Разработка системы автоматического управления процессом сушки аммофосной пульпы в барабане-грануляторе сушилки при производстве аммофоса

К их достоинствам относятся простота конструкции и обслуживания, возможность дистанционного измерения и автоматической записи показаний, к недостаткам - невысокая точность измерений, значительная инерционность, сравнительно небольшое расстояние дистанционной передачи показаний.

Термоэлектрические манометры состоят из термоэлектрического преобразователя (термопары) действие которого основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) термопары от температуры его рабочего спая, если температура свободного спая постоянна, и вторичного прибора. При увеличении разности температур между рабочим и свободными спаями термопары величина термоэлектродвижущая сила возрастает. Наибольшее распространение получили следующие типы термоэлектрических преобразователей:

автоматический управление аммофос гранулятор

Таблица 2 Таблица термоэлектрических преобразователей и их характеристики

Тип преобразователя		Предел измерения
Платинородий - платина	ТПР	+300 +1600 оС
Платинородий-платина	ТПП	0 +1300 оС
Хромель-алюмеллевые	ТХА	-50 +1000 оС
Хромель-капелевые	ТХК	-50 +600 оС
Вольфрамрений - вольфрамрениевые	ТВР
При длительном применении		До 1800 оС
При кратковременном применении		До 2500 оС

Для измерения ТЭДС в качестве вторичных приборов обычно применяют потенциометры или милливольтметры. В комплекте с ними термоэлектрические термометры позволяют измерять и регистрировать температуру с высокой точностью и передавать показания на расстояние.

Термометры сопротивления состоят из термопреобразователя сопротивления, действие которого основано на использовании зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры и вторичного прибора. Изготавливаются металлические и полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы).

К металлическим относятся платиновые термометры сопротивления (ТСП) и медные (ТСМ); они имеют следующие характеристики, приведенные в ниже следующей таблице:

Таблица 3 Таблица термометров сопротивлений и их характеристики

Градуировка	Предел измерения оС
ТСП гр.20 (при длительных измерениях)	0 +650
ТСП гр.21 и гр.22	-220 +500
ТСМ гр.23 и гр.24	-50 +180

В качестве вторичных приборов в комплекте с термометрами сопротивления обычно применяются равновесные мосты и логометры.

Полупроводниковые термометры сопротивления изготавливаются из окислов различных металлов с добавками и используются для измерения температур в пределах от -90 до +180 ^оС. В отличие от металлических в этих термометрах происходит экспотенциальное уменьшение сопротивления при увеличении температуры, благодаря чему они обладают высокой чувствительностью. Однако изготавливать полупроводниковые приборы со строго одинаковыми характеристиками пока не удается, поэтому их градуировка индивидуальна. Чаще всего их используют в качестве чувствительных элементов различных автоматических устройств.

Действие пирометров излучения основано на изменении интенсивности излучения нагретых тел при изменении температуры. К ним относятся: пирометры частичного излучения (оптические) предел измерения от 700 до 6000 ^оС; пирометры полного излучения - от 100 до 2500 ^оС; пирометры спектрального отношения (цветовые) - от 1400 до 2800 ^оС.

При измерении пирометрами частичного или полного излучения необходимо вводить поправку на неполноту излучения (степень черноты) тела, температура которого измеряется. Пирометры излучения применяются для бесконтактного определения температуры тел. Погрешности пирометров излучения составляют 0,5 - 2%.

В химических производствах наибольшее распространение получили термометры расширения, термоэлектрические термометры и термометры сопротивления.

По сравнению с другими средствами автоматизации устройства для измерения температуры, как правило, обладают большей инерционностью и более значительным запаздыванием.

Для измерения влажности гранул на выходе из барабанного-гранулятора сушилки наиболее оптимальным вариантом измерения является косвенный метод, зная температуру пылегазо-воздушной смеси на выходе можно судить о влажности продукта. Для измерения температуры выбирается термометр сопротивление "ТСМ-100 гр.24". Выбор обусловлен значением измеряемого диапазона (120 С) так как для термоэлектрических преобразователей верхний придел диапазона измерения значительно выше (+600 +2500 С), другие методы измерения способные измерять температуру, менее точны или сложны.

1.4.2 Определение математического описания объекта

Математически объект можно описать несколькими методами - аналитическим, экспериментальным и экспериментально-аналитическим методами.

Аналитический метод - заключается в составлении математического описания объекта, при котором находят уравнение статики и динамики на основе теоретического анализа физических и химических процессов, протекающих в исследуемых объекте, и с учетом конструкции аппаратуры и характеристик перерабатываемых веществ. При выводе этих уравнений используются фундаментальные законы сохранения вещества и энергии, а также кинетические закономерности процессов химических превращений, переноса тепла и массы. Аналитический метод позволяет прогнозировать работу объектов в статическом и динамическом режимах, однако сопряжен с трудностью решения и анализа составляемых уравнений и требует специальных исследований для определения численных значений коэффициентов этих уравнений. Точность математического описания реальных объектов в большей степени зависит от введения упрощающих допущению.

Экспериментальный метод - состоит в определении характеристик реального объекта путем постановки на нем специального эксперимента. Метод достаточно прост, позволяет достаточно точно определить свойство конкретного объекта. Вместе с тем, он требует оснащения изучаемого объекта экспериментальной аппаратурой и проведения специальных исследований. Этот метод не позволяет распространить на другие однотипные объекты результаты исследований, полученные экспериментальным методом.

Экспериментально - аналитический метод - является комбинацией аналитического и экспериментального способов определения свойств объектов, этот метод учитывает их преимущества и недостатки.

В инженерной практике свойства промышленных объектов найденные аналитическим методом используются редко. Объясняется это большим теоретическими расчетами, а также неопределенным выбором базисных параметров и возмущающих воздействий технологических процессов. Наиболее предпочтительным в этом вопросе является экспериментальный метод определения свойств объекта. С этой целью технологический объект оснащают аппаратурой для нанесения ступенчатого входного возмущения и определения его ответной реакции во времени.

Снятие кривой разгона и ее аппроксимация

Методика снятия кривой разгона предусматривает: планирование и подготовку эксперимента, проведение эксперимента с целью определения временных характеристик. Снятие временных характеристик проводят на реальном объекте, оснащенном аппаратурой в соответствии со схемой приведенной на рисунке (5)

Рис. 5 Структурная схема снятия разгонной кривой объекта

П.У. - панель дистанционного управления "ПП-12.2"

И.М. - пневматический исполнительный механизм "ПСП-Т-1"

Д1. - датчик диафрагма "ДБ 2,5-500"

П. - преобразователь, дифманометр с пневматическим выходом "ДМ-П1"

В.П.1 - вторичный пневматический прибор "ПВ10-1Э"

Об. - исследуемый объект (газо-воздушный калорифер, барабанный-гранулятор сушилка ) "ГВК-6" поз. 45/1 и "БГС" поз. 44/1

Д.2 - датчик, термосопротивление "ТСМ-100 гр.24"

В.П.2 - вторичный прибор компенсационный самопишущий мост "КСМ-3"

X - расход природного газа подаваемого в газо-воздушный калорифер "ГВК-6" поз. 45/1

Y - значение температуры газо-пылевоздушной смеси на выходе из барабанного-гранулятора сушилки

При подготовке к эксперименту было учтено быстродействие элементов используемой арматуры. Для того чтобы снять разгонную кривую объекта необходимо: привести объект в равновесное состояние, а затем на вход объекта подать возмущение (изменить расход природного газа подаваемого в газо-воздушный калорифер ГВК-6 поз. 45/1). Для этого на байпасной панели дистанционного управления "ПП-12.2" отключить регулятор "БР-2" от исполнительного механизма (привода следящего пневматического "ПСП-Т-1"). Затем изменить задание на байпасной панели дистанционного управления с 80 кПа до 85 кПа. Одновременно с этой операцией засекаем время и начинаем фиксировать значение температуры газо-воздушной смеси через равные промежутки времени до тех пор пока температура не достигнет своего нового установившегося значения (с 120 С до 130,2 С). Отнормированные результаты измерений заносятся в таблицу.

Таблица 4 Таблица отнормированных значений температуры пылегазо-воздушной смеси на выходе из барабанного-гранулятора сушилки

tc	105	120	180	240	300	360	420	480	540	600	660	720
Hоб1(t)	0	0,005	0,07	0,14	0,232	0,325	0,417	0,501	0,576	0,642	0,701	0,748
tc	780	840	900	960	1020	1080	1140	1200	1260	1320	1380	1440
Hоб1(t)	0,79	0,825	0,855	0,88	0,901	0,918	0,933	0,945	0,955	0,963	0,969	0,975

По этим отнормированным значениям строим график кривой разгона объекта [графическая часть лист 3].

Чтобы получить математическое описание объекта, кривую разгона аппроксимируют. Целью аппроксимации является получение численных значений коэффициентов передаточной функции и ее вид, описывающей исследуемый объект.

Известны различные методы аппроксимации, однако по методу Симою можно получить наиболее просто и достаточно точно математическую модель объекта. Для аппроксимации кривой разгона воспользуемся программным приложением [лит.7] программой simap.exe по методу Симою. Для этого необходимо

отнормировать разгонную кривую объекта

определить запаздывание объекта -

перенести начало системы отсчета координат в точку е с координатами (0; )

ввести отнормированные координаты точек кривой разгона объекта

После выполнения выше указанных операций программа simap.exe выдаст оптимальный вариант аппроксимации кривой разгона.

По виду передаточной функции видно, что исследуемый объект является устойчивым инерционным объектом второго порядка с запаздыванием.

В найденной передаточной функции (8) не известен коэффициент Км1 (коэффициент усиления объекта) так как проводилась с нормированными значениями, коэффициент Км1 определяется из соотношения.



где Тк1 - новое установившееся значение температуры газо-воздушной смеси на выходе из барабанного-гранулятора сушилки;

Тн1 - начальное значение температуры газо-воздушной смеси на выходе из барабанного-гранулятора сушилки;

Хрн1 - начальное значение (в %) положения регулирующего органа;

Хрк1 - конечное значение (в %) положения регулирующего органа;

Так как положение регулирующего органа "ПСП-Т-1" пропорционально давлению, поступающему на него, то для расчетов используем давление. Подставив значения температур и давлений в формулу (9) найдем Км1.

Км1 = 1,36

Определив, коэффициент усиления объекта передаточная функция математической модели примет вид.

Определив, числовые значения всех коэффициентов передаточной функции, проверим, насколько точно описывает полученная передаточная функция динамические свойства объекта. Для этого передаточную функцию (10) умножим на единичный скачек (1/р) и, заменив е -^·p на (2-·p)/(2+·p), а затем разложим передаточную функцию на простейшие дроби и найдем оригинал, как сумму оригиналов от простейших дробей.

H_mоб1(t)=1 - 0,1162928?e ^-0,019047?t + 2,8324136?e -^0,0054054?t - 3,716120802?e -^{0,006436426?t} (11)

Подставляя, в формулу время от 0 до 1440 с шагом 60 секунд получим таблицу (см. таб. 5) зависимости значений H_mоб1(t) от времени.

Таблица 5 Таблица расчетных значений реакции модели на единичный скачек

tc	105	120	180	240	300	360	420	480	540	600	660	720
Hмоб1(t)	0	0,008	0,065	0,144	0,234	0,326	0,415	0,497	0,572	0,638	0,695	0,745
tc	780	840	900	960	1020	1080	1140	1200	1260	1320	1380	1440
Hмоб1(t)	0,787	0,823	0,853	0,879	0,9	0,917	0,932	0,944	0,954	0,962	0,969	0,975

График переходного процесса модели H_моб1(t), показан пунктирной линией [графическая часть лист 3]. Получив значения точек реакции модели, и зная значения течек переходного процесса реального объекта, определим точность аппроксимации объекта по формуле (12).

где Н_mob1(t_i) и Н_ob1(t_i) - значение переходной характеристики соответственно исходной (экспериментальной) и вычисленной по аппроксимирующей передаточной функции (11) в моменты времени t_i. Получим

1=0,6%

Точность аппроксимации можно считать удовлетворительной, так как для инженерных расчетов необходимо 1<5%.

Также для синтеза комбинированной системы необходимо иметь математическое описание объекта по каналу возмущения (влияние изменения расхода пульпы на температуру пыле-газовоздушной смеси на выходе из барабанного-гранулятора сушилки)

Методика снятия кривой разгона предусматривает: планирование и подготовку эксперимента, проведение эксперимента с целью определения временных характеристик.

Снятие временных характеристик проводят на реальном объекте, оснащенном аппаратурой в соответствии со схемой приведенной на рисунке (6)

Рис. 6 Структурная схема снятия разгонной кривой объекта

П.У. - панель дистанционного управления "ПП-12.2"

И.М. - пневматический мембранный исполнительный механизм

Д1. - индукционный расходомер "ИР-61-М-1"

П. - электропневматический преобразователь, "ЭП-3211"

В.П.1 - вторичный пневматический прибор "ПВ10-1Э"

Об. - исследуемый объект (барабанный-гранулятор сушилка) "БГС" поз. 44/1

Д.2 - датчик, термосопротивление "ТСМ-100 гр.24"

В.П.2 - вторичный прибор компенсационный самопишущий мост "КСМ-3"

X - расход аммофосной пульпы подаваемой на сушку и грануляцию в барабанный-гранулятор сушилку поз. 44/1

Y - значение температуры газо-пылевоздушной смеси на выходе из барабанного-гранулятора сушилки

При подготовке к эксперименту было учтено быстродействие элементов используемой арматуры.

Для того чтобы снять разгонную кривую объекта необходимо: привести объект в равновесное состояние, а затем на вход объекта подать возмущение (изменить расход аммофосной пульпы подаваемой на сушку и грануляцию в барабанный-гранулятор сушилку поз. 44/1). Для этого на байпасной панели дистанционного управления "ПП-12.2" отключить регулятор от исполнительного механизма (клапана двухседельного с мембранным исполнительным механизмом). Затем изменить задание на байпасной панели дистанционного управления с 80 кПа до 85 кПа. Одновременно с этой операцией засекаем время и начинаем фиксировать значение температуры газо-воздушной смеси через равные промежутки времени (60 секунд) до тех пор пока температура не достигнет своего нового установившегося значения (с 120 С до 124,1 С). Результаты измерений заносятся в таблицу (см. таб. 6).

Таблица 6 Значения кривой разгона объекта на единичный скачек

tc	120	180	240	300	360	420	480	540	600	660	720	780
Hоб1(t)	0	0,035	0,12	0,188	0,272	0,354	0,433	0,506	0,57	0,629	0,682	0,727
tc	840	900	960	1020	1080	1140	1200	1260	1320	1380	1440	1500
Hоб1(t)	0,766	0,799	0,828	0,853	0,874	0,892	0,907	0,921	0,933	0,942	0,951	0,959

По этим отнормированным значениям строим график кривой разгона объекта [графическая часть лист 3].

Чтобы получить математическое описание объекта, кривую разгона аппроксимируют. Целью аппроксимации является получение численных значений коэффициентов передаточной функции и ее вид, описывающей исследуемый объект.

Известны различные методы аппроксимации, однако по методу Симою можно получить наиболее просто и достаточно точно математическую модель объекта. Для аппроксимации кривой разгона воспользуемся программным приложением [лит. 7] программой simap.exe по методу Симою. Для этого необходимо

1 отнормировать разгонную кривую объекта

2 определить запаздывание объекта -

3 перенести начало системы отсчета координат в точку е с координатами (0; )

4 ввести отнормированные координаты точек кривой разгона объекта

После выполнения выше указанных операций программа simap.exe выдаст оптимальный вариант аппроксимации кривой разгона.

По виду передаточной функции видно, что исследуемый объект является устойчивым инерционным объектом второго порядка с запаздыванием.

В найденной передаточной функции (13) не известен коэффициент Км2 (коэффициент усиления объекта) так как проводилась с нормированными значениями, коэффициент Км2 определяется из соотношения.

где Тк2 - новое установившееся значение температуры газо-воздушной смеси на выходе из барабанного-гранулятора сушилки;

Тн2 - начальное значение температуры газо-воздушной смеси на выходе из барабанного-гранулятора сушилки;

Хрн2 - начальное значение (в %) положения регулирующего органа;

Хрк2 - конечное значение (в %) положения регулирующего органа;

Так как положение регулирующего органа мембранного исполнительного механизма пропорционально давлению, поступающему на него, то для расчетов используем давление. Подставив значения температур и давлений в формулу (14) найдем Км2.

Км2 = 0,55

Определив, коэффициент усиления объекта передаточная функция математической модели примет вид.

Определив, числовые значения всех коэффициентов передаточной функции, проверим, насколько точно описывает полученная передаточная функция динамические свойства объекта. Для этого передаточную функцию (15) умножим на единичный скачек (1/р) и, заменив е -^·p на (2-·p)/(2+·p), а затем разложим передаточную функцию на простейшие дроби и найдем оригинал, как сумму оригиналов от простейших дробей.

H_mоб2(t)=1 - 1,1459129?e ^-0,0166666?t + 1,6364768 ?e -^0,00558659?t -

-2,521885521?e -^{0,0027173913?t} (16)

Подставляя, в формулу (16) время от 0 до 1500 с шагом 60 секунд получим таблицу (см. таб. 7) зависимости значений H_mоб2(t) от времени.

Таблица 7 Расчетные значения модели объекта

tc	120	180	240	300	360	420	480	540	600	660	720	780
Hмоб2(t)	0	0,046	0,112	0,189	0,271	0,351	0,428	0,499	0,563	0,621	0,673	0,718
tc	840	900	960	1020	1080	1140	1200	1260	1320	1380	1440	1500
Hмоб2(t)	0,758	0,792	0,822	0,848	0,87	0,889	0,905	0,919	0,931	0,941	0,95	0,958

График переходного процесса модели H_моб2(t), показан пунктирной линией [графическая часть лист 3]. Получив значения точек реакции модели, и зная значения течек переходного процесса реального объекта, определим точность аппроксимации объекта по формуле (17).

где Н_mob2(t_i) и Н_ob2(t_i) - значение переходной характеристики соответственно исходной (экспериментальной) и вычисленной по аппроксимирующей передаточной функции (16) в моменты времени t_i. Получим 2=0,9%. Точность аппроксимации можно считать удовлетворительной, так как для инженерных расчетов необходимо 2<5%.

1.4.3 Выбор закона регулирования регулятора

Порядок выбора типа регулятора в случае с двумя доминирующими постоянными времени Т1 и Т2 и времени запаздывания .

Регулятор выбирают по графику [рис. 5 лит.7]. График построен в координатах Т1/ и Т2/.

где Т1 и Т2 находятся по формулам

а р1 и р2 корни характеристического уравнения объекта.

54999•р²+480•р+1=0 (22)

решив уравнение (22) получим корни характеристического уравнения.

р1=-0,0034364261

р2=-0,0054054054

подставив найденные значения корней в выражения (21, 22) получим.

Т1=291 сек

Т2=185 сек

Доминирующие постоянные времени Т1 и Т2 подставляем в формулы (18, 19) найдем значения Х и Y.

Х=2,7714

Y=1,7619

Получим геометрическое место точки лежащей на границе между областью применения ПИ-регуляторов и областью применения И-регуляторов, выбирается ПИ-регулятор с более сложным законом регулирования, передаточная функция которого имеет вид:



ПИ-регулятор имеет два параметра настройки Т_из и К_п. Т_из выбирается равной большей постоянной времени объекта Т1 или Т2. Так как Т1 больше Т2, то Т_из = Т1 или Т_из = 291 сек. Коэффициент пропорциональности найдем по методу минимума интеграла квадрата ошибки. Интегральные оценки качества - интегралы по времени от функции переходного процесса свободной составляющей выходной величены или ошибки Е_св(t)=Н_уст-Н(t). Цель использования таких критериев состоит в том, чтобы получить общую оценку быстродействия и отклонения регулируемой величины от установившегося значения. Квадратичная оценка качества представляет собой:

Сущность метода заключается в том, что бы найти параметр (параметры) настройки доставляющий минимум интеграла квадрата ошибки (Е_св(t)) проинтегрированного по времени. В данном случае искомым параметром является коэффициент пропорциональности ПИ-регулятора, при известных значениях всех остальных параметров, необходимо составить выражение для использования интегральной оценки качества. Тогда интегральная квадратичная оценка качества представляет собой функцию одного переменного параметра (К_п). Значение К_п, соответствующее минимуму функции (24), определяют из уравнения

После этого следует проверить, действительно ли минимум функции I₂₀(К_п). Это верно, если при найденном значении К_п.

Также можно проверить действительно ли К_п доставляет минимум, вычислив значения функции I₂₀(К_п) при найденном и соседних значениях К_п. Из полученных результатов можно уточнить действительно ли К_п доставляет минимум интегральной оценки. Может оказаться, что функция I₂₀(К_п) не имеет минимума по К_п внутри области допустимых значений К_п, тогда нужно определить I₂₀(К_п) при граничных значениях К_п и выбрать то из них, которое соответствует меньшему значению I₂₀(К_п).

Метод вычисления интегральной оценки следующий.

где W_СИС1(р) - передаточная функция замкнутой системы по отклонению.

По теореме о предельных переходах

следовательно:

Поскольку W_СИС1(р) - дробно-рациональная функция, то и H(p) можно записать в аналогичной форме:

Существует табличный способ расчета интеграла I₂₀, если функция представлена в виде (31) с коэффициентами а₀, …, а_n и b₀, …, b_m. В таблице 6 [лит. 7] приведены формулы I₂₀ при n равном от 1 до 5.

Найдем E_СВ(р) и приведем ее к виду (32)

Подставив в функцию (32) выражения (10, 23) получим

заменив е -^·p на (2-·p)/(2+·p) получим:

Приведя систему к виду (32) можно составить выражение интегральной оценки качества.

где

а0=5652675	b0=5652675
a1=138225-24999•KП	b1=138225
a2=582-95,2•KП	b2=582
a3=2,72•KП

Подставив числовые значения в выражение (36) найдем функциональную зависимость I₂₀(K_П), чтобы найти К_П доставляющий минимум функции I₂₀(K_П)

Продифференцируем функцию I₂₀(K_П) по K_П и приравняв к нулю решив это уравнение найдем К_П.

Для решения дифференциального уравнения

используем программный пакет Mathcad 7.0 по следующей программе:



Таким образом, К_П=0,886606281592707. Теперь необходимо проверить действительно ли К_п доставляет минимум, вычислив значения функции I₂₀(К_п) при найденном и соседних значениях К_п. Из полученных результатов можно уточнить действительно ли К_п доставляет минимум интегральной оценки. Найдем значения I₂₀(К_п) при К_П равном К_П, 1, 0,8.

I₂₀(0,8)=381,213

I₂₀(0,886606281592707)=379,412

I₂₀(1)=382,166

Подставив в выражение (36) К_П равное К_П, 1, 0,8 можно заключить что, К_П=0,886606281592707 доставляет минимум квадратичной интегральной оценки функции I₂₀(K_П).

Найдя оптимальный коэффициент пропорциональности К_П=0,886606281592707 ПИ-регулятора и выбрав Тиз=291 сек определим передаточную функцию ПИ-регулятора.

Проверим, обеспечит ли данный регулятор удовлетворительный переходной процесс замкнутой системы по отклонению. Для построения графика надо передаточную функцию замкнутой системы умножить на единичный скачек и разложив на простейшие дроби найти оригинал.

Произведя расчеты получим:

Н_СИС1(t)=1+0,07058372•e ^{-0,0208168628•t} -0,929416374376•e-^{0,0016221002•t} •cos(0,0422646004222•t)-0,7970971468709•e ^{-0,00162210021•t} •sin(0,0422646004222•t) (40)

Подставляя, в формулу (40) время от 100 до 2400 с шагом 100 секунд получим таблицу (см. таб. 8) зависимости значений Н_СИС1(t) от времени.

Таблица 8 Расчетные значения графика переходного процесса замкнутой системы

tc	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
НСИС1(t)	0	0,122	0,362	0,644	0,91	1,117	1,247	1,298	1,284	1,225	1,143	1,06
tc	1300	1400	1500	1600	1700	1800	1900	2000	2100	2200	2300	2400
НСИС1(t)	0,989	0,94	0,915	0,911	0,924	0,946	0,971	0,995	1,012	1,023	1,027	1,025

График переходного процесса модели Н_СИС1(t), приведен в [приложение лист 3]. Из графика переходного процесса видно, что перерегулирование составляет более 29%, а время регулирования не менее 1800 секунд.

В связи с тем, что при существенном перерегулировании регулируемого параметра от нормы (120 С) приводит к разложению аммофосной пульпы на фтористые и аммиачные газы и нерациональному расходу энергоресурсов, что существенно уменьшает выпуск продукции на выходе и росту брака. Следовательно, необходимо выбрать регулятор с более сложным законом управления исходя из этого выбирается ПИД-регулятор.

1.4.4 Определение оптимальных параметров настройки регулятора

ПИД-регулятор имеет три настроечных параметра время изодрома (Т_И), время дифференцирования (Т_Д) и коэффициент пропорциональности регулятора (К_П). Настроечные параметры Т_И и Т_Д выбираются по методу полной компенсации, при этом большая из двух постоянных времени Т1 компенсируется временем изодрома Т_И, а меньшая - временем дифференцирования Т_Д.

Т_И=291 сек

Т_Д=185 сек

К_П регулятора рассчитаем по минимуму интегральной оценки качества. В данном случае искомым параметром является коэффициент пропорциональности ПИД-регулятора, при известных значениях всех остальных параметров, необходимо составить выражение для использования интегральной оценки качества. Тогда линейная оценка качества представляет собой функцию одного переменного параметра (К_П).

Значение К_П, соответствующее минимуму функции (54), определяют из уравнения

После этого следует проверить, действительно ли найденный К_П доставляет минимум функции I₀₀(К_П). Это верно, если при найденном значении К_П.



Также можно проверить действительно ли К_П доставляет минимум, вычислив функции I₀₀(К_П) вычислив I₀₀(К_П) при найденном и соседних значениях К_П.

Составим функционал цели:

К_п*> (43)

где Н_сис1(, К_П) новое установившееся значение регулируемого параметра (равное 1), а Н_сис1(t, К_П) функция переходного процесса.

Наиболее сложным этапом расчетов параметров настройки регуляторов по минимуму интегральной оценки является составление аналитического выражения для интегральной оценки.

Метод вычисления интегральной оценки следующий.

I₀₀(К_П)= (44)

где Н_сис1(t, К_П) является оригиналом от замкнутой системы по отклонению, умноженной на единичный скачек.

где W_СИС1(р, К_П) - передаточная функция замкнутой системы по отклонению с искомым К_П.

где W_РЕГ(p, К_П) передаточная функция ПИД-регулятора от двух переменных искомого К_П и р. Время изодрома равно Т_И=291 секунде. Время дифференцирования равно Т_Д=185 секунд.

Подставив в выражение (46) функции (10, 47) и упростив получим.

для определения Н_сис1(t, К_П) найдем оригинал от функции (48) по формуле (45).

Н_сис1(t, К_П)=1+A•(181802250•К_П - 2222876250 + B - C - D) + Е

где



Определив, функцию Н_сис1(t, К_П) найдем функционал цели I₀₀(К_П). Для упрощения расчетов ограничимся временем интегрирования 5000 секунд.

I₀₀(К_П)= (54)

Подставляя в выражение (54) К_П от 1 до 3 с шагом 0,08 вычислим значения функции I₀₀(К_П). Значения I₀₀(К_П) приведены в таблице 9

Таблица 9 Расчетные значения I₀₀(К_П) на интервале от 1 до 3

КП	1	1,08	1,16	1,24	1,32	1,4	1,48	1,56	1,64	1,72	1,8	1,88	1,96
I00 (КП)	215,6	202,4	192,3	184,4	178,2	173,4	169,6	166,6	164,3	162,6	161,3	160,5	160,1
КП	2,04	2,12	2,2	2,28	2,36	2,44	2,52	2,6	2,68	2,76	2,84	2,92	3
I00 (КП)	160	160,3	160,8	161,5	162,5	163,8	165,3	167	168,9	171,1	173,5	176,2	179,1

Из таблицы видно, что минимум функции I₀₀(К_П) находится при К_П равном 2,04. Исходя из этого коэффициент пропорциональности ПИД-регулятора К_П выбирается равным 2,04. Таким образом передаточная функция регулятора примет вид

1.4.5 Синтез корректирующей цепи системы комбинированного регулирования влажности

Компенсирующая цепь создается по основному возмущению. Ее синтез слагается из выбора элемента для измерения возмущения, выбора точки включения цепи в замкнутый контур регулирования, определение передаточной функции корректирующего элемента и его физической реализации.

Предположим, что корректирующая цепь включена после регулятора, как показано на рис. 4.

Тогда передаточная функция системы относительно возмущения ?(t) равна

Таким образом, для полной компенсации возмущения и достижения инвариантности необходимо выполнение равенства

W_f(p)=0 (57)

Выполнение этого равенства возможно, при условии, если числитель равен нулю, отсюда получим условие инвариантности



Зная что, постоянные времени преобразователя значительно меньше постоянных времени объекта и транспортное запаздывание не велико передаточная функция преобразователя в можно представить в виде без инерционного объекта, без запаздывания с коэффициентом передачи равным 1. Подставив в выражение (58) значения функций (10, 15) найдем W_КУ(p)

Так как степень числителя не превышает степени знаменателя данное корректирующее звено реализуемо.

1.4.6 Анализ синтезированной системы автоматического регулирования влажности гранул аммофоса

Определив все настроечные параметры ПИД-регулятора и зная передаточную функцию объекта, построим график переходного процесса замкнутой системы по регулированию. Для построения графика надо передаточную функцию замкнутой системы умножить на единичный скачек и разложив на простейшие дроби найти оригинал.

где



подставив в функцию (61) выражения (10, 55) и упростив получим

Подставим функцию (62) в выражение (60) найдем оригинал Н_СИС1(t)

Н_СИС1(t)=1-1,084828299098•e-^{0,0076165964306•t} •cos(0,012647318666•t)- -1,20025737477•e ^{-0,00761659643•t} •sin(0,012647318666•t) (63)

Подставляя, в формулу (63) время от 60 до 750 с шагом 30 секунд получим таблицу (см. таб. 10) зависимости значений Н_СИС1(t) от времени.

Таблица 10 Расчетные значения графика переходного процесса замкнутой системы

tc	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330	360	390
НСИС1(t)	0	0,25	0,54	0,795	0,988	1,112	1,173	1,185	1,164	1,125	1,081	1,041
tc	420	450	480	510	540	570	600	630	660	690	720	750
НСИС1(t)	1,009	0,987	0,976	0,972	0,974	0,979	0,986	0,992	0,997	1,001	1,003	1,004

График переходного процесса модели Н_СИС1(t), приведен. Из графика переходного процесса видно, что перерегулирование составляет не более 18,5%, а время регулирования менее 390 секунд. Построим график переходного процесса системы если на вход канала возмущения подать ступенчатое возмущение. Для этого необходимо найти передаточную функцию системы автоматического регулирования по данному каналу. Подставив в выражение (56) функции (59, 10, 15, 55) получим.

W_f(p)=0

Следовательно синтезированная система автоматического регулирования полностью инвариантна по отношению к возмущающему воздействию. Так как передаточная функция равна 0, какое бы не было возмущающее воздействие график реакции системы не отклонится от нуля.

1.5 Описание автоматической системы регулирования влажности гранул аммофоса

Влажность гранул аммофоса на выходе из барабанного-гранулятора сушилки жестко зависит от температуры пылегазо-воздушной смеси. Таким образом, зная температуру пылегазо-воздушной смеси можно судить о влажности гранул аммофоса. Для измерения температуры пылегазо-воздушной смеси выбирается термометр сопротивление "ТСМ-100 гр.24". Выбор обусловлен значением измеряемого диапазона (120 С) так как для термоэлектрических преобразователей верхний придел диапазона измерения значительно выше (+600 +2500 С), другие методы измерения способные измерять температуру, менее точны или сложны.

Также система автоматического регулирования для расчетов использует значение расхода аммофосной пульпы подаваемой на сушку и грануляцию. Для измерения расхода аммофосной пульпы применяется индукционный расходомер "ИР-61-М-1". Применение данного датчика обусловлено тем, что измеряется агрессивная среда, выход - электрический унифицированный сигнал (не требуется нормирующий преобразователь), "ИР-61-М-1" обладает малой инерционностью и высокой точностью.

Синтезированная система регулирования влажности содержит корректирующее звено, описываемое сложной передаточной функцией которую реализовать на типовых аналоговых регуляторах не реально. Следовательно, наиболее оптимальным вариантом будет использование типового микроконтроллера. На данный момент отечественной промышленностью выпускается "Ремиконт-130", характеристики которого позволяют реализовать передаточную функцию корректирующего звена.

В связи с тем, что регулирование влажности осуществляется изменением расхода природного газа в топку [поз. 45] электрические исполнительные механизмы использовать не рекомендуется. Таким образом выбирается пневматический исполнительный механизм. Для регулирования расхода газа наилучшим образом подходит привод следящий пневматический "ПСП-Т-1".

Так как выход у "Ремиконт-130" электрический, а исполнительный механизм пневматический необходимо в контур регулирования включить электропневматический преобразователь. Для этой цели используем широко распространенный электропневматический преобразователь "ЭП-3211".

1.6 Описание схемы внешних электрических и трубных проводок

Схема внешних электрических и трубных проводок выполнена в виде общей комбинированной схемы и на одном чертеже показаны схемы электрических и трубных соединений.

Схемы внешних соединений в общем случае содержат: щиты и пульты, местные пункты контроля и управления; внещитовые приборы и средства автоматизации; соединительные и протяжные коробки; электрические и трубные проводки к системе канализации, подвод сжатого воздуха и т.д.; основную надпись; технические задания; таблицы условных графических обозначений.

Схемы внешних соединений согласовываются с чертежами схем щитов, пультов и сборок аппаратуры (ряды зажимов, входы и выходы кабелей, проводов и труб), а также с планами расположения средств автоматизации и проводок. Выполняются без соблюдения масштаба.

На схеме внешних проводок над условными графическими изображениями датчиков, отборных устройств, чувствительных элементов, первичных измерительных приборов, исполнительных механизмов, устанавливаемых непосредственно на технологическом оборудовании и трубопроводах, размещается пояснительная таблица. В таблице указано наименование параметра, место отбора импульса и позиция.

Прокладываемые вне щитов и между панелями щитов электрические и пневматические кабели, провода и трубы показываются на схеме сплошными линиями.

Для каждой внешней электрической проводки приводится ее техническая характеристика, в которую входят тип (марка) проводки, число жил, их сечение, число рабочих жил, длина кабеля или пучка проводов (смотри, например, проводку электрическим кабелем марки КВРГ 4•1 мм² длиной 25 м с числом рабочих жил 4 на схеме), диаметр и длина защитной трубы (смотри, например, проводку, описанную выше в защитной трубе 20•1,6).

Для внешней трубной проводки приводится техническая характеристика, в которую входят тип (марка) трубы, ее диаметр и длина. Для пневмокабелей указывается тип (марка) и число трубок, их диаметр, длина.

Марка и тип проводок расположенных на схеме рядом указывается на общей выносной линии.

Данная схема внешних проводок, приведенная на листе ХГТУ ДП 7092501.099.ОЭ1, выполнена в виде общей комбинированной схемы на основе функциональной схемы автоматизации цеха "Аммофос" по производству аммофоса.

Заключение

В данном дипломном проекте был проведен анализ существующей функциональной схемы и в результате определили, что в контуре регулирования влажности гранул аммофоса на выходе из барабанного-гранулятора сушилки существующая система регулирования не в полной мере использует возможности технологического оборудования. Существующая система работающая по принципу отклонения не учитывает возмущения наносимые на объект изменением расхода пульпы. Таким образом, рассмотрев характеристику работы объекта и возмущения воздействующие на него, было принято решение, что для регулирования влажности гранул аммофоса выбирается система автоматического регулирования по комбинированному принципу. Разработанная система автоматического управления предусматривает ручное и дистанционное управление технологическим процессом и в отличии от существующей системы на производстве, выполнена на современной элементной микропроцессорной базе.

В проекте выполнен анализ и синтез автоматической системы регулирования по каналу управления и возмущения. В ходе обзоров методов измерения влажности был выбран косвенный метод измерения, значение влажности жестко зависит от температуры пылегазо-воздушной смеси на выходе из барабанного-гранулятора сушилки. В ходе выполнения дипломного проекта определены канал управления и канал возмущения. Затем получено математическое описание объекта. Математического описания было определено экспериментальным методом и найдена погрешность аппроксимации которая не превышает 5%. Исходя из свойств объекта выбран ПИД-закон регулирования. Параметры настройки регулятора были найдены по методу минимума интеграла модуля ошибки для определения коэффициента пропорциональности, а также использовался метод полной компенсации для определения времени дифференцирования и интегрирования. Далее при синтезировании компенсирующей цепи системы комбинированного регулирования влажности было найдено корректирующее устройстве и достигнута полная инвариантность системы по каналу возмущения. Потом анализируя комбинированную систему были построены графики переходных процессов по каналу управления и возмущения. Исходя из полученных графиков найдены время регулирования менее t_P = 390 секунд, а перерегулирование не превысило 18,5%, что значительно лучше реально существующего на производстве. Разработаны необходимые технические документы для реализации синтезированной системы на конкретных средствах автоматизации. Документация выполнена в соответствии с ГОСТами и нормативно-техническими требованиями.

В организационно-экономической части выполнено обоснование целесообразности разработанной системы автоматического управления процессом обжига серы. Рассчитаны показатели экономической эффективности проекта. Срок окупаемости проекта составил 1,33 года.

В разделе охрана труда и техника безопасности разработаны мероприятия по технике безопасности, промышленно-санитарной гигиене и противопожарной технике безопасности. Предусмотрены мероприятия по охране окружающей среды и отчистке отходов производства.

Спецификация средств автоматизации
Позиция	Наименование	Кол	Примечание
1а, 12а, 13а	Термосопротивление "ТСМ 100 гр. 24"	3
1б, 13б	Нормирующий преобразователь "БУС-10"	1
1в, 4в, 5в, 7в	Электропневматический преобразователь "ЭП-3211"	4
1г, 4г, 5г, 7г	Байпасная панель дистанционного управления "ПП 12.2"	4
1д, 4д, 5д	Привод следящий пневматический "ПСП-Т-1"	3
2а, 2б	Индукционный расходомер "ИР-16-М-1"	1
3а	Диафрагма камерная "ДК-6-200"	1
3б, 4б, 6б	Дифманометр "Сапфир-22-ДД"	3
5а, 10а, 11а	Термопара "ТХК-8"	3
5б, 10б, 11б	Нормирующий преобразователь "БУТ-10"	3
6б, 7б, 15а, 16а	Преобразователь давления "Сапфир-22-ДИ"	4
7д	Мембранный исполнительный механизм	1
8а, 8б	Фотодатчик, управляющий прибор "ЗЗУ-1"	1
10б, 11б	Милливольтметр "Ш 4550"	2
12б	Лагометр "Л-64И"	1
17а	Манометр "ЭКМ-1У"	1
18а	Переключатель универсальный "УП5311"	1



Размещено на Allbest.ru