Содержание к диссертации
* ВВЕДЕНИЕ 6
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМА ПОСТРОЕНИЯ
РЕГУЛЯТОРОВ С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ
ВОЗМОЖНОСТЯМИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕ
СКИХ ПРОЦЕССОВ 22
Особенности и расширение функциональных возможностей регуляторов для непрерывных технологических процессов 22
Алгоритмы защиты АСР от насыщения 26
Алгоритмы защиты от насыщения регулирующих устройств 33
Алгоритмы работы регуляторов с переменной структурой 39
Выводы 59
Цели и задачи исследования 63
2. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ РЕГУЛЯТОРОВ С ЗА
ЩИТОЙ ОТ НАСЫЩЕНИЯ 65
Методы построения регуляторов с защитой от насыщения и переменной структурой 65
ПИ-регуляторы с защитой от насыщения и переменной структурой '. 72
Блоки предварения и дифференцирования с защитой от насыщения и с переменной структурой 76
Фильтры с защитой от насыщения и переменной структурой 80
Методы построения РУЗН на диодах с настраиваемым смещением 84
Структурные схемы РЗН на диодах 89
Фильтры с защитой от насыщения, построенные на диодах с настраиваемым смещением 116
Методы и алгоритмы защиты от насыщения АСР 125
Регуляторы с простыми алгоритмами защиты от насыщения 125
Регуляторы с двухуровневой комбинированной защитой от насыщения 130
2.8.3. Регуляторы с трехуровневой комбинированной защитой от на
сыщения 133
2.9. ПИД-регуляторы с защитой от насыщения , 139
2.10. Выводы 150
3. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ РЕГУЛЯТОРОВ С ПЕРЕМЕННОЙ
СТРУКТУРОЙ I53
Зонные регуляторы с переменной структурой типа РПС 153
Зонные регуляторы с переменной структурой типа РПС-1 159
Зонные регуляторы с переменной структурой типа РПС-2 162
Зонные регуляторы с переменной структурой типа РПС-Г 166
Устройства с переменной структурой 169
Выводы 174
4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИКИ АСР С
РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНО
СТЯМИ 176
4.1. Методика и алгоритмы анализа и оптимизации АСР с переменной
структурой и защитой от насыщения 176
Методика и алгоритмы анализа динамических характеристик АСР 177
Методика и алгоритмы математического моделирования систем сггеременными параметрами 183
Методика и алгоритм синтеза оптимальной АСР 187
Методика исследования АСР на микропроцессорных контроллерах , 189
Аналоговое моделирование динамики РЗН и РПС 197
4.2. Исследование и оптимизация настроек регуляторов РПС 200
Исследование и оптимизация настроек регуляторов РПС-1 200
Исследование и оптимизация настроек регуляторов РПС-2 219
Исследование и оптимизация настроек регуляторов РПС-Г 238
4.3. Инженерная методика расчета настроек регуляторов РПС 254
Расчет параметров настройки линейных регуляторов 255
Выбор параметров настройки и показатели качества систем с РПС 257
Исследование ПИ-регуляторов с защитой от насыщения 261
Исследование ПИД-регуляторов с защитой от насыщения 283
Выводы 301
5. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ РЕГУЛЯТО
РОВ С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ И ЗАЩИТОЙ ОТ НА
СЫЩЕНИЯ В АСР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 307
Пневматические регуляторы с переменной структурой 307
Пневматические регуляторы с защитой от насыщения 311
Пневматические блоки предварения и дифференцирования 320
Микропроцессорные регуляторы с переменной структурой 326
Микропроцессорные регуляторы с защитой от насыщения 333
Применение регуляторов с переменной структурой и защитой от насыщения в АСР технологических процессов 344
АСР давления процесса синтеза метанола 344
АСР температурного режима в колонне синтеза метанола 350
АСР давления в колонне ректификации метанола 356
АСР процесса окисления циклогексана 360
АСР температурного режима конвертора метана 363
5.7. Выводы 366
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 368
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .'. 372
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ, И УСТ
РОЙСТВА С ЗАЩИТОЙ ОТ НАСЫЩЕНИЯ ?. 395
П1.1. Пневматические регуляторы с защитой от насыщения 395
П1.2. Пневматические блоки предварения и дифференцирования 411
П1.3. Устройства для фильтрации пневматических сигналов 423
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ С ПЕ- 428
«і
РЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ И С ЗАЩИТОЙ ОТ НАСЫЩЕ
НИЯ
П2.1. Микропроцессорные регуляторы переменной структуры РПС-2 428 .
П2.2. Микропроцессорные регуляторы переменной структуры РПС-Ґ 436
П2.3. Регуляторы с переменной структурой типа РПС-2 на микропро
цессорном приборе ПРОТАР 440
П2.4. Микропроцессорные регуляторы с защитой от насыщения 445
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ПРИМЕНЕНИЕ РЕГУЛЯТОРОВ С ПЕРЕМЕН
НОЙ СТРУКТУРОЙ И ЗАЩИТОЙ ОТ НАСЫЩЕНИЯ В АСР
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 456
П3.1. Микропроцессорная АСР температурного режима технологиче
ского процесса очистки сбросных газов 456
П3.2. АСР загрузки и подготовки раствора катализатора 459
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ДОКУМЕНТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 46ї
Введение к работе
Интенсификация технологических процессов, возросшие требования к экологической безопасности и качеству выпускаемой продукции при минимальных затратах сырья и энергии требуют создания более эффективных и надежных автоматических систем регулирования (АСР) технологических параметров. Характерными особенностями многих технологических объектов являются наличие большого числа неконтролируемых возмущений, большая инерционность, значительное запаздывание, а также нелинейность типа "насыщение" в каналах управления и ограниченный диапазон изменения других переменных.
Управление такими объектами с помощью типовых регуляторов и автоматических устройств с весьма ограниченными возможностями и настройками не обеспечивает необходимого качества регулирования технологических параметров. В большинстве типовых регуляторов и устройств:
не учитывается ограниченный диапазон возможного изменения внутренних переменных регулятора и управляющих воздействий и влияние этого на динамику системы регулирования;
нет защиты от насыщения системы регулирования при выходе сигналов управления за установленные пределы изменения;
нет ограничения выходных сигналов на заданных уровнях с одновременной защитой их от насыщения;
отсутствует безударное переключение режимов управления при неравенстве регулируемой переменной ее заданному значению;
невозможна оперативная коррекция выходных сигналов регуляторов в автоматическом режиме управления (в режиме обхода автоматики);
6) отсутствует автоматическое переключение параметров алгоритмов
управления (изменение структуры регулятора) при резких изменениях входных
воздействий на технологический процесс и с.учетом характера протекания пе
реходных процессов.
Например, в АСР давления в системе синтеза метанола применение линейных ПИ- и ПИД-регуляторов не дает удовлетворительных результатов.
Наиболее эффективными здесь оказались регуляторы с переменной структурой и настраиваемыми зонами нечувствительности (РПС), у которых в нормальном режиме работы процесса Д- составляющая закона регулирования отключена. При действии больших возмущающих воздействий происходит быстрая перестановка управляющего органа за счет переключения структуры РПС.
В АСР температурного режима процесса синтеза метанола требуется исключить возможность полного закрытия регулирующих клапанов. Это необходимо для установки минимально допустимого расхода воды через змеевики системы охлаждения. Поэтому в регуляторах следует установить устройства ограничения выходных сигналов как сверху, так и снизу.
При поддержании в заданных пределах давления в колонне ректификации метанола верхний граничный предел изменения выходного сигнала необходимо задать на уровне 40 - 50 % для исключения больших потерь ценного газообразного продукта. Нижний предел задается на стандартном уровне, при этом без задержки требуется вводить регулирующее воздействие только в случае превышения заданного значения регулируемой величиной.
Для рассматриваемого класса объектов управления проблема повышения эффективности АСР на основе создания защиты от насыщения и изменения структуры регуляторов, расширения их функциональных возможностей простыми техническими средствами, разработки способов их реализации и методов расчета получаемых при этом сложных нелинейных автоматических систем является трудной и во многом незавершенной. В связи с этим весьма актуальной является разработка принципов построения, способов технической реализации и методов расчета эффективных автоматических систем, регуляторов и устройств управления с расширенными функциональными возможностями, позволяющими свести к минимуму влия'ние на динамику и качество систем ограниченного диапазона изменения переменных, регуляторов с переменной структурой и с защитой от насыщения для широкого класса непрерывных технологических процессов, динамические свойства которых описываются инерционными звеньями с запаздыванием и нелинейностью типа "насыщение" в
каналах управления.
Непрерывное развитие и совершенствование автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) обусловлено посто-' янно возрастающими требованиями к функциональной обеспеченности технических средств на всех уровнях их применения в АСУ ТП. Эти требования вызывают необходимость существенного повышения эксплуатационной надежности и расширения функциональных возможностей в первую очередь тех средств, которые особенно широко используются при организации локальных автоматических систем регулирования (АСР) технологическими параметрами. При этом эффективность различных АСУ ТП во многом зависит от степени совершенства регулирующей аппаратуры.
Переход от централизованных систем управления и контроля к более эффективным распределенным децентрализованным АСУ ТП на базе вычислительных средств обусловлен усложнением, как самих технологических процессов, так и задач комплексной автоматизации производства. Однако до появления микропроцессорных технических средств автоматизации (ТСА) практическая реализация распределенных децентрализованных систем была экономически нецелесообразна.
Для автоматизации современных непрерывных технологических процессов требуется большое число различных типов регуляторов, реализующих обычные ПИ-, ПИД-законы управления, а также с расширенными функциональными возможностями, с переменной структурой, с защитой от насыщения, с адаптацией к условиям работы объекта управления и других. Большинство этих алгоритмов управления реализовать аппаратными средствами на аналого-вой технике довольно сложно и дорого. Появление надежных регулирующих микроконтроллеров обеспечило программную реализацию любых алгоритмов регулирования. Поэтому в качестве ТСА для распределенных АСУ ТП все шире используются микропроцессорные контроллеры (МПК).
Преимущества АСР с микропроцессорными регуляторами и контроллерами связаны в первую очередь с возможностью реализации хорошо разрабо-
танных в теории, но с трудом воспроизводимых на аналоговой элементной базе сложных, нелинейных алгоритмов управления, характерных, например, для адаптивных систем, систем с переменной структурой, с защитой от насыще-" ния, с расширенными функциональными возможностями.
В микропроцессорной АСР часто не нужно вводить никаких аппаратных изменений, чтобы радикально изменить алгоритм управления. Следовательно, аппаратная часть таких систем морально стареет гораздо менее интенсивно, чем у их аналоговых вариантов. МПК наряду с задачами регулирования (вычисление ошибки, формирование управляющего воздействия, динамические и статические преобразования) может решать и логические задачи, заменяя тем самым соответствующее аппаратное устройство. Постоянно снижающаяся стоимость и высокая производительность МПК, наряду с перечисленными выше достоинствами, делают их применение экономически целесообразным.
Сегодня во всем мире преобладает тенденция к использованию в качестве технических средств АСУ ТП микропроцессорных контроллеров МПК, которые соединяют в себе достоинства аналоговых приборов и ЭВМ и лишены их недостатков. Многие потребители нуждаются в малогабаритном малоканальном контроллере, который управлял бы одним - четырьмя контурами. Аналогичные устройства требуются при автоматизации крупных объектов, имеющих особо ответственные контуры регулирования и управления.
Несмотря на возрастающее применение средств микропроцессорной техники и управляющих вычислительных машин в области автоматизации производственных процессов роль аналоговых регулирующих устройств (РУ) в современных АСУ ТП не только не ослабевает, но, наоборот, возрастает благодаря приобретению этими РУ новых функциональных особенностей и улучшению их эксплуатационных характеристик, упрощению схемотехнических и конструктивных решений. В будущем следует ожидать использования многофункциональных аналоговых РУ главным образом в децентрализованных системах автоматического управления (САУ), а также в локальных АСР технологических процессов, в которых эти РУ нашли наибольшее применение. В свою
очередь, совершенствование локальной автоматики способствует быстрому внедрению вычислительной техники при решении задач оптимального управления технологическими процессами.
Весьма существенный и наиболее распространенный недостаток аналоговых РУ - эффект насыщения выходных сигналов. Например, в широко применяемых до настоящего времени пневматических системах (особенно в АСР нефтехимических и химико- технологических процессов) часто возникают режимы, когда выходные сигналы регуляторов выходят за установленные пределы изменения или пределы стандартного диапазона давлений, то есть входят в зону насыщения. Такие режимы наблюдаются при длительно действующих возмущениях технологического процесса или же при резких изменениях технологических параметров. При этом обычно появляется ошибка регулирования постоянного знака, сохраняющаяся в течение длительного времени.
При длительно действующих ошибках регулирования постоянного знака выходное давление регулятора за счет интегральной части либо доходит до давления питания, либо сбрасывается до атмосферного. После смены знака ошибки, когда возмущающее воздействие исчезает или поступает возмущение противоположного знака, появляется задержка в работе регулятора на время, в течение которого выходное давление регулятора возвращается в заданный диапазон. Это время задержки может быть значительным при больших постоянных времени интегрирования регулятора. Заданный диапазон давления представляет собой либо стандартный диапазон, либо устанавливается, например, с помощью прибора ограничений давления на выходе регулятора. При сужении устанавливаемого диапазона давления время задержки также увеличивается. Такие же эффекты можно наблюдать и в электрических регуляторах с непрерывным выходным сигналом.
В течение времени задержки в работе регулятора АСР фактически бездействует, так как исполнительный механизм не изменяет регулирующего воздействия, хотя выходной сигнал регулятора и изменяется, но остается в зоне насыщения. Такое бездействие АСР приводит к резкому снижению качества
-II-
регулирования технологических параметров.
К настоящему времени в технической литературе имеется достаточно много публикаций, посвященных исследованию и разработке регуляторов с' защитой от насыщения (РЗН), Исследования АСР с объектами 1-го порядка с запаздыванием и ПИ-регуляторами с защитой от насыщения проводили Е.К. Круг и О.М. Минина. Исследованию и разработке регулирующих устройств с защитой от насыщения (РУЗН) посвящены также работы А.У. Ялышева, В.В. Певзнера, А.И. Бирмана и др., а также труды, прежде всего польских авторов Д. Холейко, В, Невчас, П. Яблонски и 3. Петрусински и др. зарубежных специалистов по автоматическому регулированию. Опыт эксплуатации АСР непрерывных технологических процессов и анализ работ по данной проблеме показывает, что защищать от насыщения необходимо практически все системы, регуляторы и устройства автоматического управления: ПИ-, ПИД- регуляторы, блоки предварения и дифференцирования, а также устройства для фильтрации сигналов. Отсутствие в них такой защиты приводит к появлению задержки в работе АСР, что резко снижает качество регулирования ТП, а в некоторых случаях системы становятся неработоспособными.
Различные конструкции регуляторов с защитой от насыщения разработаны в Центральном научно-исследовательском институте комплексной автоматизации (ЦНИИКА), НИИ теплоэнергетического приборостроения (НИИте-плоприбор), Московском заводе тепловой автоматики (МЗТА) и др. Из зарубежных работ отметим разработки Варшавского института автоматики и измерений (Польша), а также ФРГ, США и др., где большинство фирм вносит в конструкцию приборов изменения, направленные на устранение насыщения интегральной части регуляторов.
К настоящему времени предложены схемы защиты от насыщения систем, регуляторов и устройств, которые построены на базе использования принципа переменной структуры или с применением диодов. Защита от насыщения позволяет устранить задержки в работе АСР и может осуществляться по выходным сигналам, как всего регулятора, так и его интегральной части. АСР
могут быть построены с защитой от насыщения по другой связанной с выходным сигналом регулятора координате объекта управления (ОУ).
Несмотря на достигнутые результаты в разработке РЗН, непрерывно растущие требования к АСР технологических процессов настоятельно требуют создания новых эффективных алгоритмов защиты от насыщения регуляторов, обеспечивающих по сравнению с известными более высокие динамические показатели качества переходных процессов. Кроме того, до сих пор не решен широкий круг вопросов по исследованию и оптимизации различных структур АСР с защитой от насыщения.
Таким образом, задача защиты от насыщения разработана неполно, ряд алгоритмов (особенно для ПИД- регуляторов) вообще не рассмотрены и не исследованы, часть алгоритмов при технической реализации из-за погрешностей элементов не дает ожидаемых результатов, многие устройства защиты от насыщения (УЗН) имеют сложную конструкцию и обладают низкими функциональными возможностями. Задача управления промышленными объектами с запаздыванием с помощью РУЗН, в частности задача оптимального выбора параметров настройки УЗН, далеко не решена как в теоретическом, так и в практическом плане.
Возрастающие требования к качеству АСР, сложность и широкий диапазон изменения характеристик технологических объектов заставляют искать новые методы и средства построения систем управления. Применение регуляторов с переменной структурой (РПС) является одним из перспективных направлений улучшения динамики АСР. Для обеспечения требуемого качества управления структура таких РПС изменяется по определенному закону при помоіци логических устройств. Важным свойством РПС является простота их технической реализации. Принцип переменности структуры позволяет создавать системы, обладающие качественно новыми свойствами, недостижимыми при традиционных способах регулирования.
Опыт эксплуатации АСР химико-технологических процессов и анализ литературных источников показал, что управление объектами с запаздыванием
с постоянно включенной дифференциальной составляющей (ПИД- регуляторы) приводит к колебательному режиму регулирования, что говорит о необходимости отключения дифференциальной части регулятора в нормальном режиме работы АСР. Поэтому для управления объектами с запаздыванием используются регуляторы с переключаемой (переменной) структурой.
По проблемам исследования и разработки АСР с переменной структурой к настоящему времени также опубликовано большое количество статей и несколько монографий. Исследованию и разработке регулирующих устройств с переменной структурой (РУПС), развитию теории и практики систем с переменной структурой (СПС) посвящены труды СВ. Емельянова, В.И. Уткина, Е.К. Шигина и других отечественных ученых.
Наиболее полные результаты получены в Институте проблем управления под руководством СВ. Емельянова. Интересные работы проводились в Свердловском отделении Математического института им. Стеклова, Воронежском политехническом институте, НИИтеплоприбор и др. Из зарубежных публикаций отметим работы И. Флюгге-Лотц, Биго, Фоссара, В. Фернера.
Анализ этих работ показал, что наиболее высокое качество управления обеспечивают зонные РПС с настраиваемыми зонами нечувствительности (НЗН), характеризующиеся малым числом переключений структуры в течение переходного процесса, повышенной помехозащищенностью и предложенные СВ. Емельяновым, В.Я. Раутенштейном, В.В. Белокуровым и др. Несмотря на достигнутые результаты в области разработки алгоритмов РПС, последние обладают рядом серьезных недостатков, а задача анализа и синтеза этих АСР и создания инженерных методик их расчета и технической реализации полностью далеко не решена.
Работы по исследованию и разработке АСР с переменной структурой и с защитой от насыщения выполнялись в течение ряда.лет в Тульском политехническом институте и затем государственном университете для химико-технологических процессов (ХТП) на Щекинском производственном объединении "Азот", теперь ОАО "Щекиноазот". Характерными особенностями этих
ХТП и многих других процессов являются наличие большого числа неконтролируемых воздействий, инерционностей и значительного запаздывания, а также различных нелинейностей, в том числе наиболее распространенной типа "насыщение" в каналах управления.
Поэтому в качестве моделей объектов управления, наиболее распространенных в химической и других отраслях промышленности, рассматриваются типовые звенья 1-го порядка с запаздыванием в управляющем канале. Так как системы управления обеспечивают только ограниченное регулирующее воздействие, в управляющем канале типовых моделей ОУ устанавливается нелинейное звено типа "насыщение". Анализ АСР ограничивается скачкообразными задающим и возмущающим (в управляющем канале) воздействиями. Эти типовые модели используются в качестве базовых динамических моделей ОУ, что значительно упрощает изучение динамических свойств АСРФ и позволяет выполнить исследование в общем виде.
Предусмотрена возможность использования многомерной модели ОУ с запаздыванием, динамика которого описывается матричным дифференциальным уравнением состояния. Количественная оценка качества процессов управления в АСРФ осуществляется с помощью показателей: обобщенной интегральной квадратичной оценки Jo, интегральных абсолютной Jj и квадратичной J2 ошибок, времени переходного процесса tpu перерегулирования <т.
Управление такими сложными объектами с помощью широко используемых в настоящее время типовых регуляторов и автоматических устройств с ограниченными возможностями и настройками не обеспечивает необходимого качества регулирования технологических параметров. В частности, в большинстве типовых регуляторов и устройств отсутствует защита от насыщения при выходе сигналов управления за установленные пределы изменения, ограничение выходных сигналов на заданных уровнях с одновременной защитой их от насыщения, безударное переключение режимов управления, возможность оперативной коррекции выходных сигналов регулирующих устройств (РУ) в автоматическом режиме управления, а также автоматическое переключение на-
строек алгоритмов управления (изменение структуры РУ) при резких изменениях входных воздействий на ТП и с учетом характера протекания переходных процессов.
Несмотря на достигнутые результаты расширение функциональных возможностей РУ, разработка способов их реализации и методов расчета получаемых при этом сложных нелинейных автоматических систем является трудной и во многом незавершенной задачей. В связи с этим весьма актуальной является проблема разработки принципов построения, способов технической реализации и методов расчета более эффективных автоматических систем и регуляторов с расширенными функциональными возможностями, с переменной структурой и с защитой от насыщения для широкого класса непрерывных ТП, динамические характеристики которых представляют собой соединение обладающих существенным транспортным запаздыванием инерционных звеньев с нелинейностью типа "насыщение" в каналах управления.
Исследования» проводимые по теме диссертации, выполнялись в соответствии с планами Министерства по производству минеральных удобрений и Министерства химической и нефтеперерабатывающей промышленности в содружестве с Московским химико-технологическим институтом им. Д.И. Менделеева, Центральным научно-исследовательским институтом комплексной автоматизации (ЦНИИКА) и Московским заводом точных измерительных приборов "Тизприбор".
Целью работы является решение научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и связанной с ограниченностью функциональных возможностей типовых промышленных регуляторов при управлении существенно инерционными технологическими процессами в условиях действия неконтролируемых возмущений большой вєличиегьі, а также в режимах эксплуатации, близких к предельно допустимым. Для достижения этой цели требуется разработка общего подхода, методов и средств построения многофункциональных регуляторов, обеспечивающих расширение функциональных возможностей автоматических систем, а также методов их расчета для
указаниого класса объектов. В работе осуществляется также исследование возможностей и способов технической реализации таких регуляторов с помощью современных программных и аппаратных средств.
Основные положения, защищаемые в диссертации:
общий подход к построению регуляторов с ограничениями выходных сигналов и защитой их от насыщения, состоящий в установке необходимых начальных условий в динамических звеньях регуляторов для технологических объектов с нелинейностью типа "насыщение" с учетом ограниченных диапазонов изменения переменных состояния АСР;
методы корректировки начальных условий сигналов в регуляторе при выходе в зону насыщения внутренних переменных состояния системы, заключающиеся в изменении структуры регуляторов, в непосредственном вычислении необходимых начальных условий; в ограничении выходных сигналов регулятора и его динамических частей;
методы защиты от насыщения выходных сигналов типовых ПИ- регуляторов или их интегральных частей путем ограничения;
методы определения необходимого соотношения уровней ограничения сигналов различных динамических блоков ПИД-регуляторов в процессе защиты от насыщения их выходных сигналов;
методы построения алгоритмов функционирования регуляторов с пе-ременной структурой и настраиваемыми зонами нечувствительности для отработки возмущающих воздействий на непрерывных технологических объектах;
методика и программное обеспечение для выбора настроек типовых регуляторов с расширенными функциональными возможностями;
методика и программное обеспечение для исследования грубости АСР при использовании предлагаемых регуляторов РПС и РЗН;
алгоритмы и схемотехнические решения расширения функциональных возможностей типовых промышленных регуляторов.
Методы исследования. В работе поставленные задачи решаются на базе принципов адаптации, переменной структуры и оптимизационно- имитационного подхода, теории дифференциальных уравнений, теории матриц, методов теории управления, а также машинных методов анализа нелинейных систем.
При изучении свойств и получении результатов для конкретных автоматических систем с предлагаемыми регуляторами широко использовались аналоговое и цифровое моделирование, экспериментальные исследования.
Достоверность и эффективность предложенных методов и алгоритмов подтверждаются результатами аналогового и цифрового моделирования, типовых испытаний, а также экспериментальными исследованиями предложенных регуляторов, устройств и АСР реальных технологических процессов.
Научная новизна работы состоит в разработке новых методов построения регуляторов с расширенными функциональными возможностями, с переменной структурой и с защитой от насыщения для указанного класса объектов.
На базе этих методов предложены новые алгоритмы расширения функциональных возможностей регуляторов, алгоритмы функционирования регуляторов с переменной структурой и настраиваемыми зонами нечувствительности, с защитой от насыщения и ограничениями выходных сигналов, с оперативной коррекцией входных и выходных сигналов в режиме автоматического управления. Кроме того, разработаны различные структуры регуляторов и АСР: с защитой от насыщения и ограничением различных выходных сигналов регулятора или его интегральной части, с защитой от насыщения и двух- или трехуровневым ограничением одновременно выходных сигналов ПИ-регулятора и его интегральной части, а также ПИД- регуляторы с вычислением в процессе защиты от насыщения необходимого соотношения уровней ограничения сигналов динамических блоков.
Разработаны методика исследования и оптимизации динамики АСР с регуляторами с переменной структурой и защитой от насыщения и методика сравнительного анализа качества алгоритмов расширения функциональных возможностей регуляторов.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
- предложены новые алгоритмы функционирования ПИ- и ПИД-регуляторов, устройств предварения и дифференцирования, устройств фильтрации и АСР с расширенными функциональными возможностями, с перемен-
ной структурой и настраиваемыми зонами нечувствительности, с защитой от насыщения и ограничениями выходных сигналов, с оперативной коррекцией входных и выходных сигналов в режиме автоматического управления. Эти регуляторы рекомендованы для промышленного использования и внедрения в серийное производство, повышают качество управления технологическими процессами и их эффективность, удобство эксплуатации и обслуживания АСР;
разработаны методика и алгоритмы исследования и выбора настроек предложенных регуляторов, проведен сравнительный анализ качества АСР с различными алгоритмами расширения их функциональных возможностей, приведены практические рекомендации по их применению;
получены номограммы и практические рекомендации для выбора настроек регуляторов РПС, РЗН и РФВ различных модификаций;
приобретен опыт применения регуляторов с расширенными функциональными возможностями в АСР различных технологических процессов.
Практическую ценность представляют пакеты программ для исследования и оптимизации АСР, которые могут быть использованы для решения разнообразных задач анализа и синтеза различных АСР.
Реализация результатов работы. Предложена схемотехническая, программная и аппаратная реализация регуляторов с расширенными возможностями, с переменной структурой и защитой от насыщения:
- для микропроцессорных контроллеров (МПК) типа ПРОТАР и Реми-
контР-130 разработаны виртуальные алгоритмические структуры регуляторов
РПС и РЗН. Схемы регуляторов переданы для использования при разработке
новых малоканальных МПК и программно-технических комплексов ГНЦ РФ
"НИИтеплоприбор" (г. Москва), Московскому заводу тепловой автоматики
«МЗТА» и научно-техническому предприятию НТП «ПРОТАР»;
- разработан комплекс пневматических регуляторов и устройств с пере
менной структурой. РПС используются в АСР процессов синтеза метанола,
ректификации метанола, окисления циклогексана и др. Новизна схем РПС за
щищена патентом и семью авторскими свидетельствами на изобретения;
разработан комплекс пневматических регуляторов и устройств с защитой от насыщения. РЗН используются во многих АСР технологических процессов. Часть РЗН прошла типовые испытания с целью организации серийного выпуска на Московском заводе точных измерительных приборов "Тизприбор". Новизна схем РЗН защищена 22 а. с. и патентами на изобретения;
разработан комплекс пневматических регуляторов и устройств с расширенными функциональными возможностями, которые внедрены в цехах производства метанола, капролактама, биовитаминиых концентратов и формалина.
Разработана программная и системотехническая реализация АСР технологических процессов с применением регуляторов РФВ, РПС и РЗН. Предложенные в диссертации методы расчета этих регуляторов положены в основу внедренных в промышленности эффективных микропроцессорных и пневматических систем управления рядом технологических процессов;
- на основе регуляторов РПС и РЗН реализована АСР давления в техно
логическом агрегате синтеза метанола. Новизна системы защищена авторским
свидетельством (а. с. 695999) на изобретение;
- на базе регуляторов РПС и РЗН различных типов реализована АСР
температурного режима в колонне синтеза метанола. Новизна системы и схем
ных решений подтверждена пятью а. с. на изобретения;
-на базе регуляторов с различными алгоритмами защиты по нижнему и верхнему пределам изменения выходного сигнала реализована АСР давления в колонне ректификации метанола, новизна схемы АСР подтверждена а. с. 1671654;
на базе ПИ-регулятора с коррекцией выходного сигнала и защитой его от насыщения и блока предварения с ограничением сигнала производной разработана АСР температурного режима в конверторе метана;
на основе регуляторов с ограничениями выходных сигналов на заданных уровнях и защитой от насыщения для ХТП производства капролактама разработаны следующие АСР: давления и температурного режима в реакторе окисления циклогексана, подготовки и загрузки раствора катализатора в про-
цессе окисления циклогексана, процентного содержания циклогексана в оборотной воде, температурного режима процесса очистки сбросных газов.
Применение предложенных регуляторов и устройств повысило живу-' честь АСР для ряда технологических процессов, что позволило сократить численность обслуживающего персонала и получить значительный экономический эффект, подтвержденный соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались на: X Международной конференции "Яблонна-86: Пневматические и гидравлические устройства и системы управления" (Москва, ИЛУ, 1986); XI Международной конференции по флюидике "Яблонна-88" в Болгарии (София, 1988); IV Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (Москва, РХТУ, 1994); Международных конференциях "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь, 1995; Тула, 1996; Новомосковск, 1997); 14 Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Смоленск, 2001); Всероссийской научно-пр?ктической конференции "Системы управления электротехническими объектами" (Тула, 2000); Всероссийской научно- практической конференции "Управление и информатика (АТМ-99)" (Москва, ООО "ИСПО-Сервис", 1999); 1-й Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород, НГТУ, 1999); 2-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника и информатика-97" (Москва, МГИЭТ, 1997); IV Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Ярославль, 1994); VIII Всероссийской конференции "Математические методы в химии" (Тула, 1993); Всесоюзном совещании "Пневмогидроавтоматика и пневмопривод" (Суздаль, 1990); V Всесоюзной научной конференции "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем" (Казань, 1988); II Всесоюзной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (Баку, 1987); XV Всесоюзном совещании "Пневмоавтоматика" (Львов, 1985); Всесоюзной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (Москва, 1984); XIV Всесоюз-
ном совещании "Пневмоавтоматика" (Москва, 1982); III Всесоюзной конференции "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем" (Таллин, 1982); научно-технических конференциях Тульского госу-' дарственного университета в 1980 - 2001 гг.
Опытные образцы регуляторов демонстрировались на различных выставках и отмечены серебряной медалыо, дипломом Тульского областного конкурса на лучшее изобретение, в 2000 году были представлены на выставке "Потенциал тульских вузов и его использование в интересах региона".
Публикации. По результатам исследований опубликованы монография, тематический обзор, 65 научных статей, 7 учебных пособий, из них 4 пособия с грифами УМО и Минобразования РФ, получены 35 авторских свидетельств и 8 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по результатам исследования, списка литературы из 280 наименований и 4 приложений. Диссертация изложена на 346 страницах, иллюстрируется 172 рисунками, содержит 45 таблиц.
-гг-
