ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G05B13/00 

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.

$$f_i(\overline{y},\overline{u},\overline{\omega },k,v,\eta )=0,i\in I,(1)$$

где $$\overline{y}$$ , $$\overline{u}$$ , $$\overline{\omega }$$ - соответственно векторы управляемых, управляющих и возмущающих координат ХТС;

k - совокупность конструктивных параметров;

v - стехиометрические координаты и физико-химические константы;

η - 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:

$$J=\Phi (\overline{y},\overline{u},D)(2)$$

D - параметры, влияющие на эффективность работы ХТС.

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

$${\overline{S}}_Q=\left\{S_Q|S_Q\in E^h;{\varphi }_i(S_Q)=0,i=\overline{1,p};{\varphi }_j(S_Q)\le 0,j=\overline{1,q}\right\}(3)$$ ;

где $${\overline{S}}_Q$$ - обобщенное обозначение варьируемых переменных;

Q - индекс, обозначающий вид варьируемых переменных ( $$\overline{y}$$ или $$\overline{u}$$ ).

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,Q₁,…,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

$$y={\displaystyle \sum _{i=1}^n{k}_i{Q}_i+{\displaystyle \sum _{j=1}^m{c}_j{H}_j}}(4)$$

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=Φ(Q_i,H_j), i∈I, j∈J будем называть критерием энергосбережения. Часто его можно представить в виде аддитивной функции:

$$I_{э}={\displaystyle \sum _{i=1}^n{a}_i{Q}_i+{\displaystyle \sum _{j=1}^m{b}_j{H}_j}}(5)$$

где a_i, b_j - коэффициенты веса; I и J - множества целых чисел соответственно из ряда $$\overline{1,n}$$ и $$\overline{1,m}$$ .

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 $$\underset{Q,H}{min}\Phi (Q_i,H_j)$$ , 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_ℓ, Q_к, H_f - управляющие координаты; P_Qℓ, 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 $$\overline{\omega }(t)$$ необходимо выполнить следующее условие в статике:

$$M\left\{y\right\}=K_{обl}\cdot M\left\{u_1\right\}+\dots +K_{обn}\cdot M\left\{u_n\right\}+{\displaystyle \sum _{j=1}^m{K}_{об{\omega }_o}}\cdot M\left\{{\omega }_j\right\}(6)$$

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

$${\displaystyle \sum _{i=1}^n{K}_{обi}}\cdot M\left\{u_i\right\}=y_{зад}-{\displaystyle \sum _{j=1}^m{K}_{об{\omega }_o}\cdot M\left\{{\omega }_j\right\}}(7)$$

где К_обi - коэффициенты усиления по соответствующим каналам управления ЭСАУ;

K_обωj - коэффициенты усиления по каналам возмущения ω_j;

y_зад - заданное значение стабилизируемой переменной.

Если энергетический критерий (5) представить в форме:

$$I_{э}={\displaystyle \sum _{i=1}^n{\alpha }_i{u}_i}(8)$$

где α_i - соответствующие коэффициенты веса,

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

$$u_i^{min}\le u_i\le u_i^{max}(9)$$

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 $$K_{об{\omega }_j}\cdot M\left\{{\omega }_j\right\}$$ . 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

$$M{\left\{{\omega }_j\right\}}_{t,\Delta T}=\frac{1}{\Delta T}{\displaystyle \underset{t-\Delta T}{\overset{\Delta T}{\int }}{\omega }_j(t)dt}$$ , (t-ΔT)>0.

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

Предположим, что существует управляющая координата u₁(t), достаточно эффективно стабилизирующая переменную y(t) во всем частотном диапазоне изменения ω(t). Принятое разбиение возмущающего воздействия на ω^в(t) и ω^н(t) позволяет аналогично представить и управление u₁(t) - в области высоких и инфранизких частот. Причем можно ввести в рассмотрение величины $$\Delta u_{1max}^{в}$$ и $$\Delta u_{1max}^{н}$$ предельные амплитуды изменений управляющего воздействия u₁(t) для компенсации соответственно составляющих ω^в(t) и ω^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 $$\Delta u_{1max}^{н}$$ . Видно, что в случае идеальной фильтрации инфранизкочастотной составляющей ω^н(t) величина $$\Delta u_{1max}^{н}\to 0$$ и $$M\left\{u_1(t)\right\}\to u_1{\min }^{+}\left|\Delta u_{1max}^{в}\right|.$$ Фильтрацию ω^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 ω(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_ω(ω) 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:

$$mod{W}_{\Phi j}(i\omega )=\{\begin{array}{ccc}0& при& \omega <{\omega }_j\\ 1& при& {\omega }_j\le \omega \le {\omega }_{j+1}\\ 0& при& \omega >{\omega }_{j+1}\end{array}$$

$$arg{W}_{\Phi j}(i\omega )=0при{\omega }_j\le \omega \le {\omega }_{j+1}$$

где ω_j - частота среза по j-тому каналу; $$j=\overline{1,l}$$ .

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.

Изобретение относится к области систем автоматического регулирования. Оно может быть использовано при автоматизации работы различных промышленных объектов, имеющих в своей структуре несколько каналов управления одной технологической величиной, путем использования одного или нескольких контуров регулирования, подключаемых в зависимости от динамических и энергетических характеристик объекта и особенностей возмущающего воздействия. Технический результат - улучшение качества регулирования и энергетической эффективности управления технологическим объектом за счет выбора динамически эффективных и энергетически эффективных каналов регулирования и включения их в работу в зависимости от частотных характеристик возмущающих воздействий и реакции на них отдельных контуров регулирования. Кроме того, ввиду разделения частотных спектров работы контуров управления упрощается расчет настроек соответствующих регуляторов. Структура многоконтурной CAP с частотным разделением каналов управления содержит входной канал задания, алгебраические сумматоры, на которых происходит сравнение сигнала задания с сигналом обратной связи, блок регуляторов с соответствующими каналами управления. Особенность предлагаемой структуры определяется наличием полосовых фильтров в каждом из каналов управления. В предлагаемой структуре для разделения частот в каналах управления используются идеальные полосовые фильтры, которые не привносят в систему дополнительного запаздывания и способствуют тому, что замкнутая система остается устойчивой при условии, что отдельные контуры регулирования изначально устойчивы. Таким образом, согласно предлагаемой структуре многоконтурной CAP с частотным разделением каналов управления благодаря применению идеальных полосовых фильтров происходит поочередная работа каждого из контуров регулирования в отдельности, позволяя в итоге достичь требуемой динамической и энергетической эффективности работы ЭСАР в целом. 6 ил.

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.