АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРОВАНИЮ И СИНТЕЗУ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОМЕРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Анализ многосвязных технологических объектов управления

В большинстве случаев объект управления является сложной динамической системой. Это обусловлено наличием зависимостей высокого порядка и наличием отдельных взаимосвязей между координатами. Проектирование высокоэффективных систем управления сложными динамическими объектами требует учета многих факторов, таких как усиление и усложнение связей между отдельными звеньями и объектами (многосвязность) [8, 25], необходимость учета большого числа воздействий (многомерность) [25], влияющих на объекты управления, увеличение числа управляемых параметров, многоконтурности и т.д., влияние которых ранее не учитывалось (или учитывалось не в полной мере).

Примерами многомерных объектов выступают процессы сушки различных веществ, процесс расстойки теста [17, 104] процессы добычи и переработки нефти, управление газотурбинными установками, управление тепловыми процессами, процессы ректификации [1, 37], управление сложными энергосистемами с несколькими генерирующими станциями, связанными сетью и нагрузкой, производство полимерных материалов и ряд других.

Одним из характерных примеров многосвязного объекта является процесс экстрактивной ректификации бутилен-дивинильной фракции, предназначенный для выделения дивинила-сырца из бутилен-дивинильной фракции (БДФ) в производстве каучуков. Получение дивинила-сырца осуществляется в три стадии. На первой в колонне происходит поглощение дивинила растворителем ДМФА (диметилформамид) и разделение на бутиленовую фракцию (верхний продукт) и насыщенный дивинилом экстрагент (кубовый продукт), поступающий затем на вторую стадию в колонну десорбции для разделения данных компонентов. На последней стадии, в колонне экстрактивной ректификации (рис. 1.1), производится очистка полученного дивинила от ацетиленовых соединений в присутствии ДМФА.

Ректификационная колонна БДФ

Рис. 1.1. Ректификационная колонна БДФ: в.к.т., н.к.т. - верхняя и нижняя контрольные тарелки

При проведении ЭР БДФ дивинил является целевым продуктом, качество которого определяется требованиями процесса полимеризации, поэтому основной задачей управления является стабилизация состава дивинила-сырца и уменьшение потерь дивинила с бутиленовой фракцией.

На показатели качества - концентрацию дивинила в дистилляте xD и концентрацию бутиленов в кубовом продукте Хо наиболее существенное влияние из всех параметров оказывают расход флегмы R, температура куба колонны Тк, расход теплоносителя в куб Fm, расход сырья F. Наиболее сильно температура куба Тк влияет на концентрацию бутиленов в кубовом продукте Хо, а расход флегмы R - на концентрацию дивинила в дистилляте xD. В качестве управляемых переменных используются составы на верхней хвкт и нижней хню контрольных тарелках (в.к.т., н.к.т.), которые определяют составы куба и верха колонны. Любое возмущение в различной степени вызывает изменение составов обоих продуктов. Улучшение состава одного продукта сопровождается ухудшением другого, что объясняется наличием перекрестных связей (рис. 1.2). В результате исследований установлены внутренние связи между технологическими параметрами процесса [98, 102].

R (И[1])

И01Н1]

*вкг (У[1])

Fm121)

*нкт (У[2])

Wo«[2][2]

Рис. 1.2. Структурная схема взаимосвязи параметров процесса экстрактивной ректификации, где передаточные функции Wou -расход флегмы (ull]) - концентрация дивинила на в.к.т. (yll]); Wou [2][2] -расход теплоносителя в куб колонны - концентрация бутиленов на н.к.т. (у[2]); W" 111121 - расход флегмы (и[1]) - концентрация бутиленов на н.к.т.;

[2][1] - расход пара в куб колонны - концентрация дивинила на в.к.т.;

_ расхОд исходной смеси (f111) - концентрация дивинила на в.к.т.; W/[1][2] _ расход исходной смеси (Д11) - концентрация бутиленов на н.к.т.

Примером четырехмерного объекта управления является процесс получения аммиака. Экзотермический синтез аммиака протекает в четырехслойном полочном реакторе в присутствии катализатора с промежуточным охлаждением между слоями (рис. 1.3).

Целью процесса является получение целевого продукта с заданной концентрацией на выходе реактора. Достигается это путем поддержания определенной температуры в слоях катализатора. Для стабилизации температуры в регламентных границах предусмотрена подача холодной азотоводородной смеси (АВС) по байпасам. Если основной поток АВС проходит последовательно слои катализатора сверху вниз, то температура в вышележащем слое катализатора будет оказывать влияние на температуру в нижележащих слоях.

Четырехполочный реактор синтеза аммиака

Рис. 1.3. Четырехполочный реактор синтеза аммиака: 1 - корпус колонны; 2 - внутренний теплообменник; 3 - корпус катализаторной коробки; 4, 5. 6, 7 - I, II. Ill, IV катализаторные слои соответственно; 8 -пространство между корпусом колонны и катализаторной коробки; 9, 10, 11, 12 - клапаны подачи холодного газа на полки колонны; 13 -основной байпасный поток; 14 - клапан подачи смеси по основному ходу колонны; 15 - основной поток газа (азот+водород); 16 - выход колонны (смесь газообразного аммиака, водорода и азота)

Следовательно, можно предположить, что в реакторе синтеза аммиака наблюдается одностороннее (несимметричное) влияние температуры вышележащих слоев на температуру в нижележащих (рис. 1.4).

При этом доказано дополнительное влияние на температуру в каждом слое различных параметров технологического процесса [34].

Примером двумерного объекта управления может служить процесс расстойки теста, который необходим для восстановления структуры, улучшения реологических свойств и газоудерживающей способности, а также увеличения объема готовых изделий и улучшения структуры и пористости мякиша [17, 104].

Структурная схема взаимосвязи параметров

Рис. 1.4. Структурная схема взаимосвязи параметров:

и[1] -г и141 - степени открытия заслонок на байпасных потоках (управляющие параметры); у[1] -j-y[4] - температура в слоях катализатора (управляемые параметры); f [1], f [2], f 131 -? концентрация аммиака, инертных газов и соотношение водород/азот (возмущающие воздействия)

Длительность процесса расстойки колеблется в широких пределах и зависит от множества факторов, таких как масса тестовой заготовки, рецептуры теста, свойств муки и ряда других факторов, среди которых выделяются условия расстойки.

Как недостаточная, так и избыточная расстойка отрицательно сказывается на качестве продукта: недостаточно расстоенный хлеб (батон) будет иметь сильно округлую верхнюю корку, трещины (или пустые полости) в мякише; избыточно растоенный хлеб имеет расплывчатую плоскую форму с вогнутой верхней коркой.

Экспериментально в работе [17, 104] установлено, что повышение температуры с 30 до 45 °С при относительной влажности 80-85% сокращает процесс расстойки на 25-30%. Повышение относительной влажности воздуха с 65 до 85% при температуре 35 °С ускоряет процесс расстойки примерно на 20%. Наибольшее ускорение расстойки наблюдалось при повышении температуры воздуха до 45 °С и относительной влажности до 90%. Однако избыточная влажность (свыше 85%) непосредственно влечет прилипание тестовых заготовок к доскам или карманам люлек расстоечных шкафов.

Таким образом, процесс расстойки теста можно рассматривать как многосвязный объект управления с тремя входами и двумя выходами (рис. 1.5).

Многомерные технологические объекты управления представляют собой очень сложные динамические системы, характеризующиеся наличием взаимного влияния между управляемыми координатами и множеством возмущающих воздействий, которые должны учитываться при синтезе системы управления.

|S(f[")

F,e. (и[1])

т. о"1)

F

F.,., (.и'2')

X”[II[2I.._

F

IV. (у121)

F

w„“[2ira

F

Рис. 1.5. Структурная схема взаимосвязи параметров процесса расстойки теста: Wou - расход горячего воздуха (w[1]) - температура в расстоечном шкафу (у[ ]); Wou t21t2] - расход влажного воздуха -влажность воздуха в расстоечном шкафу (у[2]); Wou [1]t2] - расход горячего воздуха (и[1]) - влажность воздуха в расстоечном шкафу; Wo[2][1] - расход влажного воздуха - температура в расстоечном шкафу; - скорость воздуха (/’[1]) - температура в расстоечном шкафу; Wo Г11Г21 - скорость воздуха (f [1]) - влажность воздуха в расстоечном шкафу

Отсутствие учета указанных факторов снижает эффективность систем управления многосвязными технологическими объектами, а также в ряде случаев ведет к значительному ухудшению качества управления и, как следствие, к снижению качества получаемого продукта, тем самым минимизируя экономический эффект.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >