پایان نامه شبیه سازی دینامیکی یک راکتور CSTR
مقدمه
بهره برداري مطلوب از واحدهاي صنعتي از نظر فني و اقتصادي بدون استفاده از سيستم هاي کنترل اتوماتيک تقريباً عملي غيرممکن ميباشد و ازطرفي عدم توجه به مسائل ناشي از تنظيم نادرست کنترلکنندهها ضررهاي جبران ناپذيري را وارد مي آورد. کنترل دقيق فرآيندهاي صنعتي براي بهبود راندمان و افزايش طول عمر مستلزم دو مسئله عمده زير مي باشد:
الف)طراحي سيستم کنترل مناسب براي فرآيند مربوطه
ب)تنظيم سيستم کنترل مناسب براي فرآيند مربوطه
تنظيم بهينه کنترلکنندهها در بهبود عملکرد و بهرهبرداري مطمئن و اقتصاديتر سيستم هاي صنعتي نقشي اساسي بازي مي کند. مرور زمان و تغيير پارامترهاي سيستم، کنترل کننده ها را از تنظيم بهينه خارج ميکند. تنظيم مجدد اين کنترل کننده ها هر از چند گاهي لازم ميباشد. اغلب مشاهده مي شود که از همان ابتداي تحويل سيستم به علت وقتگير بودن، پيمانکاران علاقه اي به تنظيم بهينه از خود نشان نميدهند. لذا تنظيم بهينه کنترل کننده ها در سيستم هاي صنعتي از اهميت بالائي برخوردارمي باشد.
کنترل کننده خودکار با مقايسه مقدار واقعي خروجي پروسه با مقدار مطلوب اختلاف آنها را تعيين و سيگنال کنترلي توليد مي کند که خطا را تا صفر يا مقدار کوچکي کاهش مي دهد. توليد سيگنال کنترل به وسيله کنترل کننده خودکار را عمل کنترل مي نامند. در کنترلکنندهها، سيگنالها معمولاً استاندارد هستند در مورد سيگنالهاي الکتريکي، دو نوع استاندارد متداول است.
الف)جريان: دو محدوده استاندارد جريان الکتريکي متدوال است. يکي محدوده MA 20 – 0 و ديگري MA 20 – 4 که استاندارد اين نوع بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرد.
ب)ولتاژ: دو محدوده استاندارد ولتاژ متدوال است. يکي v 10 – 0 و ديگري v 24 – 0
کنترل کننده ها بطور کلي شامل اجزاء زير هستند:
1-اجزاء اصلي: شامل يک تقويت کننده با بهره زياد که در مسير پيشرو قرار دارد.
2-اجزاء RC: مدار RC معمولاً در فيدبک قرار مي گيرد.
انواع کنترلکنندههايي که بطور وسيع مورد استفاده قرار ميگيرند عبارتند از تناسبي (P)، تناسبي-انتگرالگير (PI)، تناسبي-مشتقگير (PD)، تناسبي-انتگرالگير-مشتقگير (PID).
مقدمهاي بر کنترل
کنترل يکي از شاخه هاي علوم مهندسي و علمي است که در مورد چگونگي تسلط بر پديده ها و هدايت رفتار آنها صحبت مي کند. شايد تولد اين علم به زمان انسانهاي نخستين بازگردد. از آن روز تاکنون علم کنترل پيشرفت هاي زيادي نموده است. در صنعت با فرآيندهاي صنعتي که بسيار متنوع و متفاوت مي باشد براي کنترل آنها اصول و اجزاي کمابيش مشابهي وجود دارد. همانطورکه مي دانيم طراحي کليه واحد هاي شيميايي در حالت پايا (steady state) انجام مي شود. وجود اغتشاشات در شرايط عملياتي همواره شرايط پايا را بر هم مي زند. لذا به منظور نگهداشتن فرآيند در مسير مطلوب استفاده از سيستم کنترل اجتناب ناپذير مي باشد.
اصطلاحات موجود در کنترل
علم کنترل
کنترل علمي است که در مورد چگونگي تحت اختيار درآوردن و هدايت رفتارهاي پروسه ها صحبت مي کند.
پروسه يا فرآيند (process)
فرآيند پديدهاي است که مايل به تحت اختيار در آوردن آن هستيم.
سيستم
سيستم مجموعه اي از اجزائي است که با همکاري يکديگر هدف معيني را دنبال مي کنند.
ورودي
فرماني که براي هدايت فرآيند به آن اعمال مي شود را ورودي فرِآيند گوئيم. بديهي است که يک فرآيند ممکن است داراي چندين ورودي باشد. ورودي را گاهي مقدار مطلوب نيز مي گويند.
خروجي
رفتار يا رفتارهايي که مورد توجه ما هستند و مايل به تحت اختيار درآوردن آنها هستيم را خروجي فرآيند گوئيم.
اغتشاش
سيگناليست که بر مقدار خروجي سيستم اثر نامطلوب دارد. اغتشاش اگر در درون سيستم ايجاد شود اغتشاش دروني ناميده مي شود در حاليکه اغتشاش بروني، در خارج از سيستم به وجود مي آيد و خود يک ورودي است. اگر اغتشاش قابل پيش بيني باشد مي توان در مدار وسائل جبران کننده وارد نمود و در صورتيکه اغتشاش غيرقابل پيش بيني باشد لزومي به اندازه گيري آن نخواهد بود.
سرومکانيزم
سرومکانيزم يک سيستم کنترل فيدبک داري است که خروجي آن وضعيت، سرعت شتاب است. سرومکانيزمها در صنعت کاربرد گستردهاي دارند.
مقدار مطلوب يا مقرر خروجي کنترل شوندهSet point هدف از کنترل فرآيند نگهداشتن و يا رساندن خروجيهاي فرآيند به مقدار مقرر ميباشد. مقدار مقرر مي تواند در طول فرآيند ثابت و يا متغير باشد.
Controller variable or process variable
متغييري كه مي خواهيم كنترل نماييم( كنترل شونده )
متغير کنترلکننده (در اغلب موارد باز بودن شير) Manipulated Variable متغيري است که با استفاده از تغيير دادن آن مي توان خروجي را روي مقدار مقرر تنظيم کرد.
Signals:
1- Analog signal (پيوسته) pneumatic (3-15 psig)
2- Digital signal (گسسته) electrical (4-20 ma)
Transduser
براي تبديل سيگنالها به يکديگر نياز به convertor داريم.
سيگنال الکتريکي را به نيوماتيک تبديل مي کند.
1) I / D convertor
به فشار هواي 3-15 psig تبديل مي کند.
سيگنال آنالوگ را به ديجيتال تبديل ميکند. 2) A / D
مثلاً 4-20 ma را به سيگنال 0 و 1 کامپيوتر تبديل ميکند.
برعکس بالا 3) D / A
نمودار فرآيند (process flow diagram)PFD
(process and instrumeation diagram) P & ID
نمودار فرآيندي همراه با ابزار دقيق
تقسيم بندي سيستم هاي کنترل[1]
کنترل مي تواند به دو شيوه دستي(manual) و خودکار (Automatic) انجام گيرد. صرفه اقتصادي، دقت و سرعت سيستم هاي کنترل اتوماتيک باعث شده است که اين سيستمها رفته رفته جايگزين روش هاي منسوخ کنترل دستي گردند به گونه اي که امروزه استفاده از روش دستي حتي در ساده ترين واحد هاي فرآيندي غير قابل تصور مي باشد.
در روش دستي که آن را با نام مدار باز نيز مي شناسيم اپراتور (که در اينجا نيروي انساني مي باشد) به محض مشاهده انحراف فرآيند از مقدار مطلوب که با استفاده از طراحي تعيين گشته است، اقدام به تغيير ورودي هاي تاثير گذار مي کند و اين ,کار را تا رساندن خروجي به مقدار مطلوب ادامه مي دهد. در اين روش چگونگي تغييرات ورودي و ميزان آنها به شيوه تجربي و آزمون و خطا تعيين مي شود لذا نيازي به دانستن مدل فرآيند، اغتشاشات تاثير گذار و ساير موارد وچود ندارد. همانطور که گفته شد عدم دقت و کندي اين روش استفاده از آن را غير قابل توجيه مي سازد.
سيستم هاي کنترل به طور کلي دو نوع عمده حلقه- باز و حلقه- بسته تقسيم مي شوند. عامل اساسي تفاوت بين اين دو گروه از سيستم هاي کنترل ناشي از کاربرد فيدبک در سيستم هاي حلقه- بسته است.
سيستم هاي کنترل حلقه-باز
در اين سيستم ها خروجي بر عمل کنترل تأثيري ندارد يعني در سيستم کنترل حلقه- باز خروجي با ورودي مقايسه نمي شود لذا خروجي نه اندازه گيري و نه فيدبک مي گردد. در اين نوع سيستم کنترل براي هر ورودي مبنا شرط عملي خاصي وجود دارد. سيستم هاي کنترل حلقه-باز فقط در صورتي کاربرد دارند که رابطه ميان ورودي و خروجي آنها معلوم و هيچ گونه اغتشاش دروني يا بروني نداشته باشند. سيستم هاي حلقه- باز به طور کلي داراي خصوصيات زير هستند:
1-دقت متوسط يا کم
2-حساسيت زياد نسبت به شرايط محيط
3-پاسخ کند
4-سادگي دستگاه
5-اقتصادي بودن
سيستم هاي کنترل حلقه-بسته
سيستم کنترل حلقه- بسته سيستمي است که در آن سيگنال خروجي بر عمل کنترل اثر مستقيم دارد. اصطلاح حلقه- بسته بر استفاده از عمل فيدبک براي کاهش خطاي سيستم دلالت دارد. سيگنال خطاي کارانداز که در سيستم کنترل حلقه- بسته مي باشد تفاضل بين سيگنال ورودي و سيگنال فيدبک را مشخص مي کند که خروجي سيستم را به مقدار مطلوب برساند.
مقايسه سيستم هاي کنترل حلقه- باز و حلقه- بسته
يکي از محاسن سيستم هاي کنترل حلقه- بسته اين است که پاسخ سيستم به علت استفاده از فيدبک در مقابل اغتشاشات بروني و تغييرات دروني پارامترهاي سيستم نسبتاً غيرحساس است. در صورتيکه چنين کاري در مورد سيستم هاي کنترل حلقه-باز ممکن نيست. از ديدگاه پايداري ساخت سيستم هاي کنترل حلقه- باز آسانتر است. زيرا در اين سيستم ها پايداري مسئله اصلي است و ممکن است به اصطلاح بيش از حد خطا و در نتيجه ايجاد نوساناتي ناخواسته يا افزايش دامنه خروجي منجر شود.
مزاياي سيستم حلقه-بسته در مقابل سيستم حلقه-باز
1-دقت بسيار زياد
2-پاسخ سريع
3-استقلال نسبي از شرايط محيط
اصول طراحي سيستم هاي کنترل
الف)روش عمومي طراحي
هر سيستم کنترلي بايد پايدار باشد و اين شرط اساسي است يعني پاسخ بايد بطور معقولي سريع و ميرا باشد. سيستم کنترل بايد بتواند خطاها را تا صفر يا مقادير نسبتاً کمي کاهش دهد.
ب)روش اصلي طراحي سيستم هاي کنترل
روش اصلي طراحي هر سيستم کنترل الزاماً مبتني بر روشهاي آزمون و خطاست. آنچه در عمل با آن مواجه مي شويم آن است که دستگاه مشخص موجود است و مهندس کنترل بايد بقيه سيستم را به گونه اي طراحي کند تا کل سيستم بتواند مشخصات مفروضي را برآورده سازد.
روش هاي کنترل (خطي و غيرخطي)
سيستمهاي كنترل خطي و غير خطي
اين طبقهبندي براساس روشهاي تجزيه و تحليل و طراحي استوار است، اگر بخواهيم دقيق صحبت كنيم اصولاً سيستم خطي وجود ندارد، چرا كه تمام سيستمهاي واقعي تا حدودي غيرخطياند سيستمهاي كنترل فيدبك دارخطي، مدلهايي آرمانی هستند كه به وسيلة تحليلگر منحصراً به منظور سهولت تحليل و طراحي ساخته ميشوند اگر در يك سيستم كنترل اندازه سيگنالها محدود به مرزهايي شوند كه در آن اجزاي سيستم، مشخصههاي خطي از خود بروز ميدهند. سيستم اساساً خطي است ولي وقتي كه اندازة سيگنالها از محدوده كار خطي خارج ميشود، بسته به شدت غير خطي بودن ممكن است ديگر نتوان سيستم را خطي فرض كرد.
روش کنترل خطي
از معادله رياضي مدل فرآيند تبديل لاپلاس مي گيريم و توابع وابسته را به دست مي آوريم و ريشه هاي مخرج را مورد توجه قرار ميدهيم و تعيين پايداري مي کنيم.
تئوري کنترل خطي
يک سيستم پايدار است اگر به ازاي جميع ورودي هاي محدود، خروجي سيستم محدود باقي بماند. ورودي هاي cos, sin, impuls, puls ورودي هاي محدود هستند و جهت چک کردن پايداري فرآيند مناسب است. چنانچه به ازاي يک ورودي، محدوده ناپايدار باشد، ناپايدار است.
تبديل لاپلاس[2]
جهت حل معادلات ديفرانسيل پاره اي مثل زمان استفاده ميشود. تابع تبديل لاپلاس در بازه صفر تا بينهايت تعريف مي شود.
تابع F(s) را تبديل لاپلاس تابع f(t) مي گوئيم.
از تابع هاي unit impuls, puls معمولاً در آناليز سيستم هاي کنترل استفاده مي شود.
سيستم كنترل پيش خور
گاهي اوقات اين تاخير خيلي تاثيرگذار نيست ولي در بعضي مواقع بسيار مهم مي باشد براي اين سيستم ها به سراغ كنترل پيشخور feed forward ميرويم. در اين نوع كنترل بايستي نوع اغتشاش و مدل دقيق فرآيند شناخته شود. در اين روش پيش از ايجاد اغتشاش سيستم اقدام به نابودي آن ميکند. در نتيجه خروجي ها تقريبا ثابت مي مانند.
معايب اين روش عبارت است از :
- نياز به سنسورهاي اندازه گيري به تعداد اغتشاش هاي موجود است.
- از نظر اقتصادي به صرفه نيست
- طراحي اين سيستم ها مشکل مي باشد ( نياز به مدل دقيق فرآيند است )
و مزاياي آن:
چنانچه سيستم به صورت مدار باز پايدار باشد استفاده از اين حلقه آن را ناپايدار نمي كند .
در صنعت اغلب از كنترل feed back استفاده ميشود ولي در بعضي مواقع چندين اغتشاش را از طريق سيستم feed forward و برخي از طريق feed back كنترل ميگردند که به اين روش، روش ترکيبي ميگويند. در ادامه برخي اصطلاحات رايج در کنترل آورده شده است
1-کنترل صنعتی – سید حجت سبز پوشان – انتشارات دانشگاه علم وصنعت
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.