Содержание к диссертации
Введение
1. Процесс произюдства синтешческого юлокна и автоматизащи основных параметров технологической схемы 9
1.1. Анализ технологических схем и аппаратурного оформления производства синтетического волокна 9
1.2. Главный реактор поликонденсации как объект регулирования 24
1.3. Принципы построения прикладных методов синтеза систем регулирования объектами химико-технологических схем 29
1.4. Математическая модель и анализ динамики неизменяемой части САР уровня в реакторе поликонденсации 41
1.5. Постановка задачи синтеза двухрежимного управления объектами производства синтетического волокна 51
2. Синтез алгоритма двухрежимного управления уровнем расплава в реакторе 57
2.1. Математическая формализация задачи синтеза двухрежимного управления 57
2.2. Синтез алгоритма двухрежимного управления уровнем расплава в реакторе поликонденсации процесса производства синтетического волокна 64
2.2.1. Синтез алгоритма двухрежимного управления объектом вида W(p) 65
2.2.2. Решение задачи синтеза алгоритма двухрежимного управления объектом вида W(p)
2.3. Синтез алгоритма двухрежимного управления с интегральной составляющей в законе регулирования 83
3. Экспериментальные исследования разработанных структур и алгоритмов управления
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований и разработка программы цифрового моделирования 101
3.2. Результаты цифрового моделирования разработанных систем двухрежимного управления уровнем расплава в реакторе поликонденсации
4. Особенности функционирования и направления совершенствования двухрежймных сау процессами производства синтетического волокна 130
4.1. Оценка влияния реальных условий эксплуатации на динамику двухрежимной системы автоматического управления 130
4.2. Вопросы технической реализации разработанных структур двухрежимного управляющего устройства ... 138
4.3. Направления совершенствования двухрежимных САР процессами производства синтетического волокна... 145
Заключение 153
Литература 156
- Главный реактор поликонденсации как объект регулирования
- Синтез алгоритма двухрежимного управления уровнем расплава в реакторе поликонденсации процесса производства синтетического волокна
- Результаты цифрового моделирования разработанных систем двухрежимного управления уровнем расплава в реакторе поликонденсации
- Вопросы технической реализации разработанных структур двухрежимного управляющего устройства
Главный реактор поликонденсации как объект регулирования
Из проведенного анализа химико-технологических схем производства синтетического волокна и их аппаратурного оформления установлено, что на качество получаемого ПЭТ! в основном влияют условия проведения многостадийной реакции поликонденсации. Основным контролируемым параметром получаемого конечного продукта на данном участке технологического процесса является вязкость расплава. В приведенной на рис.1.1 технологической схеме предусмотрен непрерывный контроль вязкости расплава на выходе главного и конечных реакторов посредством капилярного вискозиметра. Рассмотрим подробнее влияние возмущающих факторов на показатели качества выходного продукта.
Поскольку реакция образования ПЭТ5 является равновесной и обратимой, то для ее завершенности на определенной стадии участка технологической схемы, а именно на стадии поликонденсации, необходимо непрерывно отводить выделяющийся этиленгликоль из зоны реакции. Чем полней удаляется этиленгликоль, тем больше вероятность образования полиэфира с высоким молекулярным весом. Следовательно, при синтезе полиэфира молекулярный вес и степень завершенности реакции определяются полнотой удаления низкомолекулярного соединения - этиленгликоля - из зоны реакции поликонденсации (87,105,106).
Полнота удаления этиленгликоля из зоны реакции поликонденсации в основном определяется тремя факторами: уровнем остаточного давления в аппарате, температурой реакционной массы и количеством вещества,находящегося в реакторе. Так как основное формирование полимера происходит на второй стадии реакции поликонденсации, что определяется изменением вязкости расплава от входа к выходу, то и влияния возмущающих факторов наиболее существенно будут отражаться в главном реакторе поликонденсации.
При уменьшении уровня остаточного давления в зоне реакции, как следствие, увеличивается объем отбираемого этиленгликоля. Это приводит не только к увеличению молекулярной массы, но и к вспениванию среды в реакторе, что влечет, во-первых, к ошибкам в измерении технологических параметров, а во-вторых, к отбору среды вместе с парами этиленгликоля. Регулирование уровня вакуума в данной технологической схеме возможно путем подачи азота в конечные отделители реактора поликонденсации.
Изменение температуры расплава аналогично изменению давления и приводит в конечном итоге к нарушению динамики образова ния полимера в реакторе. Заметим, что изменение температуры в реакторе может повлечь к разрушению образующегося полимера. Регулирующее воздействие по данному возмущению возможно осуществить только путем изменения температуры динила в рубашке обогрева реактора.
Практика эксплуатации технологического процесса и проведенный выше анализ показывают, что изменение температурного режима и остаточного давления не являются определяющими факторами качества выходного продукта. Реактор поликонденсации представляет собой адиабатический аппарат. Это значит, что изменение внешних условий не влияет на параметры процесса. Изменение температуры теплоносителя или мощности вакуумных насосов в рабочих пределах параметров не вносят существенных изменений в динамику образования ПЭТ.
Наибольшее влияние на изменение качества выходного продукта оказывает нестабильность количества вещества в реакторе поликонденсации. При возрастании количества вещества в реакторе поликонденсации происходит повышение уровня или увеличение площади зеркала реагирующей массы. Поскольку реакция поликонденсации проходит в тонком слое вещества, то увеличение площади зеркала приводит к расширению зоны реакции и, соответственно, к увеличению объема выделяющегося этиленгликоля. При прочих постоянных параметрах это вызывает смещение реакции в сторону, уменьшения молекулярной массы образующегося полимера. К изменению уровня вещества в реакторе может привести несколько факторов: 1) изменение отбора конечного продукта из реактора; 2) изменение подачи, расплава на вход реактора; 3) изменение нагрузки или производительности прядильной машины; 4) переход с одного режима функционирования на другой; 5) изменение состава сырья и производительности схемы.
Таким образом, задача поддержания заданного качества выходного продукта будет определяться в основном решением задачи стабилизации уровня вещества в реакторе поликонденсации. Анализ факторов, влияющих на качество выходного продукта, и принцип построения технологической схемы определяют главный реактор поликонденсации как наиболее важный объект в технологической схеме получения полиэфирного волокна.
Рассмотрим более подробно работу и устройство главного реактора поликонденсации по упрощенной схеме, приведенной на рис Л. 2. Как было сказано выше, реактор представляет собой цилиндрический аппарат, диаметр которого составляет 1400мм., а длина 4000мм. Реактор снабжен мешалкой якорного типа и спиралевидной рубашкой обогрева. Наибольший практический интерес, с точки зрения функционирования реактора, представляет устройство мешалки.
По всей длине мешалка разделена кольцеобразными перегородками, внутренний диаметр которых увеличивается по ходу технологического процесса от 440 мм до 700мм. Поскольку по длине аппарата происходит значительное изменение вязкости расплава, секционное разделение среды в реакторе позволяет, во-первых,равномерно распределить нагрузку на оси мешалки, а во-вторых, дает возможность принять частоту вращения мешалки постоянной при заданной производительности. Заметим, что внешний диаметр мешалки составляет 1394мм, а образующийся зазор между стенкой аппарата составляет Змм. Таким образом, переход реакционной массы из одной секции в другую осуществляется в основном через внутреннее отверстие кольцеобразной перегородки. В процессе работы реакционная масса заполняет все секции реактора до уровня перелива, кроме последней, гле и происходит изменение площади зеркала.
Синтез алгоритма двухрежимного управления уровнем расплава в реакторе поликонденсации процесса производства синтетического волокна
Для построения систем автоматического управления, как правило, необходимо иметь математическое описание объекта управления, которое базируется на уравнениях материального и энергетического балансов. Геометрия машин и аппаратов, а также физический или химический законы, на основе которых протекает процесс, известны и формально получение математической модели не вызывает затруднений. Однако точное определение коэффициентов, входящих в уравнения физических и химических законов, затруднительно. Поэтому достоверность математической модели, прежде всего, зависит от степени обобщения при проведении процедуры синтеза. Отсюда и передаточная функция, как эквивалент математической модели по управляемой координате, будет также определяться степенью обобщения.
При решении задачи синтеза двухрежимной системы автоматического управления мы будем использовать передаточную функцию неизменяемой части системы, так как динамические свойства исполнительного механизма и регулирующего органа оказывают существенное влияние на динамику системы в целом.
Рассмотрим две линии переключения В 0 и В 0 , ограничивающие некоторую область фазового пространства, содержащую линию Ы) . Отсюда следует, что в ОеЦ, , а&Ое . Если начальное положение изображающей точки таково, что на первом интервале управление U = + \ и точкой смены знака управления является точка Е В 0 , то движение системы в дальнейшем проходит по линии Б" О и npnt- 00 будет представлять собой предельный цикл. А это значит, что система будет находиться в автоколебательном режиме. Семейство линий в О R будут представлять собой зону возникновения автоколебательного режима.
Если начальные условия оставить прежними, а линию переключения принять В 0 , то при достижении изображающей точкой б дальнейшее движение будет проходить вдоль этой линии в скользящем режиме.
Обеспечить движение изображающей точки системы строго по оптимальной линии переключения в реальной системе практически невозможно. Поэтому желательно иметь такой алгоритм управления, чтобы фазовая траектория движения системы располагалась как можно ближе к оптимальной линии переключения в зоне скользящих режимов.
Определив алгоритм управления и уравнение траектории движения изображающей точки для системы (2.2.2) в смысле критерия быстродействия, перейдем ко второму этапу решения задачи синтеза двухрежимной системы автоматического управления. Как уже отмечалось, система (2.2.2) управляема и стабилизируема, следовательно, для нее может быть достигнута ассимптотическая устойчивость движения на поверхности скольжения. Представим исходную систему в канонической форме наблюдаемости путем неособого преобразования вида (2.1.9). Матрица неособого преобразования выбирается из условий х =М\ ; х е R2 ; МЬ= (1л) , (2.2.8) где Ь2 положительно определенная квадратная матрица. Движение изображающей точки в пространстве ошибки и ее производной для системы (2.2.2; 2.2.20) представленно на рис.2.3, а структурная схема на рис.2.4. Заметим, что соотношение весовых матриц Q-н и Уга в выражении (2.2.13) определяет компромисс между двумя противоречивыми требованиями: иметь быстрозатухающий процесс управления и минимум энергетических затрат на его реализацию, то открывается возможность варьировать наклон линии скольжения (2,2,18) при получении общего закона двухрежимного управления.
Таким образом, область фазового пространства, содержащая все многообразие фазовых траекторий движения системы управления при изменении динамических параметров объекта управления,находится между верхней и нижней границами.
Разделим условно все фазовое пространство на два подпространства: внешнее и внутреннее, характеризующиеся большими и малыми отклонениями регулируемого параметра соответственно. Решением данной системы уравнений будет точкаQ( ,it)во втором квадранте фазовой плоскости и симметричная ей относительно начала координат точка б (22,5 четвертом квадранте. Для осуществления перехода из внешнего подпространства во внутреннее необходимо подобрать соотношение весовых матриц Q4iи ОааВ выражении (2.2.13) таким образом, чтобы линия скольжения содержала точки Q и 6 (рис.2.5).
Результаты цифрового моделирования разработанных систем двухрежимного управления уровнем расплава в реакторе поликонденсации
В соответствии с методикой проведения эксперимента и разработанной программой цифрового моделирования рассмотрим динамику систем автоматического регулирования с использованием разработанных структур и промышленного ШД-регулятора. В качестве входного воздействия используем единичный скачек, как наиболее общий вид входного сигнала при исследовании динамики САР.
Из текста подпрограммы MODEL видно, что путем изменения коэффициентов в CALL VEZ имеется возможность оценить качество-переходного процесса исследуемой системы автоматического регулирования во всем диапазоне изменения динамических характеристик объекта управления. Переходные процессы промышленной САР с ПИД-законом регулирования, полученные для сравнительного анализа с разработанной двухрежимной системой, представлены на рис.3.5 и рис.3.6.
Для доказательства теоретических предпосылок и работоспособности полученных структур двухрежимного управления, обоснования принятых допущений и упрощений рассмотрим исходную информацию для построения структурной схемы цифровой модели двухре-жимной системы автоматического управления. Структурная схема цифровой модели двухрежимной САР представлена на рис.3.8.
Аналогично, как и в предыдущем случае, согласно принятой методике составим ядро подпрограммы MODEL на основании структурной схемы. Переходные процессы, полученные в результате проведенного эксперимента во всем диапазоне изменения динамических характеристик неизменяемой части САР, представлены на рис.3.9, рис.3.10 и рис.3.11.
Анализ приведенных графиков переходных процессов показывает, что разработанная двухрежимная система автоматического регулирования практически не изменяет своих показателей качества во всем диапазоне изменения динамических характеристик неизменяемой части САР. Варьирование коэффициента передачи от минимального значения до максимального значения вызывает увеличение перерегулирования на 0, и практически не сказывается на величине времени переходного процесса. Варьирование постоянной времени неизменяемой части САР от минимального к максимальному значению приводит к увеличению времени переходного процесса на 0,3 - 1,5 с. при максимальном значении коэффициента передачи. Графики изменения показателей качества переходного процесса двухрежимной системы автоматического управления представлены на рис.3.12.
Заметим, что соотношение между величинами г. и лі определяет наклон нелинейной характеристики. Оперируя значениями фактических аргументов, задающих параметры нелинейного закона, можно получить несколько модификаций релейных характеристик. Так, при {=0 , «=о ,и#0 получим характеристику безинерционного усилительного звена с ограничением; при Л1=0 получим идеальное реле. Таким образом, одним блоком можно реализовать несколько нелинейных зависимостей и максимально увеличить степень адекватности функционирования реальной системы и ее модели.
Определив функциональные возможности и принцип построения программы моделирования, следует отметить, что полное время счета будет зависеть от трех факторов: количества элементарных модулей в подпрограмме MODEL » заданного времени функционирования модели и величины шага дискретизации. Предварительная оценка величины шага дискретизации может быть проведена на основе использования теоремы Котельникова или экспериментальным путем (108). Описание программы цифрового моделирования позволяет заключить, что исходной информацией для ее осуществления являются: I) топология структурной схемы исследуемой системы; 2) передаточные функции всех входящих в исследуемую систему блоков; 3) фа-зовое состояние системы; 4) полная информация о входных и возмущающих воздействиях.
На основании программы экспериментальных исследований и требований к входной информации для цифрового моделирования, а также сравнительного анализа показателей качества переходных процессов разработанной двухрежимной САУ и используемой системы управления уровнем расплава в реакторе поликонденсации необходимо определить настройки линейного закона регулирования.
Для расчета настроек аналоговых линейных регуляторов существует несколько методов. Наиболее распространенными из них являются графо-аналитический (84) и аналитический на основе использования расширенных характеристик объекта и выбранного закона регулирования (95).
В настоящей работе воспользуемся более простым и наглядным методом расчета настроек на основе построения логарифмических амплитудно-фазо-частотных характеристик. Известно (II), что режим автоколебаний возникает в линейной системе в том случае, если выполняются определенные амплитудные и фазовые соотношения. Исходя из этого, можно рассчитать настройки регулятора для системы автоматического регулирования с заданными наперед свойствами. Логарифмические амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики исследуемого объекта регулирования представлены на рис.3.3. Из него видно, что введение дифференциальной части в закон регулирования вызовет подъем фазовой характеристики в области высоких частот, что определит величину запаса устойчивости по фазе. Из рассчитанных значений пропорциональной и интегральной составляющих найдем критическую частоту дифференциальной составляющей, учитывая аплитудные соотношения при возникновении в системе автоколебательного режима.
Вопросы технической реализации разработанных структур двухрежимного управляющего устройства
Высокий современный уровень развития микроэлектроники, аналоговых интегральных схем и элементов определяет их широкое применение при технической реализации электронных средств систем автоматического управления. Это позволило прежде всего существенно изменить массо-габаритные характеристики разрабатываемых устройств, повысить их надежность и универсальность, снизить энергетические затраты и существенно повысить их показатели качества. Современная элементная база позволяет с высокой точностью реализовать не только линейные операции, но и всевозможные нелинейные функциональные блоки и законы. Рассмотрим на этой основе возможность технической реализации разработанного алгоритма двухрежимного управляющего устройства в системе автоматического управления уровнем расплава в реакторе поликонденсации.
Согласно выражению (2.3.38) разработанный алгоритм управляющего устройства содержит как линейные, так и нелинейные блоки. Не останавливаясь на реализации операций сложения и умножения сигнала на постоянный коэффициент ввиду их тривиальности, рассмотрим получение нелинейных законов и функций.
Как видно из полученных законов управления, одной из нелинейных функций является выделение абсолютной величины сигнала.
Использование прецезионных операционных усилителей позволяет выделить абсолютную величину сигнала с точностью до единиц микровольт. Требуемая функция достигается изменением знака коэффициента передачи схемы в зависимости от полярности входного сигнала. Отработка сигнала с такой точностью достигается включением переключающих диодов в цепь обратной связи операционного усилителя. Принципиальная схема устройства, реализующего нелинейную функцию выделения абсолютной величины входного сигнала, представлена на рис.4.4. При UE x 0 , диод\/])2. открыт, a VD1 - закрыт и входной ток течет через R3 на выход. При Ul?x 0 , диод\/ТИ открыт,\/1)Я - закрыт, а на инвертирующем входеDA1 сохраняется близкое к нулю напряжение. Точность и работоспособность описанной схемы сохраняется при условии R1 = R5 .
Достижение наибольшей адекватности технической реализации и полученного алгоритма закона управления в основном зависит от реализации знаковой функции или релейного закона. От такого устройства требуется минимальное время срабатывания, симметричность выходной характеристики, отсутствие гистерезисных явлений и зо ны нечувствительности. Для реализации релейного закона используются схемы сравнения или компараторы. Время срабатывания таких устройств определяется единицами наносекунд. Различают однопороговые, двухпороговые и регенераторные компараторы. Двухпороговые компараторы изменяют два раза свое состояние выхода при увеличении входного сигнала в некотором диапазоне и, следовательно, не могут быть использованы для реализации релейного закона. В одно-пороговых компараторах при очень медленных изменениях входного сигнала или малых амплитудах время переключения существенно зависит от скорости изменения входного напряжения. Для уменьшения времени срабатывания используют схемы сравнения с положительной обратной связью - регенераторные компараторы. Рассмотрим одну из схем, представленную на рис.4.5. При отрицательном или близком к нулю входном напряжении выходное напряжение положительно, а на неинвертирующем входе оно равно нулю. Как только входное напряжение достигнет нуля, ток в цепи стабилитроновVD1 -VD4 становится равным нулю, а затем меняет свое направление. Уровень выходного напряжения операционного усилителя!)А\ переключается в противоположное состояние. Величина выходного напряжения будет определяться типом выбранного стабилитрона. Эта схема может быть с успехом использована при реализации знаковой функции от суммы нескольких аргументов.
Одной из наиболее распространенных математических операций при реализации нелинейных законов управления является операция умножения двух аналоговых сигналов. В настоящее время аналоговые перемножители могут быть реализованы как на отдельных пре-цезионных операционных усилителях и полупроводниковых элементах, так и на интегральных микросхемах. Выбор схемной реализации определяется требованиями надежности, допустимой точности, необходимой полосой пропускания, быстродействием и диапазоном изме нения входных сигналов. Среди множества типов аналоговых перемножителей наибольшее распространение получили четыре: с управляемым сопротивлением, с переменной крутизной, логарифмические и с нормировкой токов. Все перечисленные методы перемножения аналоговых сигналов отличает так называемый показатель квадрант-ности. Если результат перемножения двух аналоговых сигналов имеет правильный алгебраический знак во всем диапазоне изменения сомножителей, то перемножитель называется четырехквадрантным. Такой перемножитель может быть реализован только методом нормировки токов.
Рассматривая выражение (2.3.38) с точки зрения использования метода перемножения,можно заключить, что реализация этого нелинейного закона возможна на основе двухквадрантного перемножителя с использованием метода переменной крутизны, так как область значений первого сомножителя принадлежит положительной числовой оси. Принципиальная схема двухквадрантного перемножителя по методу переменной крутизны представлена на рис.4.6.
Следует остановиться на вопросе схемной реализации таких устройств, как усилитель с переменным коэффициентом передачи, реализующий в законе управления пропорциональную часть,и интегратор с устройством управления временем изодрома. Дифференцирующее устройство реализуется путем введения в обратную связь интегрирующего блока апериодического звена, поэтому техническую реализацию такого устройства рассматривать нет необходимости.
