ПИД - регулирование

Altair, а это по Вашей просьбе.

Алгоритм ПИД регулятора: http://forum.skunksworks.net/Forum10/HTML/000085.html
Настройка ПИД-регуляторов: http://forum.skunksworks.net/Forum10/HTML/000102.html
Разработка модели ПИД-регулятора, теория: http://www.uran.donetsk.ua/...s/mag3.htm#beg1

ПИД-регулятор, конечно может решить подавляющее число задач автоматизации, при условии, что эти задачи правильно сформулированы. Поэтому выношу на суд собратий-самогонщиков свое видение:

Формализация задачи самогонщика (от CoBell)

Упрощенная схема объекта автоматизации (аппарат):

Так как разделение исходной смеси происходит в тепломассообменнике за счет разных температур кипения составляющих ее компонентов, то модель представлена в виде тепловой системы. Тепловой баланс этой системы описывается равенством подводимой нагревателем теплоты теплоте, затрачиваемой на нагрев смеси в кубе, образование флегмы и теряемой через теплоизоляцию:
QН=QС+QП+QД+QВ
В этой формуле для упрощения теплота, затрачиваемая на перемещение пара из куба через тепломассообменник и дефлегматор до холодильника, входит в теплопотери изоляции.

Постараемся описать алгоритм действия оператора-ректификатора по получению качественного продукта (здесь предполагается, что динамическое сопротивление в тепломассообменнике невелико настолько, что режим захлебывания не наступает):
1.   Включить нагрев на полную мощность, чтобы вывести устройство на режим
2.   При образовании пара и прохождении его до дефлегматора уменьшить нагрев (или увеличить теплоотбор дефлегматором), чтобы установить режим устойчивого разделения исходной смеси
3.   Начать отбор головной фракции, завершая его, ориентируясь на свои субъективные органолептические ощущения (фактически по запаху выходного продукта)
4.   Как только запах удовлетворяет, поменять приемную емкость и начать отбор основной фракции, также ориентируясь по запаху и уже и по вкусу и по скорости отбора, подстраивать нагрев или теплоотбор дефлегматора
5.   Как только органолептика оператора-ректификатора определила, что дальнейший отбор продукта приведет к снижению его качества, вновь меняется приемная емкость и далее отбираются хвостовые фракции, отбор которых завершается на пробу «пока горит»
Процесс весьма творческий, представляющийся непосвященным страшным колдунством.
Важнейший элемент в такой системе - оператор-ректификатор, принимающий решения по регулированию нагрева (теплоотбора дефлегматора), началу\завершению отбора головных, основных и хвостовых фракций. И он-же выступает в качестве лаборатории оперативного химического анализа (конечно если у него нет насморка). Причем, оценивается качество уже выходящего продукта.

   Для решения задачи объективного контроля качества выходящего продукта было бы правильно применять качественный и количественный анализ, который, как правило, производится опять же на лабораторных перегонных аппаратах и с использованием различных химических реагентов. Скорость проведения такого контроля качества настолько низкая, что не может быть и речи использовать его результаты в процессе регулирования.

   Какой же физический параметр можно использовать, чтобы оперативно и достаточно объективно оценить, что мы получаем на выходе в настоящий момент? Можно, конечно исследовать оптические свойства паров жидкостей, входящих в разделяемый состав, или, например их диэлектрические или акустические свойства, можно применить спектроанализатор.  Но эти методы контроля или сложны или дороги или требуют предварительного изучения. Вместе с тем, нам известны температуры кипения составляющих исходного разделяемого сырья. Поэтому можно использовать в качестве контролируемого параметра температуру паров (она же - температура кипения), выходящих из дефлегматора для отделения соответствующей фракции. Предполагаем, что в точке контроля температуры давление мало отличается от атмосферного.
В качестве регулируемого параметра можно использовать как регулировку нагрева (мощности), так и скорости отвода теплоты дефлегматором. Причем, последний способ был бы весьма кстати при использовании в качестве нагревателей газовых и обычных печей, которые сложно регулировать электрическими устройствами. При использовании электрического нагревателя удобнее регулировать количество производимой им теплоты (изменяя подаваемую на него электричную мощность), зафиксировав (условно) теплоотбор дефлегматора.

При способе контроля по температуре кипения фракций процесс очистки делится практически на два этапа:
1.   отбор фракций с температурой кипения несколько более низкой, чем основного продукта (голов)
2.   отбор фракции основного продукта с его температурой кипения (тела).
Определив контролируемым параметром температуру кипения и удерживая ее (регулировкой нагрева) несколько более низкой, нежели температура кипения потребного продукта, возможно отделение головных фракций, кипящих при более низкой температуре (ацетоны, уксусы, альдегиды, метанол).

Как же будет выглядеть отбор головной фракции? Алгоритм при температурном контроле следующий:
1.   нагреватель включается на полную мощность для нагрева разделяемой смеси до закипания и начала движения образовавшегося пара
2.   проходящий через тепломассообменник пар обогащается фракциями с наименьшей температурой кипения (то есть первыми выйдут из тепломассообменника легкокипящие фракции), из этого пара дефлегматор по большей части сконденсирует компоненты с более высокой температурой кипения, температура выходящего пара будет ниже, чем установленная контролируемая и на выходе не показанного холодильника увидим бодренькую струйку легкокипящих голов.
3.   по мере уменьшения в парах легкокипящих фракций будет расти температура выходящих паров, для поддержания ее на заданном уровне уменьшаем подводимую к нагревателю мощность, при постоянных теплопотерях изоляции и теплоотвода дефлегматора это приведет к уменьшению количества тепла, выносимого паром – то есть к уменьшению количества этого пара, являющегося также теплоносителем
4.   постепенно уменьшая нагрев, стремясь поддерживать постоянной температуру выходящего пара, дойдем до такого состояния тепловой системы, когда практически все тепло нагревателя будет расходоваться на теплопотери и теплоунос дефлегматора, из холодильника будут капать нечастые печальные капли, в состав которых по большей части уже входит основной продукт со следами голов, наступает пора замены приемной емкости и увеличения температуры отбора на уровень кипения продукта вожделения самогонщика.

После замены приемной емкости и увеличения контролируемой температуры выходных паров на уровень отбора основной фракции (тела), алгоритм отбора этого тела аналогичен алгоритму отбора голов.
Описанный способ контроля температуры, регулирования состояния системы нагревом и алгоритм отбора фракций уже поддаются решению с помощью ПИД-регулятора, свою версию которого я опишу, как только будет немного свободного времени и интерес собратии.

 

Продолжаю изложение наболевшего:
Разомкнутая петля обратной связи объекта регулирования
При разомкнутой петле обратной связи изменение температуры выходящих из дефлегматора паров после включения нагревателя представлено на графике красной линией (1):

   На этом графике можно выделить три основных участка:
1.   Разгон – длительность процесса нагревания разделяемой смеси в кубе до парообразования;
2.   Выход на режим – достаточно быстрый процесс нарастания температуры выходящих из дефлегматора паров;
3.   Перегон – процесс, в котором температура выходящего пара медленно поднимается на незначительную величину вместе с изменением количества и состава кубовой жидкости

Красная линия описывает изменение температуры пара обычного самогонного аппарата или дистиллятора. При удерживании температуры выходящих из дефлегматора паров на уровне, к примеру, 66°C (изменяя нагрев или теплоотвод дефлегматором) появляется возможность первоначально отобрать головные фракции. Этот процесс изображен желтой линией (2).
Далее, при значительном уменьшении количества отгоняемых голов, вновь увеличиваем нагрев и удерживаем температуру паров из дефлегматора, например, на уровне уже 78°C, отгоняя основной продукт. Процесс основного перегона изображен зеленой линией (3) на графике. Этот процесс завершаем также при получении на выходе холодильника нечастых капель.
Можно, конечно установить еще один уровень регулировочного параметра (температуры выходящих из дефлегматора паров) и отобрать воду, но лично я не вижу необходимости в этом процессе. А пропаривать аппаратуру можно и не регулируя температуру.
Таким образом, решение задачи сводится к созданию термостата с двумя регулируемыми установками контроля температуры выходных паров.

Наиболее простое решение – обесПИДеный термостат с релейной регулировкой температуры (пока гоню на таком), его схему и описание, постараюсь привести далее (бежать на волейбол нужно).

Очень интересный подход к процессу автоматизации ректификационной установки.
Это справедливо только для отбора спирта. Но одновременно нужно поддерживать ещё и перепад давления в кубе (испарительной ёмкости). ОПЫТ показывает вот что:
В насадочных ректификационных колоннах одним из основных регулируемых параметров является перепад давления, обеспечивающий заданный гидродинамический режим в аппарате. Обычно перепад давления регулируют изменением подачи греющего пара в кипятильник (регулятор 5 на рис. 2.69)
Смотрите в книге Дудникова: "АВТОМАТИЗАЦИЯ ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ" стр 176.
Также это делается и в промышленности на тарельчатых колоннах. Только там поддерживают давление как внизу, так и вверху колонны. А их разница остается постоянной. При этом используют ПИД-регуляторы.
В нашем случае вместо пара и кипятильника используются электроэнергия и ТЭНы. Регулировка подводимой мощности должна осуществляться по ПИД-закону. Проверено практикой ! Только нужно учитывать чем регулировать. Либо условно ЛАТРом (интегрирующее регулирующее устройство), либо триаком (оптосимистором). От этого зависит применение формул, приведенных в Разработке модели ПИД-регулятора, теория: http://www.uran.donetsk.ua/...s/mag3.htm#beg1

А то что они работают было неоднократно проверено множеством экспериментов и работой колонн на спиртозаводах. К примеру температуру поддерживали с точностью до 0.05 градуса.
Помимо этого в кубе надо постоянно отслеживать уровень СС или бражки. Если она опустится ниже минимума, то надо отключать установку. Иначе сгорят ТЭНы. А также температуру паров СС или бражки.
Также желательно обеспечить нагрев охлаждающей воды до определенной температуры в дефлегматоре. До какой температуры ? Это пусть подскажут форумчане !

CoBell, графики у тебя красивые. Но ты бы, перед тем как теоретизировать, поглядел бы как ведет себя температура на реальной колонне.

BVladNik, уровень в баке отслеживать неудобно, водомерная трубка - очень паршивый элемент, даже металлическая с поплавком. Разве сделать ее внутри бака с поплавком и магнитом, а снаружи поставить геркон. Нержа бака чаще всего немагнитна и тонка.

Но модно контролировать и температуру самих ТЭНов привинтив к их нагретой части трубочку с термометром. Конструктивно конечно тоже неудобно, но лучше.

Коллеги, а может перейдем от теории к практике?
Как бы выглядел ПИД регулятор конкретно программно?
Типа на VB функция вида:

Function PID(CurrentTemp, TimeFromLastMeas)
.
.
.
Return Power  //0-100%
End Function

Входные параметры - текущая температура и время прошедшее с момента последнего измерения. На выходе - мощность в процентах.

Может кто такое изобразить? Желательно на VB. Или на С.
Могу опробовать получившееся хоть сейчас. С отчетными графиками и логами.


З.Ы. Я так понимаю засада еще в том что объект регулирования постоянно меняет свои свойства, как то объем и теплоемкость. Объем уменьшается, теплоемкость увеличивается. И так постоянно с момента начала отбора. Это как то можно компенсировать?


З.З.Ы. Хотя я что то слабо представляю что в моей системе требует ПИД регулятора. :-(
Все и без него прекрасно работает. Причем вобще без какого либо регулятора.

А это вопрос к теоретикам. А нафига вобще ПИД регулятор при ректификации?

Вроде BVladNik давал неплохие ссылки на тексты программ.

Серьезный ПИД регулятор нужен для управления клапаном. Ты сейчас просто задаешь ФЧ скважностью. А нормально, это контроль и поддержание заданной температуры в нижней (до 1/3) части колонны. Фиг ты это нормально сделаешь без ПИД - будут большие колебания около точки равновесия - как у Игоря. И, при этом, ему еще приходится ручками подбирать две величины отбора, иначе его систему просто разнесет в хлам. Вот тут и нужен ПИД. Время реакции и ее запаздывание слишком велики для простого регулятора.

А несерьезный - Игорь 223 уже опробовал. Простой переход от пороговой стабилизации давления в баке к линейной (это даже не ПИД а так - простой ШИМ) снизил болтанку давления в 4 раза. Переход к ПИД с ШИМом на брезенхеме снизит эту цифру еще в несколько раз.

Не согласен. Потому что температура в нижней трети колонны начинает расти уже тогда когда в кубе спирт почти кончился. У нас же не непрерывная ректификация. Там сколько не регулируй температура не уменьшится. Потому что то что ее уменьшало - кончилось. Нету его. Не может на нижней трети расти температура в установившемся режиме с флегмовым числом 3.

Увеличивая флегмовое число, я просто делаю границы фракций более четкими. А когда температура все таки поползла - это значит что ВЕСЬ спирт уже в колонне, и осталось отобрать только объем из колонны. А это не так много. А значит и недолго. А значит особо не напрягает.

ИМХО ПИД в регуляторе отбора не нужен. Максимум - в регуляторе давления. Но давление скачет процентов на 10 с периодом в 30 сек. Усреднение будет весьма долгим.

Тут я согласен с Альтаиром.
Когда процесс идет полным ходом, температура в теле колонны стоит мертво и не зависит практически от отбора (в разумном диапазоне). Растет она только, когда дело к захлебу идет, при понижении давления возвращается очень быстро к исходному.
И только когда спирт заканчивает, она ползет вверх. Уменьшая отбор (или давление, или ито, и другое вместе) можно ее вернуть взад на какое то время, но потом она уже не возвращается - конец фильма.
То есть, регуляция по этому каналу нужна только тогда, когда есть большой отбор и отбором же. И вопрос для меня лично не закрытый - а нужен ли вообще отбор, близкий к проектному?
Мне, при наличии автоматики, проще отбирать на четыре часа дольше (с запасом ТТ по разделению), чем работать в пограничных режимах с маленьким ФЧ. Спокойнее как-то.

Альтаир, тут все зависит от подхода. Если колонна работает нормально (по моим и, судя во всему, и по твоим меркам) то ты прав. Но если встать на точку зрения Игоря (бездельничанье верхней части колонны) то нужно снижать флегмовое число пока температура внизу (а у него на 2/3) не начнет расти. Вот тут-то и нужен ПИД.

Выход при этом действительно можно поднять существенно. Но вот качество ессно снизится. НО!!! При отборе тулова такой способ вполне годится, если не прозевать хвосты. А при отборе голов можно использовать нормальный режим работы колонны.

 Altair, по поводу алгоритма и программы я дал Вам ссылочку (см. 3 стр. выше !). Там четко всё расписано. Даже на каком-то языке высокого уровня. Rudy чуть выше об этом также напоминает. Пробуйте ! Если что непонятно, то подскажу. Начинать регулирование надо с поддержания давления в кубе (баке). Как только это заработает, то можно заняться и отбором спирта. Не пренебрегайте рекомендациями теоретиков и практиков ректификации из книги Дудникова.
Rudy - то что касается уровня жидкости в баке, то лучше всего использовать кондуметрические датчики. О них хорошо изложено у "ОВЕНа". Там всё для них продается, но проще сделать самому наверное.

Кондуктометрия - это, по моему, любимое дело Альтаира. Но, в данном случае, это будет неким шаманством. Если поставить измеритель вне бака- опять ненадежный элемент конструкции. А внутри - парожидкостная смесь, брызги и т.п. Боюсь, что в таких условиях это не сработает, в отличие от поплавка с магнитом.

Надеюсь, еще не все кидали в меня камнями, обвиняли в ереси и предавали анафеме
Скажу только:
«И все-таки Она гонится!»
   На протяжении вот уже лет четырех использую простейший термостат для контроля температуры паров перед холодильником-их сгустителем:
 

ВНИМАНИЕ!!! Все части схемы находятся под высоким напряжением, поэтому требуется тщательная электрическая изоляция!
В качестве термочувствительного элемента использован диод, прямое падение напряжения на котором практически линейно понижается с ростом температуры. Использовать термосопротивление, конечно кашернее, но у меня при создании этой схемы не было его под рукой. Диод можно заменить практически на любой другой, например - 1N4006. Диод устанавливается в верхней точке выхода паров продукта.
Диод-датчик включен в одно плечо измерительного моста, другое плечо настраивается по требуемой температуре отключения подстроечными резисторами. Разбаланс моста определяется компаратором К544СА3 (можно применить IL311). При увеличении температуры до значения, при котором прямое падение напряжения на диоде-датчике становится меньше, чем установленное делителем R2R3R4, компаратор отключает нагрев.
Светодиод показывает, включен или отключен нагрев. В качестве управляемого компаратором ключа, включающего/отключающего термоэлектронагреватель (ТЭН) использована связка оптопара MOC3063 и симистор BTA16-600B. Симистор BTA16-600B имеет гальванически развязанный теплоотвод, позволяющий прикручивать его к радиатору без изоляции. Радиатор ОБЯЗАТЕЛЕН. Таким ключом можно управлять ТЭН до 1,5 КВт.
Питается все устройство через понизительный конденсатор на C3, диодный мост Br1 от параметрического стабилизатора на стабилитроне КС182 (8 вольт) со сглаживающим конденсатором C1.
Тумблер S1 переключает пороги контроля температуры. В разомкнутом состоянии S1 контролируется более низкая температура, в замкнутом – более высокая.
Настраивается  термостат сначала при замкнутом S1 на верхнюю температуру (у меня 77 град C) подстроечником R3. Затем, при разомкнутом S1 - на нижнюю температуру (66 град C) подстроечником R4.

После залива разделяемой жидкости в куб, устанавливается емкость для сбора голов, к термостату подключаются с помощью разъемов диод-датчик и ТЭН, S1 устанавливается в положение отбора голов (разомкнут) и подается напряжение питания ~220 вольт (включаем вилку в розетку). Через определенное количество минут (10 литров на 1,5 КВт =40 минут) содержимое куба закипает, пары нагревают диод-датчик, нагрев отключается (если состав этих паров сможет прогреть диод-датчик до установленной температуры отключения), после остывания диода нагрев вновь включится. Далее цикл работы повторится. Через несколько минут, по мере уменьшения в смеси количества легкокипящих фракций вместо бодренькой струйки из холодильника будут капать редкие капли. Даже если оператор-самогонщик несколько задержится проконтролировать этот процесс, ничего страшного не произойдет, поскольку термостат не даст перейти основной части продукта в емкость для сбора голов.
Когда отбор голов закончен, меняется приемная емкость и S1 переводится в состояние основного отбора (замыкается), запустится процесс отбора основного продукта  аналогично отбору голов. Оператор теперь может идти заниматься своими делами, через несколько часов (12…24) процесс отбора опять придет к нечастым каплям, на этом этапе его можно завершить.

Несмотря на очевидные достоинства такого термостата:
1.   предельная простота и доступность для повторения
2.   достаточные точность удержания верхнего порога контролируемой температуры и быстродействие
он обладает весьма существенными недостатками:
1.   требуется отменная электрическая изоляция схемы термостата и диода-датчика
2.   релейный режим работы снижает производительность системы в целом
Диод-датчик пришлось, намазав теплопроводной пастой, прикрутить поволокой к трубке паропровода через фторопластовую пленку. И, хотя такой способ крепления снижает точность и скорость контроля температуры, подстройкой термостата удалось добиться довольно неплохих результатов.
Рекомендую термостат (изготовить подобный или купить готовый) для использования при дистилляции браги на спирт-сырец. Даже при зачаточном тепломассообменнике в виде паропровода от куба к холодильнику повысится качество получаемого продукта. О том, что еще и автоматизируется выгон, уже не говорю.

При наличии свободного времени (если меня, конечно еще не отлучат от здесь) продолжу описание, почему подался в веру ПИД и как делаю ПИД-регулятор.

Ну недостатки легко купируются. Добавляем трансформатор - решаем проблему гальванической развязки. Отключаем не полностью все тены, а только часть. Таким образом немного компенсируем релейность. Диод-датчик можно вмазать гереметиком в трубку и совать ее куда вздумается.

ИМХО, хорошая схема.

Отключаем не полностью все тены, а только часть. Таким образом немного компенсируем релейность.
Altair, 22 Марта 09, 07:09

На самом деле, у меня в одном устройстве два таких термостата. Есть еще один канал с компаратором и оптоключем. Вход компаратора второго канала подключен к тому-же измерительному мосту. Управляет этот канал отдельным разгонным ТЭН (1,5 КВт), настроен он на температуру порядка 45 град C. После разгона и выхода на режим ТЭН этого канала отключается.
Насчет трансформатора согласен, можно его поставить, но теперь это уже сделано в ПИД-регуляторе.

Надеюсь, еще не все кидали в меня камнями, обвиняли в ереси и предавали анафеме

CoBell, я до тебя, по моему, еще серьъезно не добирался, но, похоже, пора, поскольку ты старательно и неуклонно паришь людям мозги совершенно неверным подходом.

Посмотри внимательно на прилагаемый график ректификации. Красная линия с надписью "Тдефл" на нем - это температура пара перед дефлегматором, та самая, которую ты собираешься стабилизировать меняя мощность нагрева. Ступенечки на этой линии имеют размер 0.031 *С.

А зеленая линия, с надписью Дбака - это давление в баке, которое, как сам понимаешь, зависит от мощности нагревателя.

В момент времени около 1500 сек мощность нагревателя была снижена примерно в 4 раза - видно по давлению. А примерно в 7500 сек - снова поднята. Если ты внимательно посмотришь на график, ты увидишь, что температура пара при этом не изменилась с точностью порядка 0.031*С.

Это ты ее мощностью регулировать собрался?

Руди, а у тебя датчики на колонне прилеплены к трубе, или внедрены в насадку?
Если взять допустим два момента t=2000c и t=8000c, то температуры будут следующими:
      t=2000c          t=8000c
Тбак    83,5              84,4
Ткол    74,8              75,2
Ткол1  69,5              69,5
Тдефл  78,7              78,7
Почему-то Ткол и Ткол1 ниже температуры в дефлегматоре - так во всё время ректификации, так вроде не должно быть?

У меня датчики на колонне просто прислонены к стенке колонны, поэтому их температуры ниже на 5-9*С. Не обращай внимания на величины, смотри только динамику. Датчик Ткол1-на 1/3 колонны (примерно 30 см), а Ткол-8 см от низа колонны.

Origin

Rudy, опиши участки своего графика где что происходит. Пока есть следующие вопросы:
1. Примерно на 400 секунде у тебя скачек температуры (видимо, момент закипания), после чего она снижается и стабилизируется к 1200 секунде - за счет чего, что на этом участке происходит, чего ты делаешь?
2. На 1600 секунде снижаешь нагрев в 4 раза - сам? ориентируясь на какой параметр?
3. На 7600 секунде опять включаешь - почему?
4. После этого давление в баке подскакивает и далее постепенно снижается - почему, по твоему мнению?
5. какие термометры используешь, если "Ступенечки на этой линии имеют размер 0.031 *С" (DS18B20, к примеру, имеет ступеньку 1/16 градуса, то есть примерно 0,06 град)?
6. Как определяешь моменты завершения отбора голов и основного продукта?
И какова градусность отбираемого продукта?