Основы автоматического управления технологическими процессами нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. 408 стр. с 185 илл., 12 табл., ц. 1 р. 55 к.
Книга знакомит читателя с современными научными методами разработки автоматических систем, базирующимися на математическом моделировании. Изложены основы теории и подход к разработке систем автоматического управления. Приведены примеры исследования технологических процессов методами математического моделирования, эксперимента и статистики. Рассмотрены вопросы оптимизации технологических процессов, конструкции аппаратов и систем автоматического управления. Приведены примеры автоматизации нескольких типовых технологических процессов.
Книга рассчитана на инженеров, занимающихся проектированием, исследованием и эксплуатацией автоматизированных технологических процессов химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Она может быть полезна также студентам и аспирантам соответствующих специальностей.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В автоматизации химических и нефтеперерабатывающих производств начался качественно новый этап — переход от частичной автоматизации к комплексной. Этот этап характеризуется применением средств вычислительной техники в системах автоматического управления на химических предприятиях.
В связи с высокими темпами развития химической и нефтеперерабатывающей промышленности и значительным ростом капиталовложений на автоматизацию производств особое значение приобретает сокращение сроков и затрат на их исследование, проектирование и эксплуатацию.
Современные знания в области теоретических основ химической технологии и быстрое развитие вычислительной техники позволяют перейти к новым методам исследования и проектирования автоматических систем на^базе математического моделирования. Преимущества такого подхода очевидны. Вместо большого количества экспериментов проводится только несколько серий опытов для получения возможно более полных аналитических данных о процессе. Результаты вводятся в вычислительную машину для уточнения кинетической модели реакций (этот этап исследования выходит за пределы настоящей, книги). Затем составляются математическое описание и модель процесса и при помощи электронной вычисли^ тельной машины рассчитываются статические и динамические характеристики процесса, условия устойчивого протекания реакций, условия оптимизации и т. д.
При разработке, автоматических систем технологические аппа> раты (объекты управления) должны рассматриваться как элементы системы управления. Следовательно, при конструировании аппаратов наряду с технологическими и механическими требованиями нужно обеспечить получение удовлетворительных динамических характеристик.
Применение вычислительных машин позволяет определить лучшие типы конструкций технологических аппаратов и рассчитать оптимальные значения основных конструктивных размеров с учетом капитальных и эксплуатационных затрат, а также условий Управляемости процесса. Задачи оптимизации технологического процесса, конструкции аппаратуры и системы управления в целом
1* я
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................ 3
ГЛАВА I. Основные свойства линейных автоматических систем..... 5
Основные понятия автоматики ................ 5
Статические и динамические характеристики линейных автоматических
систем. Переходные процессы....."........... 8:
Типовые элементарные линейные звенья, структурные схемы и их преобразование..................... . 17
Основные типы элементарных звеньев............ 18
Характеристики типовых линейных звеньев.......... 19
Усилительное звено ................... 19
Звено чистого запаздывания............... 20
Апериодическое звено................. , 20
Колебательное звено.........<......... 23
Интегрирующее звено .................. 24
Дифференцирующее звено................ 25
Способы соединения детектирующих звеньев.......... 27
Последовательное соединение ............... 27
Параллельное соединение ...... . ......... 27
Смешанное соединение.................. 30
Свойства управляемых объектов............... 30
Самовыравнивание.................... 30
Емкость........................ 33
Запаздывание ..............•....... 38
Возмущающие воздействия в управляемом объекте........ 46
Управляемые величины........... . . . •..... 49
Устойчивость линейных автоматических систем и показатели качества
процесса регулирования.......-..'.'........50
Критерии устойчивости автоматических систем . ........ 51
Критерий Рауса — Гурвица................ 51
Критерий Михайлова.................. 53
Критерий Найквиста—Михайлова............. 55
Выделение рбластей устойчивости в пространстве параметров системы ........................ 55
Показатели качества процесса регулирования . . ,.....• .'.. 57
Метод распределения корней................ 58
Метод интегральных оценок.............. . 61
Частотный метод.................... 63
Характеристики автоматических регуляторов ........... 67
Статический' (пропорциональный) регулятор......... . 67
Астатический (интегральный) регулятор........... 70
Пропорционально-интегральный регулятор........... 74
Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор .... 77
Расчет настройки автоматических регуляторов .......... 78
Методы расчета настройки регуляторов............ 78
Метод минимального значения предела пропорциональности ... 79
403
;ПЯ..,„.
• •;V;^TT-'•ЩЗ^мЬюф*»кради** разгона объекта регулирования 7Q да<йфа,, <*йюваяный на решении дифференциальных уравнений опи-
•;..•'>; с^вакаденх автоиатическую систему .........' 80
; • Метод, основанный на «расширенной» амплитудно-фазовой харак
теристнке системы ................. 80
..: Выбор настройки регулятора при переменной нагрузке объекта . . . 87
=;- Корректирование настройки регулятора в процессе эксплуатации '. '. 89
FJIABA II. Автоматические системы с несколькими взаимосвязанными управляемыми величинами .. ^. ....".......... .92
!•'.•;. "Структурные схемы и уравнения объектов с взаимосвязанными упра-
;, вляемыми величинами . .................92
,' Несвязанное регулирование.................96
Автономное регулирование .....,.'..........99
"' Инвариантное регулирование .__................105
ГЛАВА HI. Основные свойства Нелинейных автоматических систем и методы их исследования . ... : . . . . ............119
Элементарные'нелинейные звенья...............119
Усилительное звено с зоной нечувствительности ... ...... 121
Усилительное звено с участками насыщения (е ограничением) . . . 124 Усилительное звено с зоной неоднозначности (застоя) . . . ... .126
Вибрационная линеаризация релейных систем ........ . . 129
.Принудительная линеаризация . ..............129
Линеаризация за счет запаздывающей обратной связи . . . . . .131
Исследование нелинейных систем в линейном приближении . . . . . 132
Метод малога параметра .................132
Метод гармонической линеаризации.............134
Метод гармонического баланса ............., . . 137
Исследование'нелинейных систем методом фазовых траекторий . . .139
Фазовые траектории и особые точки ....,.."......139
• i Особые траектории...................140
Методы исследования устойчивости и регулирования химических реакторов ......•• . ..................149
Графический метод представления уравнений химического процесса . 150 Исследование устойчивости химического процесса, описываемого нелинейными уравнениями, по фазовой картине системы......151
• Линеаризация .слабонелинейных уравнений химического процесса и
определение условий устойчивости системы . . . '.......153
Исследование состояния равновесия химических систем методам» теории колебаний.....................155
Определение границы устойчивости химического процесса на основе
теории бифуркации...............".... 155
Исследование способов регулирования реакторов с точки зрения
*iS устойчивости переходных процессов ..._.........164
ГЛАВА If. Математическое описание, расчеты и исследование технологии
ческих процессов на вычислительных машинах........... 168
Составление дифференциальных уравнений, описывающих переходные
процессы .......................lf-9
Одноемкостные системы с сосредоточенными параметрами . . . .170 Многоемкостные системы с .сосредоточенными параметрами .... 172
Системы с распределенными параметрами........... 1'"
Замена систем с распределенными параметрами эквивалентными системами с сосредоточенными параметрами...... . ... 177
Представление системы с распределенными параметрами как си-; стемы с сосредоточенными и распределенными параметрами . . . 1°?
Расчет и исследование характеристик управляемых объектов . ... 18с
Статические характеристики процесса ректификации......• Япс
Динамические характеристики процесса ректификации . . . . . .20-
404
ны* гмаимгнах .»•.'.',-......i ,.,..-.. Ь . 21
'•ч Расчет установившегося режима (статики) колоний.......21
Расчет переходных процессов (динамики) колонны.......217 -,.
Вычислительные методы, применяемые для расчета ректификационных •
колонн.....................
Метод релаксаций................•, • • 219Ь.
Методы Розенброка..............j • • • •
Высокоточные методы ..........<......
Вычислительный алгоритм, экономичный в отношении оперативкой ,
памяти машины . ..............221^.,"
Вычислительные особенности расчетов динамики ректификационных f-t$yi
колонн....... . . . . • . • . • • • ..... 222^ '
Моделирбваиие процесса ректификадии на аналоговых вычислитель- ;. ,
ных машинах..................... .224 ,|,f
ГЛАВА V. Экспериментальное определение динамических и статических ^ характеристик промышленных объектов управления ........ 233
; Экспериментальное определение динамических характеристик , . . . 234 ^
Снятие кривой разгона...... . . . г . .',••'• • • . '• 235 л
Снятие частотных характеристик . . . . . . . . . . . . . . 238 '
Расчет амплитудно^азовой характеристики и составление дифференциального уравнения системы на основании динамических характери- 4_ • «стик, определенных опытным путем . ; .... . . . . . . . 242 f"~
'••••• Определение амплитудно-фазовой характеристики по кривой разгона 242 <>, -
Определение амплитудно-фазовой характеристики Объектов по графику периодических колебаний............... 247
Определение уравнения и амплитудно-фазовой характеристики объ- ,
ектов по их кривым разгона...............248 ,'
Экспериментальное определение статических характеристик.....252 ;
Применение статистических методов для определения динамических и *' статических характеристик промышленных объектов управления . . 256 '" Наиболее распространенные числовые характеристики вероятностного *
процесса ............. .......... 25$
Определение импульсной переходной функции объекта (или системы) - t
с одним входом ..... ............... 261
Определение динамических характеристик' объектов, охваченных обратной связью .....................264 ч»,
Моделирование при статистических исследованиях объектов управле- ' ?
ния.........................265
Экспериментальное исследование промышленных объектов управления статистическими методами ................ 266 '
.' Выбор контролируемых параметров и структурный анализ объекта
исследования....................' . 268
Определение необходимой продолжительности эксперимента . . . 269 • Выбор интервала квантования по времени случайного процесса . . 270
Центрирование реализаций . ............. Ч •. . . 271
ГЛАВА VI. Автоматическая оптимизация технологических процессов . . . 282 Экономическая эффективность и целесообразная степень авгешщгвзации 282 Постановка задачи оптимизации производства .......... 286
Исследование процесса при помощи вычислительной машины . . . . 294
Оптимизация конструктивных и режимных параметров управляемых
объектов . . ............... ... . .' . . 300 ,
, Автоматическая оптимизация статического режима работы управляемых
объектов........................310
Результаты моделирования............-. , . 318 '|
Упрощенный алгоритм поиска оптимального управления ректификацион- '
ной колонной..................... 330
Управляющие устройства с автоматическим поиском экстремума целевой функции...............,......335 '
405
Регуляторы с автоматическим поиском по производным......336
Регуляторы с запоминанием экстремума ........ . . .339
Экстремальные регуляторы с эпизодическим пробным движением . . 342
Экстремальные регуляторы непрерывного действия.......343
Автоматические оптимизаторы многоканальные.........345
Оптимизатор глобальный.................349
Оптимизация технологических процессов при помощи управляющих вычислительных машин . . . . •...............351
Управление в режиме «советчика».............. 354
Каскадное управление .................. 355
Прямое цифровое управление................359
Принципы управления цехом, производством и комбинатом как сложной системой....................... 363
ГЛАВА VII. Примеры схем локальных систем автоматического управления 366
Схемы автоматизации процесса ректификации.......... 366
Схемы стабилизации процесса по отклонению регулируемых величин 367
Комбинированные схемы стабилизации процесса ректификации . . . 376
Система оптимального управления процессом ректификации .... 381
Схемы автоматизации процесса полимеризации этилена в реакторе с
перемешивающим устройством............... 384
Схема автоматического управления установкой термического крекинга
углеводородов..................... 389
Литература......................... 395
Цена: 300руб.
