Fakulta chemickej a potravinárskej technológie

Katedra automatizácie a riadenia procesov

Návrh regulátora pre kaskádové riadenie výmenníka tepla

Úvod

        Cielom tohoto projektu je navrhnut vhodný regulátor pre kaskádové riadenie výmenníka tepla, v ktorom sa ohrieva petrolej vodou.Podla zadaných parametrov bola vytvorená s-funkcia, ktorá predstavuje model výmenníka. Výmenník bol identifikovaný ako sústava prvého rádu s dopravným oneskorením. Identifikované parametre casová konštanta T, zosilnenie Z a dopravné oneskorenie D boli pouzité pri návrhu regulátorov pre vonkajsiu a vnútornú slucku podla roznych experimetnálnych metód.Boli pouzité metódy: Ziegler-Nicholsova metóda, metóda priamej syntézy s pouzitím aproximovaného modelu, Cohen-Coonova metóda, metóda Chiena, Hronesa a Reswicka (s preregulovaním 0% a 20%) a metóda IMC (Internal model control).

Kaskádové riadenie výmenníka tepla

    Kaskádové riadenie je jednou z najviac pouzívaných metód na zvýsenie kvality regulácie regulacných obvodov s jednou sluckou, ak neznáme poruchy a sumy vplývajú na regulovanú velicinu, alebo ak regulovaná velicina má typické nelineárne správanie.

    Pri kaskádovom riadení je k dispozícii viac ako jeden meraný výstup a len jedna akcná velicina. Je známe, ze za zvolenú ziadanú hodnotu moze byt pomocou jednej akcnej veliciny riadený len jeden výstup. Tento riadený výstup povazujeme za primárny, dalsie merané výstupy majú pomocný charakter. Riadiaci systém je znázornený na obr.

Uvazujme riadený objekt s dvomi prebiehajúcimi procesmi, procesom 1 a procesom 2. Proces 1 povazujeme za primárny, proces 2 za sekundárny. Riadeným výstupom, ktorý riadime na zvolenú ziadanú hodnotu, je meraný výstup z procesu 1. Riadiaci systém obsahuje dva spätnoväzbové obvody, primárny a sekundárny. Primárny spätnoväzbový obvod má v spätnej väzbe regulátor R Výstup z procesu 2 je vstupom do procesu 1. žadanou hodnotou pre výstup z procesu 2 je výstup z regulátora R.

top

Popis rúrkového výmenníka tepla

    V rúrkovom výmenníku tepla, ktorý treba riadit, sa zohrieva petrolej horúcou vodou. Vnútorným médiom v nasom prípade je petrolej, vonkajsím médiom je voda. Riadi sa teplota petroleja na výstupe z výmenníka prietokom vstupujúceho prúdu horúcej vody vo výmenníku.

Hodnoty riadiacej veliciny (akcná velicina) a riadenej veliciny (meraná velicina) na zaciatku sú: 
-prietok vstupného prúdu horúcej vody do výmenníka

-teplota petroleja na výstupe z tohoto výmenníka 

Návrh sekundárného regulátora

   Dynamické vlastnosti som sledovala simuláciou prechodovej charakteristiky v simulacnom prostredí Matlab Simulink.

   Vychádzala som z ustáleného stavu výmenníka tepla. Pre dynamický model som vytvorila v simulacnom jazyku Matlab 5.3 tzv. s-funkciu. Simulácia vnútornej slucky prebiehala s jednou vstupnou velicinou – objemový prietok q₃ .Sledovala som odozvu teploty vody od zmeny prietoku q₃. Prechodovú charakteristiku, ktorú som získala, som používala na identifikáciu. Identifikácia je potrebná pri navrhovaní náhradného prenosu pre vnútornú slucku.

   Po identifikácií vnútornej slucky môzem navrhnút sekundárny regulátor. Pouzívala som konstanty urcené pri identifikácií. Na navrhovanie konstant PID regulátora je opísaných mnoho metód. Ja som navrhovala zosilnenie P regulátora pomocou týchto experimentálnych metód: Ziegler-Nicholsova metóda, Cohen-Coonova metóda a metóda Chien, Hrones a Reswicka s 0% a 20% preregulovaním.

Najvhodnejsím regulátorom je regulátor navrhnutý Cohen-Coonovou metódou, pretoze sa jeho riadenie najviac priblízilo k ziadanej hodnote. 

Návrh primárného regulátora

    Pri hladaní vhodného primárneho regulátora je uz zapojený vo vnútornej slucke navrhnutý P regulátor.
    Pri simulácií primárnej slucky je vstupnou velicinou ziadaná teplota v plásti, teda teplota vody a výstupnou velicinou je teplota vo výmenníku, teda teplota petroleja. Prechodovú charakteristriku som simulovala pomocou programu idprire (obr. ) a to tak, ze teplota vody vzrástla s povodnej hodnoty o 5°C.

Pomocný regulátor je regulátor navrhnutý pre vnútornú slucku. V tomto prípade som sledovala odozvu teploty petroleja . Tak ako aj pre vnútornú slucku, tak aj pre túto slucku som navrhla náhradný prenos.

Po identifikácií vonkajsej slucky mozeme navrhnút primárný regulátor. Ako primárný regulátor navrhujem PID regulátor.Na návrh regulátora som pouzila nasledovné metódy: metóda priamej syntézy a Intermal model Control.

Záver

   Návrh primárneho a sekundárneho regulátora som zacala návrhom regulátora sekundárneho. Na získanie parametrov regulátora bol identifikovaný prenos ako odozva teploty v plásti na zmenu prietoku média v plásti. Sekundárny regulátor bol navrhnutý ako P-regulátor a bol vybraný regulátor navrhnutý Cohen-Coonovou metódou. Pri návrhu parametrov primárneho regulátora som vychádzala z odozvy systému meranej tak, ze pomocný obvod už bol v cinnosti, teda bol zapojený pomocný P-regulátor. Bola nameraná odozva teploty vo výmenníku na skokovú zmenu teploty v plásti. Primárny regulátor bol navrhnutý roznymi experimentálnymi metódami ako PID-regulátor. Z porovnania hodnot ukazovatelov kvality vyplynulo, ze najvhodnejsí regulátor bol regulátor navrhnutý metódou priamej syntézy. Niektoré metódy ako Ziegler-Nicholsova, Chien-Hrones-Reswickova boli na návrh parametrov primárneho regulátora menej vhodné.