Проектирование автоматической системы управления температурным режимом печи пиролиза П-101 установки (стр. 6 из 16)
3.2 Математическое описание объекта управления
Для расчета САР необходимо знать математическую модель объекта управления, т.е. уравнения, которые описывают процессы, происходящие в системе.
Аналитический вывод таких уравнений для промышленных объектов довольно сложен, поэтому модель динамики объекта получена методом активного эксперимента, который заключается в снятии переходных характеристик и определении по ним видов и коэффициентов передаточной функции. Переходная характеристика представляет собой решение дифференциального уравнения системы при ступенчатом входном воздействии и нулевых начальных условиях. Она, как дифференциальное уравнение, характеризует динамические свойства линейной системы:
- стационарность свойств объекта;
- линейность объекта регулирования;
- сосредоточенность параметров объекта.
3.3.1 Эксперимент по определению динамических характеристик
Математическая модель объекта управления была получена методом активного эксперимента. Метод заключается в снятии переходных характеристик и определения по ним коэффициентов передаточной функции.
По выбранному контуру в процессе прохождения производственной практики был проведен активный эксперимент, следующим образом.
На вход системы с отключенным регулятором подали ступенчатое воздействие в виде 5% открытия клапана. Затем снимаем переходную характеристику.
Рис. 3.1. Ступенчатое воздействие на объект
В результате ступенчатого воздействия на объект были получены кривые разгона, представленные на рисунках 3.1-3.5.
Рис. 3.2. Кривая разгона по каналу степень открытия топливного клапана – расход метана (экспериментальные данные)
Рис. 3.3. Кривая разгона по каналу степень открытия топливного клапана – температура продукта на выходе печи (экспериментальные данные).
Рис. 3.4. Ступенчатое воздействие. Изменение расхода сырья в печь
Рис.3.5. Кривая разгона по каналу расход сырья – температура продукта на выходе (экспериментальные данные)
3.3.2 Обработка результатов исследования объекта
Экспериментальные данные, представленные в п. 3.3.1, были рассмотрены в качестве кривых разгона объекта с целью получения передаточных функций по каналам и соответствующих настроек регуляторов. Для определения коэффициентов передаточных функций объекта регулирования используем прикладную программу LinRegTV.
Рис. 3.6. Кривые разгона по каналу степень открытия топливного клапана – расход метана
Рис. 3.7. Кривые разгона по каналу степень открытия топливного клапана – температура продукта на выходе
Рис.3.8. Кривые разгона по каналу расход сырья – температура продукта на выходе
Из рисунков 3.6 – 3.8 можно отметить, что расчетные и экспериментальные временные характеристики имеют отличие:
· относительная погрешность по каналу расхода метана – 0,003;
· относительная погрешность по каналу % открытия топливного клапана, температура на выходе печи – 0,001;
· относительная погрешность по каналу расход сырья, температура на выходе печи– 0,0004;
Данная разница связана с методом расчета передаточных функций объекта.
Методом Симою в прикладной программе "LinregTV" были получены следующие передаточные функции объекта:
1) Передаточная функция объекта по каналу % открытия топливного клапана –расход природного газа имеет вид:
(3.1)· СКО=0,006;
· Диапазон частот: ωрек=[0 ; 1,3] (сек-1).
КЧХ объекта представлена ниже (см. также Приложение А):
Рис. 3.9. КЧХ объекта по каналу % открытия топливного клапана – расход метана.
2) Передаточная функция объекта по каналу % открытия топливного клапана - температура продукта на выходе печи:
(3.2)· СКО=0,012;
· Диапазон частот: ωрек=[0 ; 0,0019] (сек-1).
КЧХ объекта представлена ниже (см. также Приложение Б):
Рис. 3.10. КЧХ объекта по каналу % открытия топливного клапана - температура продукта на выходе печи.
3) Передаточная функция объекта по каналу расход сырья - температура на выходе печи:
(3.3)· СКО=0,01;
· Диапазон частот: ωрек=[0 ; 0,0017] (сек-1).
КЧХ объекта представлена ниже (см. также Приложение В):
Рис. 3.11. КЧХ объекта по каналу расход сырья – температура на выходе печи.
4. Алгоритмизация, расчеты и моделирование АСР
4.1 Характеристика технологического объекта и оценка действующих возмущений
В качестве технологического объекта управления в дипломном проекте рассматривается печь паро-углекислого пиролиза природного газа установки получения водорода на ЗАО "Сибур-Химпром" (см. раздел "Краткое описание технологического процесса и характеристика технологического объекта управления").
По способу передачи тепла выбранный объект относится радиантно - конвекционной печи.
Причиной появления несовершенства в процессе регулирования являются возмущения, действующие на объект. Для оценки таких возмущений и установления их связи с обозначенными проблемами, воспользуемся рисунком 4.1.
Рис. 4.1. Блок-схема П-101 для оценки возмущений.
Задачей регулирования является поддержание заданного значения выходной температуры потока:
(4.1)Регулирующим воздействием на объект является расход топливного газа.
В анализируемом проекте указанные выше параметры регулируются одноконтурными АСР.
Большую часть возмущений, действующих на объект, создают колебания давления в системе подачи топливного газа и компрессор на линии подачи сырья (возмущения по нагрузке).
Таким образом, ликвидация возмущающих воздействий, действующих на объект, будет полностью определяться качеством регулирования в печи. Улучшение качества регулирования в свою очередь окажет положительное влияние на тепловую работу печи. Тепловая работа П-101 в наибольшей мере характеризуется и определяется ее температурным и тепловым режимами.
Температурный режим характеризуется выходной температурой сырья, величиной, которая для перерабатываемого сырья определяется на основании технологического регламента установки, а для объекта - нормами технологического режима. Поддержание температурного режима согласно норме позволит получать продукт на выходе печи необходимого качества для дальнейшей переработки в последующих блоках с целью получения конечного продукта. Отметим, что вопросы, связанные с влиянием температурного режима печи на процентное содержание водорода в пирогазе, были освещены и исследованы в п. 2.6-2.9. раздела "Технико-экономическое обоснование автоматизации объекта". На основании выполненных анализов и исследований, по данному вопросу, принимаем:
· при управлении температурным режимом трубчатой печи в качестве критерия будем принимать выходную температуру сырья.
· в качестве управляющих воздействий - изменение расхода топливного газа при подаче в печь П-101.
4.2 Сравнительный анализ и выбор АСР, для поддержания заданной температуры продукта на выходе печи
Возможными вариантами регулирования температуры на выходе печи являются: непосредственное регулирование по выходу и с применением коррекции по нагрузке. Поскольку запаздывание в АСР является одним из факторов, ухудшающих качество процесса управления, и при регулировании учитывающем нагрузку на печь время запаздывания уменьшается по сравнению с регулированием по выходу, то разрабатываемая в дипломном проекте АСР для поддержания заданной температуры продукта на выходе из печи П-101, будет осуществлять регулирование по выходу с коррекцией по нагрузке, исходя из большей информативности, качества и минимизации запаздывания. Системы, поддерживающие требуемую температуру продукта на выходе из трубчатой печи, могут быть синтезированы в классе 1 контурных, 2- и 3 контурных каскадных АСР. Каскадные системы являются одним из наиболее распространенных классов многосвязных АСР. Необходимость их применения обусловлена тем, что промышленный объект (печь П-101) характеризуются большим запаздыванием и значительными. Вследствие ограниченных величин коэффициентов передачи регуляторов и невысокого быстродействия системы, применение одноконтурных АСР для управления такими объектами не всегда обеспечивает требуемое качество управления.