Регулятор Советский патент 1982 года по МПК G05B11/01 

(54) РЕГУЛЯТОР

1

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию и может быть использовано для построения систем регулирования температурного режима теппообменных аппаратов кислородных установок, в частности блока азотных регенераторов.

Блок азотных регенераторов содержит три регенератора. В каждый момент времени по одному из регенераторов проходит прямой (рабочий) поток газа (Q, Q. Qi) который охлаждается и нагревает насадку регенератора, по другому - обратный поток газа и по третьему - небалан- jj сирующий (петлевой) поток газа (Qp). Как обратный, так и петлевой потоки газов охлаждают насадку регенераторов и подготавливают ее для охлаждения газа прямого потока Через каждые три мину- 20 1ы происходит переключение регенераторов, т.е. цикл переключения состоит из трех периодов: рабочего, обратного и пет левого. В конце рабочих периодов измеряется температура (Т, , Т, Tj ) охлажденного газа на выходе из регенераторов. Измеряется также давление (Р) и расход газа прямого потока, расход газа петлевого потока.

Кроме того, регенераторы подвержены влиянию неконтролируемых возмущений, существенно изменяющих свои свойства цикла переключения регенераторов.

Характеристика регенератора по каналу имеет нелинейный вид. В рабочем диапазоне изменения расхода и давления газа, проходящего через регенератор модель регенератора по канала Л ф- ДТ, Qj,- дТ и ДР дТ может быть принята в виде пролорционального звена. Инерционностью от цикла к циклу можно пренебречь.

Управляющими воздействиями являются расход гйза прямого и петлевого потоков на каждый регенератор. Цель управления заключается в стабилизации температуры; охлажденного газа в конце рабочих периодов при условии максимально возможных расходах газа прямого потока. Известны регуляторы, с помощью которых регулирование температурного режима теппообменных аппаратов ведется только изменением количества газа петлевого потока l. Недостаток этих регуляторов заключается в том, что они не обеспечивают высокой степени стабилизации температуры охлажденного газа на выходе регенераторов при его максимально возможных расходах. Наиболее близким к предлагаемому по технический сущности является регулятор который содержит первый экстраполятор и последовательно соединенные первый блок сравнения, первый фильтр низкой частоты, обратную модель объекта и второй блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого блока задержки t2j. Целью изобретения является повышение точности стабилизации температуры газа при его максимально возможном рас ходе. Поставленная цель достигается тем, что регулятор содержит первый задатчик, второй и третий блоки задержки, блок выбора наименьшей величины, последователь но соединенные первый переключатель, четвертый блок задержки, второй переклю чатель, третий блок сравнения, первый масштабирующий блок, четвертый блок сравнения, третий переключатель, четвертый переключатель, пятый блок сравнения второй фильтр низкой частоты, второй масштабирующий блок и вычитатель, после довательно соединенные второй задатчик, шестой блок сравнения, третий фильтр низ Кой частоты и третий масштабирующий блок, последовательно соединенные вто.- рой экстраполятор, четвертый масштабирующий блок и сумматор, выход которого соединен с входом первого блока задержки, выход второго блока сравнения через последовательно соединенные вычитатепь, первь1й экстраполятор, перйый перюключа- тель, второй блок задержки и блок выбора наименьшей величины соединены с вторыми входами сумматора и третьего блока сравненп., второй выход четвертого переключателя соединен с входом первого блока сравнения, выход первого задатчика соединен с вторыми входами четвертого и пятого бттоков сравнения, выход третьего магштабнруюшего блока соединен с третьим p.xorow вьппас.гтителя, второй выХОД первого переключателя через третий блок задержки соединен с вторыми входами блока выбора наименьшей величины и второго переключателя, выход четвертого блока задержки соединен с третьим входом блока выбора наименьшей величины первый вход которого соединен с третьим входом второго переключателя выход третьего фильтра низкой частоты соединен с входом второго экстраполятора. На чертеже представлена блок-схема регулятора температурного режима тепло, обменных аппаратов, например, блока азотных регенераторов. На чер,теже приняты обозначения: TfC-f T(l), Т (i ) - температура охлажДенноГо-газа на выходе соответственно первого, второго и третьего регенераторов; Т - задание на температуру охлажденного газа; Р ({) - давление газа прямого потока; 71 - сигнал об окончании каждого периода; ф,(1) - расход газа петлевого потока; Q(i), Qy(iy, Q (i ) - расход газа прямого потока соответственно для первого, второго и третьего регенераторов. Регулятор температурного режима теплообменщ 1Х аппаратов, например блока азотных регенераторов, содержит четвертый переключатель 1, первый блок 2 сравсравнения, первый фильтр 3 низкой час- тоты, обратную модель 4 объекта, второй блок 5 сравнения, вычислитель 6, первый блок 7 задержки, первый экстраполятор 8, первый переключатель 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 блоки задержки, блок 13 выбора наименьшей величины, сумматор 14, первый задатчик 15, пятый блок 16 сравнения, второй фильтр 17 низкой частоты, вторюй масштабирующий блок 18, второй задатчик 19, шестой блок 20 сравнения, третий фильтр 21 низкой частотъ, третий масштабирующий блок 22, второй экстраполятор 23, четвертый масштабирующий блок 24, второй переключатель 25, третий блок 26 сравнения, первый масштабирующий блок 27, i четвертый блок 28 сравнения, третий переключатель 29. Регулятор работает следующим образом. После окончания каждого рабочего периода, например, в первом регенераторе с помощью четвертого переключателя 1 по сигналу J на один из входов первого блока 2 сравнения подается сигнал о температуре Т (i) охлажденного газа на выходе первого регенератора, а на один из входов пятого блока 16 сравнения пода

ется сигнал о расходе Q (i) газа прямого потока в первом регенераторе. Аналогично, по сигналу 3 на первый 2 и пятый 16 блоки сравнения подаются сигналь о температуре охлажденного газа пря мого потока, на втором и третьем регенераторах.

Из сигнала Т;, (-i ) в первом блоке 2 сравнения вычитается сигнал Т о заданной температуре охлажденного газа. Сигнал о полученной разности через первый фильтр 3 низкой частоты, в котором выделяется полезная составляющая этого сигнала, поступает на обратную модель 4 объекта по каналу изменение расхода газа петлевого потока AQp - изменение температуры охлажденного газа . ДТ без учета запаздывания. Обратная модель 4 объекта представлена в виде пропорционального звена. На выходе обратной модели 4 объекта получается сигнал о корректировке расхода газа петлевого потока на (i -1)-ом периоде управления. Вычитая во втором блоке 5 сравнения сигнал об этой корректировке из сигнала, поступающего с выхода первого бпок 7 задержки, т.е. из сигнала о расходе Qn (1-1) газа петпевого потока на (f-l)-oM периоде управления, получаем сигнал об оценке идеального расхода газа пет- левого потока Другими словами получаем сигнал о расходе газа Q (-i-l), который требовалось реализовать на прошедщем периоде управления, чтобы получить температуру охлажденного газа, равной заданному значению.

. Значение Q (-5-1)-получено для условий фактического давления Р и расхода газа прямого потока на -i -том такте управления. Далее значения Q J, (i-l) пересчитывается на условия базового, в частности, среднего давления и макси«. мально возможного расхода газа прямого потока. Для этого в пятом блоке 16

сравнения из сигнала о расходе Q (4) прямого потока, например на первом регенераторе, вычитается сигнал о максимально возможном расходе, поступающий с первого задатчика 15. Сигнал с выхода пятого блока 16 сравнения через второй фильтр 17 низкой частоты, в котором выделяется полезная составляющая этого сигнала поступает на второй масштабирующий блок 18, где умножается на перейчетный коэффициент. Тем самым приращения расхода газа прямого потока пересчитывается в эквивалентные по температурному эффекту приращения расхода

газа петлевого потока. В щесгом блоке 2О сравнения из сигнала об измеренном давлении Р() газа вычитается сигнал о базовом давлении газа, поступающий с выхода второго задатчика 19. Сигнал с выхода шестого блока 20 сравнения постпает через третий фильтр 21 низкой частоты, в котором выделяется полезная составляющая этого сигнала, на третий масштабирующий блок 22, где умножается на пересчетный коэффициент и, таким образом, пересчитывается в приращения расхода газа петлевог.опотока. В вычитателе 6 из сигнала 9j (-i-l) вычитаются сигналы о приращениях расхода газа петлевого потока, поступающие с выхода второго 18 и третьего 22 масштабирующих блоков. На выходе вычитателя 6 получается сигнал об идеальном расходе газа петлевого потока, приведенном расчетным путем из условия максимального расхода и базового давления газа прямого потока. Этот сигнал отражает эффекты неконтролируемых возмущений, действующих на объект управления.

Сигнал с выхода вычитателя 6 поступает на первый экстрапопятор 8, выполненный, например, в виде форсирующего звена, где экстраполируется на три такта расчета (три периода). Экстраполированный сигнал через первый переключатель 9, который работает по :сигналуЛ поступает на второй блок 10 задержки, . если закончился рабочий период в первом регенераторе, на третий блок 11 задержки, если закончился рабочий период во втором регенераторе, и на четвертый блок 12 задержки, если закончился рабочий период в третьем регенераторю. С выходов второго 10, третьего 11 и четвертого 12 блоков задержки сигналы поступают на блок 13 выбора наименьшей величины, реализованного, например, в виде диодной сборки. В блоке 13 выбора наименьщей величины из трех сигналов выбирается сигнал с наименьщим значением, на основе которого и определяется требуемый расход газа петлевого потока в предстоящем (-i+l )-ом периоде путем пересчета наименьшего сигнала на условия ожидаемого давления газа прямого потока. С этой целью выходнсЛ сигнал третьего фильтра 21 низкой частоты поступает на второй экстраполятор 23, где он экстраполируется на одии период и затем поступает на вход четвертого масштабирующего блока 24, в котором уменьшается на пересчетный коэффициент. Сигнал с выхода четвертс)го масщтабиру- кяцего блока 24 идет на один из входов сумматора 14, где суммируется с сигналом, поступающим с выхода блока 13 вы бора наименьшей величины. На выходе сумматора 14 попушется сигнал о требуемом расходе газа петлевого потока на предстоящий период. Этот сигнал поступа ет на вход первого блока 7 задержки и является одним из выходных сигналов ре гулятора. . Таким образом, расход газа петлевого потока рассчитывается из условия мак симального расхода газа прямого потока на потенциально наиболее холодном реге нераторе, т.е. на том регенераторе, для которого расход газа петлевого потока - наименьший. Этот расход газа петлевого потока реализуется и.для остальных двух .регенераторов. Температура же охлажденного газа на их выходе регулируется рао ходом газа прямого потока. Для этого сигналы с выходов второ-- го Ю, третьего 11 и четвертого 12 бло ков задержки через второй переключатель 25, работающий по сигналу U поступаю ший в порядке работы рюгенераторов на один из входов третьего блока 26 сравнения. На другой вход третьего блока 26 сравнения подается сигнал с выхода бло- ка 13 выбора наименьшей величины, который и вычитается из сигнала о П1 й1веденном идеальном расходе газа петлевого потока. Сигнал о полученной разности по ступает на первый масштабирующий блок 27, в котором умножается на коэффициент, в результате чего пересчитывается в эквивалентный по тепловому эффекту сигнал о приращении расхода газа прямого потока. Полученный на выходе первого масштабирующего блока 27 сигнал вычитается в четвертом блоке 28 сравнения из сигнала о максимально возможном расходе газа петлевого потока, поступаг юшего с выхода первого задатчика 15. Выходной сигнал четвертого блока 28 сравнения поступает на вход третьего переключателя 29, выходные сигналоы которого подаются на входы четвертого переключателя 1 и являются выходными сиг налами предлагаемого регулятора о требуемых расходах газа прямого потока. При работе регулятора температурного режима теппообменных аппаратов на одном, потегшиапьно более холодном регенераторе, устанавпивается максимально бозможный расход газа прямого потока, а температура охлажденного газа регулируется измеие)П1ем расхода газа петлевого ПОТОКА лр(.1ыдущего периода управления. На двух других регенераторах текпература охлажденного газа регулируется изменением расхода газа прямого потока в этом же периоде управления. В результате достигается стабилизация TONпературы газа при его максимально возможном расходе. Результаты имитационного моделирования систем управления с известным и предлагаемЬтм регуляторами температурного режима теппообменных аппаратов по казывают, что применение предлагаемого регулятора позволит уменьшить дисперсию отклонений фактической температуры газа от заданной на 15% и увеличить производительность теплообменных аппаратов на 8%. Это даст экономический эффект порядка 120 тыс. рублей в год ни один кислородный цех с производством кислорода 6 5О млн. м в год. Формула изобретения Регулятор, содержащий первый экст - распояятор и последовательно соединенньк первый бдок сравнения, первый фильтр низкой частоты, обратную модель объекта и второй блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого блока задержки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулятора, он содержит первый задатчик, второй и третий блоки задержки, блок выбора наименьшей величины, последовательно соединенные первый переключатель, четвертый блок задержки, второй перек- ключатель, третий блок сравнения первый масштабирующий блок, четвертый блок сравнения, третий переключатель, четвертый переключатель, пятый блок сравнения, второй фильтр низкой частоты, второй масштабирующий $лок и вычитатель последовательно соединенные второй задатчик, шестой блок сравнения, третий фильтр низкой частоты и третий масштабирующий блок, последовательно соединенные второй экстраполятор, четвертый масштабирующий блок и сумматор, ныход которого соединен с входом первого блока задержки, выход второго блока сравнения через последовательно соединенные вычитатель, первый экстраполятор, первый переключатель, второй блок задержки и блок выбора наименьшей величины соединены с вторыми входами сумматора и третьего блока сравнения, второй выход четвертого переключателя соединен с входом первого блока сравнения, выход первого задатчика соединен с вторыми входами четвертого и пятого блоков сравнения, выход третьего масштабирующего блока соединен с третьим входом вычитатепя, второй выход первого перекшочатепя через третий блок задержки соединен с вторыми входами блока выбора наименьшей ветгчины и второго переключателя, выход четвертого блока задержки соединен с третьим входом блока выбора наименьшей величины, первый вход которого соединен с третьим входом второго переключателя,

выход третьего фильтра низкой частоты соединен с входом второго экстрлполято- ра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Бродянский В. М. и др. Производство кислорода. М., Металлургия, . 1970, с. 366-367.

2.Авторское свидетельство СССР № 699490, кл. Q 05 В.11/О1, 1978 (прототип).