Синтез и моделирование промышленной системы автоматического управления

??? ???? ??? ??? ???

??? ??? ??? ??? «???»

???: «???? ??? ???»

???: «???»

Курсовая работа по дисциплине:

" Технические средства"

по теме:

" Синтез и моделирование промышленной системы автоматического управления"

Москва 2012

• 1. Вычисление передаточной функции объекта управления
• 2. Структура системы управления
• 3. ЛАФЧХ разомкнутой системы и ее переходная характеристика
• 4. Выбор исполнительного механизма совместно с регулирующим органом
• 5. Выбор датчика уровня
• 6. Выбор автоматического регулятора
• 7. Расчет передаточной функции ПИ-регулятора. Синтез желаемой ЛАФЧХ
• 8. Исследование реакции системы на возмущающее воздействие
• Заключение
• Список литературы

Задание по курсовому проектированию

" Синтез и моделирование САУ" .

Блок — схема системы автоматического регулирования уровня.

Провести синтез промышленной системы автоматического управления (рис 1), обеспечивающей время регулирования t_р, ориентировочно соответствующее наибольшему значению динамической константы объекта управления при статической ошибке _ст=0 и монотонности переходной функции по каналу управления (_max=0).

Метод синтеза — на основе Логарифмических Амплитудно-Фазовых Частотных Характеристик (ЛАФЧХ).

САУ реализовать на основе современных средствах КИПиА.

Результаты синтеза САУ подтвердить моделированием в среде Simulink (МАТLAB).

Обьект управления — бак напорный.

Передаточная функция объекта по каналам вход — поступающий расход воды уровень воды в напорном баке имеет вид

Где площадь сечения цилиндрического бака напорного (-диаметр бака напорного)

— номинальный режим по уровню воды.

— номинальное значение поступающего расхода при.

1. Вычисление передаточной функции объекта управления

Численные значения констант передаточной функции неизменяемой части САУ (объекта управления):

- номинальный режим по уровню воды;

- номинальное значение поступающего расхода при ;

- диаметр бака напорного.

Передаточная функция ОУ:

Численное значение передаточной функции:

- площадь сечения цилиндрического бака напорного;

- номинальное значение поступающего расхода при ;

— передаточный коэффициент

- постоянная времени

датчик промышленный автоматическое управление Тогда:

2. Структура системы управления

Исходная структура системы управления:

Расчет коэффициента усиления регулирующего органа K_{р. о}:

,

где — изменение поступающего потока;

изменение степени открытия клапана (в процентах).

Зависимость поступающего потока от степени открытия клапана:

Чтобы осуществить возможность регулирования поступающего потока выбираем двойной расход :

Расчет коэффициента усиления датчика уровня K_д:

FS=10м - (FullScale) — диапазон измеряемых величин;

FSO=4.20мА - (FullScaleOutput) — диапазон выходных значений.

Передаточная функция датчика уровня:

Исходная структура системы управления с численными значениями:

Упростим структуру системы управления:

Упрощенная структура системы управления с численными значениями:

3. ЛАФЧХ разомкнутой системы и ее переходная характеристика

ЛАФЧХ неизменяемой части САУ строятся приближенным методом, состоящим в том, что для звена с передаточной функцией Wнч (p) =K/ (Tp+1) (Tф+1) в логарифмической сетке координат до частоты 1/T, где T=1589,6с — постоянная времени, ЛАЧХ имеет вид прямой, параллельной частотной оси на уровне 20lgK=20lg0.29 — 5дб-коэффициент передачи, а для частот, больших 1/T, ЛАЧХ имеет вид прямой линии с наклоном — 20дб/дек до сопрягающей частоты 1/Tф, (Tф=10c), где наклон ЛАЧХ изменяется дополнительно на — 20дб/дек и составляет — 40дб/дек.

Результаты построений в matcad:

Переходная характеристика:

4. Выбор исполнительного механизма совместно с регулирующим органом

Вычисление K_v (величины пропускной способности) производится по DINEN 60 534. Типовые листы содержат необходимые индивидуальные параметры клапана. Для предварительного упрощенного расчета регулирующих клапанов можно использовать формулу:

Влияние соединительных фитингов и ограничение потока не учитываются.

Расчет условной пропускной способности для расхода Q_п:

Расход Q_п принимаем в 2 раза больше номинального, поэтому выбираем клапан с K_v=0,2.

Зависимость пропускной способности от степени открытия клапана:

Расчет условной пропускной способности для расхода Q₀:

Расход Q₀ принимаем в 2 раза больше номинального, поэтому выбираем клапан с K_v=3,2.

Выбираем клапан запорно-регулирующий 25ч945п односедельный фланцевый DN=20мм с характеристиками K_v=2.5 ЭИМ клапана имеет управляющий сигнал 4.20 мА.

Клапан запорно-регулирующий 25ч945п

Клапан запорно-регулирующий (КЗР) 25ч945 подноседельный фланцевый с электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ)

PN1,6МПа

Код ОКП 37 2250

Изготовление и поставка — по ТУ 3722−011−50 987 615−2002

Сертификат соответствия №РОСС RU. МУ04. В207

Назначение

Клапан запорно-регулирующий (КЗР) 25ч945п односедельный фланцевый с электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ) PN1,6МПа предназначен для использования на центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЦТП и ИТП), в системах горячего водоснабжения, системах приточной вентиляции тепличных хозяйств и в других областях как для автоматического регулирования технологических процессов, так и в качестве запорного устройства.

Фторопластовое уплотнение в затворе обеспечивает требуемую герметичность в положении «закрыто» .

Материал основных деталей

Технические характеристики:

Гарантии Гарантийный срок эксплуатации — 12 месяцев со дня ввода в эксплуатацию. Срок консервации — 3 года. Срок службы — не менее 10 лет. Наработка на отказ — 10 000 часов.

Габаритные и присоединительные размеры

D1=58 мм

D2=75 мм

D3=105 мм

B=80 мм

L=150мм

H=375 мм

n=4

d=14 мм

5. Выбор датчика уровня

Выбираем датчик гидростатического давления LMP 331 (ЛМП 331)

Врезные датчики уровня серии LMP предназначены для непрерывного измерения уровня жидкости в открытых емкостях. Датчики этой серии применяются для измерения низкого и среднего давления вязких субстанций, где требуется защита чувствительной мембраны от засорения и налипания.

Столб жидкости над датчиком давит на разделительную мембрану. Давление через инертный масленый наполнитель передается на полупроводниковый чувствительный элемент. Электронная цепь усиления обеспечивает питание сенсора, усиление сигнала, преобразование в стандартный электрический сигнал, а также температурную компенсацию. Уровень сигнала пропорционален высоте столба жидкости над датчиком.

Наличие открытой мембраны исключает возможность ее засорения. Подключение к процессу обеспечено наличием резьбы 3.4 дюйма. Уплотнение, расположенное непосредственно за резьбой, позволяет добиться герметичного соединения при монтаже датчика.

Области применения:

· измерение уровня жидкости природных и искусственных агрессивных жидкостей

· химическое и фармацевтическое производство

· пищевая промышленность

· гальвано-производство

· очистка воды и сточных вод

Технические характеристики:

· Диапазоны давления: от 0.0,4 м вод. ст. до 0.400 м вод. ст.

· Выходные сигналы: 4.20 мА / 2-х пров.

· 0.20 мА / 3-х пров.

· 0.10 В / 3-х пров.

· Класс защиты IP 65−68

Преимущества и особенности

· Индивидуальная настройка диапазона по требованию заказчика. Например: 0.55 м вод. ст.

· Применим для воды и других жидкостей не агрессивных к нержавеющей стали

· Открытая мембрана

· Компенсация температурной погрешности

· Долговременная стабильность калибровочных характеристик

· Высокая степень защиты от неправильного подключения, коротких замыканий и перепадов напряжений

· Прочная и надёжная конструкция для тяжелых условий эксплуатации

· Искробезопасное исполнение: EExia IIC T4

Подключение источника давления

Электрические разъёмы

Схема подключения

6. Выбор автоматического регулятора

Выбираем микропроцессорный регулятор МИНИТЕРМ 400.00

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

НАЗНАЧЕНИЕ

Регуляторы микропроцессорные МИНИТЕРМ 400.00 предназначены для регулирования давления, расхода, уровня и т. д. при работе с датчиками унифицированного сигнала постоянного тока (шесть входов).

Питание:

· Напряжение — (24±6) В постоянного тока при амплитуде переменной составляющей от 0.4 до 1.5В;

· Потребляемая мощность — не более 3.6ВА.

Типы и количество подключаемых датчиков:

· шесть датчиков 4−20 мА постоянного тока.

Импульсный выход:

· Вид — «сухой» транзисторный ключ (45 В, 0.15А) либо сигнал 0, 24 В постоянного тока.

Дискретные выходы:

· Назначение и количество:

o для сигнализации верхнего и нижнего предельных отклонений регулируемого параметра от задания — 2;

o для сигнализации отказа — 1;

· Тип и параметры выходов — «сухой» транзисторный ключ (45 В, 0.15А) либо сигнал 0, 24 В постоянного тока.

Аналоговый выход:

· Вид — 0−10 В либо 0−5мА постоянного тока;

· Назначение:

o для регуляторов с импульсным выходом — для подключения внешнего регистратора (самописца) регулируемого параметра (например, температуры);

o для регулятора с аналоговым выходом — в качестве выходного сигнала регулятора.

Интерфейс:

· RS232C.

7. Расчет передаточной функции ПИ-регулятора. Синтез желаемой ЛАФЧХ

Построение ЛАФЧХ разомкнутой САУ исходит из следствия теории линейных систем заключающегося в том, что если ЛАЧХ разомкнутой системы имеет в области существенных частот (в секторе, отсекаемом линиями) наклон, то:

1) Замкнутая САУ устойчива;

2) Переходная функция близка к монотонной;

3) Время регулирования .

Структура разомкнутой исходной систему с ПИ-регулятором:

Желаемый ЛАЧХ (Lж) простейшего вида разомкнутой САУ, которая бы в замкнутом виде удовлетворяла заданным показателям качества должна иметь в окрестности существенных частот наклон ЛАЧХ равный — 20дб/дек и пересечение с осью частот при

В области низкочастотной асимптоты, для создания нулей статической ошибки д_ст=0 частотные характеристики разомкнутой системы должны соответствовать интегратору по крайней мере первого порядка. Тогда естественно сформировать в этой области желаемый ЛАЧХ в виде прямой с наклоном — 20дб/дек. как продолжение Lж из области существенных частот. С целью упрощения реализации САУ высокочастотная асимптота должна соответствовать высокочастотной асимптоте неизменяемой части системы

Согласно принятой структуре промышленной САУ, единственным средством приведения ЛАФЧХ неизменяемой части Lнч к Lж является

ПИ-регулятор с передаточной функцией

ЛАФЧХ (при Kp=1) которого показаны на рисунке:

Примем постоянную интегрирования регулятора равной постоянной времени Tобъекта управления, т. е., при Kp=1. Тогда ЛАЧХ разомкнутой САУ примет вид L1=Lнч+Lпи, качественно соответствующий виду Lжна рисунке, но с меньшим коэффициентом усиления. Для совпадения ЛАЧХ проектируемой системы с Lж необходимо увеличить коэффициент усиления разомкнутой системы на 20 дб, т. е. в 10 раз. Следовательно. Настройки регулятора определены.

При, передаточная функция разомкнутой системы имеет вид, в состав которой имеет место интегрирующее звено. При построении ЛАЧХ, соответствующей Wp (p) коэффициент передачи 0.29/1589 должен численно соответствовать частоте пересечения ЛАЧХ с осью на частоте, откуда или .

Результаты построений ЛАФЧХ разомкнутой системы с ПИ-регулятором в Matcad:

Переходная характеристика:

8. Исследование реакции системы на возмущающее воздействие

Подадим возмущающее воздействие и рассмотрим получившийся переходный процесс:

Вывод: после подачи возмущающего воздействия система вернулась в исходное состояние.

Заключение

В соответствии с заданием была спроектирована промышленная система автоматического регулирования на основе заданных параметров объекта регулирования. Были проанализированы основные элементы системы. Произведен синтез САУ, обеспечивающей время регулирования t_р=1589 [c], соответствующее наибольшему значению динамической константы объекта управления при статической ошибке д_ст=0 и монотонности переходной функции по каналу управления (о_max=0). Результаты синтеза САУ были подтверждены моделированием в средеMathCADиMatLab (Simulink).

1. Дж Фрайден. Современные датчики. Москва.: Техносфера 2006 г.

2. Каталоги фирм — производителей средств измерения, воздействия на процесс и автоматического управления: ЗАО МЗТА; МЕТРАН — 100 (РФ); ООО МАНОМЕТР (Москва), ООО ELEMER (Зеленоград); HONEYWELL; SIEMENS; COOL-PARMER; EMERSON; BARATRON; KAMMER; BRONKHORST-HIGH-TEC; MKSINSRUMENTSINC; SWAGELOK; SAMSON.

3. Справочные сведения в цифровой форме (200Мгб) по средствам измерения, воздействия на процесс и автоматического управления, подготовленные на основе каталогов перечисленных в Л.2 фирм — производителей. Предоставляются каждому студенту

4. Ч. Филипс, Р. Харбор. Системы управления с обратной связью. Москва.: Лаборатория Базовых Знаний. 2001.

5. Е. Никулин Основы теории автоматического управления. Частные методы анализа и синтеза систем. СПб.: «БХВ-Петербург». 2004.

6. Дж. Дэбни, Т. Хартман. Simulink 4. Секреты мастерства. МОСКВА.: БИНОМ, Лаборатория знаний., 2003