На производстве используются одноконтурные системы управления, которые обеспечивают стабилизацию регулируемой величины и обработку простейших типов воздействий. Но одноконтурная система регулирования температуры в адсорбере обладает низким качеством и большим запаздыванием, поэтому необходимо рассматривать многоконтурные системы регулирования. В данной статье рассматривается усложнение структуры системы управления с использованием регуляторов П, ПИ, ПИД.

В настоящее время с развитием микропроцессорных систем управления, с применением программируемых логических контроллеров (ПЛК), появилась возможность организовывать гибкое управление объектом, что, в свою очередь, позволяет реализовывать сложные законы управления на базе сложных многоконтурных систем.

Важно поддержание следующих показателей эффективности: температуры внутри адсорбера, производительности адсорбера, материальных затрат на процесс. Вывод об эффективности системы управления формулируется на основании значения среднеквадратичного критерия качества (1).

 ,                                           (1)

где  – установившееся значение выходной величины,  – значение выходной величины в текущий момент времени,  – время регулирования [1.].

При разработке системы рассматривается контур управления температурой в адсорбере. Основным возмущением в процессе является расход подаваемой ПВС, который необходимо стабилизировать.

В первую очередь рассматривается возможность поддержания на уровне заданного значения основного показателя эффективности. Существуют методы изменения параметров, которые оказывают влияние на основной показатель эффективности. Выбирается линия подачи ПВС, т.к. изменение расхода ПВС, подаваемой в адсорбер, непосредственно влияет на температуру в адсорбере.

Выбирается простейшая одноконтурная система регулирования температуры в адсорбере путем изменения степени открытия проходного сечения клапана на линии подачи ПВС  (Рисунок 1).

Рисунок 1. Функциональная схема регулирования температуры в адсорбере путем изменения расхода подаваемой ПВС

Если в процессе эксплуатации происходит изменение температуры в адсорбере, то необходимо проверить расход подаваемой ПВС и отрегулировать его величину.

В программном средстве MATLAB Simulink версии R2011b моделируется процесс [2.]. И находится минимальное значение среднеквадратичного критерия качества при оптимальных настроечных параметрах регуляторов (Таблица 1).

Таблица 1 – Значения среднеквадратичного критерия качества с применением П, ПИ, ПИД регуляторов в одноконтурной САУ

При исследовании одноконтурной САУ при оптимальных настроечных параметрах П-регулятора (Рисунок 2) значение среднеквадратичного критерия качества оказалось высоким, что не отвечает требованиям эффективности, поэтому были построены системы управления с ПИ и ПИД-регуляторами (Рисунок 4, 6), наиболее эффективной из которых является САУ с ПИД-регулятором.

Рисунок 2. Одноконтурная система с П-регулятором

Рисунок 3. График переходного процесса одноконтурной системы управления с П-регулятором

Рисунок 4. Одноконтурная система с ПИ-регулятором

Рисунок 5. График переходного процесса одноконтурной системы управления с ПИ-регулятором

Рисунок 6. Одноконтурная система с ПИД-регулятором

Рисунок 7. График переходного процесса одноконтурной системы управления с ПИД-регулятором

Далее исследуются показатели двухконтурной каскадной системы: регулирование расхода подаваемой ПВС на входе в адсорбер по температуре в адсорбере. При этом обеспечивается поддержание основного показателя эффективности (температуры в адсорбере) на заданном уровне 40 °С. В такой системе внутренний контур регулирования обеспечивает стабилизацию расхода ПВС, устраняя тем самым основное из возмущений, а регулятор внешнего контура поддерживает температуру на заданном значении (Рисунок 8).

Рисунок 8. Функциональная схема двухконтурной каскадной системы

В результате проведенного анализа эффективности двухконтурной каскадной системы с использованием П, ПИ, ПИД регуляторов наиболее качественной является система автоматического управления с ПИД регулятором (Таблица 2).

Таблица 2 – Значения среднеквадратичного критерия качества с применением П, ПИ, ПИД регуляторов в двухконтурной каскадной САУ

В программном средстве MATLAB Simulink версии R2011b моделируется процесс и находится минимальное значение среднеквадратичного критерия качества при оптимальных настроечных параметрах регуляторов [2.].

Рисунок 9. Схема двухконтурной каскадной системы управления с соотношением регуляторов П-П

Рисунок 10. График переходного процесса двухконтурной каскадной системы управления с соотношением регуляторов П-П

Рисунок 11. Схема двухконтурной каскадной системы управления с соотношением регуляторов П-ПИ

Рисунок 12. График переходного процесса двухконтурной каскадной системы управления с соотношением регуляторов П-ПИ

Рисунок 13. Схема двухконтурной каскадной системы управления с соотношением регуляторов П-ПИД

Рисунок 14. График переходного процесса двухконтурной каскадной системы управления с соотношением регуляторов П-ПИД

При исследовании двухконтурной каскадной САУ при оптимальных настроечных параметрах ПИД-регулятора значение среднеквадратичного критерия качества оказалось минимальным, что отвечает требованиям эффективности [1.].

По результатам моделирования исследованных систем управления можно сделать вывод, что более эффективной является двухконтурная каскадная система: регулирование расхода подаваемой ПВС на входе в адсорбер по температуре в адсорбере. Минимального значения среднеквадратичный критерий достигает при значениях настроечных коэффициентов соотношения регуляторов в контурах управления П-ПИД.

Для оценки качества переходных процессов определяется прямой показатель качества – длительность переходного процесса (время регулирования) (Таблица 3). Теоретически переходный процесс длится бесконечно долго, однако практически считается, что он заканчивается, как только отклонения регулируемой величины от нового ее установившегося значения не будут превышать допустимых пределов ∆. Обычно принимают ε от h_уст. Временем регулирования характеризуют быстродействие системы.

Таблица 3 – Время регулирования переходных процессов

Таким образом, на основании проведенного исследования, эффективность двухконтурной каскадной системы с ПИД регулятором подтверждается, поскольку время регулирования системы составляет 6,9 минут с момента приложения ступенчатого входного воздействия.

Данное исследование может быть использовано в качестве лабораторной работы при изучении дисциплин «Автоматизированные системы управления», «Автоматизация технологических процессов и производств» для студентов технических ВУЗ(ов).