Анализ результатов работы системы управления

Содержание

   Введение

1 Описание  технологического процесса моделирования.

2 Литературный  обзор методов моделирования.

3 Цель  моделирования АСУ.

4 Этапы  имитационного моделирования объекта  в VisSim 3.0

5 Расчётно-исследовательская  часть.

5.1 Схема  и материальные потоки технологического  процесса.

5.2 Построение  топологических и структурных  схем подсистем.

5.3 Инструкция  пользователя программой  VisSim  по курсовой работе.

5.4 Построение  имитационных моделей подсистем.

5.5 Уточнение   параметров   передаточных   функций   моделей   подсистем   по   кривым  переходных процессов.

5.6 Коррекция   параметров  передаточных  функций   моделей  подсистем  по отклонениям  входных величин в пределах 5-10%.

5.7 Построение  имитационной модели всей системы  управления с учётом связей  входных и выходных параметров  подсистем исходя из физической  сущности процесса.

5.8 Моделирование  работы системы управления при  подаче возмущающего воздействия  на содержание НКК в сырье К-4.

6 Анализ  результатов работы системы управления.

7 Выводы.

   Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одной из основных задач химической технологии является создание новых высокоэффективных  процессов и совершенствование  уже действующих. Но в современном  мире технологические процессы и  системы имеют настолько сложную  структуру, что их изучение возможно только при помощи методологии системного анализа. В частности, с появлением электронных вычислительных машин  одним из наиболее важных и полезных орудий анализа структуры сложных  процессов и систем стало имитационное моделирование.

Идея  имитационного моделирования очень  проста и в тоже время практически  полностью решает поставленную задачу. Она даёт возможность пользователю экспериментировать с системами (существующими  и предлагаемыми) в тех случаях, когда делать это на реальном объекте  практически невозможно или нецелесообразно.

Имитационное  моделирование основывается главным  образом на теории вычислительных систем, математике, теории вероятностей и   статистике. Но в тоже время имитационное моделирование и экспериментирование  во многом остаются интуитивными процессами.

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание технологического процесса объекта моделирования
1. Назначение процесса

Установка вторичной перегонки нефти предназначена  для разделения фракций, полученных при первичной перегонке, на более  узкие погоны, каждый из которых  затем используется по собственному назначению.

Сырьем  колонны К-3 является фракция 85-180 ⁰С. Верхний продукт колонны К-3 (фракция 85-105 ⁰С) предназначен для переработки на установках каталитического риформинга с целью получения толуола. Боковой погон (фракция 105-140 ⁰С) предназначен для переработки на установках каталитического риформинга с целью получения ксилола. Нижний продукт колонны К-3 (фракция 140-180 ⁰С) является компонентом товарного бензина и керосина, а также используется как сырье установок каталитического риформинга и гидроочистки керосина.

 

2. Технологическая схема процесса

Сырье поступает  в колонну К-3 установки вторичной перегонки бензина. Верхний продукт колонны – фракция НК–62⁰С охлаждается в холодильнике ХК-3, после чего собирается в ёмкости Е-3, из которой часть дистиллята отбирается на холодное орошение, а часть отбирается с установки. С нижней части колонны отбирается фракция 62–85⁰С, часть которой подогревается и возвращается обратно в колонну, оставшаяся часть потока отводится с установки.

Боковой погон колонны К-3 поступает в  колонну К-4, где разгоняется на две фракции. Верхняя фракция  возвращается в колонну К-3. С нижней части колонны К-4 отбирается фракция 105-140⁰С, часть которой подогревается и возвращается обратно в колонну, оставшаяся часть потока отводится с установки.

 

 

 

1.3 Материальные и энергетические потоки процесса

Поступило:

- cырьё F, кг	65,2
- температура сырья TF, 0C	140
- содержание НКК в сырье XF, мольные доли	0,6

Получено:

Фракция 85–105 0С D, кг	12.5
Фракция 105–140 0С W1, кг	23,8
Фракция 140–180 0С W, кг	28,9

Технологический режим колонны К-3:

Температура верха TВ, 0C	110
Температура низа TН, 0C	200
Температура холодного орошения TХ, 0C	50
Температура горячей струи TГС, 0C	250
Показатель по качеству продукта (плотность остатка Ro)	800

Технологический режим колонны К-4:

Температура бокового погона tБ, 0C	150
Температура верха tВ, 0C	125
Температура низа tН, 0C	140

 

1.3.1 Материальный баланс

Материальный  баланс по потоку сырья для всей системы:

F + g_VP = D + W₁ + W + V

F + g_VP = 65.2 + 0.5 = 65.7 кг

D + W₁ + W + V = 12.5 + 23.8 + 28.9 + 0.5 = 65.2 кг.

Материальный  баланс по потоку сырья сходится.

Расчет  потоков для атмосферной колонны К-3:

- кратность орошения R = 2.5;

- расход холодного орошения

g_ХО = R * D = 2.5 * 12.5 = 31.3 кг;

- расход верхнего продукта 

G_В = D + g_ХО + V = 12,5 + 31,3 +0,5 = 44,3 кг;

- расход горячей струи 

G_ГС = S * W = 0.1 * R * W = 0.1 * 2.5 * 28.9 = 7.2 кг;

- расход нижнего продукта 

G_Н = W + G_ГС = 28.9 + 7.2 = 36.1 кг.

Расчет  потоков для колонны К-4:

- расход водяного пара g_VP = 0.5 кг;

- расход нижнего продукта 

g_Н = W₁ = 23.8 кг;

- расход верхнего продукта g_В = 1.2 кг;

- расход сырья

F_K-4 = g_Н + g_В – g_VP = 23.8 + 1.2 – 0.5 = 24.5 кг.

Тогда материальный баланс колонны  К-3:

F+ g_ХО + g_В + G_ГС = G_В + F_K-4 + G_Н

F = G_В + F_K-4 + G_Н - g_ХО - g_В - G_ГС =

= 44.3 + 24.5 + 36.1 – 31.3 – 1.2 – 7.2 = 65.2 кг.

Таким образом, материальный баланс колонны  К-3 сходится.

 

2. Литературный обзор методов моделирования

Различают три вида моделирования: физическое, математическое и комбинированное.

При физическом моделировании изучение процесса проводится непосредственно на физической модели в разных масштабах. Опытные данные обрабатываются с последующим представлением их в форме зависимостей безразмерных комплексов, составленных комбинацией  различных физических величин и  линейных размеров. Эта безразмерная форма позволяет распространить найденные зависимости на группу подобных между собой явлений, характеризующихся  постоянством определяющих безразмерных комплексов или критериев подобия. Этот подход оправдывает себя для простых систем при анализе исследований детерминированных процессов. Однако использование физического подобия становится затруднительным при изучении и анализе стохастических процессов.

Сущность  математического моделирования  заключается в том, что деформация модели процесса изучается не на физической модели, а непосредственно на математической модели с применением ПК.

С позиции  системного подхода математическое моделирование можно рассматривать  как итеративный процесс, протекающий  в три этапа:

1) формализация  изучаемого процесса – составление  математического описания его  модели;

2) разработка  алгоритма, моделирующего изучаемый  процесс;

3) установление  адекватности модели изучаемому  объекту.

Методы  математического моделирования  позволяют исследовать различные  варианты аппаратурного оформления процесса, изучить его основные особенности  и вскрыть резервы усовершенствования. При этом всегда гарантируется отыскание  оптимальных решений в рамках используемой математической модели.

Необходимо  отметить, математическое моделирование  ни в коей мере не противопоставляется  физическому моделированию, а, наоборот, призвано дополнить его имеющимся  арсеналом полученных математических зависимостей.

В настоящее  время методы физического моделирования  используются для нахождения границ деформации коэффициентов, входящих в  уравнения математической модели, и  установления адекватности модели изучаемому объекту. Математическое и физическое моделирование хорошо дополняют  друг друга в комбинированном  методе моделирования. При этом трудность  формализации математического описания отдельных стадий процесса решается путём физического моделирования  и наоборот.

К комбинированному моделированию относится имитационное моделирование.

Имитационное  моделирование начинается с составления  наиболее простой  модели.   Затем   проводится   эксперимент   и   выявляется   степень адекватности модели. После этого, как правило, происходит её усложнение и вновь ставится эксперимент. Процесс повторяется до создания модели адекватной объекту и отвечающей заданной точности.

Имитационное  моделирование позволяет ускорять и удешевлять проведения эксперимента, решать задачи, включая прогнозные задачи и моделировать системы, состоящие  из элементов различной природы.

  

3. Цель  моделирования АСУ

Целью данной работы является разработка модели блока атмосферной колонны К-3 установки вторичной перегонки бензинов и оптимизация параметров системы управления технологическим процессом.

 

4. Этапы  имитационного моделирования объекта  в VisSim 3.0

Моделирование системы управления проводится с  использованием системного (структурного) анализа сложных АСР со следующим  итеративным подбором параметров передаточных функций объектов управления.

Особенностью  данного способа, является малый  исходный объём информации и относительно меньшая трудоёмкость. Структурный  анализ используют на ранних стадиях  создания системы управления для  выявления свойств системы, которые  определяются её структурными особенностями.

Моделирование системы управления с использованием структурного анализа можно разбить  на этапы:

1. разрабатывается структурная схема объекта управления (выделяются границы подсистем технологических объектов, определяют входы/выходы и задачи, решаемые подсистемой);
2. строится граф входных и выходных параметров отдельных подсистем;
3. разработка имитационной модели и уточнение структуры соединения звеньев;
4. определение параметров передаточных функций;
5. связывание подсистем или элементов в систему и её отладка;
6. исследование системы управления с целью оптимизации процессов и её исследование.

 

5. Расчётно-исследовательская часть

5.1 Схема  и материальные потоки технологического процесса

Моделирование колонны К-3 проводится исходя из подачи сырья (F=65.2 кг), получения дистиллята (D=12,5 кг), бокового погона (W₁=24,5 кг) и остатка (W=28.9 кг). Температура сырья (T_F=140°C). Температура верха колонны (T_в=110°C) регулируется холодным орошением (Т_x.о=50°C, G_x.o.=31,3 кг), температура низа колонны (T_н=200°С) – горячей струей (T_г.с.=250°C, G_г.с.=7,2 кг). Охлаждение потока, поступающего с верха колонны, осуществляется в холодильнике XK-3 (t_возд=24°C). Подогрев горячей струи осуществляется в печи П-2 (t_пер=650°C). Боковой погон (t_б.=150°C, F_K-4=24,5 кг) поступает в колонну К-4. Температура верха колонны К-4 t_в=125°C регулируется боковым орошением (g_В=1,2 кг), температура низа колонны К-4 (t_н=140°С) – подачей водяного пара (g_в.п.=0.5 кг).

Технологическая схема блока колонны К-3 установки  вторичной перегонки бензина  представлена на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 –  Технологическая схема блока  колонны К-3 установки вторичной  перегонки бензина

 

5.2 Построение  топологических и структурных схем подсистем

Анализ  технологического процесса начнём с  разбиения всей системы на подсистемы:

• колонна К-3;
• колонна К-4;
• холодильник ХК-3;
• емкость Е-3;
• печь П-2.

5.2.1 Построение  топологической схемы колонны  К-3

Входные параметры:

• расход сырья F;
• температура сырья Т_F;
• расход парового орошения G_гс;
• расход холодного орошения G_хо;
• состав сырья по НКК X_F;
• расход бокового орошения g_Б.

Выходные  параметры:

• температура низа Т_н;
• температура верха Т_в;
• расход остатка G_н;
• расход дистиллята G_в;
• показатель качества остатка по плотности Ro;
• расход бокового погона F_K-4.

Топологическая схема колонны  К-3 представлена на рисунке 5.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.2 - Топологическая схема колонны К-3

 

 

5.2.2 Построение топологической схемы колонны К-4

Входные параметры:

• расход сырья F_K-4;
• температура сырья Т_Б;
• расход парового орошения g_вп.

Выходные  параметры:

• температура низа t_н;
• температура верха t_в;
• расход остатка g_н;
• расход дистиллята g_в.

Топологическая  схема колонны К-4 представлена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 - Топологическая схема колонны К-4

 

 

5.2.3 Построение топологической схемы ёмкости Е-3

Входные параметры:

• приход сырья G_V;
• расход воды V;
• уход сырья g.

Выходные  параметры:

- уровень L.

Топологическая  схема емкости Е-3 представлена на рисунке 5.4.

       

 

Рисунок 5.4 - Топологическая схема ёмкости

 

 

5.2.4 Построение топологической схемы холодильника ХК-3

Входные параметры:

• поток дистиллята G_В;
• начальная температура дистиллята Т_В;
• температура охлаждающего воздуха Т_ВОЗД.

Выходные  параметры:

• выход дистиллята G_В;
• конечная температура дистиллята Т_хо.

Топологическая  схема холодильника ХК-3 представлена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 - Топологическая схема холодильника-конденсатора

 

5.2.5 Построение топологической схемы печи П-2

Входные параметры:

• поток остатка G_вх;
• температура остатка Т_н;
• температура перевала Т_пер.

Выходные  параметры:

• поток горячей струи G_гс;
• температура горячей струи Т_гс.

Топологическая  схема печи П-2 представлена на рисунке 5.6.

 

Рисунок 5.6 - Топологическая схема печи П-2

 

 

5.3 Инструкция  пользователя программой VisSim по курсовой работе

Идентификация моделей в VisSim требует построения передаточных функций по следующим правилам:

- откройте меню Блок (Bloks), затем меню Линейная Система (Linear System) и выберите Передаточная Функция (transferFunction);

- поместите прямоугольник на рабочее поле;

- измените настройки передаточной функции, нажав на блок правой кнопкой мыши. При этом можно изменить коэффициент усиления звена (Gain), коэффициенты полинома числителя (Numerator) и знаменателя (Denominator);

- вводятся коэффициенты поочерёдно через пробел от показателя степени N к показателю степени 0;

- для задания запаздывания передаточную функцию умножают (последовательное соединение) на чистое запаздывание. Для этого в меню Блок (Bloks), выбрать меню Временная Задержка (Time Delay) и подменю Временная Задержка (timeDelay), где время задержки задаются так: выбрать в меню Блок (Bloks), подменю Задачи Сигнала (Signal Producer) и Постоянную (const);

- для создания блока объединяющего несколько передаточных функций необходимо предварительно выделить объединяемые блоки, затем выбрать меню Редактирование (Edit), выбрать меню Создание Объединённого Блока (Great Compound Block). Имя Объединённого Блока (Compound Name) -содержит название модели, например колонна, ёмкость и т.д.

Построение  откликов системы (переходных характеристик) производят так же при помощи пакета программ VisSim. Для этого откройте меню Блок (Bloks), затем меню Использование Сигнала (Signal Consumer) и выберите построение (plot).

 

5.4 Построение  имитационных моделей подсистем.

Имитационная  модель колонны К-3 представлена на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 - Имитационная модель колонны К-3

 

 

 

 

Имитационная модель колонны К-4 представлена на рисунке 5.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.8 - Имитационная модель колонны К-4

 

Имитационная  модель ёмкости Е-3 представлена на рисунке 5.9.

 

Рисунок 5.9 - Имитационная модель ёмкости Е-3

 

Имитационная  модель холодильника ХК-3 представлена на рисунке 5.10.

Рисунок 5.10 - Имитационная модель холодильника ХК-3

 

Имитационная  модель печи П-2 представлена на рисунке 5.11.

 

Рисунок 5.11 - Имитационная модель печи П-2

      

 

 

5.5 Уточнение  параметров передаточных функций  моделей подсистем по кривым переходных процессов

Подбор  параметров передаточных функций подсистем  производим исходя из условий, что кривая переходного процесса имеет:

-величину  перерегулирования σ, не более  20%;

-минимальное  время регулирования tр, не более 15-20 мин.;

-число  полуколебаний, не более 2-3;

-степень  затухания ψ, не менее 0,75.

Из переходных кривых имитационных моделей подсистем  приведённых в пункте 5.4 видно, что  все передаточные функции удовлетворяют  указанным требованиям. 

 

 

 

5.6 Коррекция  параметров передаточных функций  моделей подсистем по отклонениям  входных величин в пределах 5-10%.

Изменим поток дистиллята, входящего в ёмкость Е-3 на ±10% (рисунок 5.12).

Рисунок 5.12 - Влияние изменения потока дистиллята входящего в ёмкость

Е-3

 

 

 

Изменим расход воды из ёмкости Е-2 на ±10% (рисунок 5.13).

Рисунок 5.13 - Влияние изменения расхода воды из ёмкости Е-3

 

 

 

Изменим поток  дистиллята G_V, входящего в холодильник ХК-3 на ±10% (рисунок 5.14).

 

Рисунок 5.14 - Влияние изменения дистиллята G_V входящего в холодильник ХК-3 на ±10%

 

 

 

Изменим температуру дистиллята, входящего в холодильник ХК-3, на ±10% (рисунок 5.15).

 

 

Рисунок 5.15 - Влияние изменения температуры дистиллята, входящего в холодильник ХК-3

 

 

 

Изменим температуру воздуха, входящего  в холодильник ХК-3, на ±10% (рисунок 5.16).

 

 

Рисунок 5.16 - Влияние изменения температуры воздуха, входящего в холодильник ХК-3

 

 

 

 

Изменим поток остатка, входящего в печь П-2 на ±10% (рисунок 5.17).

 

Рисунок 5.17 - Влияние изменения потока остатка входящего в печь П-2

 

 

 

Изменим температуру остатка, входящего в печь П-1 на ±10% (рисунок 5.18).

Рисунок 5.18 - Влияние изменения температуры остатка, входящего в печь

П-2

 

 

 

Изменим поток сырья, входящего в колонну К-3 на ±10% (рисунки 5.20, 5,21).

 

 

Рисунок 5.20 - Влияние изменения потока сырья входящего в колонну К-3 на +10%.

 

 

Рисунок 5.21 - Влияние изменения потока сырья входящего в колонну К-3 на -10%.

 

Изменим температуру потока сырья, входящего в колонну К-3 на ±10% (рисунки 5.22, 5,23).

 

Рисунок 5.22 - Влияние изменения температуры потока сырья входящего в колонну К-3 на +10%.

 

 

 

 

 

Рисунок 5.23 - Влияние изменения температуры потока сырья входящего в колонну К-3 на -10%

 

Изменим расход потока G_xo, входящего в колонну К-3 на ±10% (рисунки 5.24, 5,25).

 

 

 

Рисунок 5.24 - Влияние изменения потока G_xo, входящего в колонну

К-3 на +10%

 

 

 

 

Рисунок 5.25 - Влияние изменения потока G_xo, входящего в колонну

К-3 на -10%

 

Изменим расход потока G_гс, входящего в колонну К-3 на ±10% (рисунки 5.26, 5,27).

 

 

Рисунок 5.26 - Влияние изменения потока G_гс, входящего в колонну

К-3 на +10%

 

 

 

Рисунок 5.27 - Влияние изменения потока G_гс, входящего в колонну

К-3 на -10%

 

Изменим содержание НКК в сырье, входящем в колонну К-3, на ±10% (рисунки 5.28, 5,29).

 

Рисунок 5.28 - Влияние изменения содержания НКК в сырье, входящем в колонну К-3 на +10%

 

Рисунок 5.29 - Влияние изменения содержания НКК в сырье, входящем в колонну К-3 на -10%

 

 

Изменим расход потока бокового орошения g_B, входящего в колонну К-3 на ±10% (рисунки 5.30, 5,31).

 

Рисунок 5.30 - Влияние изменения потока g_B, входящего в колонну

К-3 на +10%

 

Рисунок 5.31 - Влияние изменения потока g_B, входящего в колонну

К-3 на -10%

 

 

Изменим поток сырья, входящего в колонну  К-4 на ±10% (рисунки 5.32, 5,33).

 

Рисунок 5.32 - Влияние изменения потока сырья входящего в колонну К-4 на +10%.

 

Рисунок 5.33 - Влияние изменения потока сырья входящего в колонну К-4 на -10%.

 

Изменим температуру потока сырья, входящего  в колонну К-4 на ±10% (рисунки 5.34, 5,35).

Рисунок 5.34 - Влияние изменения температуры потока сырья входящего в колонну К-4 на +10%

 

Рисунок 5.35 - Влияние изменения температуры потока сырья входящего в колонну К-4 на -10%

Изменим расход потока g_ВП, входящего в колонну К-4 на ±10% (рисунки 5.36, 5,37).

Рисунок 5.36 - Влияние изменения потока g_ВП, входящего в колонну