Моделирование автоклава с ПИД-регулятором

Приводится простая методика настройки ПИД-регулятора, пригодная для большинства систем автоматического регулирования:

Метод Циглера - Николса (частотный метод)

Время интегрирования Ти и время дифференцирования Тд в замкнутой САР отличаются от выставленных значений постоянных времени интегрирования Ti и дифференцирования Тd.

На рисунке 1 показаны графики входного регулирующего воздействия для ПИ- и ПИД-регуляторов. Время дифференцирования обозначено как Tд.

Время дифференцирования, это отрезок времени, на который ПИД-регулятор действует быстрее ПИ-регулятора (ПД-регулятор быстрее П-регулятора), а время интегрирования, это отрезок времени, за который интегральное воздействие устраняет неизбежную статическую ошибку пропорционального регулирования.

Рис. 1

Проследим как меняются переходные характеристики в САР с П-регулятором по мере уменьшения зоны пропорциональности.

САР в исходном состоянии:

потоки Y и Z равны, уровень воды в баке находится у заданной отметки X0. С помощью задатчика b выставлена широкая зона пропоциональности регулятора.

Увеличим поток выливающейся воды из бака.

Уровень воды в баке понижается и осуществляется регулировочный процесс, по окончании которого в САР восстанавливается равновесие. На протяжении переходного процесса отслеживаем, как меняется уровень воды в баке.

Возвращаем САР в исходное состояние и выставляем более узкую зону пропорциональности регулятора. Вновь проверяем реакцию САР на возмущающее воздействие.

Таким образом возможно получить серию характеристик из которых выбирается одна, - для переходного процесса, протекающего наиболее быстро и стабильно. Зона пропорциональности для этого переходного процесса считается оптимальной.

Если подобным образом проводить исследование переходных процессов для различных объектов регулирования, проявится закономерность, которая привлекла внимание 27-летнего J. G. Ziegler и 33-летнего N. B. Nichols, проводивших испытания пневматических регуляторов в 1941 году в компании "Taylor Instruments" (г. Рочестер, штат Нью-Йорк).

Она (закономерность) заключалась в том, что оптимальная зона пропорциональности П-регулятора, как правило, в два раза больше величины зоны пропорциональности, при которой в САР начинается автоколебательный процесс.

J. G. Ziegler и N. B. Nichols также определили зависимость между периодом возникающих автоколебаний и постоянными времени интегрирования и дифференцирования.

Благодаря найденным соотношениям, появилась возможность быстро и просто настраивать П-, ПИ- и ПИД-регуляторы, не прибегая к сложным математическим расчетам.

Ниже приводится последовательность испытания САР для определения параметров настройки П-, ПИ- и ПИД-регуляторов по методу Циглера (Зиглера) - Николса.

1. Выставляем время интегрирования и дифференцирования на ноль (Смотреть инструкцию регулятора. Для большинства промышленных регуляторов предусматривается, что интегральная и дифференциальная составляющие регулирующего воздействия выключаются при нулевых установках. Альтернативный вариант, - Тi выставляется на максимальное значение, Тd на 0.);

2. Выставляем широкую зону пропорциональности регулятора и наблюдаем как протекает переходный процесс в САР;

3. Постепенно уменьшая зону пропорциональности регулятора выходим на значение, при котором начинается автоколебательный процесс с постоянной амплитудой;

4. Измеряем период колебаний T;

5. Постепенно увеличивая зону пропорциональности, находим пороговое значение, при котором регулятор переходит в режим затухающих колебаний. Это зона пропорциональности для максимальной чувствительности регулятора. Обозначим ее PBs (Кs, если применяется коэффициент передачи регулятора);

6. Пользуясь таблицей, см. рис. 50, вычисляем значения параметров настройки регулятора;

7. Выставляем полученные значения для зоны пропорциональности, постоянной времени интегрирования и постоянной времени дифференцирования;

8. Проверяем работу регулятора и при необходимости осуществляем подстройку параметров.

В таблицу, см. рис. 2, сведены значения для настройки П-, ПИ- и ПИД-регуляторов при использовании метода Циглера - Николса, а на рис. 51 показан график регулируемой величины в режиме автоколебаний.

Рис.2

Применение ПИД-регулятора на примере моделирования автоклава

При стерилизации (пастеризации) должен строго соблюдаться установленный технологической инструкцией режим (температура, продолжительность и давление при стерилизации, пастеризации) с обязательной записью в особый пронумерованный, прошнурованный и скрепленный печатью за подписью главного инженера и заведующего лабораторией цеховой журнал фактических данных о времени подъема температуры, продолжительности стерилизации (пастеризации) и охлаждения консервов, а также о минимальной температуре и давлении во время стерилизации (пастеризации) (форма К-8).

Партия консервов считается простерилизованной только в том случае, если диаграмма температурного режима соответствует заданному температурному режиму с допустимой погрешностью по: температуре не более -1,50С; по времени нагрева, стерилизации и охлаждения - не более 1,5 мин для каждого значения. В примечании указывают отклонения, имевшие место в процессе стерилизации (пастеризации), в продолжительности, температуре и давлении.

Если стерилизация (пастеризация) консервов проведена по режиму, отличающемуся в отношении температуры или продолжительности в меньшую сторону по сравнению с утвержденным, то продукция такой автоклавоварки непригодна для реализации и подлежит переработке или перестерилизации по указанию начальника цеха.

Автоклавы должны быть оборудованы контрольно-регистрирующими самопишущими приборами. Работа на автоклавах с неисправными барографами и термографами запрещается, так как процесс стерилизации доводится по показаниям термографа и барографа. На термограмме и барограмме должны быть четко чернилами указаны наименование консервов, номер автоклавоварки, смена, дата стерилизации и фамилия стерилизаторщика. Соответствие показаний термограмм и барограмм записям в цеховом журнале стерилизации проверяется лицом, назначенным заведующим лабораторией предприятия.

Создание системы автоматического поддержания температуры пара автоклава является достаточно серьёзной задачей, решение которой возможно использованием системного подхода и рассмотрения всех вышеприведённых вопросов.

Автокламв

Автокламв -- аппарат для проведения различных процессов при нагреве и под давлением выше атмосферного. В этих условиях достигается ускорение реакции и увеличение выхода продукта. При использовании в химии или для проведения химических реакций используют название химический реактор. При использовании в медицине для стерилизации при высоком давлении и температуре -- только автоклав. В случае, если стерилизация проводится при высокой температуре но без давления используют термин стерилизатор или сушильный шкаф. Был изобретён Чарльзом Чемберлендом в 1879.

Разновидности автоклавов

Автоклавы бывают: вращающиеся, качающиеся, горизонтальные, вертикальные и колонные. Автоклав представляет собой сосуд либо замкнутый, либо с открывающейся крышкой. При необходимости снабжаются внутренними, наружными или выносными теплообменниками, механическими, электромагнитными, либо пневматическими перемешивающими устройствами и контрольно-измерительными приборами для измерения и регулирования давления, температуры, уровня жидкости и т. п.

Конструкция автоклавов

Конструкция и основные параметры промышленного автоклава разнообразны, ёмкость от нескольких десятков смі до сотен мі, предназначаются для работы под давлением до 150 МН/мІ (1500 кгс/смІ) при температуре до 500 °C. Для химических производств перспективны бессальниковые автоклавы с экранированным электродвигателем, не требующим уплотнения. Ротор этого электродвигателя насажен непосредственно на вал мешалки и накрыт герметичным тонкостенным экраном из немагнитного материала, не препятствующего проникновению магнитных силовых линий от статора электродвигателя к ротору. При производстве строительных материалов применяют туннельные или тупиковые автоклавы. Внешне они представляют из себя трубу 3-6 м в диаметре и 15 -- 20 м в длину закрываемую крышкой с байонетным затвором (тупиковые с одной стороны, туннельные с 2-х сторон).

Применение автоклавов

Автоклавы применяются в химической промышленности (производство гербицидов, органических полупродуктов и красителей, в процессах синтеза); в гидрометаллургии (выщелачивание с последующим восстановлением из растворов цветных и драгоценных металлов, редких элементов); в резиновой промышленности (вулканизация технических изделий); в консервной промышленности (стерилизация консервов); в промышленности стройматериалов. Автоклавы широко используются в медицине. Также при создании изделий из карбонового волокна, для придания им твердых форм. Рубашка автоклава защитная -- устройство, предохраняющее швы и основной материал корпуса реактора о воздействия теплоносителя.

Клапаны

Регулирующие клапаны предназначены для регулирования расхода путем изменения количества проходящей по трубопроводу рабочей среды. Управляются от внешнего источника энергии. При ручном управлении осуществляется только периодическое ступенчатое регулирование. Непрерывное и бесступенчатое регулирование производится посредством пневматических, гидравлических и электрических приводов (исполнительных механизмов). Затворы регулирующих клапанов бывают стержневыми (игольчатыми), полыми (юбочными), сегментными, тарельчатыми поршневыми (клеточными).

Регулирующие клапаны с пневмоприводом или гидроприводом одностороннего действия, оснащенные силовой пружиной или грузом, по способы операции подразделяются на нормально открытые и нормально закрытые в зависимости от того, открыт или закрыт К. при отсутствии давления в приводе. Среди регулирующих клапанов надлежит также выделить трехходовые К., предназначенные для смешения двух потоков в один или разделения одного потока на два, а также регулирующие К. для малых расходов.

Предохранительные клапаны или разрывные устройства предназначены для автоматического выпуска избытка жидкой, паро или газообразной среды из системы высокого давления при чрезмерном повышении давления в ней в систему низкого давления или в атмосферу и обеспечивающей безопасную эксплуатацию установок и предотвращение аварий. Наиболее часто применяются пружинные и рычажно-грузовые предохранительные К.. Рычажно-грузовые клапаны изготовливают только малоподъемными: однорычажные К. - с одним седлом и двухрычажные - с двумя седлами. Эти К. выдаются стабильностью усилия; применяются только в стационарных установках; не могут быть использованы для работы с противодавлением. Малоподъемные клапаны. применяются, в основном, на несжимаемых средах. Использование их на сжимаемых средах нецелесообразно из-за невысокого значения пропускной способности, которое для сжимаемых сред может быть существенно повышено в конструкциях полноподъемных клапанов. Пружинные клапаны - более совершенной конструкции, чем рычажно-грузовые; имеют меньшую инерционность, меньшую массу и габаритные размеры; главным образом полноподъемные. Полноподъемные клапаны характеризуются скоростью срабатывания на полный ход золотника. Они обеспечивают высокие значения пропускной способности при сравнительно малых превышениях давления в защищаемой системе. Время открытия этих клапанов - 0,008 - 0,04с.

Регуляторы давления прямого действия - автоматически действующая арматура, обеспечивающей поддержание постоянного давления на участке системы до или после регулятора путем изменения расхода среды. Основные элементы: регулирующий орган, привод, задатчик нагружения (с грузовым, пружинным или пневматическим нагружением), импульсное устройство и импульсная линия связи "регулятор-трубопровод". Чувствительные элементы делятся на: мембранные, сильфонные и поршневые.

Действие регулятора основано на использовании энергии рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу. С изменением давления на контролируемом участке изменяется степень открытия затвора в сторону, необходимую для восстановления исходного давления. Регулятор давления "после себя" прямого действия, работающий в условиях, когда отрегулированное давление Рвых. меньше половины регулируемого Рвх., то есть при Рвых.‹0,5*Рвх. - называется редукционным клапаном.

Регуляторы уровня прямого действия - предназначены для автоматического поддержания уровня жидкости в сосуде в установленных пределах заданной высоты. Основными их конструктивными элементами являются:

датчик положения уровня;

исполнительное устройство в виде запорного или регулирующего клапана;

поплавковое устройство.

Датчиком положения обычно служит поплавок.

Отсечные клапаны - предназначены для быстрого отключения трубопровода или его части при аварийной ситуации или по технологическим требованиям. Характерной чертой их является быстродействие, обеспечиваемое обычно срабатыванием пружины в момент закрытия клапана.

Перепускные клапаны - предназначены для поддержания давления среды на требуемом уровне путем перепуска ее через ответвление трубопровода.

Дыхательные клапаны - предназначены для выпуска накопившихся паров или воздуха и предотвращения образования вакуума в резервуарах в результате "большого" и "малого" дыхания.

Клапаны отключающие - устанавливаются, как правило, на линиях с малым диаметром, для которых выброс среды в атмосферу в результате поломки трубопровода недопустим. Принцип действия отключающихся клапанов заключается в том, что при превышении определенного заданного расхода (например, при разрыве трубы трубопровода) клапан закрывается.

Клапаны распределительные - предназначены для распределения потока рабочей среды по определенным направлениям (трехходовые и многоходовые). Обычно распределительные К. имеют электромагнитный привод и предназначены для дистанционного управления пневматическими и гидравлическими приводами. Трехходовые К. предназначены для управления приводом одностороннего действия.

Клапаны смесительные - используются, если необходимо смешивать в заданных пропорциях различные среды, отличающиеся по составу и температуре. При этом к ним могут предъявляться требования - выдерживать постоянные параметры смеси.

2. S-модель астатического регулятора

Блок переключателя Switch

Назначение:

Выполняет переключение входных сигналов по сигналу управления.

Параметры:

Threshold - Порог управляющего сигнала.

Блок работает следующим образом:

Если сигнал управления, подаваемый на средний вход больше, чем величина порогового значения Threshold, то на выход блока проходит сигнал с первого (верхнего) входа. Если сигнал управления станет меньше, чем пороговое значение, то на выход блока будет поступать сигнал со второго (нижнего) входа.

В том случае, когда сигнал на управляющем входе ключа равен 1, на выход блока проходит гармонический сигнал, если же управляющий сигнал равен нулю, то на выход проходит сигнал нулевого уровня от блока Ground. Пороговое значение управляющего сигнала задано равным 100.

Источник постоянного сигнала Constant

Назначение:

Задает постоянный по уровню сигнал.

Параметры:

1. Constant value - Постоянная величина.

2. Interpret vector parameters as 1-D - Интерпретировать вектор параметров как одномерный (при установленном флажке). Данный параметр встречается у большинства блоков библиотеки Simulink. В дальнейшем он рассматриваться не будет.

Значение константы может быть действительным или комплексным числом, вычисляемым выражением, вектором или матрицей.

Блок передаточной функции Transfer Fcn

Назначение:

Блок передаточной характеристики Transfer Fcn задает передаточную функцию в виде отношения полиномов:

Страницы: 1, 2, 3