Схема и основные характеристики технологической установки
2
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.
Курсовая работа защищена
с оценкой _____________
2007 г.
Содержание
- Введение 3
- 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
- Заключение 23
- Литература 25
ВведениеАвтоматика - 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.
1. Схема и основные характеристики технологической установкиРисунок 1.1 - Схема хлебопекарной печиРегулируемые 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.
2. Составление функциональной схемы автоматизации технологической установкиФункциональная 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 газаВ 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.
3. Построение кривой разгона объекта по каналу регулирования, выбор типа регулятораИсходные 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:
(t)
где - отклонение по кривой разгона,
- отклонение параметра по таблице 1.
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:
=2,5 мин,
Т=10,5 мин,
X = 12.
Затем рассчитываем вспомогательные параметры:
;
По номограмме выбираем закон регулирования.
Рисунок 4 - Номограмма
Согласно координаты точки (Rg, /Т) и ближайшей к ней кривой - это П - регулятор.
4. Определение пригодности регулятора и параметров его настроекПосле того, как мы выбрали закон регулирования определяем время регулирования tр и остаточное отклонение. Время регулирования tр определяем по номограмме tр/=f(/Т) (рисунок 5).
Рисунок 5 - Номограмма tр/=f(/Т)
К оси абсцисс в точке с соответствующим значением /Т восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с графиком П - регулятора. По оси ординат определяем величину "С" отношения tр/, тогда время регулирования tр определяем по формуле:
;
Затем проверяем неравенство:
;
Так как. , следовательно, регулятор выбран верно.
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:
;
5. Анализ АСР на устойчивость по критериям устойчивости Гурвица и МихайловаАнализируемая АСР задана исходной структурной схемой, рисунок 7.
2
Рисунок 7 - Структурная схемаСтруктурную 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 | 1 | k01 | k2 | T2 | 2 | k02 | k3 | 3 | k4 | T4 | 4 | |
| 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 и возмущению Фf(P):
5.1 Определение устойчивости системы по критерию ГурвицаДля 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: ;
5.2 Проверка устойчивости САУ по критерию МихайловаДля 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) ; ; или или 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 + kз
kд - коэффициент усиления, = 1,44
kз - коэффициент запаса, = 4,24
Сравнения его со значением, определенным по критерию Гурвица, мы видим, что они равны:
6. Определение запаса устойчивости АСР по фазеДля 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 "-р". Иначе говоря, система устойчива, если ЛАЧХ пересечет ось lg(w) раньше, чем ЛФЧХ достигнет значения "-р". 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 | |
ц(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
Дц = 1,93 рад = 110,5°, следовательно, система имеет высокий запас устойчивости.
ЗаключениеВ 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 равныПри использовании критерия Михайлова - Найквиста рассчитали запас устойчивости по фазе. Дц = 1,93 рад = 110,5°.
Литература1. 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.