» Dynamický systém. » Samovolné chování. » Přinucení reaktoru k jinému chování. »Např. reaktor s exotermní reakcí

Co je řízení procesů Příklad: Reaktor s exotermn exotermníí reakcí

» Dynamický systém Inženýrství chemickochemicko-farmaceutických výrob

» složení reakční směsi a teplota se mohou měnit v čase

» Samovolné chování » a. reaktor se ustálí ve stabilním ustáleném stavu » b. teplota neustále roste – ujetí teploty

Měření veličin a řízení procesů

» „Přinucení“ reaktoru k jinému chování » REGULACE, Řízení procesu

Inženýrství chemickochemicko-farmaceutických výrob Řízení procesů

Reaktor s exotermn exotermníí reakcí

Proč řídit provoz zařízení

Qr

QC

» Např. reaktor s exotermní reakcí

Qr

Q[kW]

nestabilní ustálený stav stabilní ustálený stav

» vyšší teplota = vyšší rychlost reakce » při vysoké teplotě nelze dosáhnout stabilního ustáleného stavu

» Provoz v nestabilním ustáleném stavu s regulací

QC

» regulace eliminuje vznikající odchylky od ustáleného stavu Q& C = KA(T − T0 )

T[K]

⎡ E (T − T0 )⎤ Q& r = r (T )(− ΔHr )Vr = r0 exp ⎢ ⎥ (− ΔHr )V ⎣ RTT0 ⎦

Inženýrství chemickochemicko-farmaceutických výrob


Řízení procesů

Řízení procesů

Kvalita regulace vs. efektivita procesu

Terminologie

» Často při provozu nesmí dojít k překročení některých limitů (např. teplota v bioreaktoru) » Čím blíže k limitu lze zařízení provozovat, tím vyšší y může být ý efektivita

» Cíl regulace (Setpoint) - co se má regulací dosáhnout (jaká hodnota) » Řízená veličina – veličina, jejíž hodnota se regulací upravuje » Nastavovaná (akční) veličina – veličina, jejíž hodnotu lze přímo nastavit ((a ovlivňuje p j hodnotu řízené veličiny) y) » Akční člen (actuator) – zajišťuje změnu nastavované veličiny » Senzor – zjišťuje hodnotu řízené veličiny » Ovladač – dává pokyny akčnímu členu » Porucha (disturbance) – odchylka od normálu, způsobí výchylku řízené veličiny

» např. rychlost reakce roste s teplotou, ale od nějaké teploty se začnou objevovat nežádoucí produkty



Řízení procesů

Řízení procesů

1

Příklad: řízení auta

Příklad: výměník tepla

» » » » » » »

» Řízená veličina: teplota výstupního proudu » Nastavovaná veličina: průtok chladícího média » Akční člen: regulační ventil na přívodu chladiva » Senzor: termočlánek na výstupním proudu » Porucha: změna teploty vstupního proudu

Cíl regulace: udržet auto na silnici ... Řízená veličina: poloha auta na silnici Nastavovaná veličina: úhel otočení předních kol Akční člen (actuator): volant, ruce řidiče Senzor: oči řidiče Ovladač: řidič, mozek řidiče Porucha (disturbance): zatáčka na silnici



Řízení procesů

Řízení procesů

Nejjednodušší regulace

Řízení se zpětnou vazbou

» Stabilizace vstupů » Omezená použitelnost » omezené možnosti nastavení podmínek » citlivost na p poruchy, y, nestailita

Porucha Nastavená hodnota

+-

Ovladač

Akční č.

Proces Řízená veličina

Senzor



Řízení procesů

Řízení procesů

Regulace s dopřednou vazbou

Princip zpětnovazební regulace

» Měření hodnot vstupních veličin » Analýza poruch

» Aktuální hodnota řízené veličiny je měřena » Aktuální měřená hodnota je porovnána s nastavenou hodnotou » Rozdíl hodnot určí akci, která se provede

» model » databáze » člověk

» Kompenzace vlivů poruch nastavením akční veličiny



Řízení procesů

Řízení procesů

2

Typy Typ y zpětnovazební regulace

PID Regulátor Regulátory y » Zavedeny ve 40. letech minulého století

» Řízení On-Off, např. běžný termostat » Ruční řízení operátorem » PID regulátory

» jednoduché » robustní » ověřené

» obecný regulátor se třemi složkami interpretace odchylky – proporcionální, diferenciální a integrální

» Dnes tvoří asi 80 % instalovaných regulátorů

» Regulátory založené na modelu

» proporcionální, diferenciální a integrální složky regulace

» model vypočítá optimální regulační zásah pro uvedení systému na požadovanou hodnotu



Řízení procesů

Řízení procesů

Rovnice PID regulá regulátoru e(t ) = y (t ) − y set

Účinek PID regulá regulátoru ⎡ 1 c(t ) = c0 + K c ⎢e(t ) + τI ⎣

y … řízená veličina e … odchylka řízené veličiny

⎡ 1 t d e(t ) ⎤ Δc(t ) = K c ⎢e(t ) + ∫ e(t )dt + τ D ⎥ 0 τ dt ⎦ I ⎣ c … nastavovaná veličina Kc … proporcionální zesílení regulátoru τI … integrační čas τD … derivační čas

∫

t

0

e(t )dt + τ D

» s obráceným účinkem

⎡ 1 c(t ) = c0 − K c ⎢e(t ) + τI ⎣

∫

t

0

e(t )dt + τ D

c … nastavovaná veličina e … odchylka řízené veličiny


Řízení procesů

Řízení procesů

Příklad: regulace hladiny

Příklad: regulace hladiny

Fin

LT

LC

» průtok roste, hladina roste L Fout

d e(t ) ⎤ ⎥ dt ⎦

» s přímým účinkem


» Pozitivní účinek nastavované veličiny na odchylku

d e(t ) ⎤ ⎥ dt ⎦

» Negativní účinek nastavované veličiny na odchylku

Fin LT

LC

» průtok ůt k roste, t hl hladina di kl klesá á

L Fout

» Použít regulátor s přímým účinkem



Řízení procesů

Řízení procesů

» Použít regulátor s obráceným účinkem

3

Nasycení regulá regulátoru

Vliv proporcionální složky

» Akční veličina může pracovat pouze v určitém rozmezí teoretická hodnota

použitá hodnota

c (t ) > cmax

c * (t ) = cmax

c(t ) ≤ cmax c(t ) ≥ cmin

c(t ) < cmin

c * (t ) = c ( t )

» Funkce » Posunuje řízenou veličinu směrem k nastavené hodnotě intenzitou úměrnou regulační odchylce

» Výhody » přímý jednoduchý opravný účinek » snadná implementace i bez elektroniky

» Nevýhoda » neřeší regulační odchylku v ustáleném stavu (offset)

c * (t ) = cmin



Řízení procesů

Řízení procesů

Vliv integrální složky

Unášení integrace

» Funkce » eliminuje dlouhodobé trendy v řízené veličině (offset) » může být nenulový v ustáleném stavu

Řízená veličina

» Výhoda » nástroj k eliminaci offsetu

» Nevýhody » způsobuje nestabilitu (oscilace) » zpožděná odezva, nutno kombinovat s P-regulátorem

Čas

» Načtení velké integrační odchylky » v okamžiku, kdy systém přechází mezi stavy » při nasycení regulátoru



Řízení procesů

Řízení procesů

Unášení integrace

Vliv derivační složky

» Protiopatření

» Funkce

» vypnutí integrace při změnách stavu zařízení » najíždění » odstávky

» vypnutí integrace při nasycení regulátoru

e(t)

» predikuje budoucí stav systému

» Výhoda » zvyšuje robustnost

» Nevýhody

τ d de(t ) / dt τd e(t)

současné (t) budoucí ( t + τ d )

» zvyšuje oscilace obsahuje-li měřený signál šum



Řízení procesů

Řízení procesů

4

Typické odezvy zpětnovazebního řízení

Automatické měření veličin

» Bez řízení

» Čidla

» systém dosáhne nového ustáleného stavu

» Proporcionální

Bez řízení Proporcionální řízení

» zrychlená dynamika systému, menší offset

» Analyzátory

» PI » eliminuje offset, vyvolá oscilace

» termočlánky, tlakové senzory, automatické váhy, konduktometry » mají určitou dynamickou charakteristiku

Čas

» periodický odběr a analýza vzorků » mají určitou prodlevu

» PID » zmenší oscilace » zrychlí účinek Inženýrství chemickochemicko-farmaceutických výrob


Řízení procesů

Řízení procesů

Dynamická Dynami cká charakteristika senzoru

dTs 1 [T − Ts ] = τ Ts dt

» dynamické chování vyjádřeno časovou konstantou » T … sskutečná uteč á teplota » Ts … snímaná teplota

Inženýrství chemickochemicko-farmaceutických výrob Řízení procesů

5

» Dynamický systém. » Samovolné chování. » Přinucení reaktoru k jinému chování. »Např. reaktor s exotermní reakcí

Recommend Documents