энергосберегающая система автоматического регулирования

Формула изобретения

Энергосберегающая система автоматического регулирования, содержащая входной канал задания, алгебраические сумматоры, на которых происходит сравнение сигнала задания с сигналом обратной связи, блок регуляторов с соответствующими каналами управления (в простейшем случае - двумя), обладающими различными энергетическими и динамическими характеристиками, отличающаяся тем, что в каждом из каналов управления, с целью повышения динамической и энергетической эффективности работы системы управления в целом, присутствуют полосовые фильтры, способствующие разделению и независимому включению в работу каждого из контуров регулирования, настроенных, в зависимости от их частотных свойств и влияния на критерий энергосбережения, на эффективное подавление соответствующей части спектра внешнего возмущения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области систем автоматического регулирования. Оно может быть использовано при автоматизации работы различных промышленных объектов (химических реакторов, теплообменников и др.), имеющих в своей структуре несколько каналов управления одной технологической величиной (температуры, давления и т.п.), путем использования одного или нескольких контуров регулирования, подключаемых в зависимости от динамических и энергетических характеристик объекта и особенностей возмущающего воздействия.

Известны системы регулирования, использующие для поддержания значения технологической величины два управляющих воздействия (см. например, Е.Г. Дудников и др. «Автоматическое управление в химической промышленности». М.: Химия, 1987. - 368 с.), где один из каналов управления, наилучший в отношении качества переходных процессов, является неэкономичным, в то время как другой канал управления наоборот является экономичным, но уступает по качеству переходных процессов. В результате в лучшем с позиции качества управления для повышения быстродействия используют П-регулятор, а в экономичном канале управления ПИ- или ПИД-регулятор с целью исключения статической ошибки. При построении такой системы возникают трудности, связанные с расчетом системы регулирования и подключения других каналов управления, лучших с позиции максимального подавления действующего возмущения (помехи).

Цель предлагаемого изобретения - улучшение качества регулирования и энергетической эффективности управления технологическим объектом за счет выбора динамически эффективных (лучших в отношении качества переходного процесса) и энергетически эффективных (лучших в отношении энергосбережения) каналов регулирования и включения их в работу в зависимости от частотных характеристик возмущающих воздействий (сигналов помех) и реакции на них отдельных контуров регулирования. Кроме того, ввиду разделения частотных спектров работы контуров управления упрощается расчет настроек соответствующих регуляторов.

Химико-технологическая система (ХТС) предназначена для целенаправленной переработки определенного сырьевого потока вещества в необходимый продукт при энергетических воздействиях на исходное вещество и протекании химических превращений. ХТС можно охарактеризовать соответствующей структурой, определяющей взаимосвязи между ее элементами, и совокупностью переменных (координат), определяющих ее состояние в данный момент. Для управляемых ХТС наиболее характерными являются три типа координат: управляемые координаты, управляющие и координаты, соответствующие внешним возмущениям.

В общем виде в установившемся состоянии взаимосвязь между этими координатами можно представить совокупностью алгебраических уравнений в неявной форме.

где , , - соответственно векторы управляемых, управляющих и возмущающих координат ХТС;

k - совокупность конструктивных параметров;

v - стехиометрические координаты и физико-химические константы;

- КПД элементов ХТС.

В состав вектора П входят также и различные энергетические потоки, используемые для ведения технологического процесса в рассматриваемой ХТС.

Эффективность функционирования ХТС обычно оценивается с помощью какого-либо критерия эффективности, в выражение которого практически всегда входят управляемые и управляющие координаты:

D - параметры, влияющие на эффективность работы ХТС.

Задача оптимизации режима функционирования ХТС заключается в подборе такого вектора управляющих координат , который минимизирует (или максимизирует) критерий эффективности при соблюдении необходимых технологических и организационных ограничений вида:

;

где - обобщенное обозначение варьируемых переменных;

Q - индекс, обозначающий вид варьируемых переменных ( или ).

В подавляющем большинстве случаев в ХТС с целью теплового или химического воздействия на протекающие процессы используются различные источники энергии: электроэнергия, горючие газы, пар и т.д. Аналогично, возможно использование "на стороне" различных видов вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), получаемых в процессе функционирования рассматриваемой конкретной ХТС. Отдельные технологические узлы ХТС, использующие внешнюю энергию и (или) производящие ВЭР, построены обычно так, как приводится на рисунке (см. фигуру 1), где Q_i - поток i-го вида энергии, подводимой к узлу ХТС; H_j - поток j-го вида энергии, отводимой от узла; y - управляемая переменная, характеризующая работу технологического узла.

В общем виде зависимость между переменной y и потоками Q_i и Н_j нелинейная:

f(y,Q ₁, ,Q_n, H₁, ,H_m)=0

Однако для технологических процессов, основу которых составляют энергетические превращения, в установившихся режимах можно с достаточной степенью точности представить эту зависимость в линеаризованной форме

где k_i, c_j - коэффициенты, отражающие балансовые и кинетические зависимости. Критерий эффективности типа (2) для такого узла ХТС, отражающий условия энергетических преобразований, I_э= (Q_i,H_j), i I, j J будем называть критерием энергосбережения. Часто его можно представить в виде аддитивной функции:

где a_i, b_j - коэффициенты веса; I и J - множества целых чисел соответственно из ряда и .

Причем, необходимо иметь в виду, что отдельные входные и выходные потоки из (4) являются внешними возмущениями и не входят в критерий (5).

Задача оптимизации процесса энергетических преобразований в рассматриваемом узле может выглядеть, например, как , i I, j J при ограничениях на эти же потоки с точки зрения производственных и технических возможностей.

Спецификой таких узлов является то, что в химической технологии часто можно найти не одну, а несколько управляющих координат, воздействующих на одну и ту же управляемую переменную. Отсюда возникает возможность выбора той или иной управляющей координаты для организации CAP. Но в любом случае в типовой структуре CAP для управления какой-либо переменной у используется только одна регулирующая координата (обычно лучшая по динамическим показателям), и структура объекта с CAP выглядит так, как, например, показано на фигуре 2, где Р - регулятор. Управляющие координаты Q_l и H_q можно условно назвать динамически эффективными, т.е. позволяющими на их основе построить динамически эффективные CAP. Однако использованные в CAP управляющие координаты Q_l и H_q могут быть далеко не лучшими с точки зрения критерия эффективности (5), т.е. с точки зрения энергосбережения.

Задачу энергосбережения и одновременного достижения эффективного управления в условиях реально действующих возмущений предлагается решить с помощью применения многоконтурных CAP, использующих для целей стабилизации одной переменной y(t) одновременно несколько управляющих координат. Типовая структурная схема такой CAP показана на фигуре 3, где Q , Q_к, H_f - управляющие координаты; P_Q , P_Qk, P_Hf - регуляторы в контурах с соответствующими управляющими координатами. Аналогично понятию динамически эффективной управляющей координаты (в данном случае Q_l) введем понятие энергоэффективных координат, позволяющих существенно воздействовать на критерий энергосбережения (Q _k, H_f и т.д.).

CAP, построенные в соответствии со структурной схемой, показанной на фигуре 3, и минимизирующие критерий эффективности (5), будем называть энергосберегающими CAP (ЭСАР).

Действительно, для стабилизации переменной у при стохастическом изменении необходимо выполнить следующее условие в статике:

или, учитывая, что в статике должно иметь место M{y}=y_зад:

где К_обi - коэффициенты усиления по соответствующим каналам управления ЭСАУ;

K_{об j} - коэффициенты усиления по каналам возмущения _j;

y_зад - заданное значение стабилизируемой переменной.

Если энергетический критерий (5) представить в форме:

где _i - соответствующие коэффициенты веса,

то оптимум в задаче min I_э при типовых ограничениях на управление u_i

находится в одной из вершин гипермногогранника, определяемого соотношениями (7), (9).

Таким образом, анализ особенностей организации типовых ХТС приводит к выводу, что оптимизировать установившиеся режимы их работы по критерию энергосбережения возможно с помощью ЭСАР, обладающих структурной избыточностью в управлении. Как следствие этого такие ЭСАР должны обладать специфической многоконтурностью с числом управлений, превышающим число управляемых переменных.

Теперь рассмотрим эту задачу с учетом условий динамических режимов. Расположение гиперплоскости (7), соответствующей конкретному технологическому режиму управляемой ХТС, в первую очередь определяется совокупностью внешних возмущающих факторов . Отметим, что реальный технологический процесс на достаточно длительном интервале времени практически не является стационарным, и, следовательно, на ограниченном интервале времени AT можно определить текущее среднее

, (t- T)>0.

В соответствии с этим в стохастическом возмущении _j(t) можно условно выделить две составляющие: высокочастотную и инфранизкочастотную , где M{ _j} - среднее значение возмущения _j(t) за весь период работы ХТС. На основе теоремы суперпозиции объединим все возмущающие воздействия, что допустимо для линейных систем, и введем обозначения (t), ^в(t), ^н(t), что соответствует объединенному стохастическому возмущению и его высокочастотной и инфранизкочастотной составляющим со спектральными плотностями и Причем: ^в(t)+ ^н(t)= (t)-М{ }.

Предположим, что существует управляющая координата u₁(t), достаточно эффективно стабилизирующая переменную y(t) во всем частотном диапазоне изменения (t). Принятое разбиение возмущающего воздействия на ^в(t) и ^н(t) позволяет аналогично представить и управление u₁(t) - в области высоких и инфранизких частот. Причем можно ввести в рассмотрение величины и предельные амплитуды изменений управляющего воздействия u₁(t) для компенсации соответственно составляющих ^в(t) и ^н(t). Переходные процессы по u₁(t) в такой системе схематично будут выглядеть так, как показано на фигуре 4.

Анализ графика (фигура 4) позволяет сделать вывод, что минимизировать (или максимизировать) величину в соответствии с требованием критерия энергосбережения (8) можно путем уменьшения значений . Видно, что в случае идеальной фильтрации инфранизкочастотной составляющей ^н(t) величина и Фильтрацию ^н(t) предполагается осуществлять дополнительным управляющим воздействием u_i(t), i 1, являющимся с точки зрения динамики более инерционным, чем u₁(t), а с точки зрения критерия (8) - более эффективным в смысле энергосбережения.

Иными словами, спектральная плотность возмущающего воздействия (t) как бы разбивается на высокочастотную и инфранизкочастотную части (фигура 5) и организуется двухконтурная CAP с управляющими координатами u₁(t), u_i(t), i 1. Причем первая из них обладает более высокими динамическими свойствами, а вторая - более эффективна в смысле критерия энергосбережения.

Таким образом, CAP имеет избыточное количество управляющих координат (как минимум две управляющие переменные), каждая из которых, в зависимости от частотных свойств и влияния на критерий энергосбережения, настраивается на подавление соответствующей части спектра внешнего возмущения. Естественно предположить, что если существует m управляющих координат, отличающихся по частотным свойствам и влиянию на критерий энергосбережения, то график S ( ) может быть аналогичным образом представлен в виде совокупности m составляющих, каждая из которых подавляется соответствующим образом настроенным контуром с управляющей координатой u _i(t). Т.е. вновь возникает структура CAP, приведенная на фигуре 3.

Структура многоконтурной CAP с частотным разделением каналов управления (см. фигуру 6) содержит входной канал задания 1, алгебраические сумматоры 2, на которых происходит сравнение сигнала задания 1 с сигналом обратной связи 3, блок регуляторов 4 с соответствующими каналами управления 5. Особенность предлагаемой структуры определяется наличием полосовых фильтров 6 в каждом из каналов управления. В предлагаемой структуре для разделения частот в каналах управления используются идеальные полосовые фильтры, которые имеют частотные характеристики следующего вида:

где _j - частота среза по j-тому каналу; .

Использование идеальных фильтров не привносит в систему дополнительного запаздывания и способствует тому, что замкнутая система остается устойчивой при условии, что отдельные контуры регулирования изначально устойчивы.

Таким образом, согласно предлагаемой структуре многоконтурной системы регулирования с частотным разделением каналов управления благодаря использованию идеальных полосовых фильтров происходит поочередная работа каждого из контуров регулирования в отдельности, что в конечном итоге позволяет достичь требуемой динамической и энергетической эффективности работы ЭСАР в целом. Кроме того, упрощается процедура поиска оптимальных настроечных параметров регуляторов, так как настройки одного регулятора не зависят от настроечных параметров другого.