КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 2018 года по МПК G05B17/02 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а именно к моделированию и управлению химико-технологическими процессами и может быть использовано в атомной, нефтеперерабатывающей, химической, пищевой, металлургической и других промышленностях.

Известна система для моделирования технологических процессов (RU 2256208 С2, МПК G05B 15/00 (2000.01), опубл. 10.07.2005), выбранная в качестве прототипа, содержащая персональный компьютер, который с помощью интерфейса персонального компьютера соединен с интерфейсом узловой шины, а интерфейс узловой шины через узловую шину подключен к управляющему процессору. Управляющий процессор через интерфейс межпроцессорной связи соединен с интерфейсом полевой шины. Интерфейс полевой шины посредством полевой шины подключен к аналоговым модулям, к модулю термопар, к модулю термосопротивлений, к модулю дискретных сигналов, к расширению модуля дискретных сигналов. Входы аналоговых модулей через интерфейс и шины подключены к выходам эталонного источника. Выходы аналоговых модулей через интерфейс и шины подключены к реле с индикацией. Термопара, термосопротивление, калибратор посредством шин и интерфейсов подключены к модулю термопары и/или модулю термосопротивления. Имитаторы исполнительных механизмов через интерфейс и шину подключены к модулю дискретных сигналов, к расширению модуля дискретных сигналов. Выходы модуля расширения через интерфейс и шину подключены к реле с индикацией дискретных модулей.

Недостатками этой системы является отсутствие блока оптимизации и как следствие, невозможность осуществлять поиск оптимального управляющего воздействия, обеспечивающего эффективность и безопасность протекания химико-технологических процессов.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание комплекса для моделирования химико-технологических процессов, позволяющего повысить эффективность и безопасность протекания химико-технологических процессов.

Предложенный комплекс для моделирования химико-технологических процессов, также как в прототипе содержит датчик температуры и электрореле.

Согласно изобретению комплекс дополнительно содержит задающее устройство, связанное с вычитателем, блок оптимизации, блок управления, матрицу фильтров и два преобразующих модуля. Блок оптимизации содержит первый демультиплексор, вход которого подключен к выходу вычитателя. Выходы первого демультиплексора связаны с первым, вторым, третьим и четвертым усилителями, выход каждого из которых соответственно соединен с первым, вторым, третьим и четвертым блоком интегрирования. Выходы второго демультиплексора подключены к пятому, шестому, седьмому и восьмому усилителям, выход каждого из которых соответственно соединен с пятым, шестым, седьмым, восьмым блоком интегрирования. Выходы первого и пятого блоков интегрирования подключены к входам первого сумматора, выход которого соединен с входом девятого усилителя. Выходы второго и шестого блоков интегрирования соединены с входами второго сумматора, выход которого соединен с входом десятого усилителя. Выходы третьего и седьмого блоков интегрирования связаны с входами третьего сумматора, выход которого подключен к входу одиннадцатого усилителя. Выходы четвертого и восьмого блоков интегрирования соединены с входами четвертого сумматора, выход которого связан с входом двенадцатого усилителя. Выходы девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого усилителей подключены к первому мультиплексору. Блок управления содержит третий демультиплексор, вход которого связан с выходом первого мультиплексора. К первому входу третьего демультиплексора последовательно подключены первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки задержки. Ко второму входу третьего демультиплексора последовательно подключены шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый блоки задержки. К третьему входу третьего демультиплексора последовательно подключены одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый, четырнадцатый и пятнадцатый блоки задержки. К четвертому входу третьего демультиплексора последовательно подключены шестнадцатый, семнадцатый, восемнадцатый, девятнадцатый и двадцатый блоки задержки. Причем выходы пятого, десятого, пятнадцатого и двадцатого блоков задержки соединены с входами второго мультиплексора, выход которого подключен к управляемому ключу, управляющий вход которого подключен к выходу вычитателя. Блок матрицы фильтров содержит четвертый демультиплексор, вход которого связан с выходом первого мультиплексора. К первому выходу четвертого демультиплексора последовательно подключены первый и второй фильтры. Ко второму выходу четвертого демультиплексора последовательно подключены третий и четвертый фильтры. К третьему выходу четвертого демультиплексора последовательно подключены пятый и шестой фильтры. К четвертому выходу четвертого демультиплексора последовательно подключены седьмой и восьмой фильтры. К первому выходу пятого демультиплексора последовательно подключены девятый и десятый фильтры. Ко второму выходу пятого демультиплексора последовательно подключены одиннадцатый и двенадцатый фильтры. К третьему выходу пятого демультиплексора последовательно подключены тринадцатый и четырнадцатый фильтры. К четвертому выходу пятого демультиплексора последовательно подключены пятнадцатый и шестнадцатый фильтры. Выходы второго и десятого фильтров подключены к пятому сумматору, выход которого соединен с входом семнадцатого фильтра. Выходы четвертого и двенадцатого фильтров подключены к шестому сумматору, выход которого соединен с входом восемнадцатого фильтра. Выходы шестого и четырнадцатого фильтров подключены к седьмому сумматору, выход которого соединен с входом девятнадцатого фильтра. Выходы восьмого и шестнадцатого фильтров подключены к восьмому сумматору, выход которого соединен с входом двадцатого фильтра. При этом выходы семнадцатого, восемнадцатого, девятнадцатого, двадцатого фильтров соединены с входами третьего мультиплексора, выход которого соединен со вторым входом вычитателя. Первый преобразующий модуль содержит первый нормирующий преобразователь, вход которого связан с датчиком давления, второй нормирующий преобразователь, вход которого соединен с датчиком температуры технологической жидкости, третий нормирующий преобразователь, вход которого подключен к датчику расхода технологической жидкости, четвертый нормирующий преобразователь, вход которого соединен с датчиком уровня технологической жидкости в химико-технологическом аппарате. При этом первый, второй, третий и четвертый нормирующие преобразователи подключены к входам четвертого мультиплексора, выход которого соединен со вторым и с пятым демультиплексорами. Второй преобразующий модуль содержит шестой демультиплексор, вход которого соединен с выходом управляемого ключа. К первому выходу шестого демультиплексора подключен пятый нормирующий преобразователь, выход которого подключен к электрореле. Ко второму выходу шестого демультиплексора подключен шестой нормирующий преобразователь, выход которого подключен к электродвигателю.

Использование датчиков давления, температуры, расхода и уровня технологической жидкости позволяет вести постоянный контроль и измерение технологических параметров, используя которые с помощью матрицы фильтров осуществляют моделирование и определение реакции химико-технологического процесса на управляющие воздействия, вырабатываемые блоком оптимизации. Благодаря блоку оптимизации ведут поиск оптимального управляющего воздействия (сигнала), который позволяет свести к нулю рассогласование между сигналами, полученными с задающего устройства и сигналами, полученными с выхода матрицы фильтров. Блок управления позволяет подавать на входы электрореле и электродвигателя только оптимальные управляющие воздействия, рассчитанные в блоке оптимизации.

Таким образом, предложенный комплекс позволяет повысить эффективность и безопасность протекания химико-технологических процессов.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого комплекса для моделирования химико-технологических процессов.

На фиг. 2 показана структурная схема блока оптимизации 3 (БО).

На фиг. 3 приведена структурная схема блока управления 4 (БУ).

На фиг. 4 показана структурная схема блока матрицы фильтров 5 (МФ).

На фиг. 5 представлена структурная схема первого преобразующего модуля 6 (ПМ1).

На фиг. 6 приведена структурная схема второго преобразующего модуля 11 (ПМ2).

Комплекс для моделирования химико-технологических процессов (фиг.1) содержит задающее устройство 1 (ЗУ), которое через шину передачи данных соединено с вычитателем 2 (В), который через шины передачи данных подключен к блоку оптимизации 3 (БО) и к блоку управления 4 (БУ). Блок оптимизации 3 (БО) через шину передачи данных связан с матрицей фильтров 5 (МФ) и с блоком управления 4 (БУ). Матрица фильтров 5 (МФ) с помощью шины данных соединена с вычитателем 2 (В). Входы блока оптимизации 3 (БО) и матрицы фильтров 5 (МФ) с помощью шины данных связаны с первым преобразующим модулем 6 (ПМ1), входы которого соединены с датчиком давления 7 (ДД), датчиком температуры технологической жидкости 8 (ДТ), датчиком расхода технологической жидкости 9 (ДР), датчиком уровня технологической жидкости в химико-технологическом аппарате 10 (ДУ). Выход блока управления 4 (БУ) с помощью шины передачи данных соединен со вторым преобразующим модулем 11 (ПМ2), который соединен с электрореле 12 (ЭР) и с электродвигателем 13 (ЭД).

В качестве задающего устройства 1 (ЗУ) использован ленточный накопитель («стример») IBM System Storage TS2350 Express. Вычитатель 2 (В) является стандартным аналоговым устройством на базе операционного усилителя [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ. - 2014. - С. 191, рис. 4.18].

Блок оптимизации 3 (БО) содержит два демультиплексора 14 (ДМП1) и 15 (ДМП2) (фиг. 2). Вход первого демультиплексора 14 (ДМП1) через шину передачи данных подключен к выходу вычитателя 2 (В). Вход второго демультиплексора 15 (ДМП2) через шину передачи данных соединен с выходом первого преобразующего модуля 6 (ПМ1).

Выходы первого демультиплексора 14 (ДМП1) связаны с первым 16 (У1), вторым 17 (У2), третьим 18 (У3) и четвертым 19 (У4) усилителями, выход каждого из которых соединен с соответствующим блоком интегрирования 20 (И1), 21 (И2), 22 (И3), 23 (И4). Выходы второго демультиплексора 15 (ДМП2) подключены к пятому 24 (У5), шестому 25 (У6), седьмому (У7) и восьмому 27 (У8) усилителям, выход каждого из которых соединен с соответствующим блоком интегрирования 28 (И5), 29 (И6), 30 (И7), 31 (И8). Выходы первого 20 (И1) и пятого 28 (И5) блоков интегрирования подключены к входам первого сумматора 32 (С1). Выходы второго 21 (И2) и шестого 29 (И6) блоков интегрирования соединены с входами второго сумматора 33 (С2). Выходы третьего 22 (И3) и седьмого 30 (И7) блоков интегрирования связаны с входами третьего сумматора 34 (С3). Выходы четвертого 23 (И4) и восьмого 31 (И8) блоков интегрирования соединены с входами четвертого сумматора 35 (С4). Выход первого сумматора 32 (С1) соединен с входом девятого усилителя 36 (У9). Выход второго сумматора 33 (С2) соединен с входом десятого усилителя 37 (У10). Выход третьего сумматора 34 (С3) подключен к входу одиннадцатого усилителя 38 (У11). Выход четвертого сумматора 35 (С4) связан с входом двенадцатого усилителя 39 (У12). Выходы девятого 36 (У9), десятого 37 (У10), одиннадцатого 38 (У11) и двенадцатого 39 (У12) усилителей подключены к первому мультиплексору 40 (МП1), выход которого через шину передачи данных соединен с блоком управления 4 (БУ) и с матрицей фильтров 5 (МФ).

Блок управления 4 (БУ) содержит третий демультиплексор 41 (ДМП3) вход которого через шину передачи данных связан с первым мультиплексором 40 (МП1) (фиг. 3). К первому входу третьего демультиплексора 41 (ДМП3) последовательно подключены первый 42 (Б31), второй 43 (Б32), третий 44 (Б33), четвертый 45 (Б34) и пятый 46 (Б35) блоки задержки. Ко второму входу третьего демультиплексора 41 (ДМП3) последовательно подключены шестой 47 (Б36), седьмой 48 (Б37), восьмой 49 (Б38), девятый 50 (Б39) и десятый 51 (Б310) блоки задержки. К третьему входу третьего демультиплексора 41 (ДМП3) последовательно подключены одиннадцатый 52 (Б311), двенадцатый 53 (Б312), тринадцатый 54 (Б313), четырнадцатый 55 (Б314) и пятнадцатый 56 (Б315) блоки задержки. К четвертому входу третьего демультиплексора 41 (ДМП3) последовательно подключены шестнадцатый 57 (Б316), семнадцатый 58 (Б317), восемнадцатый 59 (Б318), девятнадцатый 60 (Б319) и двадцатый 61 (Б320) блоки задержки. Выходы пятого 46 (Б35), десятого 51 (Б310), пятнадцатого 56 (Б315) и двадцатого 61 (Б320) блоков задержки соединены с соответствующими входами второго мультиплексора 62 (МП2). Выход мультиплексора 62 (МП2) с помощью шины передачи данных соединен через управляемый ключ 63 (К) со вторым преобразующим модулем 11 (ПМ2). Управляющий вход управляемого ключа 63 (К) соединен с выходом вычитателя 2 (В).

Блок матрицы фильтров 5 (МФ) содержит два демультиплексора 64 (ДМП4) и 65 (ДМП5) (фиг. 4). Вход четвертого демультиплексора 64 (ДМП4) через шину передачи данных связан с выходом первого мультиплексора 40 (МП1). Вход пятого демультиплексора 65 (ДМП5) через шину передачи данных соединен с выходом первого преобразующего модуля 6 (ПМ1).

К первому выходу четвертого демультиплексора 64 (ДМП4) последовательно подключены первый 66 (Ф1) и второй 67 (Ф2) фильтры. Ко второму выходу четвертого демультиплексора 64 (ДМП4) последовательно подключены третий 68 (Ф3) и четвертый 69 (Ф4) фильтры. К третьему выходу четвертого демультиплексора 64 (ДМП4) последовательно подключены пятый 70 (Ф5) и шестой 71 (Ф6) фильтры. К четвертому выходу четвертого демультиплексора 64 (ДМП4) последовательно подключены седьмой 72 (Ф7) и восьмой 73 (Ф8) фильтры.

К первому выходу пятого демультиплексора 65 (ДМП5) последовательно подключены девятый 74 (Ф9) и десятый 75 (Ф10) фильтры. Ко второму выходу пятого демультиплексора 65 (ДМП5) последовательно подключены одиннадцатый 76 (Ф11) и двенадцатый 77 (Ф12) фильтры. К третьему выходу пятого демультиплексора 65 (ДМП5) последовательно подключены тринадцатый 78 (Ф13) и четырнадцатый 79 (Ф14) фильтры. К четвертому выходу пятого демультиплексора 65 (ДМП5) последовательно подключены пятнадцатый 80 (Ф15) и шестнадцатый 81 (Ф16) фильтры.

Выходы второго 67 (Ф2) и десятого 75 (Ф10) фильтров подключены к пятому сумматору 82 (С5), выход которого соединен с входом семнадцатого фильтра 86 (Ф17). Выходы четвертого 69 (Ф4) и двенадцатого 77 (Ф12) фильтров подключены к шестому сумматору 83 (С6), выход которого соединен с входом восемнадцатого фильтра 87 (Ф18). Выходы шестого 71 (Ф6) и четырнадцатого 79 (Ф14) фильтров подключены к седьмому сумматору 84 (С7), выход которого соединен с входом девятнадцатого фильтра 88 (Ф19). Выходы восьмого 73 (Ф8) и шестнадцатого 81 (Ф16) фильтров подключены к восьмому сумматору 85 (С8), выход которого соединен с входом двадцатого фильтра 89 (Ф20). Выходы семнадцатого 86 (Ф17), восемнадцатого 87 (Ф18), девятнадцатого 88 (Ф19) и двадцатого 89 (Ф20) фильтров соединены с соответствующими входами третьего мультиплексора 90 (МП3), выход которого через шину передачи данных соединен со вторым входом вычитателя 2 (В).

Первый преобразующий модуль 6 (ПМ1) (фиг. 5). содержит первый нормирующий преобразователь 91 (НП1), вход которого связан с датчиком давления 7 (ДД), второй нормирующий преобразователь 92 (НП2), вход которого соединен с датчиком температуры технологической жидкости 8 (ДТ), третий нормирующий преобразователь 93 (НП3), вход которого подключен к датчику расхода технологической жидкости 9 (ДР), четвертый нормирующий преобразователь 94 (НП4), вход которого соединен с датчиком уровня технологической жидкости в химико-технологическом аппарате 10 (ДУ). Выходы первого 91 (НП1), второго 92 (НТ2), третьего 93 (НП3) и четвертого 94 (НП4) нормирующих преобразователей подключены к соответствующими входам четвертого мультиплексора 95 (МП4), выход которого через шину передачи данных соединен со вторым 15 (ДМП2) и с пятым 65 (ДМП5) демультиплексорами.

Второй преобразующий модуль 11 (ПМ2) (фиг. 6) содержит шестой демультиплексор 96 (ДМП6), вход которого через шину передачи данных соединен с выходом управляемого ключа 63 (К). К первому выходу шестого демультиплексора 96 (ДМП6) подключен пятый нормирующий преобразователь 97 (НП5), выход которого подключен к электрореле 12 (ЭР). Ко второму выходу шестого демультиплексора 96 (ДМП6) подключен шестой нормирующий преобразователь 98 (НП6), выход которого подключен к электродвигателю 13 (ЭД).

Усилители, а также пятый 97 (НП5) и шестой 98 (НП6) нормирующие преобразователи выполнены одинаково по типовой электрической схеме на базе операционного усилителя [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ. - 2014. - С. 185, рис. 4.5]. Блоки интегрирования и блоки задержки являются типовыми [Джонс М.Х. Электроника - практический курс. Москва: Постмаркет. - 1999. - С. 290, рис. 11.13]. Управляемый ключ 63 (К) выполнен на базе микросхемы К561КТ3, которая включена с инвертором [http://www.pavatel.ru/264-mikxoshema-k561kt3-odnorazryadnyy-multipleksor.html, рис. 5]. Фильтры одинаковы [http://5fan.ru/wievjob.php?id=36910, рис. 3]. Сумматоры выполнены одинаково по типовой электрической схеме на базе операционного усилителя. [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ. - 2014. - С. 192, рис. 4.19]. Первый 91 (НП1), второй 92 (НП2), третий 93 (НП3) и четвертый 94 (НП4) нормирующие преобразователи реализованы с помощью измерительного преобразователя тока и напряжения CVT500 фирмы Martens. Демультиплексоры реализованы на базе микросхем К155ИД3. Мультиплексоры реализованы на базе микросхем К155КП1. Датчиком давления 7 (ДД) является тензорезистивный датчик давления. Датчик температуры технологической жидкости 8 (ДТ) - хромель-копелевая термопара. В качестве датчика расхода технологической жидкости 9 (ДР) использован расходомер с сужающими устройствами. Датчик уровня технологической жидкости в химико-технологическом аппарате 10 (ДУ) - емкостной уровнемер.

Комплекс работает следующим образом.

С помощью задающего устройства 1 (ЗУ) задают значения, которым должны соответствовать переменные химико-технологического процесса, такие как давление, температура, расход и уровень технологической жидкости, которые измеряют с помощью датчика давления 7 (ДД), датчика температуры 8 (ДТ), датчика расхода 9 (ДР) и датчика уровня 10 (ДУ). Электрические сигналы от этих датчиков поступают в первый преобразующий модуль 6 (ПМ1), в котором за счет первого 91 (НП1), второго 92 (НП2), третьего 93 (НП3) и четвертого 94 (НП4) нормирующих преобразователей происходит нормирование полученных сигналов. Затем на входы четвертого мультиплексора 95 (МП4) поступают унифицированные электрические сигналы (0-10 В).

Одновременно с помощью шины передачи данных унифицированные сигналы с выхода четвертого мультиплексора 95 (МП4) поступают на входы второго 15 (ДМП2) и пятого 65 (ДМП5) демультиплексоров.

Одновременно с поступлением сигналов на вход пятого демультиплексора 65 (ДМП5) на вход четвертого демультиплексора 64 (ДМП4) поступают управляющие сигналы с первого мультиплексора 40 (МП1).

Распараллеленные с помощью четвертого 64 (ДМП4) и пятого 65 (ДМП5) демультиплексоров сигналы одновременно поступают на входы первого 66 (Ф1), третьего 68 (Ф3), пятого 70 (Ф5), седьмого 72 (Ф7), девятого 74 (Ф9), одиннадцатого 76 (Ф11), тринадцатого 78 (Ф13) и пятнадцатого 80 (Ф15) фильтров, с выходов которых соответственно и одновременно поступают на второй 67 (Ф2), четвертый 69 (Ф4), шестой 71 (Ф6), восьмой 73 (Ф8), десятый 75 (Ф10), двенадцатый 77 (Ф12), четырнадцатый 79 (Ф14) и шестнадцатый 81 (Ф16) фильтры.

С помощью девятого 74 (Ф9), десятого 75 (Ф10), одиннадцатого 76 (Ф11), двенадцатого 77 (Ф12), тринадцатого 78 (Ф13), четырнадцатого 79 (Ф14), пятнадцатого 80 (Ф15) и шестнадцатого 81 (Ф16) фильтров производят фильтрацию входных сигналов от аддитивной шумовой помехи. На выходе десятого 75 (Ф10) фильтра получают электрический сигнал, соответствующий значению давления технологической жидкости моделируемого технологического процесса. На выходе двенадцатого 77 (Ф12) фильтра получают электрический сигнал, соответствующий значению температуры технологической жидкости моделируемого технологического процесса. На выходе четырнадцатого 79 (Ф14) фильтра получают электрический сигнал, соответствующий значению расхода технологической жидкости моделируемого технологического процесса. На выходе шестнадцатого 81 (Ф16) фильтра получают электрический сигнал, соответствующий значению уровня технологической жидкости моделируемого технологического процесса. Эти электрические сигналы, представляют собой начальные условия (состояния), в которых находится моделируемый химико-технологический процесс.

С помощью первого 66 (Ф1), второго 67 (Ф2), третьего 68 (Ф3), четвертого 69 (Ф4), пятого 70 (Ф5), седьмого 72 (Ф7) и восьмого 73 (Ф8) фильтров составляют математическую модель химико-технологического процесса. Так как все фильтры представлены апериодическим (инерционным) звеном первого порядка, то моделируемый процесс представлен апериодическим звеном второго порядка. Во всех фильтрах происходит преобразование электрических сигналов согласно следующему выражению:

,

где: U_вх(t) - напряжение, поступающее на вход фильтра;

U_вых(t) - напряжение на выходе фильтра;

- коэффициент передачи, определяемый номиналами резисторов, которые используют при практической реализации фильтров и зависящий от моделируемого химико-технологического процесса;

Т=С⋅R₂ - постоянная времени, определяемая номиналами резистора и конденсатора, которые используются при практической реализации фильтров и зависящая от моделируемого химико-технологического процесса [http://5fan.ru/wievjob.php?id=36910, рис. 3].

В результате одновременного прохождения электрических сигналов через первый 66 (Ф1), второй 67 (Ф2), третий 68 (Ф3), четвертый 69 (Ф4), пятый 70 (Ф5), седьмой 72 (Ф7) и восьмой 73 (Ф8) фильтры получают электрические сигналы, характеризующие реакцию химико-технологического процесса на сигналы, выработанные блоком оптимизации 3 (БО) и сформированное на выходе первого мультиплексора 40 (МП1). Эти электрические сигналы суммируют с электрическими сигналами, представляющими собой начальные условия. Суммирование сигналов происходит с помощью пятого 82 (С5), шестого 83 (С6), седьмого 84 (С7) и восьмого 85 (С8) сумматоров и затем результат сглаживают с помощью семнадцатого 86 (Ф17), восемнадцатого 87 (Ф18), девятнадцатого 88 (Ф19) и двадцатого 89 (Ф20) фильтров и передают на третий мультиплексор 90 (МП3). Полученные результаты моделирования с третьего мультиплексора 90 (МП3) через шину передачи данных поступают на вход вычитателя 2 (В).

В вычитателе 2 (В) определяют разность между сигналами, поступившими с задающего устройства 1 (ЗУ) и с выхода третьего мультиплексора 90 (МП3) по формуле:

U_вых(t)=k_B⋅(U_вх2(t)-U_вх1(t)),

где U_вх(t) - напряжение, поступающее на первый вход вычитателя 2 (В) с выхода третьего мультиплексора 90 (МП3);

U_вх2(t) - напряжение, поступающее на второй вход вычитателя 2 (В) с выхода задающего устройства 1 (ЗУ);

U_вых(t) - напряжение на выходе вычитателя 2 (В);

- коэффициент, зависящий от отношения резисторов, которые используются в электрической схеме вычитателя 2 (В) [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ. - 2014. - С. 191, рис. 4.18].

Полученный сигнал рассогласования с выхода вычитателя 2 (В) поступает на вход первого демультиплексора 14 (ДМП1) и одновременно на вход второго демультиплексора 15 (ДМП2) поступают сигналы с выхода четвертого мультиплексора 95 (МП4).

Распараллеленные с помощью первого 14 (ДМП1) и второго 15 (ДМП2) демультиплексоров сигналы одновременно поступают на входы первого 16 (У1), второго 17 (У2), третьего 18 (У3), четвертого 19 (У4), пятого 24 (У5), шестого 25 (У6), седьмого 26 (У7) и восьмого 27 (У8) усилителей. При этом электрический сигнал, проходя каждый усилитель, преобразуется согласно следующему выражению:

где: - напряжение, поступающее на вход усилителя;

- напряжение на выходе усилителя;

- коэффициент усиления, определяемый номиналами резисторов, которые используются при практической реализации усилителей и зависящий от моделируемого химико-технологического процесса и от необходимых параметров реализуемого закона регулирования [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ. - 2014. - С. 185, рис. 4.5].

Затем полученные сигналы одновременно интегрируют с помощью первого 20 (И1), второго 21 (И2), третьего 22 (И3), четвертого 23 (И4), пятого 28 (И5), шестого 29 (И6), седьмого 30 (И7) и восьмого 31 (И8) блоков интегрирования. При этом электрический сигнал, проходя каждый блок интегрирования, преобразуется согласно следующему выражению:

где - напряжение, поступающее на вход блока интегрирования;

- напряжение на выходе блока интегрирования;

Т_И=C⋅R₁ - постоянная интегрирования, определяемая номиналами резистора и конденсатора, которые используются при практической реализации блока интегрирования и зависящая от моделируемого химико-технологического процесса и от необходимых параметров реализуемого закона регулирования [Джонс М.Х. Электроника - практический курс. Москва: Постмаркет. - 1999. - С. 290, рис. 11.13].

Фактически первый 16 (У1), второй 17 (У2), третий 18 (У3) и четвертый 19 (У4) усилители, а также первый 20 (И1), второй 21 (И2), третий 22 (И3) и четвертый 23 (И4) блоки интегрирования реализуют интегральный (И) закон регулирования. Электрический сигнал, проходя через указанные усилитель и блок интегрирования, преобразуется согласно следующему выражению:

,

При этом выходной сигнал, пытается минимизировать входной сигнал с вычитателя 2 (В), стремясь свести его к 0.

Распараллеленные с помощью второго демультиплексора 15 (ДМП2) электрические сигналы одновременно усиливают до необходимого значения с помощью пятого 24 (У5), шестого 25 (У6), седьмого 26 (У7) и восьмого 27 (У8) усилителей, а затем одновременно интегрируют с помощью пятого 28 (И5), шестого 29 (И6), седьмого 30 (И7) и восьмого 31 (И8) блоков интегрирования. Эти преобразования необходимы для пересчета электрических сигналов с датчиков в значения, характеризующие положения (состояния) электрореле 12 (ЭР) и электродвигателя 13 (ЭД) в момент моделирования.

Полученные сигналы суммируют с помощью первого 32 (С1), второго 33 (С2), третьего 34 (С3) и четвертого 35 (С4) сумматоров и усиливают с помощью девятого 36 (У9), десятого 37 (У10), одиннадцатого 38 (У11) и двенадцатого 39 (У12) усилителей, а затем полученные сигналы поступают на входы первого мультиплексора 40 (МП1). Затем с помощью шины передачи данных электрические сигналы одновременно поступают на вход третьего демультиплексора 41 (ДМП3) и на вход четвертого демультиплексора 64 (ДМП4).

В матрице фильтров 5 (МФ) происходит пересчет выходных сигналов в зависимости от вновь поступивших сигналов с выхода первого мультиплексора 40 (МП1) и полученный результат снова передают на вычитатель 2 (В). Эту процедуру повторяют до тех пор, пока сигнал с вычитателя 2 (В) не будет равен 0.

Распараллеленные с помощью третьего демультиплексора 41 (ДМП3) сигналы одновременно поступают на входы последовательно соединенных блоков задержки, например, 42 (БЗ1), 43 (БЗ2), 44 (БЗ3), 45 (БЗ4), 46 (БЗ5), которые формируют запаздывание полученного электрического сигнала. Затем сигналы поступают на входы второго мультиплексора 62 (МП2), с выхода которого сигналы поступают на управляемый ключ 63 (К), который разомкнут в случае, если сигнал с вычитателя 2 (В) больше 0. При нахождении оптимального сигнала в блоке оптимизации 3 (БО), сигнал на выходе вычитателя 2 (В) равен 0. В этом случае происходит замыкание управляемого ключа 63 (К) и сигнал с выхода второго мультиплексора 62 (МП2) через управляемый ключ 63 (К) поступает на вход шестого демультиплексора 96 (ДМП6).

Распараллеленные с помощью шестого демультиплексора 96 (ДМП6) сигналы одновременно усиливают, с помощью пятого 97 (НП5) и шестого 98 (НП6) нормирующих преобразователей. Затем электрические сигналы поступают на электрореле 12 (ЭР) и электродвигатель 13 (ЭД).

При получении новых сигналов с датчика давления 7 (ДД), датчика температуры 8 (ДТ), датчика расхода 9 (ДР) и датчика уровня 10 (ДУ) вся процедура повторяется заново, пока не будет найден новый оптимальный сигнал в блоке оптимизации 3 (БО).

Комплекс для моделирования химико-технологических процессов содержит задающее устройство, вычитатель, блок оптимизации, блок управления, матрицу фильтров, два преобразующих модуля, датчики температуры, давления и расхода технологической жидкости, электрореле, электродвигатель, соединенные определенным образом. Блок оптимизации содержит два демультиплексора, двенадцать усилителей, восемь блоков интегрирования, четыре сумматора, мультиплексор. Блок управления содержит демультиплексор, двадцать блоков задержки, мультиплексор, управляемый ключ. Блок матрицы фильтров содержит два демультиплексора, двадцать фильтров, мультиплексор. Первый преобразующий модуль содержит четыре нормирующих преобразователя, мультиплексор. Второй преобразующий модуль содержит мультиплексор, два нормирующих преобразователя. Обеспечивается повышение эффективности и безопасности протекания химико-технологических процессов. 6 ил.

Комплекс для моделирования химико-технологических процессов, содержащий датчик температуры, электрореле, отличающийся тем, что дополнительно содержит задающее устройство (1), связанное с вычитателем (2), блок оптимизации (3), блок управления (4), матрицу фильтров (5) и два преобразующих модуля (6 и 11), при этом блок оптимизации (3) содержит первый демультиплексор (14), вход которого подключен к выходу вычитателя (2), выходы первого демультиплексора (14) связаны с первым (16), вторым (17), третьим (18) и четвертым (19) усилителями, выход каждого из которых соответственно соединен с первым (20), вторым (21), третьим (22) и четвертым (23) блоком интегрирования, а выходы второго демультиплексора (15) подключены к пятому (24), шестому (25), седьмому (26) и восьмому (27) усилителям, выход каждого из которых соответственно соединен с пятым (28), шестым (29), седьмым (30), восьмым (31) блоком интегрирования, причем выходы первого (20) и пятого (28) блоков интегрирования подключены к входам первого сумматора (32), выход которого соединен с входом девятого усилителя (36), выходы второго (21) и шестого (29) блоков интегрирования соединены с входами второго сумматора (33), выход которого соединен с входом десятого усилителя (37), выходы третьего (22) и седьмого (30) блоков интегрирования связаны с входами третьего сумматора (34), выход которого подключен к входу одиннадцатого усилителя (38), выходы четвертого (23) и восьмого (31) блоков интегрирования соединены с входами четвертого сумматора (35), выход которого связан с входом двенадцатого усилителя (39), при этом выходы девятого (36), десятого (37), одиннадцатого (38) и двенадцатого (39) усилителей подключены к первому мультиплексору (40); блок управления (4) содержит третий демультиплексор (41), вход которого связан с выходом первого мультиплексора (40), при этом к первому входу третьего демультиплексора (41) последовательно подключены первый (42), второй (43), третий (44), четвертый (45) и пятый (46) блоки задержки, ко второму входу третьего демультиплексора (41) последовательно подключены шестой (47), седьмой (48), восьмой (49), девятый (50) и десятый (51) блоки задержки, к третьему входу третьего демультиплексора (41) последовательно подключены одиннадцатый (52), двенадцатый (53), тринадцатый (54), четырнадцатый (55) и пятнадцатый (56) блоки задержки, к четвертому входу третьего демультиплексора (41) последовательно подключены шестнадцатый (57), семнадцатый (58), восемнадцатый (59), девятнадцатый (60) и двадцатый (61) блоки задержки, причем выходы пятого (46), десятого (51), пятнадцатого (56) и двадцатого (61) блоков задержки соединены с входами второго мультиплексора (62), выход которого подключен к управляемому ключу (63) управляющий вход которого подключен к выходу вычитателя (2); блок матрицы фильтров (5) содержит четвертый демультиплексор (64), вход которого связан с выходом первого мультиплексора (40), при этом к первому выходу четвертого демультиплексора (64) последовательно подключены первый (66) и второй (67) фильтры, ко второму выходу четвертого демультиплексора (64) последовательно подключены третий (68) и четвертый (69) фильтры, к третьему выходу четвертого демультиплексора (64) последовательно подключены пятый (70) и шестой (71) фильтры, к четвертому выходу четвертого демультиплексора (64) последовательно подключены седьмой (72) и восьмой (73) фильтры, к первому выходу пятого демультиплексора (65) последовательно подключены девятый (74) и десятый (75) фильтры, ко второму выходу пятого демультиплексора (65) последовательно подключены одиннадцатый (76) и двенадцатый (77) фильтры, к третьему выходу пятого демультиплексора (65) последовательно подключены тринадцатый (78) и четырнадцатый (79) фильтры, к четвертому выходу пятого демультиплексора (65) последовательно подключены пятнадцатый (80) и шестнадцатый (81) фильтры, причем выходы второго (67) и десятого (75) фильтров подключены к пятому сумматору (82), выход которого соединен с входом семнадцатого фильтра (86), выходы четвертого (69) и двенадцатого (77) фильтров подключены к шестому сумматору (83), выход которого соединен с входом восемнадцатого фильтра (87), выходы шестого (71) и четырнадцатого (79) фильтров подключены к седьмому сумматору (84), выход которого соединен с входом девятнадцатого фильтра (88), выходы восьмого (73) и шестнадцатого (81) фильтров подключены к восьмому сумматору (85), выход которого соединен с входом двадцатого фильтра (89), при этом выходы семнадцатого (86), восемнадцатого (87), девятнадцатого (88), двадцатого (89) фильтров соединены с входами третьего мультиплексора (90), выход которого соединен со вторым входом вычитателя (2); первый преобразующий модуль (6) содержит первый нормирующий преобразователь (91), вход которого связан с датчиком давления (7), второй нормирующий преобразователь (92), вход которого соединен с датчиком температуры технологической жидкости (8), третий нормирующий преобразователь (93), вход которого подключен к датчику расхода технологической жидкости (9), четвертый нормирующий преобразователь (94), вход которого соединен с датчиком уровня технологической жидкости в химико-технологическом аппарате (10), при этом первый (91), второй (92), третий (93) и четвертый (94) нормирующие преобразователи подключены к входам четвертого мультиплексора (95), выход которого соединен со вторым (15) и с пятым (65) демультиплексорами; второй преобразующий модуль (11) содержит шестой демультиплексор (96), вход которого соединен с выходом управляемого ключа (63), причем к первому выходу шестого демультиплексора (96) подключен пятый нормирующий преобразователь (97), выход которого подключен к электрореле (12), а ко второму выходу шестого демультиплексора (96) подключен шестой нормирующий преобразователь (98), выход которого подключен к электродвигателю (13).