RU2494433C2 - Energy-saving automatic control system - Google Patents
Energy-saving automatic control system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2494433C2 RU2494433C2 RU2011142642/08A RU2011142642A RU2494433C2 RU 2494433 C2 RU2494433 C2 RU 2494433C2 RU 2011142642/08 A RU2011142642/08 A RU 2011142642/08A RU 2011142642 A RU2011142642 A RU 2011142642A RU 2494433 C2 RU2494433 C2 RU 2494433C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- control
- energy
- control channels
- pass filters
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области систем автоматического регулирования. Оно может быть использовано при автоматизации работы различных промышленных объектов (химических реакторов, теплообменников и др.), имеющих в своей структуре несколько каналов управления одной технологической величиной (температуры, давления и т.п.), путем использования одного или нескольких контуров регулирования, подключаемых в зависимости от динамических и энергетических характеристик объекта и особенностей возмущающего воздействия.The invention relates to the field of automatic control systems. It can be used to automate the operation of various industrial facilities (chemical reactors, heat exchangers, etc.) that have in their structure several control channels of one technological quantity (temperature, pressure, etc.) by using one or more control loops connected depending on the dynamic and energy characteristics of the object and the characteristics of the disturbing effect.
Известны системы регулирования, использующие для поддержания значения технологической величины два управляющих воздействия (см. например, Е.Г. Дудников и др. «Автоматическое управление в химической промышленности». М.: Химия, 1987. - 368 с.), где один из каналов управления, наилучший в отношении качества переходных процессов, является неэкономичным, в то время как другой канал управления наоборот является экономичным, но уступает по качеству переходных процессов. В результате в лучшем с позиции качества управления для повышения быстродействия используют П-регулятор, а в экономичном канале управления ПИ- или ПИД-регулятор с целью исключения статической ошибки. При построении такой системы возникают трудности, связанные с расчетом системы регулирования и подключения других каналов управления, лучших с позиции максимального подавления действующего возмущения (помехи).Known regulatory systems that use two control actions to maintain the value of the technological quantity (see, for example, EG Dudnikov and others. “Automatic control in the chemical industry.” M .: Chemistry, 1987. - 368 p.), Where one of control channels, the best in terms of the quality of transients, is uneconomical, while the other control channel, on the contrary, is economical, but inferior in quality of transients. As a result, in the best quality control position, a P-controller is used to improve performance, and in the economical control channel, a PI or PID controller is used to eliminate static error. When constructing such a system, difficulties arise associated with the calculation of the control system and the connection of other control channels, the best from the position of maximum suppression of the current disturbance (interference).
Цель предлагаемого изобретения - улучшение качества регулирования и энергетической эффективности управления технологическим объектом за счет выбора динамически эффективных (лучших в отношении качества переходного процесса) и энергетически эффективных (лучших в отношении энергосбережения) каналов регулирования и включения их в работу в зависимости от частотных характеристик возмущающих воздействий (сигналов помех) и реакции на них отдельных контуров регулирования. Кроме того, ввиду разделения частотных спектров работы контуров управления упрощается расчет настроек соответствующих регуляторов.The purpose of the invention is to improve the quality of regulation and energy efficiency of controlling a technological object by selecting dynamically effective (best in relation to the quality of the transition process) and energy efficient (best in terms of energy saving) control channels and turning them into operation depending on the frequency characteristics of disturbing influences ( interference signals) and the response to them of individual control loops. In addition, due to the separation of the frequency spectra of the control loops, the calculation of the settings of the corresponding controllers is simplified.
Химико-технологическая система (ХТС) предназначена для целенаправленной переработки определенного сырьевого потока вещества в необходимый продукт при энергетических воздействиях на исходное вещество и протекании химических превращений. ХТС можно охарактеризовать соответствующей структурой, определяющей взаимосвязи между ее элементами, и совокупностью переменных (координат), определяющих ее состояние в данный момент. Для управляемых ХТС наиболее характерными являются три типа координат: управляемые координаты, управляющие и координаты, соответствующие внешним возмущениям.Chemical-technological system (CTS) is intended for the targeted processing of a certain raw material stream of a substance into a necessary product with energy effects on the starting material and the occurrence of chemical transformations. CTS can be characterized by an appropriate structure that defines the relationship between its elements, and a set of variables (coordinates) that determine its current state. For controlled CTS, the most characteristic are three types of coordinates: controlled coordinates, control coordinates, and coordinates corresponding to external perturbations.
В общем виде в установившемся состоянии взаимосвязь между этими координатами можно представить совокупностью алгебраических уравнений в неявной форме.In general, in the steady state, the relationship between these coordinates can be represented by a set of algebraic equations in an implicit form.
где
k - совокупность конструктивных параметров;k is a set of design parameters;
v - стехиометрические координаты и физико-химические константы;v - stoichiometric coordinates and physicochemical constants;
η - КПД элементов ХТС.η - the efficiency of the elements of the CTS.
В состав вектора П входят также и различные энергетические потоки, используемые для ведения технологического процесса в рассматриваемой ХТС.The structure of the vector P also includes various energy flows used to conduct the process in the considered CTS.
Эффективность функционирования ХТС обычно оценивается с помощью какого-либо критерия эффективности, в выражение которого практически всегда входят управляемые и управляющие координаты:The effectiveness of the functioning of the CTS is usually assessed using any performance criterion, the expression of which almost always includes controlled and controlling coordinates:
D - параметры, влияющие на эффективность работы ХТС.D - parameters affecting the performance of the CTS.
Задача оптимизации режима функционирования ХТС заключается в подборе такого вектора управляющих координат
где
Q - индекс, обозначающий вид варьируемых переменных (
В подавляющем большинстве случаев в ХТС с целью теплового или химического воздействия на протекающие процессы используются различные источники энергии: электроэнергия, горючие газы, пар и т.д. Аналогично, возможно использование "на стороне" различных видов вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), получаемых в процессе функционирования рассматриваемой конкретной ХТС. Отдельные технологические узлы ХТС, использующие внешнюю энергию и (или) производящие ВЭР, построены обычно так, как приводится на рисунке (см. фигуру 1), где Qi - поток i-го вида энергии, подводимой к узлу ХТС; Hj - поток j-го вида энергии, отводимой от узла; y - управляемая переменная, характеризующая работу технологического узла.In the vast majority of cases, in the CTS, various sources of energy are used for the thermal or chemical effect on the ongoing processes: electricity, combustible gases, steam, etc. Similarly, it is possible to use “on the side” of various types of secondary energy resources (VER) obtained in the process of functioning of the specific CTS under consideration. Separate technological nodes of the CTS, using external energy and (or) producing VER, are usually constructed as shown in the figure (see figure 1), where Q i is the flow of the i-th type of energy supplied to the CTS node; H j is the flux of the jth type of energy diverted from the node; y is a controlled variable characterizing the operation of a technological unit.
В общем виде зависимость между переменной y и потоками Qi и Нj нелинейная:In general terms, the relationship between the variable y and the flows Q i and H j is non-linear:
f(y,Q1,…,Qn, H1,…,Hm)=0f (y, Q 1 , ..., Q n , H 1 , ..., H m ) = 0
Однако для технологических процессов, основу которых составляют энергетические превращения, в установившихся режимах можно с достаточной степенью точности представить эту зависимость в линеаризованной формеHowever, for technological processes, which are based on energy transformations, in steady-state conditions, this dependence can be represented with a sufficient degree of accuracy in a linearized form
где ki, cj - коэффициенты, отражающие балансовые и кинетические зависимости. Критерий эффективности типа (2) для такого узла ХТС, отражающий условия энергетических преобразований, Iэ=Φ(Qi,Hj), i∈I, j∈J будем называть критерием энергосбережения. Часто его можно представить в виде аддитивной функции:where k i , c j are coefficients reflecting balance and kinetic dependencies. An efficiency criterion of type (2) for such an XTS node, reflecting the conditions of energy transformations, I e = Φ (Q i , H j ), i∈I, j∈J will be called the energy saving criterion. Often it can be represented as an additive function:
где ai, bj - коэффициенты веса; I и J - множества целых чисел соответственно из ряда
Причем, необходимо иметь в виду, что отдельные входные и выходные потоки из (4) являются внешними возмущениями и не входят в критерий (5).Moreover, it must be borne in mind that individual input and output flows from (4) are external perturbations and are not included in criterion (5).
Задача оптимизации процесса энергетических преобразований в рассматриваемом узле может выглядеть, например, как
Спецификой таких узлов является то, что в химической технологии часто можно найти не одну, а несколько управляющих координат, воздействующих на одну и ту же управляемую переменную. Отсюда возникает возможность выбора той или иной управляющей координаты для организации CAP. Но в любом случае в типовой структуре CAP для управления какой-либо переменной у используется только одна регулирующая координата (обычно лучшая по динамическим показателям), и структура объекта с CAP выглядит так, как, например, показано на фигуре 2, где Р - регулятор. Управляющие координаты Ql и Hq можно условно назвать динамически эффективными, т.е. позволяющими на их основе построить динамически эффективные CAP. Однако использованные в CAP управляющие координаты Ql и Hq могут быть далеко не лучшими с точки зрения критерия эффективности (5), т.е. с точки зрения энергосбережения.The specificity of such nodes is that in chemical technology it is often possible to find not one, but several control coordinates acting on the same controlled variable. This gives the opportunity to choose one or another control coordinate for the organization of the CAP. But in any case, in the typical CAP structure, only one regulating coordinate is used to control any variable (usually the best in terms of dynamic indicators), and the structure of the object with CAP looks like, for example, shown in Figure 2, where P is the regulator. The control coordinates Q l and H q can be conditionally called dynamically effective, i.e. allowing to build dynamically effective CAPs on their basis. However, the control coordinates Q l and H q used in the CAP may not be the best from the point of view of the efficiency criterion (5), i.e. in terms of energy conservation.
Задачу энергосбережения и одновременного достижения эффективного управления в условиях реально действующих возмущений предлагается решить с помощью применения многоконтурных CAP, использующих для целей стабилизации одной переменной y(t) одновременно несколько управляющих координат. Типовая структурная схема такой CAP показана на фигуре 3, где Qℓ, Qк, Hf - управляющие координаты; PQℓ, PQk, PHf - регуляторы в контурах с соответствующими управляющими координатами. Аналогично понятию динамически эффективной управляющей координаты (в данном случае Ql) введем понятие энергоэффективных координат, позволяющих существенно воздействовать на критерий энергосбережения (Qk, Hf и т.д.).It is proposed to solve the problem of energy saving and the simultaneous achievement of effective control under conditions of real-life disturbances by using multi-loop CAPs that use several control coordinates at the same time to stabilize one variable y (t). A typical block diagram of such a CAP is shown in FIG. 3, where Q ℓ , Q k , H f are control coordinates; P Qℓ , P Qk , P Hf - controllers in the circuits with the corresponding control coordinates. Similarly to the concept of a dynamically effective control coordinate (in this case, Q l ), we introduce the concept of energy-efficient coordinates that can significantly affect the criterion of energy conservation (Q k , H f , etc.).
CAP, построенные в соответствии со структурной схемой, показанной на фигуре 3, и минимизирующие критерий эффективности (5), будем называть энергосберегающими CAP (ЭСАР).CAPs constructed in accordance with the block diagram shown in Figure 3 and minimizing the performance criterion (5) will be called energy-saving CAPs (ESAPs).
Действительно, для стабилизации переменной у при стохастическом изменении
или, учитывая, что в статике должно иметь место M{y}=yзад:or, given that in the statics M {y} = y ass should take place:
где Кобi - коэффициенты усиления по соответствующим каналам управления ЭСАУ;where K obi are the gains on the corresponding control channels of the ESAU;
Kобωj - коэффициенты усиления по каналам возмущения ωj;K obωj are the gains along the perturbation channels ω j ;
yзад - заданное значение стабилизируемой переменной.y ass is the set value of the stabilized variable.
Если энергетический критерий (5) представить в форме:If the energy criterion (5) is presented in the form:
где αi - соответствующие коэффициенты веса,where α i are the corresponding weight coefficients,
то оптимум в задаче min Iэ при типовых ограничениях на управление ui then the optimum in the problem min I e under typical constraints on the control u i
находится в одной из вершин гипермногогранника, определяемого соотношениями (7), (9).is located at one of the vertices of the hyperhedron defined by relations (7), (9).
Таким образом, анализ особенностей организации типовых ХТС приводит к выводу, что оптимизировать установившиеся режимы их работы по критерию энергосбережения возможно с помощью ЭСАР, обладающих структурной избыточностью в управлении. Как следствие этого такие ЭСАР должны обладать специфической многоконтурностью с числом управлений, превышающим число управляемых переменных.Thus, the analysis of the organization features of typical CTS leads to the conclusion that it is possible to optimize the steady-state modes of their operation according to the criterion of energy saving using ESAR, which have structural redundancy in management. As a consequence of this, such ESARs must have a specific multi-circuit with the number of controls exceeding the number of controlled variables.
Теперь рассмотрим эту задачу с учетом условий динамических режимов. Расположение гиперплоскости (7), соответствующей конкретному технологическому режиму управляемой ХТС, в первую очередь определяется совокупностью внешних возмущающих факторов
В соответствии с этим в стохастическом возмущении ωj(t) можно условно выделить две составляющие: высокочастотную
Предположим, что существует управляющая координата u1(t), достаточно эффективно стабилизирующая переменную y(t) во всем частотном диапазоне изменения ω(t). Принятое разбиение возмущающего воздействия на ωв(t) и ωн(t) позволяет аналогично представить и управление u1(t) - в области высоких и инфранизких частот. Причем можно ввести в рассмотрение величины
Анализ графика (фигура 4) позволяет сделать вывод, что минимизировать (или максимизировать) величину в соответствии с требованием критерия энергосбережения (8) можно путем уменьшения значений
Иными словами, спектральная плотность возмущающего воздействия ω(t) как бы разбивается на высокочастотную и инфранизкочастотную части (фигура 5) и организуется двухконтурная CAP с управляющими координатами u1(t), ui(t), i≠1. Причем первая из них обладает более высокими динамическими свойствами, а вторая - более эффективна в смысле критерия энергосбережения.In other words, the spectral density of the disturbing effect ω (t) is broken up into high-frequency and infra-low-frequency parts (Figure 5) and a double-loop CAP is organized with control coordinates u 1 (t), u i (t), i ≠ 1. Moreover, the first of them has higher dynamic properties, and the second is more effective in the sense of the criterion of energy conservation.
Таким образом, CAP имеет избыточное количество управляющих координат (как минимум две управляющие переменные), каждая из которых, в зависимости от частотных свойств и влияния на критерий энергосбережения, настраивается на подавление соответствующей части спектра внешнего возмущения. Естественно предположить, что если существует m управляющих координат, отличающихся по частотным свойствам и влиянию на критерий энергосбережения, то график Sω(ω) может быть аналогичным образом представлен в виде совокупности m составляющих, каждая из которых подавляется соответствующим образом настроенным контуром с управляющей координатой ui(t). Т.е. вновь возникает структура CAP, приведенная на фигуре 3.Thus, the CAP has an excess of control coordinates (at least two control variables), each of which, depending on the frequency properties and the influence on the energy saving criterion, is configured to suppress the corresponding part of the external disturbance spectrum. It is natural to assume that if there are m control coordinates that differ in frequency properties and influence on the energy saving criterion, then the graph S ω (ω) can be similarly represented as a set of m components, each of which is suppressed by an appropriately tuned circuit with a control coordinate u i (t). Those. the CAP structure shown in Figure 3 reappears.
Структура многоконтурной CAP с частотным разделением каналов управления (см. фигуру 6) содержит входной канал задания 1, алгебраические сумматоры 2, на которых происходит сравнение сигнала задания 1 с сигналом обратной связи 3, блок регуляторов 4 с соответствующими каналами управления 5. Особенность предлагаемой структуры определяется наличием полосовых фильтров 6 в каждом из каналов управления. В предлагаемой структуре для разделения частот в каналах управления используются идеальные полосовые фильтры, которые имеют частотные характеристики следующего вида:The structure of multi-loop CAP with frequency division of control channels (see figure 6) contains the input channel of
где ωj - частота среза по j-тому каналу;
Использование идеальных фильтров не привносит в систему дополнительного запаздывания и способствует тому, что замкнутая система остается устойчивой при условии, что отдельные контуры регулирования изначально устойчивы.The use of ideal filters does not introduce additional delay into the system and contributes to the fact that the closed system remains stable provided that individual control loops are initially stable.
Таким образом, согласно предлагаемой структуре многоконтурной системы регулирования с частотным разделением каналов управления благодаря использованию идеальных полосовых фильтров происходит поочередная работа каждого из контуров регулирования в отдельности, что в конечном итоге позволяет достичь требуемой динамической и энергетической эффективности работы ЭСАР в целом. Кроме того, упрощается процедура поиска оптимальных настроечных параметров регуляторов, так как настройки одного регулятора не зависят от настроечных параметров другого.Thus, according to the proposed structure of a multi-loop control system with a frequency separation of control channels due to the use of ideal band-pass filters, each of the control loops individually is alternately operated, which ultimately allows achieving the required dynamic and energy efficiency of the ESAR as a whole. In addition, the procedure for finding the optimal tuning parameters of the regulators is simplified, since the settings of one controller do not depend on the tuning parameters of the other.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011142642/08A RU2494433C2 (en) | 2011-10-24 | 2011-10-24 | Energy-saving automatic control system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011142642/08A RU2494433C2 (en) | 2011-10-24 | 2011-10-24 | Energy-saving automatic control system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011142642A RU2011142642A (en) | 2013-04-27 |
RU2494433C2 true RU2494433C2 (en) | 2013-09-27 |
Family
ID=49152046
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011142642/08A RU2494433C2 (en) | 2011-10-24 | 2011-10-24 | Energy-saving automatic control system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2494433C2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3287615A (en) * | 1963-10-01 | 1966-11-22 | North American Aviation Inc | Self-adaptive control apparatus |
SU746417A1 (en) * | 1978-04-26 | 1980-07-07 | Ордена Ленина Институт Проблем Управления | Multichannel automatic optimizer |
RU2068196C1 (en) * | 1992-12-07 | 1996-10-20 | Акционерное общество закрытого типа "Экспериментальная лаборатория системотехники" | Self-tuning control system |
US20040243258A1 (en) * | 2003-05-27 | 2004-12-02 | Shattil Steve J. | Carrier interferometry coding and multicarrier processing |
-
2011
- 2011-10-24 RU RU2011142642/08A patent/RU2494433C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3287615A (en) * | 1963-10-01 | 1966-11-22 | North American Aviation Inc | Self-adaptive control apparatus |
SU746417A1 (en) * | 1978-04-26 | 1980-07-07 | Ордена Ленина Институт Проблем Управления | Multichannel automatic optimizer |
RU2068196C1 (en) * | 1992-12-07 | 1996-10-20 | Акционерное общество закрытого типа "Экспериментальная лаборатория системотехники" | Self-tuning control system |
US20040243258A1 (en) * | 2003-05-27 | 2004-12-02 | Shattil Steve J. | Carrier interferometry coding and multicarrier processing |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ДУДНИКОВ Е.Г. Автоматическое управление в химической промышленности. - М.: Химия, 1987, стр.61-62, рис.1.44. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011142642A (en) | 2013-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Skogestad | Control structure design for complete chemical plants | |
Panahi et al. | Economically efficient operation of CO2 capturing process. Part II. Design of control layer | |
Raja et al. | Series cascade control: An outline survey | |
Ajmeri et al. | Two degree of freedom control scheme for unstable processes with small time delay | |
Skogestad | Economic plantwide control | |
Pandit et al. | Transforming conventional distillation sequence to dividing wall column: Minimizing cost, energy usage and environmental impact through genetic algorithm | |
Krishnamoorthy et al. | Systematic design of active constraint switching using selectors | |
Tseng et al. | Solving the unit commitment problem by a unit decommitment method | |
Ye et al. | Retrofit self-optimizing control: A step forward toward real implementation | |
Al Seyab et al. | Predictive control for the ALSTOM gasifier problem | |
Padhan et al. | Synthesis of PID tuning for a new parallel cascade control structure | |
RU2494433C2 (en) | Energy-saving automatic control system | |
Asimbaya et al. | A dynamical discontinuous control approach for inverse response chemical processes | |
Isaac et al. | Production potential of severe slugging control systems | |
Raja et al. | Improved tuning of cascade controllers for stable and integrating processes with time delay | |
Skogestad | Plantwide control: Towards a systematic procedure | |
Cao | Constrained self-optimizing control via differentiation | |
Straus et al. | Self-optimizing control in chemical recycle processes | |
Padhan et al. | A new tuning rule of cascade control scheme for processes with time delay | |
Shamsuzzoha et al. | Improved analytical PID controller design for the second order unstable process with time delay | |
Sun et al. | Control performance monitoring of LP-MPC cascade systems | |
Yelchuru et al. | Optimal controlled variable selection with structural constraints using miqp formulations | |
Huang et al. | Trade‐off between energy consumption and ethylene recovery rate for quasi‐plant wide operation optimization of the ethylene column with bottom circulatory system in ethylene complex | |
Aske et al. | Throughput maximization by improved bottleneck control | |
Jäschke et al. | Self-optimizing Control and NCO tracking in the Context of Real-Time Optimization |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131025 |