Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия

Разработана прецизионная система автоматического управления реактором синтеза витамина B6. Модель реактора учитывает взаимное влияние параметров, теплопередачу и кинетику химической реакции. Модель аппаратуры автоматизации учитывает погрешности, инерционности, запаздывания датчиков и исполнительных...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2019
Hauptverfasser:	Стопакевич, А.А., Улицкая, Е.О.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2019
Schriftenreihe:	Проблемы управления и информатики
Schlagworte:	Управление физическими объектами и техническими системами
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/180782
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия / А.А. Стопакевич, Е.О. Улицкая // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 2. — С. 48-58. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-180782
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1807822021-10-19T01:26:45Z Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия Стопакевич, А.А. Улицкая, Е.О. Управление физическими объектами и техническими системами Разработана прецизионная система автоматического управления реактором синтеза витамина B6. Модель реактора учитывает взаимное влияние параметров, теплопередачу и кинетику химической реакции. Модель аппаратуры автоматизации учитывает погрешности, инерционности, запаздывания датчиков и исполнительных механизмов, люфт, выбег и количество включений исполнительных механизмов. Проведенная разработка может послужить основой методики создания прецизионных САУ химическими реакторами непрерывного типа в фармацевтике и, возможно, в других отраслях промышленности. Розглянуто розробку прецизійної системи автоматичного керування хімічним реактором безперервної дії в процесі синтезу вітаміну В6. В реактор надходять потоки концентрованої азотної кислоти і суспензії пірідону з оцтовим ангідридом. Реакція взаємодії пірідону з кислотою є екзотермічною, тому в реакторі передбачена сорочка для охолодження суміші. Хімічний реактор синтезу вітаміну В6, з точки зору моделювання, є реактором ідеального перемішування. Модель реактора враховує взаємний вплив параметрів, теплопередачу і кінетику хімічної реакції. Модель апаратури автоматизації враховує її основні властивості. Беруться до уваги динаміка виконавчих механізмів, вибіг, швидкість ходу валу, що дозволяє більш точно реалізувати керування. Облік особливостей вимірювальних пристроїв при моделюванні системи керування підвищує реалістичність перехідних процесів і оцінки якості системи. Ядром системи є оптимальний нелінійний багатовимірний регулятор. Система керування дозволяє забезпечити високоточне підтримання температури екзо-термічної реакції за рахунок обліку властивостей апаратури. Крім цього, досягається більш якісна компенсація збурень за рахунок застосування підходу керування з поділом вхідних потоків порівняно з типовою системою керування. Розроблена система має властивість робастності при зміні навантаження установки, забезпечуючи високу якість і безпеку процесу синтезу отриманого вітаміну. Суворе підтримання технологічного режиму перешкоджає протіканню небажаних реакцій, що призводять до домішок і порушення гомологічної формули вітаміну В6. Розглянутий алгоритм може служити основою методики розробки прецизійних систем автоматичного керування процесами хіміко-технологічного типу. The article discusses the development of a precision automatic control system for a continuous chemical reactor in the synthesis of vitamin В6. The reactor receives streams of concentrated nitric acid and a suspension of pyridone with acetic anhydride. The reaction of pyridone with acid is exothermic, therefore a jacket is provided in the reactor for cooling the mixture. The chemical reactor for the synthesis of vitamin В6, from the point of view of modeling, is a reactor of ideal mixing. The reactor model takes into account the mutual influence of parameters, heat transfer and the kinetics of a chemical reaction. The model of automation equipment takes into account its basic properties. Take into account the dynamics of the actuators, coasting, the speed of the shaft, which allows more accurate control. Taking into account the features of measuring devices in control system modeling increases the realism of transients and assessing the quality of the system. The core of the system is an optimal nonlinear multidimensional controller. The control system allows to provide high-precision maintenance of the temperature of the exothermic reaction by taking into account the properties of the equipment. In addition, a higher quality compensation of disturbances is achieved through the use of a control approach with separation of incoming flows in comparison with a typical control system. The developed system has the property of robustness when changing the load of the installation, ensuring high quality and safety of the synthesis process of the obtained vitamin. Strict maintenance of the technological regime prevents the occurrence of undesirable reactions leading to the occurrence of impurities and the violation of the homologous formula of vitamin В6. The considered development algorithm can serve as the basis for the development of precision automated process control systems of chemical-technological type. 2019 Article Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия / А.А. Стопакевич, Е.О. Улицкая // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 2. — С. 48-58. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0572-2691 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/180782 681.5.015.23:658.264 ru Проблемы управления и информатики Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Управление физическими объектами и техническими системами Управление физическими объектами и техническими системами
spellingShingle	Управление физическими объектами и техническими системами Управление физическими объектами и техническими системами Стопакевич, А.А. Улицкая, Е.О. Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия Проблемы управления и информатики
description	Разработана прецизионная система автоматического управления реактором синтеза витамина B6. Модель реактора учитывает взаимное влияние параметров, теплопередачу и кинетику химической реакции. Модель аппаратуры автоматизации учитывает погрешности, инерционности, запаздывания датчиков и исполнительных механизмов, люфт, выбег и количество включений исполнительных механизмов. Проведенная разработка может послужить основой методики создания прецизионных САУ химическими реакторами непрерывного типа в фармацевтике и, возможно, в других отраслях промышленности.
format	Article
author	Стопакевич, А.А. Улицкая, Е.О.
author_facet	Стопакевич, А.А. Улицкая, Е.О.
author_sort	Стопакевич, А.А.
title	Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия
title_short	Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия
title_full	Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия
title_fullStr	Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия
title_full_unstemmed	Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия
title_sort	прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2019
topic_facet	Управление физическими объектами и техническими системами
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/180782
citation_txt	Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия / А.А. Стопакевич, Е.О. Улицкая // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 2. — С. 48-58. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Проблемы управления и информатики
work_keys_str_mv	AT stopakevičaa precizionnaâsistemaupravleniâhimičeskimreaktoromnepreryvnogodejstviâ AT ulickaâeo precizionnaâsistemaupravleniâhimičeskimreaktoromnepreryvnogodejstviâ
first_indexed	2025-07-15T21:06:19Z
last_indexed	2025-07-15T21:06:19Z
_version_	1837748538615791616
fulltext	© А.А. СТОПАКЕВИЧ, Е.О. УЛИЦКАЯ, 2019 48 ISSN 0572-2691 УПРАВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ И ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ УДК 681.5.015.23:658.264 А.А. Стопакевич, Е.О. Улицкая ПРЕЦИЗИОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИМ РЕАКТОРОМ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ Ключевые слова: прецизионная система автоматического управления, реактор, витамин В6, нелинейная математическая модель. Введение Одним из способов повышения качества фармацевтической продукции является внедрение в системы автоматизации основных химико-технологических процессов фармацевтической промышленности прецизионных систем автоматического управления (ПСАУ). Такие системы, как правило, реализуют сложный нелинейный закон управления, который рассчитывается на основе как можно более точной не- линейной модели динамики технологического объекта управления (ТОУ). При этом предполагается, что высокопроизводительный микропроцессор реализует закон управления и обеспечивает взаимодействие с прецизионными датчиками и испол- нительными устройствами, объединенными в локальную компьютерную сеть. Отметим, что, в отличие от ПСАУ, классические системы управления на базе линейных регуляторов и системы управления с модельно-прогнозирующим управлением используют при настройке грубые математические модели — в основном, линейные, полученные аппроксимацией экспериментальных раз- гонных характеристик. Эти системы сравнительно легко реализуются с ис- пользованием современных математических пакетов и упрощенных инженер- ных методов настройки, однако принципиально не могут обеспечить высоких требований к качеству управления, требуют наблюдения и периодической подстройки сменными инженерами. Прецизионному управлению уделяется внимание, например, при разработке вооружений [1], электропривода [2], робототехники [3], точной механики [4], однако работ, посвященных прецизионному управлению химико-технологическими процессами, почти нет. Основная причина — традиция упрощенного моделирования объекта управления и пренебрежение свойствами аппаратуры управления. Рассматривая процессы химико-технологического типа, при разработке ПСАУ следует учитывать следующие факторы. 1. Взаимосвязанность параметров ТОУ. Игнорирование того, что каждое управление может влиять на множество выходов, часто существенно ухудшает качество управления ТОУ в целом. 2. Нелинейность динамики ТОУ. Только с помощью нелинейного закона управления можно достичь в рамках одного регулятора одинакового качества управления в различных технологических режимах работы установки. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 49 3. Технические особенности и динамика исполнительных механизмов ТОУ. Учет таких параметров, как выбег, скорость хода вала, мертвая зона, неточность позиционирования и т.п., позволяет более точно реализовать управление ТОУ. 4. Погрешность и инерционность датчиков ТОУ. Учет особенностей измери- тельных устройств при моделировании системы управления повышает реали- стичность переходных процессов и оценки качества системы. 5. Учет характерных возмущений и возможных отклонений параметров ТОУ от модели позволяет обеспечить робастность САУ в условиях параметрической неопределенности [5–7]. В литературе освещены отдельные вопросы моделирования динамики средств измерительной техники регулирующих органов (РО), рассмотрены вопро- сы геометрии клапанов [8], корреляции между трением и ходом регулирующего органа [9]. В то же время практически не рассматривается комплексная задача разработки ПСАУ для процессов химико-технологического типа, которая учиты- вает все указанные выше требования. Авторами предложена прецизионная система автоматического управления химическим реактором непрерывного действия для синтеза витамина B6. Ядром системы является оптимальный нелинейный многомерный регулятор. Комплексное моделирование ПСАУ в целях получения переходных процессов показало, что предложенная система удовлетворяет требованиям качества и безопасности ведения процесса. Система управления позволяет обеспечить высокоточное поддержание температуры экзотермической реакции за счет учета свойств аппаратуры и более качественную, в сравнении с типовой системой управления, компенсацию возмуще- ний за счет применения подхода управления с разделением входящих потоков. Постановка задачи Цель статьи — разработка и исследование предложенной авторами ПСАУ химическим реактором непрерывного действия для синтеза витамина B6, ядром которой является нелинейный оптимальный многомерный регулятор. Комплекс- ное моделирование ПСАУ проводится с использованием модели процесса, пред- ставленного нелинейной системой с сосредоточенными параметрами, а также мо- делей датчиков и исполнительных механизмов. Управляемыми параметрами предложенной ПСАУ являются концентрация конечного продукта, температура в реакторе и уровень продукта. Управления — расходы концентрированной азотной кислоты, суспензии пиридона с уксусным ангидридом, охлаждающей воды в рубашке реактора. Для увеличения точности регулирования расходов исходных потоков в узком диапазоне нагрузок регули- рующего органа используется управление с разделением потока. Идея такого управления заключается в возможности разделения расхода среды к объекту управления на два потока с дальнейшей установкой двух регулирующих органов для реализации малых и больших управляющих воздействий. Предлагаемая прецизионная система автоматического управления и ее математические модели Структурно-функциональная схема процесса моделирования предложенной пре- цизионной САУ представлена на рис. 1 (ИП — измерительный преобразователь). Химический реактор синтеза витамина B6 с точки зрения моделирования яв- ляется реактором идеального перемешивания, в который поступают потоки кон- центрированной азотной кислоты и суспензии пиридона с уксусным ангидридом. Реакция взаимодействия пиридона с кислотой является экзотермической, поэтому в реакторе предусмотрена рубашка для охлаждения смеси. Реакция нитрования — 50 ISSN 0572-2691 реакция первого порядка [10]. Математическая модель реактора составлена на основе стандартных уравнений химической кинетики и термодинамики химических реакций [10, 11]. Приведя аналитическую нелинейную математическую модель динамики объекта управления к стандартному виду, получаем систему уравнений (1). Внешнее возмущение Модель химического реактора Возмущение по положению РО Равномерно распределенный случайный процесс погрешности воспроизведения управления + + + – Модель регулирующего органа Модель исполнительного механизма с учетом динамики, люфта и выбега Оптимальный многомерный регулятор Логический элемент выбора РО для реализации управления на разделенном потоке Задание Модель ИП Равномерно распределенный случайный процесс погрешности ИП Рис. 1 1 22 1 1 3 3 1 1 4 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 dx dt xdx x xdt dx x dt x x dx dt                                            Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 51 3 3 1 1 1 2 2 0 (273 )1 1 1 2 2 0 2 1 2 2 (273 )1 0 3 1 2 3 3 4 1 3 4 3 4 ( ρ ρ ρ) ρ ρ ρ ρ ( ) ρ ρ ( ) ( ) ρ E R x n E R x n i i i i в в i в в в t в в в x u u k S x u C u C k x x k e x S x u c T k c x x k e x H c u x x S c c u T x S k x x c V                                                                                                 (1) Обозначения параметров модели и их номинальные значения приведены в таблице. Таблица Параметр Описание Номинал Единица измерения u1 Расход азотной кислоты 0,0028 м3/с u2 Расход суспензии пиридона 0,0106 м3/с u3 Расход охлаждающей воды 0,012 м3/с x1 Объем смеси в реакторе 4,8 м3 x2 Концентрация B6 на выходе реактора 0,132 кмоль/ м3 x3 Температура B6 в реакторе 41 ºС x4 Температура воды в рубашке 15 ºС F Расход раствора B6 на выходе реактора 0,0152 м3/с С1 Концентрация подаваемой HNO3 0,61 кмоль/ м3 С2 Концентрация подаваемого пиридона 0,129 кмоль/ м3 T1 Температура подаваемой HNO3 20 ºС T2 Температура суспензии пиридона 41 ºС k Константа скорости реакции 1,6∙1011 с–1 Е Энергия активации реакции 83,25 кДж/моль R Универсальная газовая постоянная 8,31 Дж/(моль·ºС) n Порядок реакции 1 – H Тепловой эффект нитрования 1,5∙103 Дж/моль с Теплоемкость витамина B6 1550 Дж/(кг∙ºС) ρ Плотность витамина B6 1431 кг/ м3 с1 Теплоемкость HNO3 1744 Дж/(кг∙ºС) ρ1 Плотность HNO3 1400 кг/ м3 с2 Теплоемкость суспензии пиридона 1529 Дж/(кг∙ºС) ρ2 Плотность суспензии пиридона 1696 кг/ м3 S Площадь теплообмена 14,6 м2 kt Коэффициент теплопередачи к воде 947 Вт/( м2·ºС) Vw Объем воды в рубашке 0,585 м3 сw Теплоемкость воды в рубашке 4179 Дж/(кг∙ºС) ρw Плотность воды в рубашке 992,1 кг/ м3 Тw Температура воды на входе в рубашку 8 ºС Модель реактора дополняется математическими моделями аппаратуры, учи- тывающими их характеристики, погрешности и динамику. 52 ISSN 0572-2691 При моделировании характеристик регулирующих органов во внимание при- нимается изменение коэффициента гидравлического сопротивления λ в зависимо- сти от скорости потока жидкости. Данное явление обусловлено сущностью про- цесса регулирования, при котором в зависимости от степени открытия регулиру- ющего органа протекает разное количество управляющего потока. Расчет коэффициента λ в круглых трубах ведется по формулам (2)–(4). Расчет учитывает изменения расхода и, следовательно, числа Рейнольдса. В качестве входных па- раметров используется текущее значение числа Рейнольдса (Re) и безразмерный коэффициент шероховатости neq=D/Δeq, равный отношению внутреннего диамет- ра трубопровода (D) к эквивалентной шероховатости трубы (Δeq). Разработанная модель (2) представляет собой аппроксимацию известной номограммы Колбрука– Уайта для определения коэффициента λ. Для диапазона чисел Re > 4000 разрабо- танная модель имеет вид ( ))ln( eqnx  : 2 56,5 13 10,8 lg(4000) lg(Re) 4 5,2 0,26 1,14101,91 10 39 184,2 131,7 λ 1 1000 1000 x ex x e                                  . (2) Для диапазона чисел Re < 2000 при моделировании используется уравнение Стокса λ 64 / Re . (3) Для диапазона чисел 2000 < Re < 4000 применяется уравнение вида 0,00216 Re 0,000274 Re0,629 0,0137e e        . (4) Для окончательного получения влияния РО на поток жидкости в трубопрово- де с учетом скорости потока и λ, выбранной линейной или равнопроцентной рас- ходной характеристикой РО (обеспечивающей пропорциональную зависимость между пропускной способностью клапана и ходом плунжера), используется ана- литическая модель вида: 2 2 2 maxγ γ 4 ( 1) γ 2 ( 1) K K K Q Q K             . (5) Здесь Q — объемный расход среды, м 3 /с; Qmax — максимальный расход в системе при полностью открытом РО; γ — вспомогательный коэффициент; K — коэффи- циент, зависящий от формы пропускной характеристики РО. Коэффициент K равен для линейной 21/K S и равнопроцентной 7,82 (1 )SK e   пропускных характеристик РО, где S — степень открытия РО (0 < S < 1). Вспомогательный коэффициент равен . )(8 )( 52     LD DPPP hfi (6) Здесь Рi — начальное давление в линии, Па; Рf — конечное давление в линии, Па; ΔРh — гидростатический напор, Па; ξ — коэффициент местного гидрав- лического сопротивления; ρ — плотность потока, кг/м 3 ; L — длина прямых участков трубопровода, м; λ — коэффициент гидравлического трения; D — диаметр трубопровода, м. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 53 Таким образом, полученные зависимости (5), (6) позволяют учесть нелиней- ную зависимость расхода от степени открытия РО. Модель электрического прямоходного исполнительного механизма разрабо- тана исходя из следующего: — время полного хода составляет 20 с; — выбег моделируется инерционным звеном с запаздыванием, где запазды- вание составляет 0,04 с, а постоянная времени — 0,06 с; — люфт составляет 0,5 % хода; — введено ограничение на 1200 включений / час. Для улучшения качества регулирования ПСАУ используется модель разде- ленного управления на потоке. Так, поток азотной кислоты в реактор разделен на два потока, каждый оснащен РО со своими характеристиками. Введенный в про- грамму регулирования логический элемент распределяет расход среды через РО таким образом, что большая часть его проходит через РО со степенью открытия S 1 , а меньшая — со степенью открытия S 2 . Суммарный расход среды, проходящий через оба РО, равен управляющему воздействию. Для моделирования ограниче- ния скорости перемещения исполнительного механизма (степени открытия РО) и выбора РО, который будет осуществлять управляющее воздействие, в программе управления заложен алгоритм, показанный на рис. 2. j 1 1 1 1 2 2 2 1 j j j j j j S S S S S S         5% 2% S V S S     Sj SS  1 1 1 1 1 sign( )j j j SS S S S    2 1 2 11   jj jj SS SS Vj SS  1 1 1 1 2 2 j j j j S S S S   j + + Рис. 2 54 ISSN 0572-2691 На значение управления, полученного с регулятора, накладывается нели- нейность типа люфта величиной 0,5 % хода регулирующего органа. Далее фор- мируется сигнал разности степени открытия РО на предыдущем и текущем ша- гах. Если это приращение больше реальной скорости перемещения исполни- тельного механизма (ИМ), то степень открытия РО ограничивается 5 % открытия в данном такте (DSS) (время полного хода составляет 20 с). Однако если приращение величины открытия РО меньше 2 % (ΔSV), то отрабатывать данное возмущение будет второй РО с меньшей площадью проходного сечения. Для управления объектом выбран многомерный линейный оптимальный цифровой регулятор с моделью скачкообразных возмущений. Расчет регулятора ведется в соответствии с методикой, описанной в [12, 13]. Уравнение разработан- ного цифрового регулятора, записанное для текущего момента времени, имеет та- кой вид (уравнение динамики возмущений опущено): 1 2 4 . 1 . 2 3 4( ) meas r w er e e u K K x e T x x                     , где xi — состояния модели реактора, xr — состояния интегральной составляющей, являющейся моделью возмущений в виде скачка, е — сигнал рассогласования, включающий погрешность (measurement error) соответствующего канала измере- ния (xi . .meas er ). . . ( ) meas i i e i i r e z x x    , где z1 — задание по уровню в реакторе; z2 — задание по концентрации выходного продукта; z3 — задание по температуре в реакторе. При синтезе регулятора использовался интегральный квадратичный критерий качества с весовой матрицей состояния Q и матрицей управления R, где 0,011 diag ;Q I   (5,5) 0,3;Q  (7,7) 0,01;Q  2000.R  Настройки регулятора K1 и K2 равны 1 2 0,02 0,091 0,0019 0,0005 0,035 0,07 0,0078 0,00002 , 0,0078 0,14 0,01 0,00056 0,0072 0,00056 0,0007 0,001 0,00043 0,00019 0,00012 0,0002 0,0002 K K                              Реактор оснащен измерительными преобразователями. Преобразователи тем- пературы предназначены для измерения температуры процесса нитрования и охлаждающей воды в рубашке. Ультразвуковой уровнемер и концентратомер обеспечивают непрерывное измерение уровня в реакторе и концентрации витами- на B6 на выходе. Информация об измеряемых параметрах поступает на вход про- мышленного компьютера, в котором реализуется алгоритм управления реактором. В метрологии принято погрешность моделировать равномерным распределенным стационарным случайным шумом, следовательно, при моделировании используем этот подход [14]. Модель термопреобразователей имеет следующие характеристики: — абсолютная погрешность (ΔtABS) составляет (0,15+0,002∙t) °C; — динамика представлена инерционным звеном с постоянной времени 7,8 с; . Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 55 — сигнал на входе суммируется с равномерно распределенным стационар- ным шумом, амплитуда которого равна ΔtABS / √3. Модель ультразвукового уровнемера имеет такие характеристики: — абсолютная погрешность измерения (ΔhABS) составляет ±3 мм; — динамика представлена инерционным звеном с постоянной времени 0,2 с; — сигнал на входе суммируется с равномерно распределенным стационар- ным шумом, амплитуда которого равна ΔhABS /√3. Модель концентратомера имеет следующие характеристики: — приведенная погрешность (γC) измерения составляет 2,5 %; — динамика представлена инерционным звеном с постоянной времени 0,5 с; — сигнал на входе суммируется с равномерно распределенным стационар- ным шумом, амплитуда которого равна γC∙(Диапазон)/(√3∙100). Исследование прецизионной системы автоматического управления Переходные процессы, полученные при моделировании разработанной си- стемы управления, приведены на рис. 3 (а — уровень h = x1/3,2, б — температура в реакторе Т = 3x , в — концентрация вита- мина B6 на выходе реактора, С = 2x ; 1 — система управления без учета свойств ап- паратуры; 2 — прецизионная система управления; 3 — прецизионная система управления с разделением потоков). Основным влияющим на процессы в реакторе возмущением, которое невоз- можно поддерживать технологически, является изменение плотности суспензии (концентрации пиридона в ней). Макси- мальное отклонение плотности суспензии равно 9,5 %. Анализ графиков, приведенных на рис. 3, показывает, что прецизионное мо- делирование системы автоматического управления дает результаты, отличающи- еся от упрощенного представления си- стемы при моделировании. При разра- ботке важно точное воспроизведение не только нелинейной модели объекта управления, но и реальных характеристик аппаратуры управления. Несмотря на неидеальность аппара- туры автоматизации, созданная прецизи- онная САУ процессом синтеза витамина B6 обеспечивает не только высокое каче- ство полученного витамина, но и без- опасность процесса синтеза. Строгое поддержание технологического режима препятствует протеканию нежелательных реакций, приводящих к примесям и нарушению гомологической формулы витамина B6. Кроме того, строгое под- 1,514 1,51 0 1,506 1,502 400 300 200 t, c 1,498 100 h, м 1 2 3 а 41,4 41,2 0 41 40,8 400 300 200 t, c 40,6 100 T, c 1 2 3 б 0,132 0 0,128 0,124 400 300 200 t, c 0,12 100 С, кмоль/м 3 1 2 3 в Рис. 3 56 ISSN 0572-2691 держание температуры в зоне реакции снимает потенциальную опасность некон- тролируемого роста температуры при экзотермической реакции нитрования. Применение управления с разделением потоков исходных продуктов позволило реализовать более точное управляющее воздействие при нанесении внутренних и внешних возмущений. Видно, что характерной особенностью предложенного подхода, обеспечивающей учет нелинейных свойств компонентов САУ, является получение более достоверных результатов моделирования. На рис. 4 изображены переходные процессы изменения управляемых парамет- ров при одновременном изменении нагрузки на 25 % и отклонении плотности сус- пензии пиридона: а — температура в реакторе Т = 3x , б — концентрация вита- мина B6 на выходе реактора, С = 2x ; 1 — система управления на базе локаль- ных регуляторов; 2 — прецизионная система управления; 3 — прецизионная система управления с разделением потоков. 0,137 0 0,135 0,133 400 200 t, c 0,131 600 С, кмоль/м 3 1 2 3 б Рис. 4 Результаты исследования показали, что разработанная ПСАУ обладает свой- ством робастности при изменении нагрузки установки, чего не может обеспечить система управления на базе локальных регуляторов при стабилизации концентра- ции продукта, а также температуры в реакторе в зоне допустимых и безопасных для проведения реакции пределов. Заключение Разработана прецизионная система автоматического управления реакто- ром синтеза витамина B6. Модель реактора учитывает взаимное влияние пара- метров, теплопередачу и кинетику химической реакции. Модель аппаратуры автоматизации учитывает погрешности, инерционности, запаздывания датчи- ков и исполнительных механизмов, люфт, выбег и количество включений ис- полнительных механизмов. Проведенная разработка может послужить основой методики создания пре- цизионных САУ химическими реакторами непрерывного типа в фармацевтике и, возможно, в других отраслях промышленности. О.А. Стопакевич, О.О. Уліцька ПРЕЦИЗІЙНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ХІМІЧНИМ РЕАКТОРОМ БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ Розглянуто розробку прецизійної системи автоматичного керування хімічним реактором безперервної дії в процесі синтезу вітаміну В6. В реактор надходять 0,43 0 0,42 0,41 400 300 200 t, c 0,40 100 Т, С 1 2 3 0,44 а Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 2 57 потоки концентрованої азотної кислоти і суспензії пірідону з оцтовим ангідри- дом. Реакція взаємодії пірідону з кислотою є екзотермічною, тому в реакторі передбачена сорочка для охолодження суміші. Хімічний реактор синтезу вітаміну В6, з точки зору моделювання, є реактором ідеального перемішування. Модель реактора враховує взаємний вплив параметрів, теплопередачу і кінетику хімічної реакції. Модель апаратури автоматизації враховує її основні властивості. Беруться до уваги динаміка виконавчих механізмів, вибіг, швидкість ходу валу, що дозволяє більш точно реалізувати керування. Облік особливостей вимірювальних пристроїв при моделюванні системи керування підвищує реалістичність перехідних процесів і оцінки якості системи. Ядром системи є оптимальний нелінійний багатовимірний регулятор. Система ке- рування дозволяє забезпечити високоточне підтримання температури екзо- термічної реакції за рахунок обліку властивостей апаратури. Крім цього, дося- гається більш якісна компенсація збурень за рахунок застосування підходу ке- рування з поділом вхідних потоків порівняно з типовою системою керування. Розроблена система має властивість робастності при зміні навантаження уста- новки, забезпечуючи високу якість і безпеку процесу синтезу отриманого вітаміну. Суворе підтримання технологічного режиму перешкоджає протіканню небажаних реакцій, що призводять до домішок і порушення гомологічної фор- мули вітаміну В6. Розглянутий алгоритм може служити основою методики ро- зробки прецизійних систем автоматичного керування процесами хіміко- технологічного типу. Ключові слова: прецизійна система автоматичного керування, реактор, вітамін В6, нелінійна математична модель. A.A. Stopakevich, E.O. Ulitskaya PRECISION CONTROL SYSTEM FOR A CONTINUOUS CHEMICAL REACTOR The article discusses the development of a precision automatic control system for a continuous chemical reactor in the synthesis of vitamin В6. The reactor receives streams of concentrated nitric acid and a suspension of pyridone with acetic anhy- dride. The reaction of pyridone with acid is exothermic, therefore a jacket is provided in the reactor for cooling the mixture. The chemical reactor for the synthesis of vita- min В6, from the point of view of modeling, is a reactor of ideal mixing. The reactor model takes into account the mutual influence of parameters, heat transfer and the ki- netics of a chemical reaction. The model of automation equipment takes into account its basic properties. Take into account the dynamics of the actuators, coasting, the speed of the shaft, which allows more accurate control. Taking into account the fea- tures of measuring devices in control system modeling increases the realism of tran- sients and assessing the quality of the system. The core of the system is an optimal nonlinear multidimensional controller. The control system allows to provide high- precision maintenance of the temperature of the exothermic reaction by taking into account the properties of the equipment. In addition, a higher quality compensation of disturbances is achieved through the use of a control approach with separation of incoming flows in comparison with a typical control system. The developed system has the property of robustness when changing the load of the installation, ensuring high quality and safety of the synthesis process of the obtained vitamin. Strict maintenance of the technological regime prevents the occurrence of undesirable reac- tions leading to the occurrence of impurities and the violation of the homologous formula of vitamin В6. The considered development algorithm can serve as the basis for the development of precision automated process control systems of chemical- technological type. 58 ISSN 0572-2691 Keywords: precision automatic control system, reactor, vitamin В6, nonlinear math- ematical model. 1. Рутковский В.Ю., Глумов В.М., Суханов В.М. Прецизионное управление нестационарны- ми летательными аппаратами по углу крена. «Международный научно-технический жур- нал «Проблемы управления». 2011. №5. С. 82–87. 2. Паламар М., Пастернак Ю., Паламар А. Дослідження динамічних похибок системи пре- цизійного керування антеною з асинхронним електроприводом. Вісник Тернопільського національного технічного університету. 2014. 76, № 4. С. 164–173. 3. Precision control of modular robot manipulators: the VDC approach with embedded FPGA. W.H. Zhu, T. Lamarche, E. Dupuis, D. Jameux, P. Barnard, G. Liu. IEEE Trans. on Robotics. 2013. 9, N 5. P. 1162–1179. DOI: 10.1109/TRO.2013.2265631. 4. Lei L., Yi Y. Modeling and precision control of systems with hysteresis. UK, Oxford : Butter- worth–Heinemann, 2015. 178 р. 5. Стопакевич А.А. Разработка робастной системы управления колонной атмосферной перегон- ки нефти. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2015. № 2 (77). С. 49–57. DOI: 10.15587/1729-4061.2015.50964. 6. Стопакевич А.А., Стопакевич А.А. Проектирование робастных регуляторов объектами с большим запаздыванием. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2016. № 1(79). С. 48–56. DOI: 10.15587/1729-4061.2016.59107. 7. Fomin O., Masri M., Pavlenko V. Intelligent technology of nonlinear dynamics diagnostics using Volterra kernels moments. International Journal of Mathematical Models and Methods in Ap- plied Sciences. Publisher: NAUN. 2016. 10. P. 158–165. 8. Patrascioiu C., Koester M., Fidlin A. Nonlinear dynamics of a hydraulic pressure control valve. 11th International Conference on Vibration Problems. Lisbon, Portugal, 9–12 September 2013. P.129–135. 9. Patrascioiu C., Panaitescu C., Paraschiv N. Control valves modeling and simulation. CON- TROL'09 5th WSEAS International Conference on Dynamical Systems and Control. La Laguna, Spain, July 01–03. P. 63–68. 10. Коротченкова Н.В., Самаренко В.Я. Витамины гетероциклического ряда. Строение, свой- ства, синтез, химическая технология. СПб : Изд–во СПХФА, 2006. 80 с. 11. Карякин Н.В. Основы химической термодинамики. М. : Академия, 2003. 463 с. 12. Ulitska O.O., Stopakevych O.A. Design of precise control systems of industrial plants. Eastern- European Journal of Enterprise Technologies. 2017. N 2/2 (86). P. 56–62. DOI: 10.15587/1729- 4061.2017.98941. 13. Стопакевич А.А. Системный анализ и теория сложных систем управления. Oдесса : Aстро- принт, 2013. 352с. 14. Стопакевич А.А. Моделирование погрешности термометра сопротивления при разработке информационно-управляющих систем. Український метрологічний журнал. 2015. №4. С. 33–36. Получено 01.08.2018 После доработки 02.01.2019 https://doi.org/10.1109/TRO.2013.2265631

Прецизионная система управления химическим реактором непрерывного действия

Institution

Ähnliche Einträge