Zaawansowana technika regulacji: „Odprzęganie”

-- czwartek, 01 wrzesień 2005 11:53

Jeżeli proces przemysłowy zawiera wiele parametrów regulowanych, wpływających wzajemnie na siebie, to dla lepszego funkcjonowania automatyki konieczne jest odseparowanie od siebie obwodów regulacyjnych.

Regulacja kaskadowa z wyprzedzeniem stara się odciąć regulowaną wielkość od wpływów, które mogłyby do niej wprowadzić zakłócenia. W przypadku gdy automatyzowany proces zawiera wiele regulowanych parametrów (wielkości) i rozmaite obwody wzajemnie wywierają na siebie wpływ, może stać się konieczne zastosowanie systemu wzajemnych odseparowań każdego obwodu regulacyjnego od pozostałych. Taki rodzaj rozwiązania jest określany terminem regulacji odprzęganej.

Schemat odprzęgniętego układu 

^{Rys. 1. Schemat odprzęgniętego układu automatyki ukazuje, jak regulacja natężenia przepływu jednego składnika produktu reakcji wpływa na wartość zadaną w obwodzie regulacyjnym drugiego składnika}

Regulacja odprzęgana 

Układ automatyki reaktora (został omówiony w czerwcowym numerze CE Polska), stosujący regulację kaskadową z wyprzedzeniem, próbuje oddzielić temperaturę produktu od zmian natężenia przepływu produktu oraz od zmian w zawartości składników. Niemniej pozostają wciąż dwa zasadnicze pytania dotyczące procesu w reaktorze:

• Co jest niezbędne dla obwodu regulacji składu produktu, aby nie poddawał się on wpływom zmian w natężeniu przepływu produktu?
• Co jest konieczne obwodowi regulacji natężenia przepływu produktu, aby nie ulegał wpływom zmian w proporcji składników w produkcie? Odpowiedź na te pytania jest punktem wyjścia do systemu odprzęgniętej regulacji, w którym zastosuje się dwa wskazania sformułowane poniżej:
• Jeśli dokonujemy zmiany w natężenia przepływu składnika B w celu utrzymania poprawnego stosunku składników, to system musi jednocześnie odpowiednio zmienić natężenia przepływu składnika A (aby nie zmieniać wydajności).
• Jeżeli dokonujemy korekty w natężeniu przepływu składnika A w celu utrzymania natężenia przepływu produktu w wymaganych granicach, nasz system powinien jednocześnie tak skorygować natężenia przepływu składnika B, aby utrzymać niezmieniony skład produktu (stosunek A do B).

Rysunek 1. przedstawia przykład schematu odprzęganej regulacji dla dwóch obwodów: regulacji natężenia przepływu produktu i regulacji proporcji składników w produkcie. Przy takiej konfiguracji obwodów regulacyjnych pomiar natężenia przepływu każdego ze składników dokonuje korekty w sygnale ustawiającym wartość zadaną drugiego obwodu zgodnie z opisanymi wskazaniami.

Zmodyfikowany schemat automatyki reaktora

^{Rys. 2. Ten schemat automatyki reaktora zapewnia pełne rozprzężenie wszystkich obwodów regulacyjnych od siebie}

Wdrożenie

Na rysunku 2. widzimy całkowicie odprzęgnięty pełny schemat układu automatyki procesu w reaktorze. W takim układzie każdy obwód regulacyjny jest całkowicie uwolniony od zakłóceń spowodowanych przez obwody regulujące inne parametry procesu. W związku z tym, że tylko natężenie przepływu pary nie jest zakłócane przez zmiany w natężeniu przepływu bądź w składzie produktu, to też nie ma potrzeby separowania tego obwodu od innych. Wdrożenie i wykorzystanie takiej budowy układu automatyki wymaga jednak sprecyzowania wielu zagadnień o kluczowym charakterze.

1. Zewnętrzne, zintegrowane sprzężenie zwrotne. Akcja całkująca regulatora wymaga sprzężenia zwrotnego. Można go brać od sygnału wyjściowego z regulatora i w wielu regulatorach jest to wewnętrznie zrealizowane. Takie rozwiązanie jest nawet przejrzystsze dla użytkownika. Jednak takie sprzężenie ogranicza działanie regulatora do pojedynczego obwodu. W przeciwieństwie do tego – rozwiązania techniczne o większej możliwości przetwarzania przyjmują zewnętrzny, zintegrowany sygnał sprzężenia zwrotnego do swojego algorytmu regulacyjnego PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkującego). Ten zewnętrzny zintegrowany sygnał sprzężenia zwrotnego zapewnia ochronę przed występowaniem impulsowego skoku lub rozkołysaniem sygnału sterującego z regulatora do obiektu, jaki występuje w regulacji kaskadowej i pozwala na bardziej zaawansowane prowadzenie czynności regulacyjnych, takich jak: automatyczne dostrajanie regulatora, algorytmy wyprzedzające czy odprzęgnięta regulacja. Jest przy tym oczywiste, że zewnętrzny zintegrowany sygnał sprzężenia zwrotnego musi swoją wartość utrzymywać w zakresie wartości sygnałów regulatora.

Aby uzyskać najlepszą korzyść z zewnętrznego zintegrowanego sygnału sprzężenia zwrotnego, powinien on pochodzić od niższego poziomu w układzie automatyki. W przypadku regulacji kaskadowej wartość zadana dla regulatora nadążnego (bezpośrednio sterującego np. zaworem regulacyjnym) jest sygnałem wyjściowym z regulatora nadrzędnego. Jednak dla bardziej złożonego układu automatyki zewnętrzny zintegrowany sygnał sprzężenia zwrotnego bardzo często musi być wyliczany z całego szeregu wartości. Tak też jest w systemie odprzęganej regulacji. Dla realizacji tego celu tworzona jest formuła wyliczania wartości sygnału sprzężenia zwrotnego. Dla przypadku regulacji temperatury produktu arytmetyczne zależności ilustrują rysunki 3. i 4. poprzedniego artykułu z tego cyklu. Tam też jest sformułowane równanie określające zależności między sygnałami, przy czym wiodącym sygnałem sprzężenia zwrotnego jest sygnał wyjściowy z regulatora nadrzędnego. Biorąc to równanie za podstawę, możemy obliczyć wartość zewnętrznego zintegrowanego sygnału sprzężenia zwrotnego. Będzie to wynik równania:  

T_bc = [F_s/4(F_a + F_b)] + (T_aF_a + T_bF_b)/(F_a + F_b); 
 
przy czym:
T_bc – wyliczony, zintegrowany zewnętrzny sygnał sprzężenia zwrotnego,
F_s – natężenie przepływu pary, 
F_a – natężenie przepływu składnika A,
T_a – temperatura składnika A (na wejściu do reaktora),
F_b – natężenie przepływu składnika B,
T_b – temperatura składnika B (na wejściu do reaktora).

Mamy tu do czynienia z dość skomplikowanym przypadkiem. Jego fizyczna realizacja jest pokazana na schemacie (rys. 2.), niemniej wynika z tego wyraźnie, że każdy obiekt regulacji wymaga zastosowania specjalnej dla niego struktury układu automatyki. Jednak wiele algorytmów PID  w regulatorach stwarza możliwość realizacji zarówno regulacji kaskadowej z wyprzedzeniem, jak też regulacji odprzęganej. Do takich należą: regulacja składu produktu oraz regulacja natężenia przepływu produktu. Działania arytmetyczne sumowania i mnożenia wartości sygnałów doprowadzonych do regulatora mogą być zrealizowane wewnątrz regulatora, co powoduje, że regulator dla wygenerowania zintegrowanego sygnału sprzężenia zwrotnego nie potrzebuje dodatkowych urządzeń i połączeń. Upraszcza to rozwiązanie problemu.

Autor: Lew Gordon

Linki sponsorowane

	Produkcja od A do Z w samym sercu polskiego przemysłu Zapraszamy Państwa do udziału w Kongresie Produkcji i Technologii PROTECH.
	Almanach Produkcji w Polsce Kompleksowy katalog w wersji on-online oraz drukowanej majacy na celu dostarczenie użytecznych informacji o dostawcach dla przemysłu jak i oferowanych przez nich produktach