FI88343B - Foerfarande och anordning foer beaktande av varierande volym och floede vid reglering av genomstroemningsprocesser - Google Patents

Description

1 88343 MENETELMÄ. JA LAITE MUUTTUVAN TILAVUUDEN JA VIRTAUKSEN HUOMIOONOTTAMISEKSI LÄPIVIRTAUSPROSESSIEN SÄÄDÖSSÄ

Esillä oleva keksintö koskee säätömenetelmää, joka ottaa huomioon säädettävän prosessin ainetilavuudessa ja aineen virtauksessa esiintyvät muutokset ohjattaessa toimilaitetta, kuten säätöventtiiliä, muun prosessisuureen säätä-5 miseksi. Keksintö koskee lisäksi menetelmän toteuttamiseksi tarkoitettua laitetta.

Säädettäessä konsentraatiota tai muuta prosessimateriaalin kulloistakin tilaa kuvaavaa suuretta prosessin sisältämän ainemäärän ja aineen virtauksen muutokset vaikeuttavat 10 säätötehtävää. Läpivirtauksen muuttumisen huomioonotta miseksi on aikaisemmin esitetty menetelmä ja vastaava laite, joille on myönnetty patentti Suomessa (59494), Yhdistyneissä Kuningaskunnissa (2051424) ja Yhdysvalloissa (4358821) . Ko. patenttiasiakirjassa valaistaan 15 esimerkeillä tavanomaisesti esiintyviä virtaushäiriöitä ja -muutoksia ja niiden huomioonottamisella saavutettavaa hyötyä. Esitetyssä menetelmässä on käsitetty prosessin ainetilavuus muuttumattomaksi ja jätetty siten kokonaan : huomiotta sen mahdollinen muuttuminen, tästä aiheutuvat 20 häiriöt ja muuttumisen huomioonottaminen muiden prosessisuureiden säädössä. Ko. menettelyn pohjalta ei ·" ‘ voida myöskään tehdä mitään ilmeisiä päätelmiä siitä, miten ainetilavuuden muutokset voitaisiin ottaa huomioon parempiin säätötuloksiin pyrittäessä.

25 Aineen määrä, kuten nesteen tilavuus, vaihtelee kuitenkin usein teollisessa laitteistossa. Tyypillisiä esimerkkejä tästä ovat puskurisäiliöt, joiden tehtävänä on .· ; tavallisesti vähentää niitä vaihteluita, joita saapuvan • · aineen sekä laadussa että virtauksesa esiintyy.

30 Tällaisessa tapauksessa sekä ainetilavuus että -virtaus vaikuttavat, tulokonsentraation lisäksi, konsentraatiohin lähtökanavassa.

2 88343

Tilavuudeltaan muuttuvan tuotantoprosessin säätäjät on viritettävä pahimman käytännössä esiintyvän tapauksen 5 varalle. Jos esim. prosessissa esiintyy viivästymää, joka olennaisesti riippuu tilavuudesta, on konsentraation takaisinkytketty säätäjä viritettävä suurinta käytännössä esiintyvää tilavuutta silmälläpitäen. Jos nimittäin tilavuus voisi kasvaa viritysolosuhteita suuremmaksi, 10 säätö huononisi ja säätöpiiri voisi joutua värähtelytilaan.

Hakijan tiedossa ei ole esimerkkejä tapauksista, joissa muuttuva tilavuus olisi otettu huomioon aineominaisuuksien säädössä, vielä vähemmän tapauksista, joissa sekä tilavuus 15 että virtaus olisi otettu huomioon. Tällainen säätöjär jestelmä saattaa olla konstruoitavissa tavanomaisista säätökomponenteista, joista järjestelmä rakentuisi esim. kaskadisäätöpiirien tapaan. Tällaiselle säätäjälle olisi ominaista epätarkka toiminta mukaanlukien sen, että 20 säätöparametrit poikkeaisivat lähes aina optimaalisista arvoistaan.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on näin ollen aikaansaada prosessinsäätömenetelmä ja -laite, joka ottaa huomioon prosessin tilavuuden ja virtauksen muutokset. 25 Keksintö laajentaa tällä piirteellä tavanomaisia, tunnettuja säätömenetelmiä ja -laitteita. Sen pääasialliset tunnusmerkit ilmenevät oheisista patenttivaatimuksista. Erityisesti takaisinkytkettyyn säätöön käytettävä laite voi tyypillisesti olla suhteellinen, integroiva ja 30 derivoiva säätäjä, jolloin se tavanomaiseen PID-säätäjään verrattuna merkitsee parannusta siinä, että se toimii yhtä hyvin tilavuuden ja virtauksen muuttuessa kuin niiden pysyessä vakioinakin, kun taas tavanomaisella PID-säätäjällä varustetun piirin toiminta huononee, jos ne 3 88343 poikkeavat säätäjän viritysolosuhteiden mukaisista vakioarvoista.

Menetelmän kuvaus

Keksinnön eräänä perustana on havainto siitä, että 5 nestetilavuuden muuttuessa tulo- ja lähtövirtauksen tai ainakin toisen näistä on myös muututtava. Säiliön konsentraatiodynamiikka ei siten riipu yksikäsitteisesti tilavuudesta ja vastaavasti lähtökonsentraation säädönkin tulee ottaa huomioon vähintäin kaksi häiriösuuretta, kun 10 tulokonsentraatio käsitetään ohjaussuureeksi. Tämä ei ole ennestään tunnetuilla menetelmillä mahdollista.

Toisin kuin aikaisemman patentin mukaisessa säätäjässä, joka on tarkoitettu läpivirtaukseltaan muuttuvan mutta tilavuudeltaan muttumattoman prosessin säätöön, ei 15 tilavuuden muuttuessa ole osoitettavissa yhtä sellaista muuttujaa, joka soveltuisi kaikkien virtauskarakteristi-koiden kuvaamiseen, ja jonka toisistaan riippumattomien arvojen erotus sopisi konsentraatioprosessin painofunktion argumentiksi. Ainakin virtauskarakteristikan yleisen 20 luonteen on oltava tiedossa ja vastaavasti seuraavassa . .·. käsitellään ensin äärellisen virtausnopeus jakautuman ,·; omaavan säiliön säätöä ja sen jälkeen täysin sekoittavan säiliön säätöä.

Monissa säiliöissä nesteen elementtien liikenopeus on 25 jakautunut äärellisen keskiarvon molemmin puolin. On osoitettu (A.J. Niemi, Mathl Comput. Modelling 11 (1988) : ss. 32-37), että jos vertauskuva (flow pattern) pysyy : muuttumattomana, nesteen elementin akselisuuntainen keskimääräinen, suhteellinen siirtymä xav/L, so. keski-• ; 30 määräinen siirtymä xav suhteessa säiliön aksiaaliseen pituuteen L, aikavälillä v -» t, riippuu keskimääräisestä liikenopeudesta ja siten läpivirtauksesta Q ja tilavuu- 4 88343 desta V. Seuraava tulos pätee tällöin riippumatta siitä, tapahtuuko tilavuuden muuttuminen V(t) akselin suunnassa, sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa tai samanaikaisesti kaikissa suunnissa.

5 x Qin (M·) dp.

Äav v - = - (1) L V(t)

Vm. viitteessä on osoitettu, että jos liikenopeus on jakautunut, vastaava aseman x suhteellinen jakautuma x/xav riippuu kullakin hetkellä t suureesta xav/L. Edelleen on osoitettu, että säiliön pituuden ollessa L nesteen 10 viipyminen siinä saapumishetkien (v) ja poistumishetkien (t) välillä riippuu samasta suureesta (1), jota jatkossa merkitään z:lla.

On osoitettu, että monet teolliset läpivirtausprosessit ovat kuvattavissa tätä muuttujaa käyttävien 15 viipymisjakautumien p(z) avulla, jolloin eksplisiittinen aikamuuttuja häviää ko. kuvauksista. Esimerkkejä tällaisista prosesseista ovat tulppavirtaus ja laminaarinen virtaus sekä edelleen Gaussin jakautuman mukainen nopeusprofiili ja eräin edellytyksin 20 dispersiovirtaussäiliö. Kuvaus on yleistettävissä sellaisiin, mielivaltaisen virtauskuvan omaaviin säiliöihin, joissa suhteellinen nopeusprofiili voi olla erilainen eri poikkileikkauksissa, erityisesti päätyjen läheisyydessä, mutta joissa se kuitenkin pysyy jatkuvasti 25 muuttumattomana kussakin poikkileikkauksessa erikseen.

Tällaisella prosessilla ei tarvitse olla suljettua matemaattista mallia, vaan sen virtauskuva, tyypillisesti viipymisjakautuma, voi olla tiedossa esim. numeerisena, kokeiden ja mittausten kautta.

30 Prosessin viipymisaikajakautuma ja sen z:n avulla esitetty viipymisjakautuma ovat muiden yleisten edellytysten 5 88343 voimassaollessa, so. virtauskuvan pysyessä muuttumattomana ja tässä nimeämättömien muuttujien ja parametrien vakioina, myös konsentraatioprosessin painofunktioita. Niiden avulla prosessin lähtökonsentraatio on siten 5 periaatteessa laskettavissa edellyttäen, että ko.

jakautumat tunnetaan teoreettisen tai loogisen päättelyn tai suoritettujen kokeiden tai mittausten nojalla. Ei kuitenkaan ole suoraviivaisesti nähtävissä, miten tällainen laskenta toteutetaan.

10 Kaksi kolmesta muuttujasta, nimittäin tilavuudesta, tulovirtauksesta ja lähtövirtauksesta, voi muuttua vapaasti, kolmannen määräytyessä niistä. Keksityssä menetelmässä edellytetään, että kaksi em. suureista mitataan jatkuvasti tai toistuvasti. Jos mitatut muuttujat 15 ovat tilavuus ja tulovirtaus, muuttujan z arvo voidaan määrittää kullekin (t,v)-parille ja edelleen lähtökon-sentraation C arvo hetkellä t(z) tulokonsentraation C^n nojalla (i = 1): :y; γ ;T: C(Zi) = CiniCiJpUi-CiJdCi (i = 1,2) (2) ( φ * 1 —oo 20 : λ / οίη<μ><*μ Qin (v) :Y: C(t) = cin(v)p Ϊ- - dv (3) J L V(t) J v(t)

—OO

Yhtälössä (2) z on esitetty kahden tekijänsä erotuksena: 6 88343

t V

1 if Z = - Qin(μ)άμ--Οίη(μ)άμ = ζχ - ζ1 (4) V(t) V(t) η η η = kiinteä alkuhetki

Sekä (2) että (3) soveltuvat lähtökonsentraation laskentaan. Olennaista on, että vain yhden p-funktion, joka on yhden muuttujan funktio, tallettaminen muistiin riittää mitattujen C^n:n ja Qj.n:n arvojen lisäksi. 5 Erityisesti mallia (2) käytettäessä on edullista suorittaa integrointi ζ^:η suhteen tasavälisesti, pienenevään suuntaan. Tällöin vastaava ajan inkrementti saadaan kaavasta (5) ja inkrementtien avulla edelleen v, jolloin vastaava 0^η(ν) [= θ£η(ζ^), joita ei yllä ole erotettu 10 toisistaan] voidaan lukea tai interpoloida muistista. Integrointi lopetetaan tultaessa sellaisiin, pieniin ajan arvoihin, jotka eivät enää olennaisesti vaikuta tulokseen.

V(t) Δν = - Δζχ (5)

Qin(v)

Suoritettu prosessimallin erittely oli välttämätön siitä 15 syystä, että keksinnön mukainen, myötäkytketty säätömenetelmä käyttää sitä hyväksi. Ennestään tiedetään, että yhden häiriösuureen vaikutus voidaan eliminoida myötäkytkennällä täydellisesti, jos prosessin malli tunnetaan tarkasti. Viitatussa patentissa on esitetty 20 menetelmä toisenkin häiriösuureen vaikutuksen samanaikaiseksi eliminoimiseksi. Ennestään ei tunneta menetelmää, joka päähäiriösuureen lisäksi eliminoisi kahden muun häiriösuureen vaikutukset prosessissa, ainakaan tarkasti.

25 Kuva 1 esittää läpivirtausprosessin myötäkytkettyä säätöpiiriä, jossa määritetään muuttujan nykyarvo ja 88343 sen aikaisemmat arvot . Äärellisen virtausnopeus-jakautuman omaavan prosessin tapauksessa i = 1, hyvin sekoittavan prosessin tapauksessa i = 2. Säätäjä määrittää ohjaussuureen u mitatun tulokonsentraation nojalla tämän 5 muuttujan funktiona ja kohdistaa ohjauksen prosessiin.

Kuva 2 esittää läpivirtausprosessin takaisinkytkettyä säätöpiiriä. Muuttuja Ζϊ<ζι) määritetään samoin kuin kuvassa 1. Säätäjä määrittää ohjaussuureen u lähtökonsentraation tavoitearvon ja mitatun arvon 10 erotuksen nojalla.

Keksinnön mukainen, kuvan 1 esittämä myötäkytketty säätömenetelmä edellyttää siten, että päähäiriösuure, so. tyypillisesti tulokonsentraation muuttuminen mitataan sopivalla mittauslaitteella tai analysaattorilla ja 15 talletetaan säätölaitteeseen, so. säätötietokoneeseen.

Samoin se edellyttää, että tulovirtaus ja säiliön nestetilavuus mitataan ja talletetaan. Jälkimmäisten nojalla lasketaan sitten z^:n ja ζ^:η arvot ja edelleen : : C(t) kuten edellä on esitetty. Arvoa -C(t) vastaava 20 korjaus kohdistetaan annnostelupumpun tai muun sopivan : toimilaitteen kautta prosessin tulo- tai lähtöpisteeseen . .·. tai näiden väliseen pisteeseen prosessissa. Viimeksi mainitun vaihtoehdon suhteen viitataan aikaisempaan ! . julkaisuun (A.J. Niemi, Proc. ISA Conf. 1978, Part II, pp.

25 63-68 & Proc. JACC 1978 Part I, pp. 37-42. ISA,

Pittsburgh), jossa on esitetty menetelmä parametreiltään muuttumattoman prosessin säätämiseksi. Ko. menetelmä on laajennettavissa johdonmukaisesti keksinnön mukaisilla, muuttuvan tulovirtauksen ja tilavuuden huomioonottavilla 30 piirteillä.

; Kaksi mitattavaa suuretta voidaan valita toisinkin tilavuuden ja tulo- ja lähtövirtausten joukosta. Näitä nimittäin yhdistää seuraava riippuvuus: 8 88343 dV(t) - = Qin(t) - Q(t) ν(η) = νη (6) dt

Ellei virtausta Q^n tai tilavuutta V, joka voidaan saada myös välillisesti nesteen pinnan korkeuden kautta, mitata, se voidaan aina laskea kahden muun mitattavan suureen avulla yhtälöstä (6) tai tämän integroidusta muodosta. 5 - Jos tulo- ja lähtövirtausta mitataan jatkuvasti tai toistuvasti, tulee kuitenkin myös tilavuuden olla ainakin pitkin väliajoin mitattavissa. Muutoin virtausten mittauksissa mahdollisesti esiintyvät, systemaattiset virheet voivat kasautua ja johtaa vähitellen olennaisesti 10 väärään tilavuuden arvoon. Tätä vastaa tilavuuden alkuarvon päivittäminen yhtälössä (6).

Keksintö koskee myös takaisinkytkettyä säätömenetelmää. Tässä menetelmässä ohjataan lähtösuureen, tyypillisesti 15 lähtökonsentraation mitatun arvon nojalla tulosuuretta, tyypillisesti tulokonsentraatiota, siten että ensiksi mainittu noudattaa mahdollisimman tarkoin ja stabiilisti ohjearvoa, joka on käyttäjän valittavissa ja aseteltavissa. Tämä säätäjä ei normaalisti sisällä 20 funktion p mukaista prosessin mallia. Se voidaan kuitenkin tarkoituksenmukaisesti laatia toteuttamaan ohjaustoiminnot z:n funktioina, ilman eksplisiittistä riippuvuutta ajasta t.

Tässä kuvan 2 mukaisessa menetelmässä mitataan vähintäin 25 kaksi suureista tulovirtaus, lähtövirtaus ja tilavuus, samanaikaisesti kuin ne toteutuvat tai kohdistuvat prosessiin. Mittaussignaalit viedään säätäjään ja tarvittaessa käytetään riippuvuutta (6) Qj.n:n tai V:n laskemiseksi. Säätäjä laskee aluksi tarvittavat z^rn (ja 30 ζ^η) arvot. Niiden ja erosuureen e, joka on ohje- ja lähtökonsentraatioiden erotus, avulla se määrittää edelleen tarvittavan ohjauksen u, jonka se kohdistaa 9 88343 prosessiin sopivan toimilaitteen kautta. Säätäjä voi olla rakenteeltaan mikä tahansa tunnettu takaisinkytketty säätäjä, edellyttäen että se pystyy toimimaan z:n ollessa argumenttina ajan t sijasta. Tällöin voi olla edullista 5 määrittää ohjaus z^n suhteen tasavälisin inkrementein ζι ja suorittaa tarvittavat integroinnit muuttujan pienenevän arvon suuntaan. Täten esim. suhteellisen, integroivan ja derivoivan säädön eli PID-säädön yleisen periaatteen mukainen algoritmi määrittää ohjaussuureen seuraavasti, 10 kun i = 1: :>i u(z^) = KpeUi) + Kj θ(ζι)0ζι + 0 de(Zi) + KD -— (i = 1,2) (7) dz^

Kun nyt parametreiltään muuttumatonta prosessia säädetään vakiokertoimisella säätäjällä, on suljettu säätöpiiri invariantti z:n suhteen. Samalla se prosessin ja säätäjän 15 luonteiden vuoksi on lineaarinen. Näin ollen säätäjän suunnitteluun ja viritykseen ja mm. sen parametrien Kp, Kj ja KD arvojen valintaan voidaan käyttää niitä lineaaris-.·.; ten, vakiokertoimisten järjestelmien suunnittelumene- // telmiä, jotka on kuvattu säätötekniikan oppikirjoissa, 20 joita yleisesti käytetään ja joita on kuvattu mm.

‘ viitatussa, aikaisemmassa patentissa. Säätäjä voidaan virittää myös kokeilemalla, esim. silloin kun prosessin mallia ei tunneta riittävän täsmällisesti. Tällöin on edullista mutta ei välttämätöntä, että säätäjää 25 viritettäessä tilavuus ja virtaukset ovat muuttumattomia. Niiden tämän jälkeen muuttuessa säätäjä ottaa muutokset huomioon ja säätötulos on yhtä hyvä kuin niiden pysyessä • · muuttumattominakin.

• '·’ Menetelmä voidaan toteuttaa myös ajan ollessa 30 riippumattomana muuttujana. Erityisesti PID-säädön 10 88343 tapauksessa tullaan säätöfunktion (7) ja yhtälön (4) (i=l) nojalla säätöfunktioon:

Kl t u (t) = KDe(t) + - e (v) Q.i n (v) dv + P V(t) 0 de(t) V (t) + KD - . - (8) dt Qin(t) Säätöfunktioista (7) ja (8) havaitaan, että elleivät 5 läpivirtaus Q^n ja tilavuus V muutu, vaan pysyvät jatkuvasti nimellisarvoissaan, säätäjä suorittaa integroinnin ja derivoinnin itse asiassa normaalin aikamuuttujän suhteen ja toimii siten muiden prosessisuureiden säätäjänä täysin samalla tavoin kuin 10 tavanomainen PlD-säätäjä. Edelleen havaitaan, että säätöfunktioiden K-kertoimet saadaan yksinkertaisella tavalla lasketuiksi tavanomaisen säädön vastaavista ja säätöön ehkä jo aikaisemmin käytetyistä kertoimista, jolloin niitä ei tarvitse virittää enää uudelleen.

15 Täysin sekoittavassa säiliössä saapuva aine sekoittuu välittömästi säiliön koko ainetilavuuteen. Sillä ei ole äärellistä nopeusjakautumaa eikä määritettävissä olevaa etenemisnopeuden keskiarvoa. Sen sijaan se on kuvattavissa 20 tavallisella differentiaaliyhtälöllä myös sen parametrien muuttuessa.

d[V(t)C(t) ] - = Qin(t)Cin(t)-Q(t)C(t) (9) dt

Yhtälön ratkaisu voidaan esittää muodossa (2), kun i = 2 ja p:llä on (10) :n ja z':lla lll):n mukainen, aikaisemmin 25 käsitellylle prosessityypille ominaisesta (4) poikkeava merkitys.

p(z')dz' = e~z' dz' (10) η 88343 , Qin^ Qin^) f Qin (M·) ,, z = - άμ = - άμ - I - άμ = zο-ζο J v (μ) v (μ) J v (μ) v η η (11)

Esitetty viipymisaikajakautuma on samalla konsentraatio-prosessin painofunktio. Sen avulla voidaan määrittää ideaalisekoittimen lähtökonsentraatio. Keksinnön mukaisessa menetelmässä edellytetään, että ainakin kaksi suu-5 reistä tulokonsentraatio, lähtökonsentraatio ja tilavuus mitataan jatkuvasti tai toistuvasti; tarvittaessa puuttuva voidaan määrittää yhtälön (6) avulla. Lähtösuure voidaan määrittää joko ajan tai suureen z' (11) ollessa riippumaton muuttuja. Erityisesti mallia (2) käytettäessä on edullista 10 suorittaa integrointi Z2:n suhteen tasavälisesti.

Myös ideaalisekoittimen tai sitä ominaisuuksiltaan läheisesti muistuttavan säiliön myötäkytketyssä säädössä (kuva 1) edellytetään, että päähäiriösuure, tyypillisesti tulokonsentraation muuttuminen mitataan ja talletetaan 15 säätötietokoneeseen. Samoin edellytetään, että tulovirtaus . . ja nestetilavuus ovat tiedossa joko mittauksin tai laskelmien kautta.Lähtösuure C(t) lasketaan kuten edellä '·' ‘ on esitetty ja sen arvoa vastaava korjaus kohdistetaan ·: toimilaitteen kautta prosessin tulo- tai lähtöpisteeseen 20 tai niiden väliseen pisteeseen. - Samat lisäkommentit, - · : jotka edellä esitettiin suhteellisen nopeusjakautumansa puolesta muuttumattomien prosessien tapauksessa, koskevat myös täysin sekoittavan säiliön myötäkytkettyä säätöä.

Keksintö koskee myös ideaalisekoittimen lähtökonsen-25 traation takaisinkytkettyä säätömenetelmää. Myös tällainen säätäjä, joka ei yleensä sisällä prosessin mallia p, ] voidaan laatia suorittamaan säätötoimintonsa z':n (11) funktioina, ilman eksplisiittistä riippuvuutta ajasta t. Myös tässä, kuvan 2 mukaisessa menetelmässä mitataan 30 vähintäin kaksi muuttujista tulovirtaus, lähtövirtaus ja 88343 12 tilavuus ja viedään mittaussignaalit säätäjään. Määritettyään Z2:n se määrittää tämän ja erosuureen e avulla tarvittavan ohjauksen u, jonka se kohdistaa prosessiin. Säätäjä voi olla rakenteeltaan mikä tahansa 5 tunnettu takaisinkytketty säätäjä, joka pystyy toimimaan z' :n (11) ollessa argumenttina t:n sijasta. Esim. PID- säätö tai -säätöalgoritmi määrittää ohjaussuureen yhtälön (7) mukaisesti kun i = 2.

Ideaalisekoittimen takaisinkytkettyä säätöä koskevat 10 yleisesti samat kommentit, jotka edellä esitettiin suhteelliselta nopeusjakautumaltaan muuttumattoman säiliön takaisinkytketyn säädön yhteydessä. Myös tämä säätäjä voidaan laatia toteuttamaan säätötoimintonsa ajan funktioina, jolloin PID-algoritmi saa (11):n nojalla 15 seuraavan muodon: T Qin <v> u (t) = KDe (t) + KT e (v) - dv + p J V(v) o de (t) V(t) + KD - . - (12) dt Qin (t)

Esitetyt säätömenetelmät eliminoivat tilavuuden ja virtauksen muutosten vaikutukset täysin säädettäessä materiaalin pitoisuutta tai sen muuta laatuominaisuutta, 20 jos prosessin malli tunnetaan tarkasti. Tilavuuden muuttumiseen voidaan rinnastaa paineen muuttuminen kaasusäiliössä, jonka lähtövirtauksen konsentraatiota säädetään. Tällöin on edullista käyttää massavirtauksia tilavuusvirtauksien sijasta. Siihen voidaan rinnastaa myös 25 kiintoaineosuuden ja siten kiintoaineen massan muuttuminen tilavuudeltaan muuttumattoman säiliön kiintoaine/neste-suspensiossa, jolloin säädettävä suure on poistuvan virtauksen kiintoaineen laatuominaisuus.

13 88343

Kun säädön kohteessa tapahtuu, tilavuuden, virtauksen ja sekoituksen vaikutuksesta tapahtuvan pitoisuuden muuttumisen lisäksi muitakin fysikaalisia prosesseja, esitetyt säätäjät poistavat vain yllämainittujen muuttujien 5 vaikutukset. Tarkoitetunlainen muu prosessi voi olla esim.

terminen prosessi tai kemiallinen reaktio, jonka edistyminen riippuu kineettisistä tekijöistä, ollen tyypillisesti sidottu absoluuttiseen aikamuuttujaan. Tällaisessakin tapauksessa esitetyt säätäjät merkitsevät, poista-10 essaan tilavuuden ja virtauksen vaikutukset, olennaista parannusta tavanomaiseen säätöön nähden. Suoritettaessa säätö z:n suhteen joudutaan usein joka tapauksessa määrittämään ajan v arvoja uudelleen, jolloin kineettisen jäsenen määrittäminen eri integrointiväleille ei enää 15 vaadi merkittävää lisätyötä.

Esitetyt säätömenettelyt ovat suoraviivaisesti toteutettavissa käytettäessä säätäjänä tietokonetta. Esitetyt laskutoimitukset ovat helposti ohjelmoitavissa, mukaanluettuina primääristen mittaussuureiden integrointi ja 20 erosuureen tai säätäjän muiden tulosuureiden integrointi ja derivointi. Tarvittavat mittauslaitteet ovat ennestään tunnettuja ja samoin muuntimet, jotka saattavat mittaussignaalit digitaalimuotoon. Myös kemikaalien syötön ohjauksessa käytettäviä toimilaitteita tunnetaan lukui-25 sasti ennestään samoin kuin niille ohjaussignaalin välittäviä digitaali-analogia-muuntimia. Tosiajassa toimiva säätötietokone voi luonnollisesti palvella lisäksi myös esitetyistä säädöistä riippumattomia säätö- ja muita tehtäviä.

30

Claims (6)

14 88 34 3

1. Menetelmä muuttuvan tilavuuden ja virtauksen huomioonottamiseksi muiden prosessisuureiden säädössä, tunnettu siitä, että tulovirtauksen (Qj.n) ja tilavuuden (V) määrittä- 5 miseksi ainakin kaksi prosessimuuttujista tulovirtaus (Qj.n), lähtövirtaus (Q) ja tilavuus (V) mitataan, tulovirtaus (Qj.«) joko integroidaan ajan suhteen ja sitten jaetaan tilavuudella (V) uuden muuttujan (z) määrittämiseksi tai jaetaan tilavuudella (V) ja osamäärä integroidaan ajan suhteen uuden 10 muuttujan (z') määrittämiseksi ja säätäjän lähtösuure (u) määritetään tähän muuttujaan (z tai z') nähden invariantilla menetelmällä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite takaisinkytketyn 15 säädön toteuttamiseksi, jossa laitteessa määritetään prosessin lähtösuureelle asetetun tavoitearvon (C««c) ja lähtösuu-reen mitatun arvon (Co) erotus (e), tunnettu siitä, että säätöyksikön lähtösuureen (u) määrittämiseksi a) kerrotaan mainittu erotus 1. kertoimella, 20 b) kerrotaan mainittu erotus tulovirtauksen arvolla, integroidaan tulo ajan suhteen, jaetaan integrointitulos tilavuuden arvolla ja kerrotaan se 2. kertoimella, c) derivoidaan mainittu erotus ajan suhteen, kerrotaan derivaatta tilavuuden arvolla, jaetaan tulo tulovirtauksen 25 arvolla ja kerrotaan osamäärä 3. kertoimella, ja d) lasketaan yhteen joko kohtien a) ja b) tai kohtien a) ja c) tai kohtien a), b) ja c) tulokset, joissa kohdissa mainitut kertoimet ovat vakioita tai hitaasti muuttuvia suureita. 30

3. Anordning enligt patentkravet 1 för utförande av 15 äterkopplad regiering, i vilken anordning bestämmes differensen (e) mellan det för processens utstorhet inställda börvärdet (Cref) och utstorhetens mätvärde (CQ), kännetecknad av att bestämma reglerenhetens utstorhet (u) a) multipliceras den sagda differensen med en 1. koeffi-20 cient, b) multipliceras den sagda differensen med inflödets värde, //. divideras produkten med volymens värde, integreras kvoten med avseende pä tiden och multipliceras integrationsresulta-. tet med en 2. koefficient, 2. c) deriveras den sagda differensen med avseende pä tiden, ;/ multipliceras derivatan med volymens värde, divideras pro-'·* ‘ dukten med inflödets värde och multipliceras kvoten med en 3. koefficient, och d) adderas resultaten i antingen punktema a) och b) eller :/-30 punkterna a) och c) eller punkterna a), b) och c) i vilka punkter de sagda koef ficienterna är konstanter eller läng-samt varierande storheter. . 4. Förfarande för beaktande av föränderlig massa och ./{35 föränderligt flöde vid regiering av andra processtorheter, ·:**: kännetecknat av att för bestämning av inflödet och en gas- massa eller en därmed proportionell storhet ätminstone tvä av processtorheterna inflöde, utflöde och massa mätes, in- 18 88343 flödet antingen integreras med avseende pä tiden och sedan divideras med den med massan proportionella storheten för att bestämma en ny varlabel eller divideras den med massan proportionella storheten och kvoten integreras med avseende 5 pci tiden för att bestämma en ny variabel och regulatorns utstorhet bestämmes med en metod som är invariant med avseende pä denna variabel.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite takaisinkytketyn säädön toteuttamiseksi, jossa laitteessa määritetään prosessin lähtösuureelle asetetun tavoitearvon (Cs«f) ja lähtösuureen mitatun arvon (C«,) erotus (e), tunnettu siitä, että . 35 säätöyksikön lähtösuureen (u) määrittämiseksi a) kerrotaan mainittu erotus 1. kertoimella, b) kerrotaan mainittu erotus tulovirtauksen arvolla, jaetaan is 88 343 tulo tilavuuden arvolla, integroidaan osamäärä ajan suhteen ja kerrotaan integrointitulos 2. kertoimella, c) derivoidaan mainittu erotus ajan suhteen, kerrotaan derivaatta tilavuuden arvolla, jaetaan tulo tulovirtauksen 5 arvolla ja kerrotaan osamäärä 3. kertoimella, ja d) lasketaan yhteen joko kohtien a) ja b) tai kohtien a) ja c) tai kohtien a), b) ja c) tulokset, joissa kohdissa mainitut kertoimet ovat vakioita tai hitaasti muuttuvia suureita. 10

4. Menetelmä kaasun muuttuvan massan ja virtauksen huomioonottamiseksi muiden prosessisuureiden säädössä, tunnettu siitä, että tulovirtauksen ja kaasumassan tai siihen verrannollisen suureen määrittämiseksi ainakin kaksi prosessimuut- 15 tujista tulovirtaus, lähtövirtaus ja massa mitataan, tulo-virtaus joko integroidaan ajan suhteen ja sitten jaetaan massaan verrannollisella suureella uuden muuttujan määrittämiseksi tai jaetaan massaan verrannollisella suureella ja osamäärä integroidaan ajan suhteen uuden muuttujan määrittä-20 miseksi ja säätäjän lähtösuure määritetään tähän muuttujaan nähden invariantilla menetelmällä.

5. Anordning enligt patentkravet 4 för utförande av 10 äterkopplad regiering, i vilken anordning bestämmes diffe- rensen mellan det för processens utstorhet inställda börvär-det och utstorhetens mätvärde, kännetecknad av att för att bestämma reglerenhetens utstorhet a) multipliceras den sagda differensen med en 1. koeffi- 15 cient, b) multipliceras den sagda differensen med inflödets värde, integreras produkten med avseende pä tiden, divideras integ-rationsresultatet med tryckets värde och multipliceras med en 2. koefficient, 20 c) deriveras den sagda differensen med avseende pä tiden, multipliceras derivatan med tryckets värde, divideras produkten med inflödets värde och multipliceras kvoten med en 3. koefficient och d) adderas resultaten i antingen punkterna a) och b) eller .25 punkterna a) och c) eller punkterna a), b) och c) i vilka punkter de sagda koefficienterna är konstanter eller läng-samt varierande storheter.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite takaisinkytketyn säädön toteuttamiseksi, jossa laitteessa määritetään proses- .:.25 sin lähtösuureelle asetetun tavoitearvon ja lähtösuureen mitatun arvon erotus, tunnettu siitä, että säätöyksikön lähtösuureen määrittämiseksi a) kerrotaan mainittu erotus 1. kertoimella, b) kerrotaan mainittu erotus tulovirtauksen arvolla, integ-30 roidaan tulo ajan suhteen, jaetaan integrointitulos paineen . .. arvolla ja kerrotaan se 2. kertoimella, c) derivoidaan mainittu erotus ajan suhteen, kerrotaan derivaatta.paineen arvolla, jaetaan tulo tulovirtauksen arvolla ja kerrotaan osamäärä 3. kertoimella, ja : 35 d) lasketaan yhteen joko kohtien a) ja b) tai kohtien a) ja c) tai kohtien a), b) ja c) tulokset, joissa kohdissa mainitut kertoimet ovat vakioita tai hitaasti muuttuvia suureita. 16 88343

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite takaisinkytke tyn säädön toteuttamiseksi, jossa laitteessa määritetään prosessin lähtösuureelle asetetun tavoitearvon ja lähtösuu-reen mitatun arvon erotus (e), tunnettu siitä, että säätöyk-5 sikön lähtösuureen (u) määrittämiseksi a) kerrotaan mainittu erotus 1. kertoimella, b) kerrotaan mainittu erotus tulovirtauksen arvolla, jaetaan tulo paineen arvolla, integroidaan osamäärä ajan suhteen ja kerrotaan integrointitulos 2. kertoimella, 10 c) derivoidaan mainittu erotus ajan suhteen, kerrotaan derivaatta paineen arvolla, jaetaan tulo tulovirtauksen arvolla ja kerrotaan osamäärä 3. kertoimella, ja d) lasketaan yhteen joko kohtien a) ja b) tai kohtien a) ja c) tai kohtien a), b) ja c) tulokset, joissa kohdissa maini-15 tut kertoimet ovat vakioita tai hitaasti muuttuvia suureita. 20 l. Förfarande för beaktande av föränderlig volym och föränderligt flöde vid regiering av andra processtorheter, ;·. kännetecknat av att för bestämning av inflödet (Qin) och vo-lymen (V) ätminstone tvä av processtorheterna inflöde (Qin), ; utflöde (Q) och volym (V) mätes, inflödet (Qin) antingen in-.*25 tegreras med avseende pä tiden och sedan divideras med voly-;; men (V) för att bestämma en ny variabel (z) eller divideras med volymen (V) och kvoten integreras med avseende pä tiden för att bestämma en ny variabel (z·) och regulatorns utstor-het (u) bestämmes med en metod som är invariant med avseende ' ;30 pä denna variabel (z eller z'). ··. 2. Anordning enligt patentkravet l för utförande av äterkopplad regiering, i vilken anordning bestämmes diffe-rensen (e) mellan det för processens utstorhet inställda .."35 börvärdet (Cref) och utstorhetens mätvärde (CQ) , känneteck-nad av att för att bestämma reglerenhetens utstorhet (u) a) multipliceras den sagda differensen med en 1. koeffi-cient, 38345 17 b) multipliceras den sagda differensen med inflödets värde, integreras produkten med avseende pä tiden, divideras integ-rationsresultatet med volymens värde och multipliceras det med en 2. koefficient, 5 c) deriveras den sagda differensen med avseende pä tiden, multipliceras derivatan med volymens värde, divideras produkten med inflödets värde och multipliceras kvoten med en 3. koefficient och d) adderas resultaten i antingen punktema a) och b) eller 10 punkterna a) och c) eller punkterna a), b) och c) i vilka punkter de sagda koefficienterna är konstanter eller läng-samt varierande storheter.

6. Anordning enligt patentkravet 4 för utförande av 30 äterkopplad regiering, i vilken anordning bestämmes differensen (e) mellan det för processens utstorhet inställda börvärdet och utstorhetens mätvärde, kännetecknad av att för att bestämma reglerenhetens utstorhet (u) a) multipliceras den sagda differensen med en 1. koeffi-;;35 cient, ;··: b) multipliceras den sagda differensen med inflödets värde, divideras produkten med tryckets värde, integreras kvoten 19 8 8 34 3 med avseende pä tiden och multipliceras intergrationsresul-tatet med en 2. koefficient, c) deriveras den sagda differensen med avseende pä tiden, multipliceras derivatan med tryckets värde, divideras pro- 5 dukten med inflödets värde och multipliceras kvoten med en 3. koefficient och d) adderas resultaten i antingen punkterna a) och b) eller punkterna a) och c) eller punkterna a), b) och c) i vilka punkter de sagda koefficientema är konstanter eller läng- 10 samt varierande storheter.