Kaskádová regulácia chemického reaktora - 1. časť

• 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 poruchou na vstupe

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 q_c.
Porucha, ktorá sa vyskytuje na vstupe do reaktora, je meniaca sa teplota J_cv vstupného prúdu chladiaceho média, ktorý vstupuje do plášťa reaktora . Táto teplota je najprv 298K, v čase 100min sa J_cv zmení na hodnotu 328K a v čase 200min opäť poklesne, ale až na teplotu 293K.
Hodnoty riadiacej veličiny q_c a stavových veličín na začiatku sú:
prietok chladiaceho média: q_c^s= 0,004 m³min^-1;
koncentrácia látky A: c_A^s= 0,49 kmol m^-3;
koncentrácia látky B: c_B^s = 2,00 kmol m^-3;
koncentrácia látky C: c_C^s= 1,72 kmol m^-3;
teplota reakčnej zmesi: J^s = 363,61 K;
teplota chladiaceho média v plášti reaktora: J_c^s = 350,15 K.
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:

1. Presvedčite sa, ako vplýva opísaná porucha v teplote vstupného prúdu chladiaceho média J_cv pri konštantnom prietoku chladiaceho média q_c^s na teplotu v plášti J_c a teplotu reakčnej zmesi J v reaktore. Použite program reakpor.

2. Použite na riadenie reaktora jednoduchý spätnoväzbový obvod riadenia (JSOR). Pre riadenie tohto chemického reaktora ste už navrhli regulátor, ktorý ste použili v JSOR, keď sa v reaktore nevyskytovala porucha v teplote vstupného prúdu chladiacej kvapaliny do plášťa. Overte ako bude tento JSOR s navrhnutým regulátorom fungovať v prípade výskytu poruchy v teplote vstupného prúdu chladiacej kvapaliny do plášťa. Použite program reakjsor.

3. Grafické výsledky simulácie uložte.

4. Použite na riadenie reaktora rozvetvený spätnoväzbový obvod riadenia (RSOR) s pomocnou riadenou veličinou - kaskádovú reguláciu. Riešenie robte v nasledovných krokoch.

5. Urobte syntézu pomocného regulátora. Kvôli syntéze pomocného regulátora:

   • Identifikujte prenos, ktorý opisuje vplyv prietoku chladiaceho média q_c na teplotu v plášti reaktora J_c. Pre identifikáciu náhradného prenosu reaktora simulujte prechodovú charakteristiku (program reqcsm) tak, že q_c sa v čase t0=10min zmení skokom z pôvodnej hodnoty q_c^s=0,004 m³min^-1 na hodnotu q_c = 0,01m³min^-1.

   • Identifikovaný prenos porovnajte s pôvodným modelom pomocou ich odozvy na skokovú zmenu prietoku chladiaceho média z pôvodnej hodnoty q_c^s=0,004 m³min^-1 na hodnotu q_c = 0,01³min^-1(program reqcnpsm).

   • Ak je identifikovaný prenos dobrý, navrhnite pomocou neho známymi metódami pomocný regulátor ako P regulátor. Zo všetkých P regulátorov vyberte ten, ktotý má najväčšie zosilnenie.

   Nové súbory k cvičeniu (7 súborov):

   reka.m

   reakp.m

   reqc.m

   reakpor.mdl

   reakjsor.mdl

   reqcsm.mdl

   reqcnpsm.mdl