Upload
ilet09
View
42
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
automatsko vođenje procesa
Citation preview
DINAMIČKO PONAŠANJE PROCESA I DRUGIH ELEMENATA SISTEMA
UPRAVLJANJA• Dinamika sistema – ponašanje sistema u nestacionarnom
stanju kada dolazi do promjena procesnih promenljivih utijelom vremena.
• Analiza dinamičkog ponašanja sistema pri malim promjenama ulaza u odnosu na stacionarno stanje – oko radne tačke:– Vremenska domena– Diskretna domena
• Dinamički modeli: • matematički modeli koji definišu vezu izmedju promena izlazne i ulazne
promenljive (input-output)
Podjela dinamičkih modela •Prema načinu dobijanja:
– teorijski– empirijski
•Na temelju zasnovanosti (rigoroznosti):– deterministički – stohastički
•Na temelju broja nezavisnih varijabli: – s koncentriranim parametrima– sa raspoređenim parametrima
• Na temelju linearnosti – linearni – nelinearni
• Na temelju reda broja vremenskih konstanti kojima je opisan dinamički model:
– sustavi nultog reda– sustavi prvog reda– sistemi drugog reda– sistemi višeg reda.
• Na osnovu domene definitanosti:– kontinuirani – diskretni
Dinamičke karakteristikeregulacijskih sustava
• Bitno ih je poznavati jer se na osnovi njih može zaključiti na:– točnost regulacije– brzinu regulcije– stabilnost regulacije
• Dinamika vladanja procesa određuje vrstu regulacije i tip regulatora kojim se gornji kriteriji mogu ostvariti
Dinamičke karakteristikeregulacijskih sustava
• Konačna svrha je sinteza regulacijskog kruga• Do nje se može doći empirijski što se ne
preporućuje jer može biti opasna i po sustav, po okoliš i po čovjeka
• Drugi put k sintezi regulacijskog kruga je preko poznavanja dinamičkih svojstava elemenata regulacijkog kruga
• Dinamikča svojstva elemenata regulacijkog kruga ispituju se pomoću ispitnih funkcija (identifikacija sustava kroz njegovu analizu)
Ispitne funkcije
• Jedinični impuls δ(t)Diracova funkcija
Ispitne funkcije
• Skok (step) funkcija
Jedinični skok s(t)Heavisideova funkcija
Ispitne funkcije
• Sinusna funkcija
Sinusni signaljω = s = d/dt
Formiranje teorijskih determinističkih modela • Jednaužbe odnosa masa i energija – najopčenitiji oblik:
AAKUMULACIJ PONOR IZVOR IZLAZ ULAZ
(1) Jednadžba ukupnog materijalnog odnosa (jednadžba kontinuiteta)
(2) Jednadžba energetskog odnosa (3) Jednadžba kretanja (bilans količine gibanja)
(4) Transportne jednadžbe (5) Jednadžbe kemijske termodinamike (6) Jednadžbe ravnoteže(7) Jednadžbe kemijske kinetike
Tvorba teorijskih determinističkih modela
Primjer: Sistem s koncentritanim parametrima
Izotermni reaktor s idealnim mešanjem: reakcija AB
)( Vdt
d = F-F ii
Ukupni materijalni odnos:
dt
dV = F-Fconst i
Materijalni odnos za komponentu A:
)( cVt d
d= c k V -c F -cF AAAAii
Formiranje teorijskih determinističkih modela
Primer: Sistem sa raspoređenim parametrima
Izotermni cijevni reaktor (klipno strujanje): reakcija AB
Linearizacija - primer
• Materijalni bilans po komponenti A za izotermni reaktor sa idealnim mešanjem (V=const, reakcija n-tog reda)
c k V - c F - cF = dt
dcV nAAAi
A
Linearizacija FcAi:
F-Fc c-cF cF cF,f = cF ssAi,sAi,AissAi,sAi1Ai Linearizacija FcA:
F-Fc + c-cF + cF cF,f = cF ssA,sA,AssA,sA2A
Linearizacija VkcAn :
)()( ,1,,3 sAA
nsA
nsAA
nA ccVkncVkccfVkc
Ukupno:
c-ccn+ck V F-Fc+c-cF+cF
F-Fcc-cFcF dt
dcV
sA,A1-nsA,
nsA,ssA,sA,AssA,s
ssAi,sAi,AissAi,sA
ELEMENTARNI SUSTAVI 1. Proporcionalni sustav (sustav nultog reda)
2. Sistem prvog reda (sustav sa vremenskom konstantom)
3. Kapacitivni element (integrator)
4. Sistem drugog reda (sustav s dvije vremenske konstante)
5. Element sa mrtvim vremenom (čisto kašnjenje)
6. Derivacijski element
1. Proporcionalni element
)()( tx K = ty
Primjer: Pneumatski sustav pločica - mlaznica
C=p -x
b+a
b=
x K = x b+a
C b=p -K= sG=
sX
sY)(
)(
)(
2. Sustav prvog reda
K – pojačanje sustava – vremenska konstanta (s, min)
Primer 1: Protočni spremnik
C (m2) – kapacitet spremnikaR (min/m2) – otpor istjecanja
s= dt
d
x K= y + dt
dy x K= y +
dt
dy
1)(
)(
s
K=
sX
sY
2. Sustav prvog reda Primer 1: Protočni spremnik
)()()(
tF-t= F dt
tdhC oi
R
th= tFo
)()(
R
th-t= F
dt
tdhC i
)()(
)(
)()()( sF R sH s sHRC i
1)(
)(
s
R
sF
sH
i 1
1
)(
)(
s
sF
sF
i
o
C (m2) – kapacitet spremnikaR (min/m2) – otpor istjecanja
konstantavremenskaC R =
Primjer 2: Tekućinski termometar
)( T-TA h dt
dTc m tf
tp
1
1
1
1
)(
)(
+s =
+shA
mc =
sT
sTpf
t
hA
mc = p
)()()()(
tVkc - tFc - tFc = dt
tdcV AAAiA
)()( sCF = sC V k + F+ sV AiA
11)(
)(
s
K
sV kF
VV kF
F
= V kF sV
F
sC
sC
Ai
A
ck
V kF
F K
1
1
c
c
k
V kF
V
1
B A Primjer 3: Izotermni protočni reaktor s idealnim miješanjem
Proces prvog reda
3. Kapacitivni element (integrator)
x= dt
dyC
s C=
sX
sYsG
1
)(
)()(
dt
dhC =
dt
dV = F
)()( sH sC sF
Cs
sF
sH 1
)(
)(
Primjer: Spremnik tekućine
C (m2) – kapacitet spremnika (površina poprečnog presjeka)
Ovakav je sustav u stacionarnom stanju samo za F = 0 (h = const)
Astatizam
C – kapacitet sistema
4. Sistem drugog reda
Kx= y + dt
dy 2+
dt
yd2
22
K – pojačanjet – vremenska konstanta (s ili min)n=1/ - prirodna (sopstvena) frekvencijax - koeficijent prigušenja
1212)(
)()(
+s+s
K =
+s+s
K
sX
sYsG
n2n
222
(1)Serijska veza 2 sustava 1. reda bez međudjelovanja(2)Serijska veza 2 sustava 1. reda s međudjelovanjem(3) Inherentni sistem II reda
(1)Redna veza 2 sistema I reda bez medjudejstva
Primer: 2 nivo sistema vezana na red
1
1
)(
)(
11
2
s =
sF
sF
CR = ,CR = 222111
1)(
1)1)(1(
1
)(
)()(
212
21
211
31
s + s =
ss
= sF
sFsG
1
1
)(
)(
22
3
s =
sF
sF
ss
R =
sF
sHsG
)1)(1()(
)()(
21
2
1
22
212
2 1
n
Drugi primeri: kaskada 2 reaktora, reaktor sa 2 konsekutivne reakcije A→B→C, …
GENERALIZACIJA: redna veza n sistema I reda
)1()(
)()( n
nn
nsK =
sX
sY = sG
)1(2
2 21
n
(2) Redna veza 2 sistema I reda sa medjudejstvom
Primer: 2 nivo sistema vezana na red
)()()(
211
1 tF - tF = dt
tdhC
)()()(
322
2 tF tF = dt
tdhC
1
212
)()()(
R
th-th tF
2
23
)()(
R
th tF
R
sHsHsF sH sC1
21111
)()()()(
R
sH
R
sHsH sH sC2
2
1
2122
)()()()(
1)(
)()(
21212
21
2
1
21
sRC+s
R sF
sHsG
CR = ,CR = 222111
2122 1
n
2121
22 RC
n
Drugi primeri: • Termometar sa zaštitnom oblogom• Kaskada 2 reaktora sa reciklom• Reaktor sa povratnom reakcijom• .....
1
1
)(
)()(
21212
211
32
sRC+s
sF
sFsG
(3) Inherentni sistem II reda
Primer: U-manometar
UBRZANJECEVI U
NOSTICTE MASA =
TRENJA
SILA -
KRAKA OBA U NIVOA
RAZLIKE ZBOG SILA -
KRAK DESNI I LEVI NA DELUJU
KOJI PRITISAKA RAZLIKE SILA
A p = Ap - Ap = F 21p g A h 2 = F g
dt
dhA
D
L32 = A v
D
L32 = Ap = F 22trtr
dt
hd L A =a m2
2
dt
dhA
D
L ghApA
dt
hdL A22
2 322
pg
h + dt
dh
gD
L +
dt
hdg
L
2
116
2 22
2
p K = h + dt
dh +
dt
hd 22
22
g = K ,
gD
L = = ,
g
L = =
nn
2
11622
2
122
21212)(
)(
2
222
nn
s+s
K
s+s
K
sP
sH
5. Element sa mrtvim vremenom (element sa čistim kašnjenjem)
)()()()()( Dtx = Dtf = ty ,tf = tx
e = sX
sYsG Ds
)(
)()(
D (s, min) mrtvo vreme ili čisto kašnjenje
Primer: Cevovod sa klipnim strujanjem fluida x(t) i y(t): promena koncentracije, temperature, gustine, ...
v
L = D
... sD sD
... sD sD =
e
e = e Ds
DsDs
2
2
2/
2/
)2/(2/1)2/(1
)2/(2/1)2/(1Padé-ova aproksimacija:
Drugi primeri: cevni reaktori, razmenjivači tipa cev-u-cevi, uredjaji sa pakovanim slojem(sistemi sa rasporedjenim parametrima)
6. Diferencijalni element
aa= ,ab= s
s =
sX
sYd
d01101
1
//1)(
)(
dt
dxb =y a 10 ab= s =
sX
sYdd 01 /
)(
)(
xb+dt
dxb =y a 010 bb= ,ab=K sK =
sX
sYdd 0100 //)1(
)(
)(
ili
Moguće je realizovati:
aa= ,bb= ,ab=K s
sK =
sX
sYd
d0110100
1
///1
1
)(
)(
ili
Fizički ne mogu da se realizuju
BLOK DIJAGRAMI I ALGEBRA BLOK DIJAGRAMA
Osnovni elementi blok dijagrama
Osnovna pravila:
1. U blok ulazi 1 signal i iz njega izlazi 1 signal
2. U krug ulaze 2 signala, a iz njega izlazi 1 signal
3. Mogu se sabirati samo signali iste vrste (temperatura se sabira sa temperaturom, protok sa protokom, pritisak sa pritiskom itd.)
4. Signal ne menja vrednost prilikom grananja.
Formiranje blok dijagrama PRIMER 1: Nivo sistem prvog reda
PRIMER 2: Dva sistema prvog reda sa medjudejstvom
R
HF
FFCsH
o
oi
3222
2
23
1
212
2111
FFsCH
R
HF
R
HHF
FFsCH
Rešavanje blok dijagrama - ekvivalentne transformacije
Odabrane transformacije
Rešavanje blok dijagrama - primeri
Rešavanje blok dijagrama - primeri
Rešavanje blok dijagrama - primeri
YGGGG - XGGG + LGG + LG + L =
H) - (XGGG + LGG + LG + L =
FGGG+LGG + LG + L=
E) + L(GG + LG + L =
D) G + L( G + L =
C)+L( G + L =
B G + L =
A + L = Y
4321321232233
321232233
132132233
132233
2233
233
33
3
L GGGG
+ L GGGG
G + L GGGG
GG + X GGGG
GGG = Y 34321
24321
31
4321
32
4321
321
1
1
111