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


Введение



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. 


1. Схема и основные характеристики технологической установки





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. 




2. Составление функциональной схемы автоматизации технологической установки



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. 


3. Построение кривой разгона объекта по каналу регулирования, выбор типа регулятора



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: 



(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 настроек



После 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 Михайлова





Y(P)

F(P)Анализируемая АСР задана исходной структурной схемой, рисунок 7. 





X(P)

W3(P)

W4(P)

W2(P)

W1(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

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 Гурвица



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: 



; 





5.2 Проверка устойчивости САУ по критерию Михайлова



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) ; 

; 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 фазе



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. 




Заключение



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°. 




Литература



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.