Bakošová, M., Fikar, M., Čirka, Ľ.: Základy automatizácie. Laboratórne cvičenia zo základov automatizácie. STU, Bratislava 2003. Kap. 10: experimentálne metódy syntézy regulátora.
prednášky
Forma cvičenia: samostatná práca
Cieľ cvičenia: navrhnúť riadenie chemického reaktora s významnou merateľnou poruchou
Opis reaktora:
Chemický reaktor, ktorý treba riadiť, je prietokový chemický reaktor s dokonalým miešaním reakčnej zmesi.
Prebiehajú v ňom dve paralelné exotermické reakcie 1. poriadku typu: z východiskovej látky A vzniká pri optimálnej teplote
produkt B, ale pri teplote vyššej než je optimálna teplota vzniká z východiskovej látky A nežiadúci produkt C.
Aby neprebiehala konkurenčná paralelná reakcia, treba v reaktore zabezpečiť dosiahnutie optimálnej teploty.
Riadená veličina je teda teplota reakčnej zmesi J a riadiaca veličina je prietok chladiaceho média qc.
Merateľná porucha, ktorá sa vyskytuje na vstupe do reaktora, je meniaca sa teplota Jv vstupného prúdu reakčnej zmesi do reaktora.
Táto teplota sa v čase t0=100min zmení z hodnoty Jvs=328K na teplotu
Jv=333K.
Hodnoty veličín:
hodnoty riadiacej veličiny qc a stavových veličín na začiatku sú:
prietok chladiaceho média: qcs= 0,004 m3min-1;
koncentrácia látky A: cAs= 0,49 kmol m-3;
koncentrácia látky B: cBs = 2,00 kmol m-3;
koncentrácia látky C: cCs= 1,72 kmol m-3;
teplota reakčnej zmesi: Js = 363,61 K;
teplota chladiaceho média v plášti reaktora: Jcs = 350,15 K.
Žiadaná veličina a presnosť riadenia: pri riadení predpokladajte, že žiadaná optimálna hodnota teploty reakčnej zmesi v reaktore je 359K.
Pri tejto teplote sa získa maximálne množstvo produktu B. Teplotu treba riadiť s presnosťou na 1K.
Úlohy:
Presvedčite sa, ako vplýva opísaná porucha v teplote vstupného prúdu reakčnej zmesi do reaktora Jv pri konštantnom prietoku chladiaceho média qcs na teplotu reakčnej zmesi vo vnútri reaktora J. Použite program reakpmsm.
Použite na riadenie reaktora jednoduchý spätnoväzbový obvod riadenia (JSOR). Na 6. cvičení ste navrhli regulátor pre riadenie tohto chemického reaktora, ktorý ste použili v JSOR, keď sa v reaktore nevyskytovala porucha v teplote vstupného prúdu reakčnej zmesi. Overte ako bude tento JSOR s navrhnutým regulátorom fungovať v prípade výskytu poruchy v teplote vstupného prúdu reakčnej zmesi do reaktora. Použite program rpmjsor. Vyhodnoťte maximálne preregulovanie po výskyte poruchy.
Grafické výsledky simulácie uložte.
Použite na riadenie reaktora rozvetvený spätnoväzbový obvod riadenia (RSOR) s doprednou kompenzáciou poruchy. Riešenie robte v nasledovných krokoch.
Ako hlavný regulátor použite ten istý regulátor, ako ste použili na riadenie v JSOR.
Urobte syntézu pomocného regulátora, ktorý bude schopný kompenzovať akčný zásah hlavného regulátora podľa výskytu poruchy. Kvôli syntéze pomocného regulátora (dopredného kompenzátora):
Identifikovaný prenos porovnajte s pôvodným modelom pomocou ich odozvy na skokovú zmenu teploty vstupného prúdu reakčnej zmesi do reaktora. Táto teplota sa v čase t0=100min zmení skokom z pôvodnej hodnoty Jvs=328K na hodnotu Jv= 333K (program rpornpsm).
Ak je identifikovaný prenos dobrý, navrhnite pomocou neho regulátor na kompenzovanie poruchy pomocou vzťahu odvodeného na prednáške. Prenos poruchy ste zidentifikovali v predošlej úlohe. Prenos reaktora ste identifikovali na 6. cvičení. Použite prenos, kde ste reaktor identifikovali ako systém 1. rádu s dopravným oneskorením. Pre prenos meracieho člena predpokladajte, že je rovný 1. (Teoreticky vypočítaný regulátor pre doprednú kompenzáciu poruchy však môže byť fyzikálne nerealizovateľný systém, a to v prípade, že bol reaktor identifikovaný ako systém vyššieho rádu s dopravným oneskorením. Vtedy stupeň čitateľa prenosu regulátora je vyšší ako stupeň menovateľa prenosu regulátora.)
Ak je prenos vypočítaného dopredného regulátora fyzikálne realizovateľný, tak urobte ďalší bod zadania. V prípade, že vypočítaný prenos regulátora je fyzikálne nerealizovateľný, urobte nasledovné zjednodušenie (kvôli fyzikálnej realizovateľnosti). V prenose pomocného regulátora zanedbajte všetky členy, ktoré obsahujú argument Laplaceovej transformácie s, t.j. ponechajte aj v čitateli aj v menovateli len posledný člen príslušných polynómov, t.j. konštanty. Tým sa pomocný regulátor stane len P regulátorom s príslušným zosilnením.
Odsimulujte riadenie reaktora s merateľnou poruchou pomocou rozvetveného spätnoväzbového obvodu riadenia (RSOR) s doprednou kompenzáciou poruchy. Použite program reakprsm. Vyhodnoťte maximálne preregulovanie po výskyte poruchy.
Grafické výsledky simulácie uložte.
Z cvičenia vypracujte protokol.
V závere zhodnoťte použitie JSOR a RSOR s kompenzáciou poruchy pri riadení chemického reaktora s merateľnou poruchou.
Nové súbory k cvičeniu (6 súborov):