Общая задача управления технологическим процессом формулируется как задача максимизации (минимизации) некоторого критерия (себестоимости, энергозатрат, прибыли) при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемых регламентом. Решение такой задачи для всего процесса в целом трудоемко, или практически невозможно ввиду большого числа факторов, влияющих на ход процесса. Поэтому весь процесс разбивают на отдельные участки, которые характеризуются сравнительно небольшим числом перемен- ных. Обычно эти участки совпадают с законченными технологическими стадиями, для кото- рых могут быть сформулированы свои подзадачи управления, подчиненные общей задаче управления процессом в целом.
Задачи управления отдельными стадиями направлены на оптимизацию (в частном слу- чае, стабилизацию) технологического параметра или критерия, легко вычисляемого по изме- ренным режимным параметрам (производительность, концентрация продукта, степень пре- вращения, расход энергии). Оптимизацию критерия проводят в рамках ограничений, задавае- мых технологическим регламентом. На основании задачи оптимального управления отдель- ными стадиями процесса формулируют задачи автоматического регулирования технологиче- ских параметров для отдельных аппаратов.
Важным этапом в разработке системы автоматизации является анализ основных аппа- ратов как объектов регулирования, т. е. выявление всех существенных входных и выходных переменных и анализ статических и динамических характеристик каналов возмущения и регу- лирования. Исходными данными при этом служат математическая модель процесса и (как первое приближение) статическая модель в виде уравнений материального и теплового балан- сов. На основе этих уравнений с учетом реальных условий работы аппарата все существенные факторы, влияющие на процесс, разбиваются на следующие группы.
Возмущения, допускающие стабилизацию – это независимые технологические пара- метры, которые могут испытывать, существенные колебания, однако по условиям работы мо- гут быть стабилизированы с помощью автоматической системы регулирования. К таким па- раметрам обычно относятся некоторые показатели входных потоков. Так, расход питания можно стабилизировать, если перед аппаратом имеется буферная емкость, сглаживающая ко- лебания расхода на выходе из предыдущего аппарата; стабилизация температуры питания возможна, если перед аппаратом установлен теплообменник, и т. п. При проектировании сис- темы управления целесообразно предусмотреть автоматическую стабилизацию таких возму- щений. Это позволит повысить качество управления процессом в целом. В простейших случа- ях на основе таких систем автоматической стабилизации возмущений строят разомкнутую (относительно основного показателя процесса) систему автоматизации, обеспечивающую ус- тойчивое ведение процесса в рамках технологического регламента.
Контролируемые возмущения – это те возмущения, которые можно измерить, но не- возможно или недопустимо стабилизировать (расход питания, подаваемого непосредственно из предыдущего аппарата; температура окружающей среды и т п.). Наличие существенных нестабилизируемых возмущений требует применения либо замкнутых по основному показа- телю процесса систем регулирования, либо комбинированных АСР, в которых качество регу- лирования повышается введением динамической компенсации возмущения.
Неконтролируемые возмущения – возмущения, которые невозможно или нецелесо- образно измерять непосредственно. Первые – это падение активности катализатора изменение коэффициентов тепло- и массопередачи и т.п. Примером тому может служить давление грею- щего пара в заводской сети, которое колеблется случайным образом и является источником возмущения в тепловых процессах. Выявление возможных неконтролируемых возмущений – важный этап в исследовании процесса и разработке системы управления. Наличие таких воз- мущений требует, как и в предыдущем случае, обязательного применения замкнутых по ос- новному показателю процесса систем автоматизации.
Возможные регулирующие воздействия. Это материальные или тепловые потоки, кото- рые можно изменять автоматически для поддержания регулируемых параметров.
Выходные переменные. Из их числа выбирают регулируемые координаты. При по- строении замкнутых систем регулирования в качестве регулируемых координат выбирают технологические параметры, изменение которых свидетельствует о нарушении материального или теплового баланса в аппарате.
К ним относятся: уровень жидкости - показатель баланса по жидкой фазе; давление – показатель баланса по газовой фазе; температура – показатель теплового баланса в аппарате; концентрация - показатель материального баланса по компоненту.
Анализ возможных регулирующих воздействии и выходных координат объекта позво- ляет выбрать каналы регулирования для проектируемых АСР. При этом в одних случаях ре- шение определяется однозначно, а в других имеется возможность выбора, как регулируемой координаты, так и регулирующего воздействия для заданного выхода. Окончательный выбор каналов регулирования проводят на основе сравнительного анализа статических и динамиче- ских характеристик различных каналов. При этом учитывают такие показатели, как коэффи- циент усиления, время чистого запаздывания, его отношение к наибольшей постоянной вре- мени канала t/Т.
На основе анализа технологического процесса как объекта регулирования проектируют систему автоматизации, обеспечивающую решение поставленной задачи регулирования. На- чинают с проектирования одноконтурных АСР отдельных параметров: они наиболее просты в наладке и надежны в работе, поэтому широко используются при автоматизации технологиче- ских объектов.
Однако при неблагоприятных динамических характеристиках каналов регулирования (большом чистом запаздывании, большом отношении t/Т) даже в случае оптимальных настро- ек регуляторов качество переходных процессов в одноконтурных АСР может оказаться не- удовлетворительным. Для таких объектов анализируют возможность построения многокон- турных АСР, в которых качество регулирования можно повысить, усложняя схемы автомати- зации, т. е. применяя каскадные, комбинированные, взаимосвязанные АСР.
Окончательное решение о применении той или иной схемы автоматизации принимают после моделирования различных АСР и сравнения качества получаемых процессов регулиро- вания.
