Методы расчета настроек адаптивных систем управления процессов химической технологии

Актуальность темы

Одной из наиболее характерных черт современных химических производств является стремление к совершенствованию технологий, повышению производительности оборудования и увеличению единичной мощности агрегатов. Наряду с этим происходит усложнение динамики объектов управления, сказывается рост числа нестационарных и нелинейных объектов. При этом развитие современного производства сопровождается непрерывным возрастанием требований к качеству функционирования технических систем, которые необходимо учитывать на этапе разработки систем автоматического управления химико-технологическими процессами.

В последнее время все большее применение находят методы теории адаптивных систем, позволяющие разрабатывать системы управления, обеспечивающие нормальный режим функционирования химико-технологических объектов в условиях априорной неопределенности и в условиях нестационарности параметров объекта.

Применение принципа адаптации в системах управления позволит улучшить качество выпускаемой продукции, уменьшить затраты сырья и энергии, снизить требования к точности математического описания управляемых процессов, а потому упростить процесс проектирования АСУ, сократить сроки наладки и испытаний.

В настоящей диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с проектированием и расчетом локальных систем управления, построенных на базе компьютерных станций управления, а также вопросы, связанные с разработкой эффективных методов и алгоритмов их настройки. В качестве конкретного примера рассматривается подсистема управления тепловым режимом химических реакторов стадии каталитического риформинга при производстве ароматических углеводородов из прямогонной бензиновой фракции на СП «ФОБОС», г. Кременчуг.

Задача стабилизации температурного режима для данного произволства является одной из основных задач управления. Это объясняется тем, что степень превращения исходных веществ и безопасность проведения процесса имеет ярко выраженную зависимость от температуры на входе в реакторы. Решение этой задачи возлагается на локальную систему автоматического регулирования, обладающую свойством адаптивности, т. е. возможностью перенастройки в процессе функционирования. Реализация процесса оптимизации настроек на локальном уровне распределенной системы управления каталитическим риформингом позволит корректно решать задачи управления более высокого уровня. Таких, например, как расчет технико-экономических параметров, координация работы локальных систем управления, определение частоты регенерации катализатора и т. д.

Целью настоящей работы является разработка эффективных методов и алгоритмов расчета настроек адаптивных автоматических систем регулирования (АСР), пригодных для использования в распределенных автоматизированных системах управления, построенных на базе компьютерных станций управления и их реализация на примере создания локальной системы стабилизации температурного режима реакторов на стадии каталитического ри-форминга.

Методы исследования. В процессе решения поставленной задачи в работе использовались методы, разработанные в теории автоматического управления, методы математического моделирования и оптимизации.

Научная новизна. Рассмотрена методика оптимизации настроек регулятора, заключающаяся в решении трехмерной задачи оптимизации, что позволило оценить различные критерии качества переходных процессов.

Задача расчета настроек в работе сформулирована как задача векторной оптимизации. Найден наилучший способ представления векторного критерия в скалярной форме, который обеспечивает оптимальное качество функционирования АСР.

В качестве операции свертки предложено использовать взвешенную сумму критериев и показателей качества. При этом оптимизация проводилась по двум группам переменных: по вектору настроек и по весовым коэффициентам.

Алгоритм адаптивной настройки регулятора по методике В. Я. Ротача реализован в виде библиотеки наглядных блок-диаграмм с помощью инструмента SIMULINK пакета MATLAB.

Практическая значимость работы заключается в построении простой и надежной модели адаптивной АСР температурного режима в реакторах каталитического риформинга и в выборе эффективного критерия оптимизации работы этой АСР, что позволит просчитать все возможные ситуации на модели и, тем самым, избежать аварийных ситуаций на реальном объекте.

Алгоритм расчета оптимальных настроек и методика выбора эффективного критерия реализованы в виде прикладных программ в среде PASCAL и MATLAB и предлагаются в качестве программного обеспечения для локальной системы управления стабилизацией теплового режима химических реакторов каталитического риформинга прямогонных бензинов в составе Кременчугского СП «Фобос».

Апробация работы. Результаты работы апробированы на следующих конференциях:

Межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и автоматика — 96», г. Зеленоград, МИЭТ, 1996.

Межвузовская научно-техническая конференция «Моделирование в химии и химической технологии», г. Тверь, 1997.

47-ая научно-техническая конференция, посвященная 65-летию МГАХМ, г. Москва, 1997.

V-я Международная научная конференция, посвященная 85-летию со дня рождения академика В. В. Кафарова, «Методы кибернетики химико-технологических процессов», г. Казань, 1999 г.

При этом конкретное участие автора заключалось в постановке задач, проведении вычислительных экспериментов, анализе полученных результатов. Все соавторы принимали участие в постановке задач и обсуждении результатов.

Первая глава посвящена анализу технологического процесса каталитического риформинга при производстве ароматических углеводородов как объекта управления, а также постановке основных задач, возникающих при создании локальных систем управления для данного процесса.

В первом разделе приводится краткое описание технологического процесса каталитического риформинга, предназначенного для получения бензола и толуола из прямогонной бензиновой фракции 62 — 105 °C, представлена схема химических превращений, протекающих в реакторах.

Во втором разделе рассматриваются особенности данного процесса как объекта управления. Отмечаются трудности автоматизации данного процесса, обусловленные рядом причин технологического характера, приводится структурная схема процесса каталитического риформинга, протекающего в трехступенчатом каскаде реакторов.

Третий раздел посвящен описанию распределенной системы управления стадией каталитического риформинга. Здесь рассматривается двухуровневая система автоматического управления, а также функции, возлагаемые на каждый из уровней. В этом же разделе поставлена задача оптимального управления процессом каталитического рифоминга в распределенной системе управления. Кроме этого отмечается необходимость создания подсистемы стабилизации температурного режима на входе в реакторы.

В четвертом разделе приводится постановка задачи исследования и основные этапы ее решения. Здесь проведен анализ основных подходов при моделировании каталитических процессов в нефтеперерабатывающей промышленности, отмечена необходимость применения адаптивного регулирования.

Классическая теория оптимизации предполагает наличие достаточной информации о математической модели оптимизируемого объекта. Однако в силу ряда причин математические модели отличаются от реальных объектов. Кроме того, само управление в результате неидеальности элементов и устройств, реализующих его, будет отличаться от расчетного. Все это приводит к нарушению условий оптимальности, к определенным потерям при управлении конкретным объектом. В связи с этим чрезвычайно важной становится проблема оценки нечувствительности системы управления к вариациям параметров объекта и окружающей среды, то есть ее робастности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. На основе анализа процесса каталитического риформинга показана целесообразность использования для его управления распределенной системы, состоящей из двух уровней — глобального и локального.

Сформулированы основные задачи, возлагаемые на уровни глобального и локального управления с учетом ограничений, соответствующих требованиям технологического процесса.

2. Показана важность решения задачи стабилизации переменных технологического объекта управления при изменении его свойств. Среди задач, возлагаемых на локальный уровень, выделена задача расчета настроек системы стабилизации температурного режима в реакторах риформинга. Показана взаимосвязь подобных задач с задачами верхнего уровня иерархической системы управления.

3. Проведен численный анализ различных критериев. Для этого определялось количественное изменение динамической ошибки и степени затухания при вариациях постоянных времени объекта регулирования с целью оценки робастности предлагаемой системы. Показано, что наименее чувствительными к изменению свойств объекта оказались АСР, рассчитанные по интегрально-модульным критериям.

4. Задача расчета настроек в работе сформулирована как задача векторной оптимизации. Обоснован наилучший способ представления векторного критерия в скалярной форме, который обеспечивает оптимальное качество функционирования АСР. В качестве операции свертки предложено использовать взвешенную сумму критериев и показателей качества.

Важной особенностью рассмотренного подхода является то, что минимизация проводилась по двум группам переменных — по вектору настроек и по весовым коэффициентам.

5. Проведен анализ существующих подходов к процессу проектирования и настройки АСР технологических объектов. Показана их неэффективность при работе в режиме реального времени. Осуществлена постановка за.

138 дачи расчета настроек, как задачи оптимизации.

В качестве метода решения поставленной задачи предложен адаптивный алгоритм расчета настроек в замкнутом контуре системы автоматического регулирования, основанный на возбуждении автоколебаний, возникающих при включении в контур системы нелинейного элемента, впервые разработанный В. Я. Ротачем.

6. В среде MATLAB проведен вычислительный эксперимент, необходимый для построения адаптивной системы регулирования нестационарным технологическим объектом. Показана целесообразность периодической адаптации в замкнутой АСР с помощью включения в рассечку контура с неот-ключенным ПИ-регулятором нелинейного релейного регулятора.

7. Предложена реализация системы автоматического регулирования для решения задачи стабилизации теплового режима реакторов каталитического риформинга на базе микропроцессорных контроллеров DAMATROL МС512 фирмы VALMET Automation, преобразователя интерфейса RS 485/232 и персонального компьютера класса IBM PC.