Диссертация (Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом стерилизации консервов в промышленном автоклаве), страница 12

В результатеэкспериментальных исследований на производстве определено, что дискретноеуправления процессом стерилизации с применения арматуры дискретногопринципадействиядлярегулированиятехнологическихпараметровнецелесообразно и не позволяет добиться заданного качества регулирования, атакже приводит к сильным вибрациям в трубопроводах подачи теплоносителей.Было выявлено, что качество работы позиционного регулятора в автоклаве неудовлетворяет технологическим требованиям, так как система работает в78автоколебательном режиме, причем амплитуда автоколебаний при любыхусловиях превышала 2 °С [44].К настоящему времени практическая деятельность, направленная наавтоматизацию производственных процессов, позволяет выделить сравнительнонебольшое количество типовых линейных законов регулирования, которые попринципу действия классифицируют следующим образом.Пропорциональные регуляторы [32].

Устойчиво работают на многихобъектах регулирования, однако при различных возмущениях (нагрузках)регулируемая величина удерживается на различных значениях. Это явлениеполучило название статической ошибки - отклонение регулируемой величины отзадания. П - закон управления имеет наибольшее быстродействие. Однако, есликоэффициент усиления П - регулятора мал (чаще всего это наблюдается всистемах с запаздыванием), то регулятор не обеспечивает заданной точностирегулирования, т.к. в этом случае довольно значительна величина статическойошибки.

Чаще всего, если Кр ≥ 10, то П-регулятор обеспечивает приемлемыйрезультат, при Кр < 10 - требуется введение в закон управления интегральнойсоставляющей.Пропорционально-дифференцирующие регуляторы [6]. Данные регуляторыимеют наивысшее быстродействие. ПД - регулятор реагирует не только навеличину отклонения, но, что наиболее важно, на скорость ее изменения.Недостатками ПД-регулятора являются малая точность и чувствительность кшумам.Пропорционально-интегрирующие регуляторы [87]. В общем случае ПИрегуляторы, отличаясь достаточно простой реализацией, позволяют устойчиво ибез статической ошибки регулировать работу промышленных объектов.ПИ-регулятор, обладает следующими достоинствами:1.

При корректной настройке ошибка регулирования равна нулю.2. Простота настройки, заключающаяся в подборе двух параметров:коэффициента усиления пропорциональной составляющей Кр и коэффициентусиления интегральной составляющей Кi. При этом возможно найти оптимальную79величину отношения Кр/Кi→min, чтобы обеспечить управление с минимальновозможной среднеквадратичной ошибкой регулирования.3.

В отличие от ПИД-регулятора имеет малую чувствительность к шумам вканале измерения.Пропорционально-интегро-дифференцирующие регуляторы [18]. ПИДрегуляторприправильнойнастройкеобеспечиваетнаиболеевысокоебыстродействие в системе и качественное регулирование технологическогопроцесса, но требует сложной процедуры настройки сразу трѐх параметров ивнимания при наладке и эксплуатации. Кроме того, из-за дифференциальнойсоставляющей ПИД-регулятор обладает повышенной чувствительностью иналичие шумов в канале измерения приводит к значительным случайнымколебаниям управляющего сигнала регулятора.

Поэтому ПИД-регулятор следуетвыбирать для систем регулирования с относительно малым уровнем шумов ивеличиной запаздывания в объекте управления. Качество же работы ПИДрегулятора для систем с большим запаздыванием сравнимо с качеством работыПИ-регулятора, поэтому ПИД-регуляторы нашли меньшее распространение впромышленности, чем ПИ-регуляторы.Ввиду множества известных способов решения задач управления, отпримитивных до исключительно сложных, выбор базового алгоритма работыпромышленного регулятора является нетривиальной задачей.

Поскольку общийкритерийоптимальностидлявыборарегулятораотсутствует,авторомпредлагается разбить практический синтез САУ на ряд этапов, на каждом изкоторых будет решаться какая-то часть общей задачи синтеза:1.Определениезаконарегулированияитипарегулятора(корректирующего устройства) в системе управления согласно требованиям к еѐточности, качеству управления, требованиям к надежности, условиям работыотносительно внешних воздействий и т.д.2.Получение математического описания регулятора для заданногообъекта управления, а также его коэффициентов настройки.803.Нахождение наилучшего решения путѐм последовательного расчетанескольких вариантов управляющего устройства и его настройки, а затем врезультате их сравнения при моделировании выявление оптимального варианта.Существуютрекомендациипопредварительномувыборузаконарегулирования и типа регулятора, исходя из величины отношения запаздывания τк постоянной времени Т объекта регулирования [37].Если τ/Т < 0,2 – выбирается релейный, непрерывный или цифровойрегуляторы.Если 0,2 < τ/Т < 1, то рекомендуется выбрать непрерывный или цифровой,ПИ-, ПД-, ПИД-регулятор.Если τ/Т > 1, то выбирают специальный цифровой регулятор с упредителем,который компенсирует запаздывание в контуре управления.

Однако этот жерегулятор можно применять и при меньших отношениях τ/Т.В теории автоматического управления структура регулятора выбираетсяисходя из характеристик объекта управления. Более сложные регуляторысоответствуют более сложным объектам управления. Задача разработчика состоитв выборе такого типа регулятора, который обеспечивал бы заданное качестворегулирования и надѐжность при минимальных затратах ресурсов.П – регулятор является достаточно быстродействующим, однако наличиестатической ошибки является недостатком и требует оценки коридора отклоненийотносительно заданных требований.Такой регулятор, представляет собойидеальное усилительное звено (блок Gain), с коэффициентом усиления Кр(рисунок 3.7).-KGain1Рисунок 3.7 - Схема П-регулятора в пакете SimulinkПередаточная функция П-регулятора [14]:81Wп  p   K p ,(3.2)Выход пропорционального регулятора определяется произведением ошибкирассогласования  (t ) на коэффициент регулирования K p :X  t   K p   (t ).(3.3)Так как исследуемый объект регулирования не имеет существенногозапаздывания (рисунок 2.11 и 2.12), то П – регулятор может обеспечитьтребуемую точность регулирования.Приведенный выше типовой регулятор являются идеальным, то есть неучитывающим инерционность его составляющих.

Применение идеальныхрегуляторов в реальных САУ возможно, если постоянная времени применяемогорегулятора достаточно мала, соответственно ей можно пренебречь.Структурные схемы регуляторов температуры и давления системыавтоматическогоуправлениятехнологическимпроцессомстерилизацииконсервов в промышленном автоклаве в виде подсистем Simulink приведены нарисунках с3.8 по 3.11.

Описание портов подсистем для удобства анализасистемы сведено в таблицы с 3.3 по 3.6.Ground1-K-1In1Gain1 Saturation1Switch41Out13In32In2Рисунок 3.8 - Схема регулятора подачи пара в виде подсистемы Simulink(Subsystem4)82Таблица 3.3 – Входные и выходные параметры в подсистеме (рисунок 3.8)Обозначение ОбозначениеОписание параметрапортапараметраIn1ЗАДЗаданная температура водыIn2вкл./выкл.In3 АВТOut1X ПАР1In10вРазмерностьпараметраoCавтоклавеРазрешающийсигналдлярегулятораИзмеренная температура воды вTRUE/FALSEoCавтоклавеСигнал управления регулирующимклапаном паровой магистралиmin|u|MinMax1Abs1%-KGain2 Saturation21Out1Switch5Constant1Ground23In32In2Рисунок 3.9 - Схема регулятора подачи воды в виде подсистемы Simulink(Subsystem5)Таблица 3.4 – Входные и выходные параметры в подсистеме (рисунок 3.9)Обозначение ОбозначениепортапараметраIn1ЗАДIn2вкл./выкл.In3 АВТOut1X ХВОписание параметраЗаданная температура воды вавтоклавеРазрешающийсигналдлярегулятораИзмеренная температура воды вРазмерностьпараметраoCTRUE/FALSEoCавтоклавеСигнал управления регулирующимклапаноммагистралиподачихолодной воды%83-K-1In1Gain31Out1Saturation32In2Рисунок 3.10 - Схема регулятора подачи воздуха в виде подсистемы Simulink(Subsystem6)Таблица 3.5 – Входные и выходные параметры в подсистеме (рисунок 3.10)Обозначение ОбозначениеОписание параметрапортапараметраIn1PЗАДЗаданное давление в автоклавеIn2PАВТИзмеренное давление в автоклавеOut1X ВОЗСигнал управления регулирующимклапаноммагистралисжатого воздуха1In10min|u|MinMax2Abs2РазмерностьпараметракПакПа%подачи1-KGain4Saturation4Out1Constant22In2Рисунок 3.11 - Схема регулятора слива (сброса давления) в виде подсистемыSimulink (Subsystem7)Таблица 3.6 – Входные и выходные параметры в подсистеме (рисунок 3.11)Обозначение портаIn1In2Out1ОбозначениепараметраОписание параметраPЗАДЗаданное давление в автоклавеИзмеренное давление в автоклавеСигнал управления регулирующимклапаноммагистралисливапаровоздушной смеси из автоклаваPАВТX СЛРазмерностьпараметракПакПа%84Для реализации моделей регуляторов в виде подсистем в Simulink былииспользованы блоки вычисления модуля Abs, определения минимальногозначения MinMax, ограничения Saturation, сигнала нулевого уровня Ground иисточник постоянного сигнала Constant [84].

Блок усилителя Gain выступает вроли задания коэффициента усиления Кр для реализации П - регулятора.3.3 Выбор метода расчѐта коэффициентов настройки регуляторовСледующим шагом при разработке системы регулирования является поископтимальных параметров настройки регулятора. Целью является подбор такихкоэффициентов регулятора, чтобы все текущие отклонения регулируемойвеличины от заданного значения не превышали допустимые.Под настройкой системы регулирования понимается перечень расчетных иэкспериментальных работ, направленных на поиск настроечных коэффициентоврегулятора, обеспечивающих заданное качество регулирования, организацию ипроведение натурных испытаний на модели и реальном объекте или расчетныхэкспериментов для подтверждения оптимальности выбранных параметров.Параметрами настройки являются их численные значения для конкретногорегулятора, ограничения на диапазоны их вариации при поиске, а также критериикачества [45,59,77].Настройкапараметроврегуляторазависитотструктурысистемыуправления, характеристик ее составных частей и решаемой задачи.

Кроме тогопромышленный автоклав может иметь индивидуальные настройки регулятора длякаждого этапа технологического процесса и вида стерилизуемой продукции [52].Для настройки регуляторов можно использовать известные и широкоприменяемые методы теории автоматического управления. Существует довольномного методов [6,15,18,37], которые имеют преимущества в конкретныхприменениях: метод Циглера-Николса, метод CHR, метод Куна, метод частотнойидентификации в замкнутом контуре, оптимальная настройка регуляторов пономограммам, экспериментальный метод настройки регулятора и др. Для типовых85П-, ПИ-, ПИД - регуляторов известны упрощенные аналитические и табличныеметоды настройки, которые менее трудоемки в сравнении с экспериментальнымиметодами, такими как метод незатухающих колебаний Циглера-Николса, но даютпри этом только приблизительные результаты и используются на начальныхэтапах проектирования систем управления.