Схема и основные характеристики технологической установки

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 30 917

Руководитель работы:

Комаристый А.С.

Курсовая работа защищена

с оценкой _____________

2007 г.

• 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

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

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

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

Анализируемая АСР задана исходной структурной схемой, рисунок 7.

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

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.

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 «-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

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.

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. Дц = 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.