В статье предложена система автоматического управления, отвечающая техническим критериям технологического процесса стерилизации консервов в промышленном автоклаве. Предложенный алгоритм работы и разработанная структура АСУ ТП реализуют современные законы автоматического управления и учитывают взаимное влияние координат управления. Разработан двухконтурный четырехканальный регулятор температуры и давления в автоклаве, позволяющий уменьшить объем бракованной продукции и сэкономить энергоресурсы за счет более точной коррекции взаимного влияния цепей управления.
Регулятор является основой для создания системы автоматического регулирования, позволяющей компенсировать возмущающие воздействия, связанные с изменением технологических параметров. Предлагаемое устройство управления может быть использовано для совершенствования существующих и создания новых систем автоматического управления стерилизационными установками. Достоверность исследования доказана посредством имитационного моделирования и сравнения результатов с экспериментами на действующем оборудовании консервного завода.
Введение
Для поиска оптимального решения по выбору системы автоматического управления технологическим процессом стерилизации консервов в промышленном автоклаве необходимо выполнить последовательный расчет нескольких вариантов регулирующих устройств. Для реализации этой задачи необходимо создание исследовательского комплекса в виде имитационной модели процесса стерилизации консервов, позволяющего провести предварительный анализ системы с заданными технологическими требованиями.
Выбор структуры системы автоматического управления
В конструктивном аспекте система автоматического управления процессом стерилизации консервов должна представлять собой взаимосвязанный комплекс автоклава, как объекта управления, и двухконтурного четырехканального контроллера, как устройства управления, воздействие которого должно привести к достижению поставленной цели. На схеме имитационной модели автоклав изображен в виде закрытого блока и не отражает особенностей его конструкции. В этой модели представляет интерес связь между воздействием на входе объекта управления и его реакцией на выходе. Как показано на рисунке, в состав системы автоматического управления автоклавом входят четыре независимых устройства управления (регуляторы), каждый из которых управляет своим каналом управления: подачей пара, холодной воды, подачей воздуха и сливом (сбросом давления).
По технологии стерилизации канал подачи пара и холодной воды в автоклаве должен работать в разные (взаимоисключающие) интервалы технологического цикла. Отличительной особенностью является наличие в системе автоматического управления технологическим процессом стерилизации консервов двух программных задающих устройств, формирующих траекторию изменения регулируемых параметров: заданной температуры воды регулируемой и давления регулируемой в автоклаве. система. Устройство настройки позволяет реализовать формулу стерилизации консервов и тем самым сформировать необходимый график изменения параметров технологического процесса.
Выбор закона регулирования
Помимо выбора конструкции для реализации системы автоматического регулирования необходимо подобрать закон регулирования и настройки регуляторов, которые в соответствии с заданными техническими условиями обеспечат наиболее рациональные характеристики объекта управления с точки зрения качества процесса управления. Из множества регуляторов непрерывного принципа действия вышеперечисленным критериям больше всего удовлетворяет П-регулятор.
Как видно из формулы, данный регулятор не обладает астатизмом, поэтому имеет ограничение в применении, связанное с наличием статической погрешности, что является недостатком и требует оценки интервала отклонения относительно указанные требования. Поэтому данный тип регулятора можно использовать только на каналах регулирования давления в автоклаве, которые не имеют существенного запаздывания и там этот регулятор сможет обеспечить необходимую точность регулирования. Использование ПИ-регулятора в схемах регулирования температуры позволит исключить погрешность регулирования (εст). Выходной сигнал пропорционально-интегрального регулятора определяется произведением ошибки рассогласования ε ( )t на коэффициент регулировки Кр и интеграл ошибки от коэффициента усиления интегральной составляющей Ki.
Как видно из формулы, ПИ – закон регулирования, должен обеспечивать необходимую для технологического процесса точность регулирования температуры на всех стадиях процесса стерилизации.
Расчет поправочных коэффициентов регуляторов
Следующим шагом в разработке системы управления является поиск оптимальных настроек контроллера. Целью является подбор таких коэффициентов регулятора, чтобы все текущие отклонения контролируемой величины от заданной не превышали допустимых. Существует немало методов, имеющих преимущества в конкретных приложениях: метод Циглера-Николса, метод CHR, метод Куна, метод частотной идентификации в замкнутом контуре, оптимальная настройка регуляторов по номограммам, экспериментальный метод настройки регулятор и др.
По мнению авторов, наиболее эффективным методом настройки регуляторов является графоаналитический метод расчета параметров регулятора по кривой ускорения методом эмпирических формул А.П.Копеловича. Метод основан на аппроксимации динамических процессов, происходящих в объекте управления, поэтому для определения оптимальных значений параметров регулятора потребуется знание переходной функции объекта управления, но, имея имитационную модель, этого не потребуется. затруднительно получить ускоренную характеристику исследуемого объекта. Характеристику ускорения удобнее обрабатывать методом графоаналитической аппроксимации, поскольку он отличается простотой и достаточной точностью расчетов.
Анализ работы системы автоматического управления стерилизацией консервов в промышленном автоклаве на основе имитационной модели
Устройства управления, регуляторы, а также объект управления достаточно громоздки, чтобы отобразить их на одном рисунке, поэтому в программе Simulink они представлены как подсистемы. Имитационная модель системы автоматического управления технологическим процессом стерилизации консервов в промышленном автоклаве представлена на рисунке. Работоспособность разработанной системы автоматического управления технологическим процессом стерилизации консервов в промышленном автоклаве предлагается проверять по графикам управления, полученным на основе имитационной модели в среде Simulink. программу.
Как видно из графиков, закон П-управления в целом обеспечивает высокую скорость и хорошую точность в канале регулирования давления. Однако в канале регулирования температуры, в режиме охлаждения, при использовании этого закона наблюдается недопустимое отклонение от задачи в работе регулятора, для устранения которого необходимо ввести в закон управления интегральную составляющую, которая Требовалось доказать на имитационной модели.
График контроля температуры и давления, не является колебательным (перерегулирование σ и индекс колебаний М равны нулю) и не является продолжительным, поскольку время контроля каждой фазы процесса совпадает с указанным в стерилизационном регламенте. формуле, но статическая погрешность εст процесса контроля не равна нулю и превышает допустимое значение на 1,8 С, что недопустимо для технологического процесса стерилизации консервов. Таким образом, как показали исследования, в рассматриваемом автоклаве схема регулирования давления на основе П-регуляторов полностью удовлетворяет своему качеству. Схема регулирования температуры устранит погрешность регулирования только при использовании ПИ-регуляторов в каналах регулирования температуры. Проанализируем эффективность системы автоматического регулирования с ПИ-регуляторами температуры по графикам имитационной модели.
Как видно из графиков, ПИ-закон управления обеспечил необходимую для технологического процесса точность регулирования температуры и отсутствие статической погрешности на всех стадиях технологического процесса стерилизации консервов. Схема регулирования давления при этом осталась без изменений.
Заключение
На основе имитационной модели в программе Simulink выбрана система автоматического управления процессом стерилизации консервов в промышленном автоклаве. В результате в качестве устройства управления предлагается двухконтурный четырехканальный регулятор температуры и давления, обеспечивающий заданные технологические параметры процесса регулирования.