Full Text

Важнейшим фактором конкурентоспособности любого предприятия является качество выпускаемой продукции, которое представляет собой совокупность свойств, куда входят надежность, эргономичность, безопасность и экологичность продукции. Предприятия целлюлозно-бумажной промышленности не являются исключением. При производстве бумажного полотна качество выпускаемой продукции напрямую зависит от непрерывного и бесперебойного протекания технологического процесса, состоящего из множества взаимосвязанных технологических операций. Одним из важнейших этапов процесса производства бумаги является подготовка бумажной массы. Для исследования и оптимизации системы управления имитацией технологическим процессом подготовки бумажной массы на кафедре микропроцессорных средств автоматизации совместно с предприятием ООО «Пермский картон» была разработана и внедрена учебно-экспериментальная установка целлюлозно-бумажного производства [1]. Функциональная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. В соответствии с описанием технологических режимов работы установки и алгоритмами управления этими режимами было выделено несколько локальных контуров регулирования технологических параметров производственного процесса установки [1, 2]. В данной работе предлагается рассмотреть процедуру построения замкнутых систем управления, выполнить синтез регуляторов и моделирование полученных локальных контуров регулирования уровня и расхода в среде MatlabSimulink. Математическая модель, объединяющая все контуры регулирования в одно целое, получается многомерной, громоздкой и сложной для синтеза и моделирования. Поэтому для решения практических задач целесообразно разбить систему на отдельные локальные контуры регулирования и для каждого из них провести расчет и настройку отдельного регулятора. Рассмотрим на начальном этапе синтеза настройку локального контура регулирования уровня в технологическом бассейне E1 для обеспечения поддержания заданного условиями технологии уровня. Согласно технологической схеме экспериментальной установки (см. рис. 1) стабилизацию уровня в емкости E1 можно осуществить автоматическим устройством, управляющим регулирующим органом, изменяющим расход воды, поступающей в емкость. Таким образом, регулирование уровня осуществляем при помощи регулирующего клапана с электроприводом. Регулирование подачи жидкости осуществляется через верхнюю трубу и через установленный на ней клапан. Степень открытия клапана может изменяться от 0 до 100 %, тем самым устанавливается нужная величина подачи жидкости. Откачка жидкости осуществляется через нижнюю трубу с помощью сетевого насоса, установленного на выходе емкости. При отключенном насосе слив жидкости не происходит, клапаны подачи жидкости в ёмкостях E2 и E4 перекрыты. Таким образом, управляющей величиной является приток жидкости, управляемой – величина уровня, а главным возмущением – изменение расхода откачивания жидкости при помощи изменения частот вращения насоса. Процедура синтеза любой системы управления заключается в нахождении ее структуры и параметров, обеспечивающих заданное качество управления при известных входных воздействиях. Поэтому задачу синтеза начнём с определения структуры и параметров объекта управления, а также устройства управления. Для идентификации объекта управления необходимо получить реакцию системы на выходе на задающий сигнал на входе системы. Для снятия графика переходного процесса подаем ступенчатый сигнал на открытие клапана и снимаем показания с датчика уровня, получая процесс заполнения ёмкости (рис. 2). Как видно из графика (см. рис. 2), процесс наполнения емкости жидкостью является интегрирующим, то есть выходная величина объекта управления при подаче на вход ступенчатого воздействия не стремится к установившемуся значению, а продолжает непрерывно изменяться до снятия сигнала задания. Согласно [3, 4] представим передаточную функцию технологической ёмкости в виде интегрирующего звена: , а передаточную функцию клапана представим в виде апериодического звена первого порядка: . Результирующая математическая модель и структурная схема разомкнутой системы регулирования уровня получены согласно паспортным данным на оборудование, результатам экспериментальных исследований и процедуре идентификации. Результирующая передаточная функция системы имеет следующий вид: Структурная схема разомкнутой системы приведена на рис. 3. Для синтеза системы стабилизации уровня при изменении задающего или возмущающего воздействия применим настройку регулятора на апериодический оптимум [4]. В результате расчетов был получен ПД-регулятор. Структурная схема системы управления с ПД-регулятором приведена на рис. 4. График переходного процесса заполнения ёмкости с отработкой регулятором заданных значений уровня приведен на рис. 5, где S ‒ степень открытия клапана (%), L – уровень жидкости в емкости (м). Из графиков видно, как сначала происходит заполнение ёмкости до заданного уровня 0,5 м примерно за 210 с, а затем на 250 с увеличиваем заданное значение уровня, и регулятор отрабатывает данное задание, наполняя емкость до уровня в 1 м. уровня с ПД-регулятором На следующем этапе синтеза выполним построение замкнутого контура регулирования расхода, который будет являться возмущающим воздействием для контура регулирования уровня. Задача системы регулирования расхода – поддержание заданного расхода воды в трубопроводах, связывающих технологические ёмкости Е1 и Е4. Стабилизацию расхода осуществляем при помощи регулирования частоты вращения двигателя сетевого насоса. Объект управления будет состоять из преобразователя частоты, двигателя и насоса. После проведения процедуры идентификации и определения передаточных коэффициентов и постоянных времени были получены передаточные функции контура регулирования расхода. Передаточная функция насоса: Wн(р) = . Передаточная функция электродвигателя: Wад(р) = . Передаточная функция преобразователя частоты: Wпч(р) = . Структурная схема модели разомкнутой системы регулирования расхода представлена на рис. 6. Для синтеза системы регулирования расхода применим настройку регулятора на технический оптимум [4]. В результате расчетов был получен ПИД-регулятор. Структурная схема системы управления с ПИД-регулятором приведена на рис. 7. Графики переходного процесса приведены на рис. 8. На графиках обозначены технологические координаты контура регулирования расхода, где Q – расход откачиваемой из емкости E1 жидкости, f – частота напряжения питания двигателя насоса, w – частота вращения двигателя насоса. Из графиков видно, как сначала система отрабатывает начальное задание расхода: Q = 2·10-4 м3/с. При этом заметно, что в системе имеется перегулирование, а время переходного процесса составляет 6 с. В момент времени t = 8 с уменьшаем уставку по расходу до Q = 1·10-4 м3/с, и регулятор аналогичным образом отрабатывает изменение сигнала задания, снижая частоту вращения двигателя насоса. Заключительным этапом процедуры синтеза является объединение контуров регулирования уровня в емкости Е1 и регулирования расхода жидкости в трубопроводе Е1–Е4 в единую двухконтурную систему, когда один из контуров будет являться возмущающим воздействием на другой контур. Структурная схема двухконтурной системы управления представлена на рис. 9. Графики переходных процессов отражены на рис. 10, где S ‒ степень открытия клапана, %, L – уровень жидкости в емкости, м, Q – расход жидкости, откачиваемой из емкости, м3/с. Выполняя анализ полученных результатов, видим, что в начальный момент времени на входе системы задана уставка по уровню L = 0,4 м и происходит заполнение ёмкости E1, при этом отток жидкости отсутствует, сетевой насос выключен и клапаны в емкостях Е2 и E4 закрыты. Далее на 250-й с включается сетевой насос и начинается откачка жидкости с заданным расходом Q = 2·10-4 м3/с. С началом откачки уровень в емкости начинает уменьшаться и отрабатывает контур стабилизации уровня, открывая клапан подачи жидкости, время переходного процесса отработки возмущающего воздействия составляет примерно 50 с. В результате экспериментальных, расчётных и модельных исследований, представленных в данной работе, выполнены синтез и моделирование локальных контуров регулирования уровня и расхода жидкости технологического процесса учебно-экспериментальной установки целлюлозно-бумажного производства. Результаты моделирования будут использованы при реализации регуляторов непосредственно в технологическом процессе на реальном оборудовании установки. Отладка и настройка регуляторов будут выполнены с учётом поправок на неточность и упрощения моделей разомкнутых контуров технологического процесса. Дальнейшим этапом в разработке автоматизированнойтренажерной системы управления [5] для экспериментальной установки, в рамках совместной научно-исследовательскойработы и сотрудничества с ООО «Пермский картон», является синтез и моделирование контуров регулирования концентрации, температуры и давления, а так же их интеграция в единую интеллектуальную систему автоматического управления.

About the authors

Dmitriy Aleksandrovi Dadenkov

Email: dadenkov@mail.ru

Denis Nikolaevich Cheremnykh

Email: cheremnyhdn@gmail.com

Anton Pavlovich Chestikov

Email: chestikov.anton@gmail.com

References

Statistics

Views

Abstract - 50

PDF (Russian) - 43

Refbacks

• There are currently no refbacks.