Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici I°: Introduzione ai

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Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici
I°: Introduzione ai Sistemi di Controllo
Claudio Scali
Laboratorio di Controllo dei Processi Chimici (CPCLab)
Dipartimento di Ingegneria Chimica (DICCISM)
Università di Pisa
Corso SCPC AA. 2003-2004
Sommario I° parte(*): Sistemi di Controllo
-
Obiettivi del Corso
Ruolo dell’automazione dei processi
-
Elementi che costituiscono il sistema di controllo
-
Processo, Regolatore, Attuatore, Misuratore
-
Dinamica e modelli dei processi
-
Strutture di controllo e tipi di regolatori
-
Risposte caratteristiche con diversi tipi di regolatori
(*) Riferimenti: testo Word e Presentazione PPT
I, 2
C. Scali, Università di Pisa
INTRODUZIONE
Gestione di un Processo Industriale = Controllo del Processo:
•
Ragioni di sicurezza
•
Rispetto delle regolamentazioni ambientali
•
Rispetto dei vincoli operativi
•
Mantenimento delle specifiche di produzione
•
Ottimizzazione del funzionamento dell’impianto
Controllo Automatico:
•
Per garantire specifiche sempre più stringenti
•
Per affrancare l’uomo da operazioni ripetitive
•
Evoluzione nel tempo dei sistemi di controllo:
da manuale → automatico ⇒ calcolatore → Esempi
I, 3
INTRODUZIONE
• Diversi Livelli dell’Automazione di un Processo:
Gerarchia
Ottimizzazione:
OTTIMIZZAZIONE
Migliora le condizioni di funzionamento
Controllo:
Gestisce condizioni ordinarie
CONTROLLO
Sicurezza:
Gestisce condizioni emergenza
SICUREZZA
Priorità
•
Sicurezza: è prioritario; si basa su dispositivi autoazionanti (valvole di
sicurezza, di blocco, dischi a rottura)
•
Ottimizzazione: non prioritaria, ma livello tecnologicamente più elevato
(Calcolatore)
I, 4
INTRODUZIONE
• Impianto Industriale opera in regime dinamico:
•
Perturbazioni (disturbi); non desiderate, dipendono dal mondo esterno
Esempi: cambiamento materie prime, invecchiamento / sporcamento delle superfici;
oscillazione di pressione e temperatura rete di raffreddamento o riscaldamento;
escursioni notte / giorno
•
Cambiamento di Condizioni Operative; desiderato
Scopo: cambio tipologia di prodotto, ottimizzazione funzionamento
(minima energia, aumento/diminuzione produzione)
• Obiettivo del sistema di controllo:
•
Mantenere il processo sui valori desiderati
- Abbattere i disturbi
- Gestire i cambiamenti di condizioni operative
•
Ottimizzare le prestazioni
I, 5
INTRODUZIONE
Classificazioni delle variabili:
Disturbi
Misurabili
Ingresso
=
Cause
Non misurabili
V. Manipolabili
PROCESSO
Uscita
=
Effetti
Osservazioni:
- Importanza delle Misure:
- Misurabilità di disturbi e di variabili di uscita:
permettono schemi di controllo diversi
- V. prestazione: controllate (in senso lato)
- V. Intermedie: V. controllate vere e proprie
V. prestazione
(Non misurabili)
V. Intermedie
(Misurabili)
I, 6
INTRODUZIONE
Sistemi SISO e MIMO
SISO: Riscaldatore a vapore
- V. CTRLT: Temperatura uscita (T)
- V. DSTRB: Temperatura ingresso (Ti)
- V. MNPL: Portata vapore (V)
→ Il funzionamento del sistema di controllo è immediato
I, 7
INTRODUZIONE
MIMO 3x3
- V. CTRLT: Temperatura e Concentrazione Uscita (T, C), Livello (H)
- V. DSTRB: Temperatura, concentrazione, portata n.2 ingresso (T2, C2, F2)
- V. MNPL: Portata vapore (V),
Flusso n.1 (F1), Flusso uscita (F)
→ più complesso: quali accoppiamenti?, interazione tra le diverse variabili?
I, 8
INTRODUZIONE
Fasi della Progettazione del Sistema di Controllo
•
Definizione Obiettivi di Controllo
- Quali variabili?; Priorità?
•
Individuazione delle perturbazioni
- Quali disturbi più frequenti? Misurabili? Eliminabili con interventi a monte?
•
Scelta variabili misurabili
- Variabili da controllare tutte misurabili? Variabili intermedie?
•
Scelta variabili manipolate
- Disponibilità? Efficacia?
•
Scelta configurazione di controllo
- Schema SISO o MIMO? Quali accoppiamenti?
•
Scelta legge di controllo
- Algoritmo del regolatore?
I, 9
AZIONE di CONTROLLO
Due tipi fondamentali: Anello Aperto (OL) e Anello Chiuso (CL)
Anello Aperto (OL)
- L’azione di controllo è stabilita dall’esterno e non dipende dagli effetti sull’uscita
- E’ tipica dei dispositivi temporizzati (costanti o con logica programmata)
- Esempi: cellula fotoelettrica, tostapane, forno, lavatrice)
- Caratteristiche: Semplicità, Bassi costi, Prestazioni non elevate,
efficienza dipende dalla calibrazione,
- Elementi OL si ritrovano in schemi più complessi
Disturbi
REGOLATORE
Azione
fissata dall’esterno
S
ATTUATORE
X
PROCESSO
X: Ingresso
al processo
S: segnale
all’attuatore
I, 10
Y
Y: Uscita
dal processo
Sistemi in Anello Aperto (OL)
Tostapane
Forno con profilo di Temperatura
Lavatrice
OL: l’azione di controllo NON
dipende dal suo effetto sull’uscita
I, 11
AZIONE di CONTROLLO
Anello Chiuso (CL)
- L’azione di controllo dipende dagli effetti sull’uscita
- E’ l’azione di controllo più comune
- Si ritrova nei sistemi naturali (regolazione temperatura corporea),
manuali (uomo che guida automobile), automatici (controllo in Retroazione - - -)
- Caratteristiche: Prestazioni più elevate, Risposta diviene oscillante (in genere)
- Retroazione: l’informazione sullo stato dl processo viene trasferita al regolatore
per mezzo di un misuratore
S: dipende da Y-Y°
Disturbi
Y°
S
REGOLATORE
Y°=valore
desiderato di Y
set-point
Ym
ATTUATORE
MISURATORE
Ym: Misura di Y
I, 12
X
Y
PROCESSO
Y: Uscita dal processo
Sistemi (Manuali) in Anello Chiuso
Uomo che posiziona oggetti
Uomo che guida un’Automobile
Regolazione
Temperatura
Doccia
CL: l’azione di controllo dipende
dal suo effetto sull’uscita
I, 13
Sistemi (Automatici) in Anello Chiuso
Sistemi di Controllo in Anello Chiuso (CL):
l’azione di controllo dipende dal suo effetto sull’uscita
CC
LC
TC
TC
Controllo di Livello, Temperatura,
Controllo di Temperatura
Concentrazione
I, 14
Strutture di Controllo
-
Retroazione (FeedBack)
In Avanti (FeedForward)
In Cascata
Inferenziale
Importanza delle misure..!
I, 15
Elementi in uno Schema di Controllo in Retroazione
E= Y° - Y= Errore
Y°
-
E
REG
Disturbi
S
ATT
Ym
X
PROC
Y
MIS
• 4 Elementi: Regolatore, Attuatore, processo Misuratore
• Il segnale di controllo S= f(E) dipende dalla differenza Y°- Ym
• La legge di controllo f(E) dipende dall’algoritmo del regolatore
• La risposta del sistema controllato dipende dalle caratteristiche di tutti
gli elementi che lo compongono
Importanza delle misure..!
I, 16
Il Calcolatore nel Controllo dei Processi
Controllo Digitale Diretto (DDC) (meno usato)
- Il Calcolatore sostituisce il regolatore;
- Possibilità di leggi di controllo più sofisticate
I, 17
Il Calcolatore nel Controllo dei Processi
Controllo con Calcolatore in Supervisione (SCC)
- Il Calcolatore opera in supervisione di più anelli di regolazione controllati
con regolatori tradizionali
- I valori registrati delle variabili di processo vengono registrati per archivio
e trasferiti in sala controllo (Controllo Distribuito DCS)
- Il valore di set-point dei regolatori può essere stabilito dal calcolatore
esterno (ottimizzazione)
I, 18
Controllo e Supervisione di Processi Industriali
L’impianto
La sala controllo
Registrazione
Dati
I, 19
DINAMICA del PROCESSO e MODELLAZIONE
• Per il Progetto del regolatore è necessario conoscere le caratteristiche
statiche e dinamiche di tutti gli elementi che lo compongono
• Il Modello è la rappresentazione quantitativa delle relazioni IN / OUT
-
• Modello: può ottenersi dalle equazioni di conservazione in regime
dinamico (metodo analitico)
•Modello: può ottenersi dall’analisi delle risposte del sistema a ingressi
noti (metodo sperimentale)
La risposta del sistema permette di evidenziare transitorio e stazionario
I, 20
Risposte Dinamiche di sistemi
Primo Ordine:
- Parametro: costante di tempo τ:
Y(ττ)= 0.632 Y(∞)
- All’aumentare di τ la risposta diviene più lenta
- τ indice della capacità (inerzia) del sistema
Esempi:
Reattore Miscelato: C(Ci)
Termocoppia: fem(T)
Riscaldatore: T(Ti, Vap)
Sistemi diversi: stessa dinamica
I, 21
Secondo Ordine:
Parametri:
sovrasm: costanti di tempo τ1, τ2
sottosm: τ, ξ (fattore di smorzamento)
Esempi:
Sistema viscoelastico
Termocoppia con guaina
2 serbatoi
•q
•h•1
•q•1
•h•2
I, 22
•q•2
Ordine Superiore (n):
- Parametri: costanti di tempo τi
- Risposte tipiche di sistemi in serie
Esempi:
N miscelatori o serbatoi in serie
I, 23
Ritardo Puro:
- Parametro: ritardo (tempo morto) θ:
Y(t)= 0, t< θ
- Tipica di variazioni con velocità finita attraverso distanze non nulle
Tubazione: variazione associata
ad una portata
Misura di composizione
con gascromatografo (GC)
I, 24
Primo Ordine + Ritardo:
- Parametri: guadagno K=B/A,
ritardo θ, costante di tempo τ:
Primo Ordine + Ritardo
per approssimare sistemi di ordine n:
I, 25
Sistemi con Risposta Inversa :
- Def: Il segno della risposta allo stazionario è diverso dal transitorio
- Dipende da effetti in parallelo: il più rapido (prevale nel transitorio) ha
entità minore del più lento (prevale allo stazionario)
Evaporatore: a un aumento della portata
di alimentazione fredda (F),
a regime corrisponde un aumento di livello (H);
nel transitorio, a causa delle bolle,
si può avere diminuzione.
I, 26
Sistemi Instabili:
- Def: Una piccola perturbazione
da una condizione di equilibrio causa
una grossa variazione nell’uscita
oscillante
monotono
Reattore: Punto di lavoro M instabile
se Qgen > Qscam
Serbatoio:
Se Fi ≠ Fu
→ serbatoio si svuota o trabocca
I, 27
Caratteristiche dei Regolatori
• Schema
Y°
E
-
REG
• S = f(E)
S
• la legge di controllo dipende
dall’algoritmo del regolatore
Ym
• Due tipi fondamentali:
- Regolatori ad algoritmo standard (PID: Proporzionale Integrale Derivativo):
più usati nei processi industriali; prestazioni accettabili per il controllo delle
variabili base (L,P,F,T); nelle risposte: compromesso tra velocità di risposta e
oscillazione; algoritmi: P, PI, PID
- Regolatori ad algoritmo avanzato (basati su modello); in teoria prestazioni
superiori, in pratica limitati dall’accuratezza del modello; riservati ad applicazioni
particolari
I, 28
Regolatori Standard (PID)
• Algoritmo PID:
Kc t
de(t )
s (t ) = K c e (t ) + K c
∫ e(t ) dt + K c τ d
τi 0
dt
- Presenta tre componenti
• Componente P:
sP (t ) = K c e(t )
- Componente base; problema errore allo stazionario non nullo (offset ≠ 0)
• Componente I:
Kc t
sI (t ) =
∫ e(t ) dt
τi 0
- Elimina errore allo stazionario (offset ≠ 0); risposta oscillante
• Componente D:
sD (t ) = K c τ d
de(t )
dt
- Maggiore prontezza nella risposta; aumenta sensibilità ai rumori
I, 29
Risposte di sistemi controllati con Regolatori Diversi
• Schema controllo in Retroazione
R:
Set-Point
E
REG
-
S
ATT
Ym
X
D:
Disturbi
PROC
Y
MIS
• Due tipi di funzionamento
1) Cambiamento di Condizioni Operative: (R≠ 0; D= 0)
2) Neutralizzazione di Disturbi: (R= 0; D ≠ 0)
Si esaminano risposte per ingressi di tipo a gradino
I, 30
Risposta Y(R) con regolatori diversi
Obiettivo: Si vuole passare dalla condizione 0 alla 1 nel più breve tempo possibile
Osservazioni:
•
Sistema con ritardo: fino al tempo θ non si risente dell’azione di controllo
•
Regolatore P non è in grado di raggiungere il nuovo valore (Y=R=1; Offset ≠ 0)
•
Regolatore PI elimina offset; ma in genere la risposta diviene oscillante
•
Regolatore PID risposta più veloce
I, 31
Risposta Y(D) con regolatori diversi
Obiettivo: Si vuole neutralizzare l’effetto di una perturbazione che senza controllo
allontanerebbe il sistema dalla condizione di funzionamento desiderata
Osservazioni:
•
Sistema con ritardo: fino al tempo θ non si risente del disturbo;
fino a 2 θ dell’azione di controllo
•
Regolatore P non è in grado di riportare il sistema alle condizioni
desiderate (Y=R=0; Offset ≠ 0)
•
Regolatore PI elimina offset; risposta oscillante
•
Regolatore PID risposta più veloce
I, 32
Risposta Y(R) con regolatore PI,
all’aumentare dell’azione di controllo (Guadagno)
Osservazioni: Un aumento dell’azione di controllo
(ottenuto, ad esempio, aumentando il guadagno del regolatore Kc)
determina:
- una risposta più veloce, ma più oscillante
- oltre certi valori di Kc possono insorgere instabilità..
→ Esempi nel corso delle esercitazioni
I, 33
Progetto del sistema di controllo
• Formulazione del Problema:
- Noto il processo (un modello)
- Note le caratteristiche di attuatori e misuratori
- Noto il tipo di ingressi Variazioni di condizioni operative (R) o disturbi (D)
- Assegnate certe specifiche di prestazione
⇒ Scegliere la struttura di regolazione e la legge di controllo
• Diversi livelli di progettazione:
- Tuning (sintonizzazione): determinare i valori dei parametri Kc, τi, τd di un
regolatore PID, in grado di dare prestazioni accettabili
- Progetto vero e proprio (Analitico): calcolare la legge di controllo ottimale
- Adozione di schemi di controllo più complessi
I, 34
Tuning di Regolatori PID
• Specifiche di Prestazione:
- Riferimento alla risposta nel tempo per una variazione a gradino
- Allo stazionario si vuole raggiungere senza errore il nuovo valore (offset= 0)
⇒ componente I nel regolatore
- Nel transitorio: compromesso tra velocità di risposta e oscillazione
→ velocità ⇔ tempo di risalita (tr< tr*)
→ oscillazione ⇔ sovraelongazione (Se< Se*)
→ oscillazione ⇔ tempo di assestamento (ta< ta*)
⇒ determinazione dei parametri Kc, τi, τd del regolatore
I, 35

Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici I°: Introduzione ai

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