ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: AUTOMATYKA z. 53
1980 Nr kol. 6k9
Vaoław NIEMIEC
STRUKTURA UNIWERSALNEGO UKŁADU ADAPTACYJNEJ REGULACJI PROCESÓW PRZEMYSŁOWYCH
Streszczenie. Artykuł jest przedłużeniom rofcważań zawartyoh w publikacji "Analiza układów sterowania adaptaoyJnego prooesów przemysłowych" [i]. Autor podaje w nim dalszyoh 5 przykładów (5 zawarto w [1]) rozwiązań przemysłowych układów sterowania adap
tacyjnego.
Autor zaproponował strukturę uniwersalnego układu adaptacyjne
go sterowania procesów przemysłowyoh w oparolu o udowodnione w artykule, a takie w [1] cechy obiektów determinujące konieczność ioh sterowania adaptacyjnego (zmienne wzmoonienia, zmienne stałe ozasowe, zmienne ozasy martwe).
1. Wstęp
Jak wykazano [i] w oparciu o 5 przykładowych rozwiązań układów sterowa
nia adaptaoyjnego prooesów przemysłowyoh poglądy na temat sterowania adap
taoy jnego są bardzo zróżnioowane.
Podobnie Jak duża jest różnorodność definioji pojęoia sterowania adap
tacyjnego, tak samo duża jest różnorodność struktur sterowania adaptacyj
nego (praktycznie każdy układ regulacji adaptaoyjnej prooesów przemysło
w y o h wymaga opraoowania osobnej struktury regulacji). Nie istnieje więo ogólna struktura odpowiadająoa możliwie dużej ilości przypadków rozwiązań przemysłowyoh układów sterowania adaptacyjnego. Brak Jest także w litera
turze możliwie szerokiego ujęcia oeoh obiektów sterowania,determinujących konieczność sterowania adaptacyjnego. Celem niniejszej publikaoji jest więo określenie ogólnej struktury sterowania adaptaoyJnego prooesów przemysło
w y o h oraz wykazanie, jakie oeohy obiektów określają konieozność ioh ste
rowania adaptaoyJnego (nieliniowe charakterystyki statyczne, dynamiczne, zmienne wzmoonienia, zmienne stałe ozasowe, zmienne ozasy martwe).
V tym oelu w publikaoji przedstawiono 5 dalszyoh przykładów ( 5 przykła
dów zawarto w [1] ) przemysłowych rozwiązań układów regulacji adaptacyjnej i w oparciu o te 10 przykładów rozwiązano zadania niniejszej publikacji.
2 1 6 V, Niemiec
2. Adaptao.la w przemysłowych rozwiązaniach układów regulacji
2.1. Adaptaoy.lne starowanie prooesem toczenia [2], [3]
Zgodnie z określeniom "posuw na obrót", które oznacza drogę narzędzia wzdłuż powierzchni obrabianej przez toczenie, podczas jednego obrotu de
talu, przy określonym podziało jogo obwodu za pomocą dziolnika zauważymy, źe konieczne jest wprowadzenie adaptacyjnej korekty tego "posuwu na obrót"
ponieważ:
a) struktura materiału obrabianego nie jest jednolita, b) ulegają zmianie parametry narzędzia jak:
- promień zaokrąglenia wierzchołka ostrza, - materiał ostrza,
- ostrość ostrza, - stereoraotria ostrza,
o) ulegają zmianie warunki skrawania jak:
- szybkość skrawania, - szybkość posuwu, - głębokość toczenia.
Wszystkie te czynniki mają deoydująoy wpływ na:
- gładkość powierzohni,
- utwardzenie wierzchniej warstwy, - wzrost temperatury tworzenia wióra,
•¿'pojawienie się narostu na nożu.
Z podanych względów w adaptacyjnym układzie toczenia wielkościami sterują- oymi są:
- siła toczenia P, - moc toozenia N,
- maksymalny posuw na obrót S.
Zgodnie z rys. 1 adaptaoyjny systom sterowania dołączony do klasyozne- go układu sterowania nuraeryoznego RD z interpolatorem IN zawiera ozujnik siły skrawania D 1 , zadajnik siły skrawania Z U 1 , komparator SU1 - porównu
jący faktyczną siłę skrawania z zadaną i analogiczne urządzenie dla mocy skrawania (D 2 , Z U 2 , SU2). Opróoz tego system posiada generator impulsów testująoyoh G oraz urządzenie wybierająoe I, które wypracowuje sygnał korokojl posuwu na obrót Ki. Efektywność 3ysterau regulacji adaptaoyjuej polega na podwyższeniu wydajności przy toożeniu detali poddanych uprzednia obróbce plastyoznej, oo zmienia własności materiału na różnej głębokości, Z badań wynika, że zastosowanie sterowania adaptaoyjnego pozwala od 1 ,U - 1,3 razy skróoić czas maszynowy i w związku z tym zmniejszyć ilość frzejść ostrza, Dzięki temu przepustowość stanowiska podwyższa się średnio o 20 — 30*.
Struktura uniwersalnego układu...
2.2« Adaptacyjne sterowanie elektrowni atomowoj ze względu na obciążeń [ k ]
Ciepło wyprodukowane podczas reakcji rozszczepiania w reaktorze twarza w wymienniku ciepła (kocioł na rys. 2) p a r k t ó r a poprzez
W trysk
217
zmiany
- r wy- zawór
Rys, 2. Adąptacyjne sterowanie pracą elektrowni atomowej
213 W. Niemiec
sterująoy - at napędza turbinę - t. Z turbiną parową sprzęgnięty jest me
chanicznie generator - g produkująoy moo elektryozną do sieoi.
Moo elektryczna oddawana do sieci musi być zrównoważona mocą mechaniczną wytwarzaną w turbinie, Moo moohaniozna jeat określona wielkością mooy cie
plnej otrzymanej w reaktorze atomowym.
Dla uniknięcia nierównowagi pomiędzy mooą wytworzoną (oieplną), a odda
waną (elektryozną) konieozna jest koordynacja sterowania zanurzeniem prę
tów grafitowyoh - w reaktorze oraz otwarcie zaworu - st.
Ponieważ pomiędzy reaktywnością reaktora, a pozycją prętów grafitowyoh nie ma jednoznaczności w ozasio i przestrzeni reaktora, jak również przepływ pary do turbiny odbywa się przy różnyoh oiśnieniaoh przed zaworem - st, dlatogo powiązanie obu tych elementów trzeba dobierać adaptacyjnie w za
leżności od kierunku ruchów prętów spowalniających w reaktorze i stanu pa
ry w wymienniku ciepła. Jest to typowy przykład zmian parametrów obiektu regułaaji, który sterowany jest adaptaoyjnie na podstawie przeliczeń wyko
nywanych przez maszynę cyfrową, zapowniająoyoh stan równowagi w bilansie mocy elektrowni.
2.3. Adaptacja regulacji temperatury pary świeżej w bloku energetyoz- nym [5],[6]
Pomiędzy temperaturą pary świeżej w przegrzewaozu kotła energetycznego a przepływem tej pary istnieje zależność zwana nieliniowością dynamiczną.
Obrazuje to zjawisko wykres, przedstawiający na rys. 3a zależność własno- śoi dynamioznyoh przegrzewaoza pary przy oboiążeniu 100$.
Wykres 1 oznacza przebieg temperatury pary za przegrzewaozem (Tj na r y s . . 3o) przebieg 2 - położenie zaworu wtryskowego (ZV - rys. 3o).
Na rys. 3b przedstawiano są te same zależności ale dla oboiążenia 50$.
Z rys, 3b i 3o jasno wynika, że zmiany oboiążenia wpływają na trzy podstawowe parametry przebiegu dynamioznego w przegrzewaozu pary:
- wzmocnienia, - stałe czasowe, - czasy martwe.
Z tych względów do regulacji temperatury pary świeżej, której wartość win
na być utrzymana w granioaoh 535 [°C] +_ 3l°C] należy stosować adaptacyjny układ regulacji pokazany na rys. 3, na którym oznaozono:
R 1 - regulator z adaptacją nastaw,
A N - przystawka do zmiany nastaw regulatora, - klasyozny regulator oiągły,
SV - sohładzaoz wtryskowy, PP - przetwornik pomiarowy.
Struktura uniwersalnego układu.. 219
Rys.
a )
" L
\ i
3. Przebiegi dynamiczne (a, b) oraz układ sterowania adaptaoyjnego temperatury pary świeżej w bloku energetyoznyrn (o)
220 V, Niemiec
Pom iar te m p e ra tu ry R e g u la to r
Ptaszcz reaktora
Zim na w oda
M ieszanie
D e z a d a p t a c ji
a d a p t a c j ą
O 2 0 40 6 0 8 0 100 120 C z a s reakcji |minj
Rys, <t. Układ sterowania adaptacyjnego katalityczną polimeryzacją a) oraz przebiegi dynamiozne temperatury tego procesu z adaptacją i bez adapta -
oji (b)
2.4. Adaptaoyjne sterowanie katalityczną polimeryzacją [7]
Katalityozna polimeryzacja je3t wysoce egzotermiozna tak, że stopień prz©reagowania rośnie więcej niż podwójnie, wraz ze wzrostem temperatury o każdo 10 [°C1.
—
kZbyt niska konwersja monomerów daje produkty o niedostatecznej jakości i nadmierne koszty. Zbyt wysoka konwersja monomerów daje również produkty o niedostatecznej jakości, a ponadto powoduje wtórną reakcję wybuohową.
Stąd własności produktu są wysoce zależne od temperatury reakcji oraz jej przebiegu.
Rys. 4a przedstawia układ regulacji temperatury reakcji.
V prooesie polimeryzacji materiały 3ą umieszczone w reaktorze i ogrzewane do temperatury reakoji. Po dodaniu katalizatora zaczyna się reakcja egzo
termiozna. Temperatura reakoji jest regulowana dopływem mieszaniny gorąoej i zimnej wody do płaszoza chłodząoego reaktora. Ze względu na zmianę gę
stości produktów w reaktorze i związaną z nią zmianę współozynnika przeni
kania ciepła, jak też ozasu transportu przez cały okres tworzenia się pro
duktu, obiekt regulacji zmienia swoje własności statyozne i dynamiczne.Po
woduje to konieozność zastosowania regulacji adaptacyjne, której wyniki przedstawiono na rys. 4b.
2.5. Adaptacyjne sterowanie konoentraoją gazów [8]
Rozważa się ó b i e k t , przez który przepływa mieszanina wodoru i azotu (rys. 5a).
Struktura uniwersalnego układu...________________________________________ 3E1
¡Objętość w yrów - nowŁza|
o !
~ J A n a lizał—
~ 1 tor r
Rys. 5. Adaptacyjne sterowanie konoentraoją gazów:
a - obiekt regulacji, b - przebiegu ozasu martwego i stałej czasowej ja
ko funkcji przepływu mieszaniny gazów
Płynąoa mieszanina natrafia na swej drodze na zbiornik wyrównawczy (o stałej czasowej T) i przewód rurowy (element ojpóźniający o ozasie mar
twym T^ ) podłączony do analizatora. Ze względu na to, że zarówno T jak i T są funkojami przepływu F (rys, 5b) istnieje konieczność adaptaoyjnej re- gulaoji koncentracji tyoh. gazów.
222 V # Niemiec Hegulator specjalizowany udaptuje dynamiozne nastawy klasycznego regulato
ra do aktualnego przepływu.
3* Określeni© modelu przemyslowyoh układów adaptacyjnychr - r ■ ■■ - -*■ - " ■ "
w'- t
Przedstawione w punkoie 2 przykładowe rozwiązania przemysłowych ukła
dów adaptaoyjnyoh pozwalają stwierdzić, że regulaoja adaptacyjna ma n a oe- lu poprawienie dobroci regulaoji klasycznej. Przykładowe rozwiązania poz
walają określić ogólną strukturę przemysłowyoh układów adaptaoyjnyoh (ry
sunek 6). Zgodnie z nim realizacja adaptacji przebiega w następującym po
rządku:
a) identyfikaoja (pomiar wskaźnika Jakośoi, wykrycie i określenie parame
trów dynamicznych, pomiar wartości wzmocnienia),
b) porównanie wskaźników jakości, wartości regulowanej oraz dynamiki z war—
tośoiami zadanymi (blok kryteriów porównawozyoh),
o) rozstrzyganie sposobu sterowania. Na podstawie informacji z b l o k u ’.iden
tyfikującego i sygnału z bloku "kryteria porównawcze" uzyskujemy decy
zję co do sposobu adaptaoji. V wyniku modyfikaoji regulatora otrzymuje
my poź4daną dobroć regulacji.
Rys. 6. Struktura ogólnego układu sterowania adaptaoyJnego Pa - blok aktualnyoh wielkości, Pz - blok zadanych wielkośoi procesu
Jeżeli obecnie popatrzymy na analizowane przykłady rzeozywistyoh ukła
dów przemysłowych z punktu widzenia tyoh cech obiektów regulaoji, których zmiany zmuszają nas do stosowania regulacji adaptacyjnej, to z a u ważymy,że ioh występowanie niekonieczne musi pokrywać się we wszystkich przypadkach.
Struktura uniwersalnego układa.. 223
Ilustruje to ponitana tabelai
Zmi«nno oeohy obiektu regulaojl
Wzmocnienie Stałe ozasowe Czas martwy
3.1 [1] 3.1 [1] 3.1 [1]
3.2 [1] 3.2 [1]
Q 3.3 Ii] 3.3 [1]
3.1i Ii] 3.^ [1] 3.^ [1]
W 3.5 [1] 3.5 [1] 3.5 [1]
2.1 2.1 2.2
N
Pi 2.2 2.2 2.3
Pś 2.3 2.3
2.<f Z.k
2.5 2.5
Wnioski
Wprawdzie przytoczone z literatury definioje adaptacyjnego sterowania posiadają pewne wspólne oeohy, to jednak na podstawie analizy przykłado
wy oh. prooesów przemyilowyoh, wymagająoyoh takiego sterowania wykazano, te dominującymi przyozynami wprowadzenia automatyoznego sterowania adaptaoyj- nego sąi
>
a) zmiany parametrów procesu
b) zmiany wielkości (wartośoi) sygnałów wejśoiowyoh prooesu, o) łąozne zmiany sygnałów i parametrów.
Potwimrdza to poprawność definioji sterowania adaptacyjnego proponowa
nej przez autora artykułu [i], Jak te* uniwersalność modelu strukturalne
go, przedstawionego na rys. 6.
LITERATURA
[1] Niemieo W.i Analiza układów sterowania adaptaoyjnego prooesów przemy- słowyoh. Zeszyty Naukowe Politechniki śląskiej "Automatyka". Zeszyt Nr 50.
[2] Atamanow S.A. 1 Adaptiwnoje uprawienie prooessom tokarnoJ obrabotki.
Stonki i Instrumient 5 (l975; 9-10.
[3] Kaczmarek J. ' 1 Podstawy obróbki wiórowej, śoiernej 1 erozyjnej.WNT War
szawa 1970.
[4] Hoore R . L . , Sohweppe F . : Adaptive oontrol for nuolear power plant load ohanges. Prooeedings of the IFAC June (l2 — 17) 1972.
[5] Plaokowska B . , Szkulteoki E . : Zastosowanie regulatora z adaptacją na
staw w układzie regulaojl temperatury pory świetej Energetyka 6 C1976) s . 21 7 -2 2 0.
W. Niemiec
[6] Dutko J. , Szmulevski J # : Regulator Pil) o działaniu ciągłym z adapta
cją nastaw dynamicznych. Praco IASE-28 197*1 ss, 221-227.
[?] Adams P . O . ; Schooley A . T . : Ada-prediotive oontrol for a batch roaotion Instrumentation Toobnology. January 1969.
[8] Peinke V.; Adaptiv-Steuerung dor Regle&ęinstollung mit einfachen Mit
teln - Regelungstechnik 16 1970.
[9] Weber W.:-Adaptivo Regolungssysteme t. I i II R. Oldenbourg Munohen und Wien - 197•.
yHHBEPCAJIbHAfl C T P Y K T yP A AJIAJITHBHOR CXEMH ynPABJiEHHH nPOMUUUIEHHMMH IIPOIJECCAMH
P e 3 » u e
C i a T b a A B J i a e T c a n p o n o a x e H H e M H c c a e A O B a H H f t c O A e p x a n H x c s b c T a t b e " A i t a n a a o x e n a n a n p H B H o r o y n p a B J i e B H a n p o M tim jie H H H M H n p o r t e c c a n n " [1] . A b t o p n a S T b 3T o8 , c T a T i . e fla jib H e f im t c c 5 n p H u e p o B p e m e H H a n p o M t r a i ie H B U x c x e u a j t a n T H B a o r o y n p a B j i e B H H .
A b t o p n p e A - n o x H H o T p y K T y p y y H H B e p c a a b B o t t c x e u u a n a i i T H B B o r o y n p a B J i e H H B n p o - M u m x e B B tn iH n p o i i e o c a u B H a o c a o B e n o K a a a a H H X b 3 1 0ft C T a T b e a T a k x e b [1] a e p T 0O b e K T o a o n p e a e x a io i n H X a e o B x o a h m o c t l a ^ a n T H B B o r o y n p a s j i e B H H h u h ( M e H JU o a te cA y c H a e H i i e , n o c T O A H H t ie B p e M e a n h 3a u a3n u B a H H A ) .
T H E STRUCTURE OF T H E ADAPTIVE CONTROL SYSTEM Of INDUSTRIAL .PROCESSES
S u m m a r y
The artiolo oonstitutos the extension of considerations contained in the paper [l] - "An analysis of the adaptive control systems of industrial processes". The author serves the further five of examples (five examples are oontained in [1]) of the solutions of the industrial adaptive oontrol s ystems,
Basing on the proved in the papor (an in [1] too) the obiects’ features whi c h determine the necessity of the adaptive oontrol (various gains, va
rious time-oonstants, and various time delay) the struotures of the uni
versal adaptive control system is proposed.
