Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 28
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Орловский государственный технический университет Кафедра "Электрооборудование и энергосбережение " Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине АСУТП Работу выполнил студент группы 41-ТК: Чернышова В.А. Шифр 030917 Руководитель работы: Комаристый А.С. защищена с оценкой _____________ 2007 г. Содержание 1. Схема и основные характеристики технологической установки. 5
2. Составление функциональной схемы автоматизации технологической установки. 6
3. Построение кривой разгона объекта по каналу регулирования, выбор типа регулятора. 8
4. Определение пригодности регулятора и параметров его настроек. 11
5. Анализ АСР на устойчивость по критериям устойчивости Гурвица и Михайлова. 14
5. Анализ АСР на устойчивость по критериям устойчивости Гурвица и Михайлова. 14
5.1 Определение устойчивости системы по критерию Гурвица. 15
5.2 Проверка устойчивости САУ по критерию Михайлова. 16
6. Определение запаса устойчивости АСР по фазе. 19
Автоматика - отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения средств и систем управления производственным процессом. Автоматика является основой автоматизации. Автоматизация - этап развития машинного производства, который характеризуется освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций техническим устройствам. Управление производственным процессом - это такое воздействие на него, которое обеспечивает оптимальный или заданный режим работы. Объект управления - управляемый производственный процесс. Совокупность технических средств, используемых для управления, и производственного персонала, который принимает в нем непосредственного участие, образует совместно с объектом систему управления. Процесс управления складывается из следующих основных функций, которые выполняются системой управления: получение измерительной информации о состоянии производственного процесса как объекта управления; переработка полученной информации и принятии решения о необходимом воздействии на объект для достижения целей управления; реализация принятого решения, т.е. непосредственное воздействие на производственный процесс. Средство измерений - это средство, предназначенное для получения информации о состоянии объекта управления. Среди автоматических систем наиболее распространены автоматические системы регулирования (АСР). АСР предназначены для поддержания заданных значений технологических параметров, которые характеризуют состояние производственного процесса как объекта регулирования. С появлением новых технических средств, в практику автоматизации вошел новый тип систем управления - автоматизированные системы управления технологическими процессами. Широкое внедрение автоматизации пищевых производств позволяет повысить эффективность технологических процессов и обеспечить полную сохранность натуральных свойств исходного сырья, которое поступает на переработку. Рисунок 1.1 - Схема хлебопекарной печи Регулируемые параметры: температура дымовых газов, подаваемых в центральную зону пекарной камеры. Контролируемые параметры температура, давление газа. Сушка (высушивание) материалов состоит в удалении влаги из влажных материалов путем ее диффузии из твердого материала и испарения. Необходимость удаления влаги из материала может быть обусловлена разными причинами, например: Влажный продукт может портиться при хранении, так как влага вредно воздействует на товарные свойства некоторых материалов: слеживание, смерзание в зимнее время, образование плесени. Функциональная схема автоматизации (ФСА) дает представление о функционально - блочной структуре системы автоматического управления - регулирования, сигнализации, защиты технологического процесса или установки и определяет объем оснащения установки (объекта) аппаратурной автоматики. На ФСА изображены: технологическое оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации (датчики, регулирующие и контролирующие приборы, элементы управления, вычислительные устройства и пр.). В зоне щитов и пультов условно изображают установленные средства автоматизации. От них линии связи идут к элементам схемы установки. Приборы и средства, установленные вне щитов, - местные приборы. Рисунок 2 - Функциональная схема автоматизации регулирования и контроля температуры и давления газа В соответствие с заданием для регулирования и контроля температуры и давления газа в технологической установке на выходе из топки установлен измеритель температуры (поз.4-1), имеющий сдвоенный чувствительный элемент (сдвоенная термопара), один из которых подключен ко вторичному прибору, установленному на щите (поз.4-2), осуществляющий показание и запись температуры, а другой - к электрическому регулятору (поз.4-3), имеющему датчик (поз.4-4), не встроенный в регулятор. Исполнительным механизмом (поз.4-5) можно управлять вручную с помощью кнопок управления (поз.4-5) можно управлять вручную с помощью кнопок управления (поз.3-1) через переключатель режима работы - ручное - автоматическое (поз.3-2). Исполнительный механизм изменяет подачу газа в топку. Для контроля давления на выходе в топку установлен датчик давления (поз.2-1), который подключен ко вторичному прибору на щите (поз.2-2), осуществляющему показание давление газа и имеющему задатчик (поз.2-3) и сигнализацию (поз.2-4) для обеспечения техники безопасности. Измеритель температуры подаваемого газа (поз.1-1) подключен к прибору, установленному на щите (поз.1-2), осуществляющему показания и запись температуры. Исходные данные для построения кривой разгона объекта по каналу регулирования сведены в таблицу 1. Таблица 1 № п/п Возмущение Y% Р.О. Относительное время кривой разгона tотн Показатели качества процесса регулирования 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 данные эксперимента - отклонение параметра Xэ(t) X1% Xост Xр. отн. 1 10 0 0,25 1 2,3 3,3 4,1 4,5 4,8 5,0 5,1 5,1 40 10 1,5 Абсолютное значение времени определяется по формуле: где tпер. - время переходного процесса, указанное для технологической установки. Кривую разгона объекта строим в единицах регулируемой величины по формуле: где Результаты пересчета t и X сводим в таблицу 2. Таблица 2 Параметр Значение tотн 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 X э (t) 0 0,25 1 2,3 3,3 4,1 4,5 4,8 5,0 5,1 5,1 t(М) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 X(t) 0 0,59 2,35 5,2 7,77 9,65 10,6 11,3 11,77 12 12 По данным таблицы строим кривую разгона объекта (рисунок 3). Рисунок 3 - Кривая разгона На кривой разгона объекта проводим касательную к точке перегиба и определяем графически динамические и установившиеся параметры объекта: t=2,5 мин, Т=10,5 мин, X¥ = 12. Затем рассчитываем вспомогательные параметры: По номограмме Рисунок 4 - Номограмма Согласно координаты точки (Rg, t/Т) и ближайшей к ней кривой - это П - регулятор. После того, как мы выбрали закон регулирования определяем время регулирования tр и остаточное отклонение. Время регулирования tр определяем по номограмме tр/t=f(t/Т) (рисунок 5). Рисунок 5 - Номограмма tр/t=f(t/Т) К оси абсцисс в точке с соответствующим значением t/Т восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с графиком П - регулятора. По оси ординат определяем величину "С" отношения tр/t, тогда время регулирования tр определяем по формуле: Затем проверяем неравенство: Так как. По графику (рисунок 6) определяем графически остаточное отклонение. Рисунок 6 - Номограмма X’ост=С’X∞ C'=0,25; X’ост< Xост 3<10; Закон регулирования П - регулятора имеет вид: Определяем параметры настроек регулирования по формуле: Y(P) F(P) X(P) Рисунок 7 - Структурная схема Структурную схему преобразовываем к одноконтурному виду, заменяя внутренние контуры одним звеном пользуясь правилами коммутации. Передаточные функции структурной схемы записываем в общем виде. W(P) = W5(P) =W3(P) W4(P) W2(P) W1(P) Заменяем параметры передаточных функций их числовыми значениями из таблицы 3. Таблица 3 Параметры звена k1 T1 t1 k01 k2 T2 t2 k02 k3 t3 k4 T4 t4 8 1 1,2 0 0,4 0 0 1 0,9 0 0,5 0,7 0,5 Формулы передаточных функций имеют вид: Записываем передаточную функцию замкнутой АСР по управлению Для определения устойчивости системы по Гурвицу приравниваем к 0 знаменатель передаточной функции замкнутой по управнению системы, т.е. получаем характеристическое уравнение замкнутой по управлению системы: В общем виде: При положительных коэффициентах критерий Гурвица сводится к проверке неравенства: САУ по критерию Гурвица устойчива, так как определитель и диагональный минор величины положительные. Определяем критический коэффициент усиления замкнутой по управлению системы по формуле: Для проверки САУ по критерию Михайлова в характеристическом уравнении для замкнутой по управлению системы заменяем оператор дифференцирования Р на комплексную переменную jw, полученное комплексное число представляем в алгебраической форме записи: Изменяя значение w от 0 до ¥ определяем значение функции и строим график на комплексной плоскости. На первоначальном этапе определяем точки пересечения годографа Михайлова с действительной и мнимой осями. 1) 2) Изменяя значение w определяем U(w) и V(w), полученные данные сводим в таблицу 4. Таблица 4. w 0,0 0,4 0,8 1,2 1,3 1,6 2,0 2,4 U(w) 1,440 1,168 0,352 -1,008 -1,433 -2,912 -5,36 -8,352 V(w) 0,000 0,765 1,299 2,410 1,292 0,755 -0,784 -3,475 w 2,8 3,2 3,6 3,9 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 U(w) -11,888 -15,968 -20,592 -24,417 -25,76 -31,472 -37,728 -44,528 -51,872 V(w) -7,549 -13,235 -20,765 -27,76 -30,368 -42,275 -56,717 -73,923 -94,125 По данным таблицы строим годограф, рисунок 8. Рисунок 8 - Годограф Михайлова Анализируя годограф Михайлова делаем следующие выводы: САУ по критерию Михайлова устойчива, так как при показателе степени характеристического уравнения n=3, кривая (годограф), начинаясь на действительной положительной полуоси, огибает начало координат против часовой стрелки, проходя последовательно 3 квадранта. Определенный по графику коэффициент максимального усиления kmax kд - коэффициент усиления, = 1,44 kз - коэффициент запаса, = 4,24 Сравнения его со значением, определенным по критерию Гурвица, мы видим, что они равны: Для определения запаса устойчивости по фазе воспользуемся критерием Михайлова - Найквиста. Для этого исследуем разомкнутую по управлению систему: Выпишем отдельно числитель и разделим его на вещественную и мнимую составляющие, заменив P на jw: Амплитудно-частотную характеристику численно найдем по формуле: Фазово-частотную характеристику численно найдем по формуле: Выпишем знаменатель и так же разделим его на вещественную и мнимую части: Амплитудно-частотную характеристику определим по формуле: Для удобства строим АЧХ и ФЧХ в логарифмических координатах. Чтобы система была устойчива, необходимо, чтобы логарифмические частотные характеристики разомкнутой системы удовлетворяли следующему требованию: необходимо и достаточно, чтобы при всех частотах, при которых ЛАЧХ положительна, значения фазы не превышали "-π". Иначе говоря, система устойчива, если ЛАЧХ пересечет ось lg(w) раньше, чем ЛФЧХ достигнет значения "-π". Фазово-частотную характеристику определим по формуле: Изменяя значение w от 0 до ¥ рассчитываем значение действительной и мнимой составляющих. Затем производим операцию логарифмирования, и результаты вычислений сводим в таблицу 5. Таблица 5 w 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 lgw 0 0,09691 0,176091 0,243038 0,30103 0,352183 0,39794 20lgA(w) 11,56588868 9,357563 7,573092 6,07112 4,770441 3,620912 2,58966 φ(w) 0 -0,32548 -0,58501 -0,79662 -0,97266 -1,12171 -1,24986 По данным таблицы строим годограф, рисунок 9. Рисунок 9 - Запас устойчивости по фазе По графику определяем запас устойчивости по фазе Δφ = 1,93 рад = 110,5°, следовательно, система имеет высокий запас устойчивости. В пищевой промышленности чаще всего необходимо измерять, контролировать и регулировать следующие технологические параметры: температуру, давление (разряжение), влажность, уровни рабочих сред в аппаратах и машинах, показатели качества и состава сырья, полуфабрикатов и готового продукта. При внедрении автоматизации технологического процесса обеспечивается рост производства, повышение качества продукции и производительности труда. В процессе выполнения курсового проекта мы ознакомились с устройством и основными характеристиками хлебопекарной печи. Составили функциональную схему автоматизации, построили кривую разгона по каналу регулирования, выбрали тип регулятора - П - регулятор, определили пригодность регулятора и записали закон регулирования: Проанализировали автоматизированную систему регулирования по критериям Гурвица и Михайлова и сделали вывод: По критерию Михайлова система устойчива, так как при показателе степени характеристического уравнения n=3, кривая, начинаясь на положительной действительной полуоси, огибает начало координат против часовой стрелки и проходит последовательно 3 квадрата; Коэффициенты усиления k max определенный по графику и найденный по критерию Гурвица равны При использовании критерия Михайлова - Найквиста рассчитали запас устойчивости по фазе. Δφ = 1,93 рад = 110,5°. 1. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем: Учебник для ВУЗов. М.: Машиностроение. - 1978 - 736 с. Симонов В.П. Задания и методические указания на курсовую работу по УТС. Орел: ОрелГТУ, 1999 - 22 с. 3. Качанов А.Н. Математические основы проектирования и наладки систем автоматического управления техническими объектами и процессами. Орел: ОрелГТУ, 2001 - 143 с. 4. Автоматика и автоматизация пищевых продуктов: Учебник для ВУЗов. М.: "ВО Агропромиздат", 1991 - 239 с. 5. Малахов Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. Орел: ОрелГТУ, 2001 - 686 с.
|