0 0 0 0 0;

0 0 0 0 0 -1/110 0 0 0 0 0 0 0 0;

0 0 0 0 0 4/134 -2/134 0 0 0 0 0 0 0;

0 0 0 0 0 0 0 -1/13.5 0 0 0 0 0 0;

0 0 0 0 0 0 0 0 -1/98 0 0 0 0 0;

0 0 0 0 0 0 0 0 4/133 -2/133 0 0 0 0;

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1/50 0 0 0;

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4/12 -2/12 0 0;

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1/186 0;

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4/150 -2/150];

Матрица входа:

B=[-42.5/35 0;

-72.5/129 0;

0 0;

1720/38 0;

0 0;

730/110 0;

0 0;

0 0.994/13.5;

0 0.459/98;

0 0;

0 -6.9/50;

0 0;

0 -5.1/186;

0 0];

Матрица измерений:

C=[1 -1 1 0 0 0 0 1 -1 1 0 0 0 0;

0 0 0 -1 1 -1 1 0 0 0 -1 1 -1 1];

где матрица системы:

D=[0 0;0 0];

3 Преобразование математической модели в дискретное время и ее проверка с помощью построения разгонных характеристик

Для преобразования математической модели в дискретное время использовалась функция программного пакета Matlab c2d. При этом шаг дискретности нужно выбирать с учетом того что процессы в замкнутой системе будут проходить в 10 раз быстрее чем в объекте.

dt=0.01/max(abs(eig(A)))

t=0:dt:999;

[Ad,Bd]=c2d(A,B,dt);

dt=0.4500

Проверить найденную модель в дискретном времени следует с помощью расчета разгонных характеристик. Для этого следует использовать функцию dstep. Для вывода графиков следует использовать функции: subplot, plot, grid.

Ad =

Columns 1 through 8

0.9872 0 0 0 0 0 0 0

0 0.9965 0 0 0 0 0 0

0 0.0371 0.9814 0 0 0 0 0

0 0 0 0.9882 0 0 0 0

0 0 0 0.1892 0.9048 0 0 0

0 0 0 0 0 0.9959 0 0

0 0 0 0 0 0.0134 0.9933 0

0 0 0 0 0 0 0 0.9672

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

Columns 9 through 14

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0