Co je řízení procesů Příklad: Reaktor s exotermní reakcí Měření veličin a řízení procesů» ynamický systém»složení reakční směsi a teplota se mohou měnit v čase» Samovolné chování» a. reaktor se ustálí ve stabilním ustáleném stavu» b. teplota neustále roste ujetí teploty» Přinucení reaktoru k jinému chování» REGULACE, Řízení procesu Reaktor s exotermní reakcí Proč řídit provoz zařízení Q r Q C Q[kW] stabilní ustálený stav Q C Q r nestabilní ustálený stav»např. reaktor s exotermní reakcí» vyšší teplota = vyšší rychlost reakce»při vysoké teplotě nelze dosáhnout stabilního ustáleného stavu» Provoz v nestabilním ustáleném stavu s regulací» regulace eliuje vznikající odchylky od ustáleného stavu Q& C = KA( T T E ( ( ( T T Q& r = r T ΔHr Vr = r exp ( Δ H r V RTT T[K] Kvalita regulace vs. efektivita procesu» Často při provozu nesmí dojít k překročení některých limitů (např. teplota v bioreaktoru» Čím blíže k limitu lze zařízení provozovat, tím vyšší může být efektivita»např. rychlost reakce roste s teplotou, ale od nějaké teploty se začnou objevovat nežádoucí produkty Terologie» Cíl regulace (Setpoin - co se má regulací dosáhnout (jaká» Řízená veličina veličina, jejíž se regulací upravuje» Nastavovaná (akční veličina veličina, jejíž hodnotu lze přímo nastavit (a ovlivňuje hodnotu řízené veličiny»akční člen (actuator zajišťuje změnu nastavované veličiny» Senzor zjišťuje hodnotu řízené veličiny»ovladač dává pokyny akčnímu členu» Porucha (disturbance odchylka od normálu, způsobí výchylku řízené veličiny
Příklad: řízení auta» Cíl regulace: udržet auto na silnici...» Řízená veličina: poloha auta na silnici» Nastavovaná veličina: úhel otočení předních kol»akční člen (actuator: volant, ruce řidiče»senzor: oči řidiče»ovladač: řidič, mozek řidiče» Porucha (disturbance: zatáčka na silnici Příklad: výměník tepla» Řízená veličina: teplota výstupního proudu» Nastavovaná veličina: průtok chladícího média» Akční člen: regulační ventil na přívodu chladiva» Senzor: termočlánek na výstupním proudu» Porucha: změna teploty vstupního proudu Nejjednodušší regulace Řízení se zpětnou vazbou» Stabilizace vstupů» Omezená použitelnost» omezené možnosti nastavení podmínek»citlivost na poruchy, nestailita Nastavená + - Porucha Ovladač Akční č. Proces Řízená veličina Senzor Regulace s dopřednou vazbou»měření hodnot vstupních veličin»analýza poruch»model» databáze» člověk»kompenzace vlivů poruch nastavením akční veličiny Princip zpětnovazební regulace» Aktuální řízené veličiny je měřena»aktuální měřená je porovnána s nastavenou hodnotou» Rozdíl hodnot určí akci, která se provede 2
Typy y zpětnovazební regulace» Řízení On-Off, např. běžný termostat»ruční řízení operátorem» P regulátory» obecný regulátor se třemi složkami interpretace odchylky proporcionální, diferenciální a integrální» Regulátory založené na modelu» model vypočítá optimální regulační zásah pro uvedení systému na požadovanou hodnotu P Regulátor átory» Zavedeny ve 4. letech ulého století» jednoduché»robustní»ověřené»nes tvoří asi 8 % instalovaných regulátorů» proporcionální, diferenciální a integrální složky regulace Rovnice P regulátoru Účinek P regulátoru = y( y set y řízená veličina e odchylka řízené veličiny Δ = + t d c( c nastavovaná veličina K c proporcionální zesílení regulátoru τ integrační čas τ derivační čas = + + t d c( c» s obráceným = + t d c( c c nastavovaná veličina e odchylka řízené veličiny»s přímým Příklad: regulace hladiny Příklad: regulace hladiny F in L LT LC F out» Pozitivní účinek nastavované veličiny na odchylku» průtok roste, hladina roste» Použít regulátor s přímým F in L LT LC F out»negativní účinek nastavované veličiny na odchylku» průtok roste, hladina klesá» Použít regulátor s obráceným 3
Nasycení regulátoru Vliv proporcionální složky»akční veličina může pracovat pouze v určitém rozmezí teoretická použitá c ( t > c c ( t = c c( c c( c c ( = c(» Posunuje řízenou veličinu směrem k nastavené hodnotě intenzitou úměrnou regulační odchylce»výhody»přímý jednoduchý opravný účinek» snadná implementace i bez elektroniky»nevýhoda»neřeší regulační odchylku v ustáleném stavu (offse c ( < c c = ( c Vliv integrální složky» eliuje dlouhodobé trendy v řízené veličině (offse»může být nenulový v ustáleném stavu»výhoda» nástroj k eliaci offsetu»nevýhody»způsobuje nestabilitu (oscilace» zpožděná odezva, nutno kombinovat s P-regulátorem Unášení integrace Řízená veličina Čas»Načtení velké integrační odchylky» v okamžiku, kdy systém přechází mezi stavy»při nasycení regulátoru Unášení integrace»protiopatření» vypnutí integrace při změnách stavu zařízení»najíždění»odstávky» vypnutí integrace při nasycení regulátoru Vliv derivační složky» predikuje budoucí stav systému»výhoda» zvyšuje robustnost»nevýhody» zvyšuje oscilace obsahuje-li měřený signál šum τ d τ d dt d / současné ( budoucí ( t + τ d 4
Typické odezvy zpětnovazebního řízení Automatické měření veličin»bez řízení» systém dosáhne nového ustáleného stavu» Proporcionální» zrychlená dynamika systému, menší offset»p» eliuje offset, vyvolá oscilace»p» zmenší oscilace» zrychlí účinek Bez řízení Proporcionální řízení Čas» Čidla»termočlánky, tlakové senzory, automatické váhy, konduktometry»mají určitou dynamickou charakteristiku»analyzátory»periodický odběr a analýza vzorků»mají určitou prodlevu ynamická charakteristika senzoru dt dt s = τ Ts [ T T ] s» dynamické chování vyjádřeno časovou konstantou»t skutečná teplota»t s snímaná teplota 5