Тотьменинов М.Е. Информационно-технологические схемы и модели технологических установок и процессов
Подождите немного. Документ загружается.
Основным элементом этой схемы является блок суммирования, выходной
сигнал которого формируется в результате операции алгебраического суммирования
всех входных сигналов. Этот элемент является одним из основных смысловых по
знаку элементов в операционных схемах при преобразованиях потоков информации.
В схемах на рисунке 30 и 32 в блоках суммирования отмечены знаки, в
соответствии с которыми внешние воздействия X
ij
изменяют (увеличивают или
уменьшают) величину
L. Пусть, в частности, величины P
1
и P
3
на рисунке 32 не
изменяются.
L
k
B1
Внешняя среда
К
11
К
12
P
1
P
3
k
B2
Технологический объект
К
1,В1
Свободные переменные
F
1
P
2
F
2
РУЧНОЕ ИЛИ АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Рис.31. Схема взаимодействия технологического процесса
с внешней средой и с внешней системой управления
ЦЕПЬ
ОБРАТНОЙ
СВЯЗИ
ЦЕПЬ
ОБРАТНОЙ
СВЯЗИ
k
B2
L
P
1
P
3
Другие воздействия
_
К
11
К
12
K
1,B2
+
_
+
В
Н
Е
Ш
Н
Я
Я
КАНАЛЫ
ВНЕШНИХ
ВОЗМУЩЕНИЙ
С
Р
Е
Д
А
Рис.32 Схема формирования внутренних воздействий на L
от возмущений внешней среды
k
B1
+ +
К
1,В1
Технологический объект
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
В
Н
Е
Ш
Н
Я
Я
С
Р
Е
Д
А
КОНТУР
УПРАВЛЕ-
НИЯ
51
Тогда при увеличении потребителем выходного расхода F
2
(за счет внешнего
изменения потребителем коэффициента пропускной способности вентиля 2 k
B2
)
наблюдаемое уменьшение уровня жидкости в емкости может быть устранено путем
увеличения коэффициента пропускной способности k
B1
вентиля 1. Эта стабилизация
уровня L в емкости за счет k
B1
известна как обычное ручное управление,
формирующее увеличение входного расхода F
1
.
Подобным же образом изменением коэффициента пропускной способности
вентиля 1 k
B1
устраняется действие всех остальных внешних возмущений на
величину L, которые проявляются случайно по своим каналам K
ij
передачи
возмущений.
На основании изложенного выше с принятыми требованиями эксплуатации
формируется два основных вывода для разработки системы управления объектом:
координата L(t) есть УПРАВЛЯЕМАЯ координата, подлежащая стабилизации,
стабилизация L достигается путем изменения РЕГУЛИРУЮЩЕЙ координаты
k
B1
(t).
В производстве вместо понятия коэффициента пропускной способности k
B1
вентиля 1 часто используется другое понятие – «% хода регулирующего органа». Эта
характеристика соответствует нормированной на 100% оценке перемещения
запорных элементов любых регулирующих органов (например, вентиля). Между
этими терминами в диапазоне режима нормальной эксплуатации чаще всего имеется
обычное линейное (пропорциональное) соответствие:
«% хода РО» = K
PO
k
B1
(t), (25)
где K
PO
соответствует коэффициенту передачи вентиля согласно его конкретных
технологических паспортных данных.
13.6. Операционная модель установки
Операционная модель установки, на базе которой может быть составлена
программа расчета её поведения в статике и динамике, следует из блочной модели
преобразования информационных потоков для физических (тепло-газо-
гидравлических) процессов в емкости с газовой полостью (рисунок 27). При
разработке этой модели рассматриваются процессы преобразования информации в
каждом из физических блоков установки и, отвлекаясь от их физической сути,
переходят на нижний уровень преобразования информации в них. Результатом
является схема, представленная на рисунке 33.
С чисто внешней стороны отличие между блочной физической моделью и
операционной моделью заключается в детализации путей преобразования
информации. Так на схеме проявлены два пути в общей цепи обратной связи по P
2
при изменении L. Такая детализация всех путей становится важной не только для
осмысления физики процесса, но и для выявления набора всех контуров обратных
связей с целью проведения соответствующих расчетов для выбранного канала
технологической связи k
IJ
на базе общего графа установки по рисунку 33.
Схема на рисунке 33 имеет достаточно усложненный вид. Эта схема может быть
приведена к более простой форме, если использовать обозначения и принципы для
52
представления рисунков в форме стандартных графов (раздел 10) с четким
выделением путей и замкнутых контуров.
Как уже отмечалось: для вычисления требуемых по технологии коэффициентов
связи k
IJ
от выбранного i внешнего воздействия (источника, управляющего
воздействия) до требуемой j выходной координаты (стока) при выявленных путях
преобразования информации можно не проводить вычисления набора всех частных
k
IJ
всей установки, т.е. для i = 1,2,…m и j = 1,2, …6. Все требуемые вычисления
достаточно проводить для полученного графа установки только для требуемого
пути преобразования информации T
IJ
от управляющей координаты до управляемой
– т.е. до технологического показателя эффективности установки. Вычисление этой
передачи Т проводится согласно уравнений (7, 8, 9) для произвольного графа.
Можно отметить, что форма представления передачи Т (для большинства
практических применений) имеет вид операторной алгебраической зависимости.
Поэтому передача Т в этой форме учитывает динамику процессов канала. На базе
вычисления математического вида передачи Т затем могут быть проведены
расчетные вычисления статических коэффициентов передачи и соответствующие
модельные имитационные (машинные) эксперименты. Из полученных результатов
имитационных экспериментов, имеющих в общем случае нелинейный характер,
Выходная
переменная
Газовая
полость
k
B1
k
B2
RM
T
P
0
V
Г
S
V
0
+
L S
Рис.33 Операционная модель (схема) для емкости с газовой полостью
+
P
0
P
2
L
F
2
F
1
S
dL/dt
L-
+
F
1
- F
2
S
1
- P
3
P
1
- P
2
P
1
P
2
+
+
P
3
-1
P
2
- P
3
- P
2
P
2
-1
+
+
k
B1
32
PP
k
B2
+
S
V
1
MRT
Физические и конструктивные параметры настройки
Входные
переменные
Цепи
обратной
связи
Конструктивный параметр
ТЕХНОЛО-
ГИЧЕСКАЯ
УСТАНОВКА
53
могут быть вычислены коэффициенты регрессионных уравнений – т.е. из них могут
быть определены требуемые числовые значения k
IJ,
которые
соответствуют
заданной рабочей точке ведения процесса в режиме нормальной эксплуатации
установки. Эти значения являются основой дальнейшей автоматизации установки.
Безусловно, что полные исследования поведения установки включают и
экспериментальные исследования её регрессионных уравнений (22 - 24) на реальной
конструкции. Эти исследования, использующие тот же принцип «черного ящика» и
определяющие те же числовые значения k
IJ
установки согласно (22 - 24), являются
исследованиями адекватности модельного приближения и исходной реальности.
13.7. Статическая и динамическая характеристики установки.
При выявленных переменных – состояния L и управления % хода РО -
статическая характеристика «емкости с полостью» будет иметь вид статической
характеристики (рисунок 34) для интегрирующего звена (элемента, системы).
Интегрирующий характер процессов следует из физической сущности накопления
вещества в емкости и его расходом, что отражается уравнением материального
баланса для этого объекта:
L =
[dL/dt] dt =
[
)(
21
1
FF
S
] dt=
[
n
S
1
] dt, (26)
где n = (F
1
- F
2
) соответствует разности потоков между стационарным приходом и
стационарным расходом жидкости. В случае, когда F
2
= 0, n > 0 и из-за
ограниченного объема емкости, статическая характеристика этого объекта будет
иметь вид ограниченных отрезков, параллельных оси L, при любых значениях «%
хода РО», отличных от 0.
Безусловно, что скорость и время достижения жидкостью своего верхнего
значения уровня будет различным. Чем больше «% хода РО», тем больше скорость и
требуется меньшее время для достижения верхнего значения.
Для исследования динамики этого объекта его поведение оценивается на базе
принципов и результатов математического моделирования. Моделирование
проводится согласно исходной (полной) системы уравнений (10 – 15) с учетом
уравнения накопления (26). Общий вид качественной динамики накопления уровня
представлен на рисунках 35 и 36.
На рисунке 35 приведена качественная динамика накопления жидкости L(t) при
разных n = (F
1
- F
2
), когда n > 0, и динамика достижения верхнего значения L
Ж
,
100
% хРО
n
% хРО
1
0
«% хода РО»
Предельное значение L
L
Размер газовой
полости
Рис.34 Статическая характеристика емкости с газовой полостью.
54
обусловленного наличием газа. Рисунок отражает отличие качественных характеров
накопления жидкости при различных
F = (F
1
- F
2
), когда F
1
> F
2
.
Величина
F определяет различный наклон графиков и соответственно
определяет разные периоды времени для достижения предельного уровня L
Ж.
В свою очередь, на рисунке 36 приведена динамика L(t) при различных n:
когда [n = (F
1
- F
2
)] > 0,
когда после достижения некоторого заданного уровня L
ЗД
, реализуется n = 0
когда после достижения некоторого заданного уровня L
ЗД
, реализуется n < 0.
В моменты времени t
1
, t
2
за счет изменения F
2
происходит смена неравенств от
формы F
1
> F
2
к форме F
1
< F
2
и переход от процесса накопления жидкости в емкости
на процесс её опорожнения.
На рисунке также отражается и переход от условия F
1
> F
2
к условию F
1
= F
2
в
момент времени t
2
. В этот момент достигается условие стабилизации уровня – L
Ж
=
const - т.е. возникает некоторый (ручной или автоматический) режим нормальной
эксплуатации объекта. В моменты времени t
3
ручной режим нарушается в результате
действия некоторого внешнего возмущения (так, например, за счет увеличения
потребителем расхода для своих нужд), происходит увеличение F
2
и возникает
дестабилизация режима нормальной эксплуатации L
Ж
= const. Для восстановления
режима требуются действия оператора или системы автоматического регулирования.
t
2
t
3
t
1
Область
F
1
< F
2
Заданный
уровень L
ЗД
стабилизации
L
ЗД
Рис.36. Динамические характеристики емкости с газовой полостью
при различных n, где n
1
< n
2
< n
3
, а n = (F
1
- F
2
)]
t
Предельное значение L
Размер газовой полости
0
L
F
1
= F
2
F
1
> F
2
n
1
n
2
n
3
0
t
1
1
t
2
L
>>
Рис.35. Динамические характеристики емкости при разных [n = (F
1
- F
2
)] > 0
t
Конструктивное значение L
Размер
газовой
полости
n
1
n
2
n
3
Предельный
уровень
жидкости L
Ж
55
Литература
1. Дж. ван Гиг. Прикладная Общая теория систем. Том 1, 2. - М.: Мир. 1985.-
733с.
2. М. Сингх. Системы: декомпозиция, оптимизация, управление. - М.:
Машиностроение, 1986.- 496с.
3. Р. Шеннон. Имитационное моделирование систем – искусство и наука. - М.:
Мир. 1978.- 418с.
4. Р. Френкс. Математическое моделирование в химической технологии. - М.:
Химия. 1971.- 272с.
5. С. Мэзон, Г. Циммерман. Электронные цепи, сигналы, системы. - М.: ИЛ.
1963.- 620с.
6. Дж. Касти. Большие системы. Связность, сложность и катастрофы. - М.: Мир.
1982.- 216с.
7. Г. Крон. Тензорный анализ сетей. - М.: Советское радио. 1978.- 720с.
8. Г. Л. Смилянский и др. Справочник проектировщика АСУ ТП. - М.:
Машиностроение, 1983.- 527с.
9. В. М. Лебедев. Ядерный топливный цикл. Учебное пособие. - М.:
ЦНИИатоминформ. 1977.- 98с.
10. В.В. Шувалов, В.А. Голубятников. Автоматизация производственных
процессов в химической промышленности. . - М.: Химия. 1991.- 480с.
11. Тотьменинов М.Е. «Исследование методов и разработка аппаратуры для
изучения пространственных динамических характеристик ядерного реактора с
целью синтеза системы выравнивания распределения нейтронного потока».
Диссертация. – Томск, ТПУ, 1971.- 247с.
12. Тотьменинов М.Е. «Эволюция образовательного пространства на базе
положений непрерывной логики». Труды Международной Научно-
Практической Конференции. Том 1. – Томск, ТПУ, 1996.- 28-32с.
_______________________________________________________________________
Марк Евгеньевич Тотьменинов
ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ и
МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ПРОЦЕССОВ
Учебно-методическое пособие
Подписано к печати 11.01. 2000
Формат 60x84/16. Бумага офсетная.
Плоская печать. Усл.печ.л. 3,02. Уч.-изд.л. 2,74.
Тираж 150 экз. Заказ . Цена свободная.
ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ N1 от 18.07.94
Ротапринт ТПУ. 634034, Томск, пр. Ленина, 30.
56
Конец пособия с 52 страницами без “Приложения” и с
аннотацией по Госту.
57
Литература
13.Дж. ван Гиг. Прикладная Общая теория систем. Том 1, 2. - М.: Мир. 1985.-
733с.
14.М. Сингх. Системы: декомпозиция, оптимизация, управление. - М.:
Машиностроение, 1986.- 496с.
15.Р. Шеннон. Имитационное моделирование систем – искусство и наука. - М.:
Мир. 1978.- 418с.
16.Р. Френкс. Математическое моделирование в химической технологии. - М.:
Химия. 1971.- 272с.
17.С. Мэзон, Г. Циммерман. Электронные цепи, сигналы, системы. - М.: ИЛ.
1963.- 620с.
18.Дж. Касти. Большие системы. Связность, сложность и катастрофы. - М.: Мир.
1982.- 216с.
19.Г. Крон. Тензорный анализ сетей. - М.: Советское радио. 1978.- 720с.
20.Г. Л. Смилянский и др. Справочник проектировщика АСУ ТП. - М.:
Машиностроение, 1983.- 527с.
21.В. М. Лебедев. Ядерный топливный цикл. Учебное пособие. - М.:
ЦНИИатоминформ. 1977.- 98с.
22. В.В. Шувалов, В.А. Голубятников. Автоматизация производственных
процессов в химической промышленности. . - М.: Химия. 1991.- 480с.
23. Тотьменинов М.Е. «Исследование методов и разработка аппаратуры для
изучения пространственных динамических характеристик ядерного реактора с
целью синтеза системы выравнивания распределения нейтронного потока».
Диссертация. – Томск, ТПУ, 1971.- 247с.
24. Тотьменинов М.Е. «Эволюция образовательного пространства на базе
положений непрерывной логики». Труды Международной Научно-
Практической Конференции. Том 1. – Томск, ТПУ, 1996.- 28-32с.
_______________________________________________________________________
Марк Евгеньевич Тотьменинов
ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ и
МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ПРОЦЕССОВ
Учебно-методическое пособие
Подписано к печати 11.01. 2000
Формат 60x84/16. Бумага офсетная.
Плоская печать. Усл.печ.л. 3,03. Уч.-изд.л. 2,79. ДЛЯ 53 СТР. С ПРИЛОЖЕН.
Тираж 150 экз. Заказ . Цена свободная.
ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ N1 от 18.07.94
Ротапринт ТПУ. 634034, Томск, пр. Ленина, 30.
58
Министерство образования Российской Федерации
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
_______________________________________________________________
Тотьменинов М.Е.
ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
СХЕМЫ и МОДЕЛИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК и ПРОЦЕССОВ
Учебное пособие
Томск 2000
59
УДК 621.039.587
Тотьменинов М.Е. Информационно-технологические схемы и
модели технологических установок и процессов. Учебно-
методическое пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2000 – 53с.: ил. 38.
В теоретической части пособия представлен метод последовательной
разработки ряда уровней «Информационно-технологических схем и моделей
технологических установок и процессов» в пространстве моделей. Метод
включает: анализ и декомпозицию конструкции установки, разработку её
информационно-технологических и операционных схем и моделей, выявление
адекватности моделей, представление завершающей регрессионной
(математической) модели и числовых значений её коэффициентов для задач
управления установкой в режиме нормальной эксплуатации. Вторая часть
содержит практический пример последовательности разработки схем и моделей
для конкретной установки.
Пособие подготовлено на кафедре Электроники и автоматики физических
установок ФТФ ТПУ и предназначено для проведения практических и
лабораторных занятий, для курсового и дипломного проектирования, для
инженеров-исследователей и аспирантов ФТФ и для других специальностей ТПУ.
Пособие может быть использовано по направлениям «Приложения Общей
теории систем», «Кибернетика», «Модели систем», «Моделирование систем
ядерной технологии», «Основы автоматизации физических установок»,
«Процессы и аппараты химической технологии» и по другим направлениям.
Рецензент к. т. н., доцент ДЯДИК В.Ф.
Темплан 2000
С Тотьменинов М. Е., 2000
С Томский политехнический университет, 2000
60