Руппель А.А. Анализ и синтез систем автоматизации технологических процессов - файл n1.doc

приобрести
Руппель А.А. Анализ и синтез систем автоматизации технологических процессов
скачать (755.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3391kb.13.05.2007 10:19скачать

n1.doc

  1   2   3   4
Министерство образования Российской Федерации

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)


А.А. Руппель

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ

СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ


ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ


Учебное пособие




Омск

Издательство СибАДИ

2006

УДК 681.06:621.3

ББК 32.973.26-018.2

Р


Рецензенты:

д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Автоматизация и робототехника» ОмГТУ В. Г. Хомченко,

канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Автоматика и системы управления» ОмГУПС А.Б. Кильдибеков
Работа одобрена редакционно-издательским советом академии и научно-методическим советом специальности 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств в качестве учебного пособия по дисциплинам “Теория автоматического управления”, “Автоматизация технологических процессов и производств”, “Проектирование систем управления” для специальности 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств.

Руппель А.А. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. – с.

В учебном пособии рассматривается методика курсового и дипломного проектирования по автоматизации технологических процессов в среде MATLAB и Simulink. Особое внимание уделено идентификации объектов автоматизации технологических процессов с использованием пакетов расширения MATLAB System Identification Toolbox и Control System Toolbox.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения специальности 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств, выполняющих курсовые и дипломные проекты по автоматизации технологических процессов и производств, а также могут быть полезны студентам других специальностей при выполнении дипломных проектов.


Табл. 3. Библиогр.: 4 назв.
© Издательство СибАДИ, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5

  1. Общие методические указания по курсовому и дипломному

проектированию по автоматизации производственных

процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Технологический раздел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1. Обоснование необходимости автоматизации и

требования к системам автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2. Описание технологического процесса сушки шликера. . . . . 11

2.3. Требования к системе автоматизации процесса сушки

шликера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3. Раздел автоматизации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1. Идентификация технологического объекта управления . . . 21

3.1.1. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.2. Виды моделей объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2. Приложение MATLAB пакет System Identification Toolbox

для идентификации объектов автоматизации

технологических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.1. Назначение пакета System Identification Toolbox . . . 30

      1. Виды моделей пакета System Identification Toolbox. . 31

3.2.3. Основные операторы и функции пакета

System Identification Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

      1. Идентификация с использованием блоков Simulink. 36

    1. Применение пакета System Identification Toolbox для

идентификации распылительной сушилки . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3.1. Постановка задачи идентификации и ее основные

этапы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

      1. Обработка и преобразование данных . . . . . . . . . . . . 39

      2. Непараметрическое оценивание исходных данных . 42

      3. Параметрическое оценивание данных . . . . . . . . . . . 48

3.3.5. Преобразование моделей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

      1. Проверка адекватности модели . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

      2. Графический интерфейс System Identification

Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

      1. Анализ модели ТОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    1. Выводы по идентификации технологического объекта

автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    1. Математическое описание остальных элементов

структурно-математической схемы автоматизации . . . . . . .

    1. Анализ работы системы автоматизации процесса сушки

шликера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    1. Методика выбора автоматического регулятора . . . . . . . . . . .

    2. Синтез системы автоматизации процесса сушки шликера . .

Выводы и рекомендации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Список использованных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ВВЕДЕНИЕ


Ускорение научно-технического прогресса и интенсификация производства невозможны без применения средств автоматизации. Характерной особенностью современного этапа автоматизации состоит в том, что она опирается на революцию в вычислительной технике, на самое широкое использование микропроцессорных контроллеров, а также на быстрое развитие робототехники, гибких производственных систем, интегрированных систем проектирования и управления, SCADA-систем.

Применение современных средств и систем автоматизации позволяет решать следующие задачи:

вести процесс с производительностью, максимально достижимой для данных производительных сил, автоматически учитывая непрерывные изменения технологических параметров, свойств исходных материалов, изменений в окружающей среде, ошибки операторов;

управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственного плана для номенклатуры выпускаемой продукции путем оперативной перестройки режимов технологического оборудования, перераспределения работ на однотипном оборудовании и т. п.;

автоматически управлять процессами в условиях вредных или опасных для человека.

Решение поставленных задач предусматривает целый комплекс вопросов по проектированию и модернизации существующих и вновь разрабатываемых систем автоматизации технологических процессов и производств.

В данном учебном пособии на конкретном примере одного из видов технологического процесса строительного производства рассматривается методика анализа и синтеза системы автоматизации. Изложение материала базируется на использование возможностей современной интегрированной системы компьютерной математики MATLAB и её приложений.

Рассмотренные в учебном пособии вопросы должны найти отражение в курсовом и дипломном проектировании по автоматизации технологических процессов и производств.


  1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО КУРСОВОМУ

И ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Курсовое и дипломное проектирование имеет целью развитие инженерных навыков при разработке систем автоматизации технологических процессов и производств на основе современных технических средств контроля и управления, блочно-модульного и агрегатного принципов их построения.

Курсовой проект является завершающим этапом изучения специальной дисциплины. Разработка курсового проекта имеет большое значение, так как по законченной работе судят об умении студентов выполнять основные расчеты по системам автоматизации технологических процессов и производств, о знании им современной элементной базы и технических средств автоматизации, об умении использовать современных средств вычислительной и микропроцессорной техники.

Курсовой проект должен подготовить студента к выполнению дипломного проекта. При этом целесообразно с самого начала выполнения курсовых проектов по различным дисциплинам выбрать такое направление работы, при котором поэтапно в рамках различных курсовых проектов, учебно-исследовательской работы решается крупная техническая задача, и решение завершается выполнением дипломного проекта.

Дипломное проектирование является заключительным этапом обучения студента в вузе и имеет своей целью:

 выяснение подготовленности студента для самостоятельной работы в условиях современного производства;

 систематизацию, закрепление и расширение теоретических знаний и практических навыков, полученных студентом за время обучения;

 развитие у студента навыков самостоятельного решения комплекса инженерных задач, овладение им методикой исследования и экспериментирования.

Выполнение курсовых и дипломных проектов должно осуществляться преимущественно на конкретных материалах проектно-конструкторских, научно-исследовательских и производственных организаций, являющихся базой производственных и преддипломной практик, и исходить из реальных задач, стоящих перед производством. На производственных и преддипломной практиках студенты определяют уровень и объемы автоматизации производственных процессов, формируют технологические требования на автоматизацию, намечают совместно с производственниками принципиальные решения автоматизации технологических процессов на основе технико-экономического обоснования.

Основными направлениями по тематике курсового и дипломного проектирования могут являться:

 анализ работы и совершенствование (модернизация) существующих средств и систем автоматического контроля и управления параметрами и состоянием технологических процессов и оборудования на основе изучения современных методов анализа и оптимизации статических и динамических свойств технических систем и современной элементной базы технических средств контроля и автоматизации;

 разработка новых средств и систем автоматизации для контроля и управления параметрами и состоянием технологического оборудования и технологических процессов предприятий строительной индустрии, строительных, дорожных машин и технологического транспорта;

 анализ и совершенствование существующих и разработка новых систем автоматизированного электропривода для основного и вспомогательного оборудования предприятий строительной индустрии;

 разработка автоматизированных систем диагностики состояния и оценка надежности работы технических систем;

 разработка математических моделей, моделирование и оптимизация параметров объектов автоматизации и их систем управления;

 разработка информационного и программного обеспечения для автоматизации процессов анализа, синтеза и проектирования средств и систем автоматизации по контролю и управлению технологическими процессами;

 разработка технических средств обучения и методического обеспечения для использования их в учебном процессе по дисциплинам кафедры.

Общая структура разрабатываемого курсового или дипломного проекта включает в себя пояснительную записку (ПЗ) и графическую часть. Пояснительная записка включает в себя введение, технологический или научно-исследовательский (теоретическое обоснование, экспериментальная часть, применение ПЭВМ, патентный поиск) разделы, основной раздел по автоматизации, организационно-экономический раздел, раздел безопасности жизнедеятельности, а также выводы и рекомендации, список литературы. В курсовом проекте часть разделов может не рассматриваться.

Во введении проекта студенту необходимо:

 осветить задачи создания систем автоматизации;

 рассмотреть и обосновать актуальность разрабатываемой темы, указать ее место в решении общей задачи ускорения научно-технического прогресса на предприятиях строительной индустрии;

 охарактеризовать теоретический или прикладной характер разрабатываемого проекта и отметить, по какому заданию выполняется проект (по заданию предприятия, НИИ, хоздоговору, госбюджетной тематике и др.);

 дать характеристику проекта в целом.

В технологическом разделе необходимо осветить следующие вопросы:

 описание технологического процесса, реализуемого на конкретном виде технологического оборудования;

 обоснование необходимости автоматизированного контроля или (и)

управления конкретными параметрами технологического процесса;

 требования к автоматизированным системам контроля или (и) управления, их достоинства и недостатки;

 задачи по совершенствованию системы автоматизации на основе изменения ее структуры или введения новых элементов, или использования новых методов проектирования и выбора оптимальных параметров настройки элементов автоматизации, повышающих эффективность ее работы.

В разделе автоматизации необходимо:

 привести обоснование по выбору новой структуры и элементов для модернизируемой системы автоматизации;

 привести расчеты по выбору параметров настройки тех элементов, у которых они не являются постоянными;

 проанализировать устойчивость работы системы автоматизации, переходные процессы и другие характеристики, определяющие качество и надежность работы системы автоматизации;

 для изменяемой части систем автоматизации разработать принципиальные схемы, и осуществить выбор технических средств для достижения поставленных задач автоматизации;

 при использовании нестандартных дополнительных технических средств автоматизации привести соответствующие расчеты по их проектированию и привязке к существующим элементам автоматизации;

 при использовании стандартных дополнительных технических средств автоматизации расчеты произвести только по их привязке к существующим элементам системы автоматизации;

 привести физическое и математическое описание решаемой с помощью ПЭВМ задачи, алгоритм ее решения и результаты расчета на ПЭВМ;

 оценить метрологические показатели элементов и систем автоматизации;

В организационно-экономическом разделе приводятся расчеты технико-экономических показателей по эффективности использования модернизируемой системы автоматизации по сравнению с существующей системой и решаются организационно-экономические вопросы по техническому обслуживанию и эксплуатации систем автоматизации и возможно по их производству и сбыту.

В разделе безопасности жизнедеятельности разрабатываются мероприятия по охране труда и экологии, связанные с техническим обслуживанием и эксплуатацией модернизируемой системы автоматизации и возможно с производством, сбытом, монтажом и проведением пуско-наладочных работ.

Объем пояснительной записки должен составлять для курсового проек-

та 30-40 страниц машинописного текста, а для дипломного проекта  80-100 страниц соответственно.

При выполнении курсового проекта перечень и вид графической части определяется преподавателем в задании на курсовой проект.

При выполнении графической части дипломного проекта предусматривается подготовка следующих листов:

  1. Функционально-технологическая схема объекта автоматизации.

  2. Структурно-функциональная схема существующей системы автоматизации.

  3. Принципиальные схемы основных элементов существующей системы автоматизации;

  4. Структурно-функциональная схема модернизированной системы автоматизации;

  5. Принципиальные схемы для дополнительных элементов системы автоматизации;

  6. Математическое описание статических и динамических свойств элементов модернизируемой системы автоматизации и критериев оптимизации.

  7. Характеристики системы автоматизации (статические, динамические, по устойчивости, надежности, точности т. п.).

  8. Монтажные схемы и схемы компоновки элементов системы автоматизации на технологическом оборудовании и (или) на щитах контроля и (или) управления.

  9. Технико-экономические показатели.

Указанный перечень листов при необходимости по согласованию с руководителем и заведующим кафедрой может быть изменен и расширен.

В случае выполнения графического материала дипломных проектов в электронном виде каждый лист графической части записывается на отдельную дискету. Дискета помещается в конверт и наклеивается на лист формата А4, на котором имеется основная надпись по ЕСКД. На дискету наклеивается наклейка с указанием названия и содержания файла, подписью руководителя и студента.

К каждому листу графической части проекта в электронном виде создается печатная копия на формате А4, отражающая общее содержание листа. Из полученных копий формируются альбомы, которые передаются членам ГЭК при защите и один экземпляр сдается в архив.

Лист с дискетой и печатная копия подписываются студентом, руководителем, нормоконтролером и заведующим кафедрой.


  1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЗАЗДЕЛ



    1. Обоснование необходимости автоматизации

и требования к системам автоматизации
Всем хорошо известны керамические изделия, которые применяются в быту и на производстве для оформления различного рода помещений. Качество оформления определяется многими факторами, одними из которых являются широкий ассортимент и качество керамических изделий.

Основным условием получения качественных керамических изделий является строгое соблюдение параметров технологии на всех пределах производства, внедрение совершенных технологий и автоматизации производственных процессов.

Производство керамических изделий состоит из нескольких этапов:

 процесс приготовления шихты;

 сушка керамического порошка (шликера);

 формовка и прессование керамических изделий;

 обжиг керамических изделий.

Керамические массы состоят из глинистых и тонкомолотых материалов  каолина, глины, отощающих компонентов и плавней.

Одним из распространенных методов формования керамических изделий является пластичное формование. Другой метод, который применяют для формования изделий сложной формы  метод шликерного литья.

Влажность массы для пластического формования должна быть в пределах 18-25%, а влажность литейного шликера в зависимости от состава  в пределах 31-35%.

Отклонение влажности пластической массы от заданной средней величины для каждого вида изделий не должна превышать ± 0,5%, шликера  соответственно ± 0,8%, что обеспечивает хорошую текучесть шликера и скорость его оседания, достаточную для набора черепка.

На каждой стадии производства керамических изделий для обеспечения требуемых параметров технологического процесса применяют автоматизированные системы контроля и управления.

В качестве примера рассмотрим автоматизацию процесса сушки исходного материала. Сушка  один из ответственных этапов технологического процесса производства керамических изделий. Остаточная влажность после сушки должна находиться в определенных пределах, отклонение от которых приводит к ухудшению качества изделий при обжиге. Контроль влажности изделий позволяет корректировать режим сушки и поддерживать влажность керамической массы в заданных пределах, поэтому

система автоматизации должна обеспечивать поддержание влажности в

указанных пределах, обеспечивать устойчивую работу технологического оборудования, осуществлять управляющие воздействия для компенсации изменений в технологическом процессе.


    1. Описание технологического процесса

сушки шликера
Для сушки сырца применяют различные устройства, но наиболее современными следует считать туннельные сушилки непрерывного действия

и распылительные сушилки.

В туннельных сушилках при помощи автоматического управления заслонками регулируют температуру теплоносителя в смесительной камере, температуру среды и степени разрежения в туннелях по всей длине. В смесительной камере температуру регулируют изменением холодного воздуха, который подается в камеру нагнетательным вентилятором.

Автоматическое поддержание разряжения в туннелях достигается изменением положения регулирующих заслонок дросселей в клапанах, через которые отводится используемый в туннеле теплоноситель. Относительную влажность теплоносителя определяют электронным психрометром.

Распылительные сушилки применяют для сушки керамических масс (шликера) и предназначены для снижения влажности массы до 7-9% перед ее прессованием. Мнемоническая схема системы автоматизации процесса сушки шликера в распылительной сушилке приведена на рис. 2.1.

Сушилка представляет собой башню 9 с коническим днищем. Ее высота составляет 5 м, наибольший диаметр 4,5 м. В верхней части сушилки находятся механические форсунки 20, к которым по трубопроводу подводится шликер, где под давлением 1,31,5 Мпа распыляется. Здесь же располагаются инжекционные горелки 8, работающие на газе и создающие высокую температуру в зоне распыла шликера. Распыленные частицы шликера, теряя влагу, уже в виде порошка собираются в коническом днище сушилки, откуда поступают непосредственно с бункера над прессами (12  просушенный шликер, 10  транспортеры в бункер). Вентилятор 18 выносит через циклон 17 отходящие газы. В циклоне газы очищаются от частиц порошка.

К процессу сушки шликера предъявляются требования стабилизации влажности в пределах от 6 до 9 % и гранулометрического состава порошка. Исследование характера возмущающих факторов показало, что наибольшее влияние на процесс сушки оказывает расход и влажность шликера, а также расход топлива (газа). Ввиду отсутствия датчика влажности керамического порошка в потоке, были сняты зависимости с целью определения параметров, косвенно связанных с влажностью порошка. Оказалось, что наиболее тесную связь с влажностью имеет температура отходящих газов при постоянных расходах шликера и газа. Это обстоятельство было ис-

Р



ис. 2.1. Мнемоническая схема автоматического регулирования процесса сушки шликера





Р


ис. 2.2. Функциональная схема автоматического регулирования процесса сушки шликера

пользовано при построении системы регулирования режима сушки по температуре отходящих газов.

Чтобы получить на выходе агрегата заданное значение влажности порошка необходимо с увеличением расхода шликера температуру отходящих газов увеличить, а при уменьшении расхода шликера  уменьшить, путем изменения подачи газа к горелкам.

На основании мнемонической схемы автоматического регулирования процесса сушки шликера составим функциональную схему, которая разъясняет процессы, протекающие в отдельных цепях схемы (рис. 2.2).

В состав схемы контроля процесса входят контроль давления газа и шликера, осуществляемые манометрами 1 и 2; контроль температур в различных точках сушилки, производимый малоинерционными термопарами 7 с записью показаний на многоточечном автоматическом потенциометре 6. Расход шликера измеряется индукционным расходомером, состоящим из датчика 22 и измерительного блока 3. Контроль за аэродинамическим режимом осуществляется дифтягомерами 13 и регулирующим блоком 19.

Система автоматического регулирования процесса включает два контура регулирования. Первый стабилизирует аэродинамический режим по величине разрежения в потолке сушилки, воздействуя с помощью регулирующего прибора 11 и исполнительного механизма 16 на заслонку трубопровода отсоса 14.

Второй контур регулирует тепловой режим по сигналу термопары, измеряющей температуру отходящих газов 7, которая подключена на вход регулирующего прибора 15, воздействующего через исполнительный механизм 5 на заслонку 4 газопровода. Функциональная схема второго контура регулирования представлена на рис. 2.3.

На функциональной схеме используются следующие обозначения:

ТОУ  технологический объект автоматизации;

Ф  механические форсунки;

Г  инжекционные горелки;

Rt  датчик температуры;

FE  датчик расхода шликера;

Р  редуктор;

ДПТ  двигатель постоянного тока;

АР  автоматический регулятор;

ФЧУ  фазочуствительный усилитель;

К  клапан.

Заданное значение температуры устанавливается путем перемещения движка потенциометра R3.2. Потенциометр R3.1 служит для коррекции равновесия мостовой схемы, собранной на резисторах Rt, R2, R4, R5, R3.1, R3.2, при значении температуры в сушилке, равной заданной.

М
14
остовая схема выполняет функции задатчика температуры, элемента





Рис. 2.3. Функциональная схема контура регулирования

тепловой режим процесса сушки шликера
сравнения и обратной связи через резистор Rt.

Заданное значение температуры устанавливается путем перемещения движка потенциометра R3.2. Потенциометр R3.1 служит для коррекции равновесия мостовой схемы, собранной на резисторах Rt, R2, R4, R5, R3.1, R3.2, при значении температуры в сушилке, равной заданной.

Мостовая схема выполняет функции задатчика температуры, элемента сравнения и обратной связи через резистор Rt.

Сигнал, снимаемый с движков потенциометров R3.1 и R3.2, подается на вход фазочувствительного усилителя. В зависимости от направления разбаланса мостовой схемы ФЧУ вырабатывает сигнал соответствующей полярности, обеспечивая включение ДПТ на устранение возникшего рассогласования. ДПТ в свою очередь через редуктор приоткрывает или подзакрывает клапан, который регулирует подачу газа в сушилку.

Система регулирования работает следующим образом. В некоторый момент времени в сушилке поддерживается температура, заданная с помощью потенциометра R3.2. Мостовая схема находится в равновесии и ток в диагонали моста, образованной движками потенциометров R3.1 и R3.2 отсутствует. Сигнал на выходе усилителя равен нулю.

При изменении влажности шликера, поступающего из форсунок вызывает изменение термодинамического равновесия в сушилке и температура отходящих газов изменяется. Причем при увеличении влажности температура снижается, а при уменьшении влажности температура повышается.

Изменение температуры воспринимается термосопротивлением Rt, которое изменяет свое значение. Это в свою очередь вызывает нарушение равновесия мостовой схемы и появление тока на входе усилителя ФЧУ. В зависимости от знака рассогласования исполнительный механизм (ДПТ и Р) начнет приоткрывать или подзакрывать заслонку клапана К, обеспечивая тем самым изменение подачи газа к горелкам. Интенсивность сгорания газа будет изменяться, восстанавливая в сушилке термодинамический баланс. При этом будет изменяться значение термрмосопротивления Rt и восстанавливаться равновесие мостовой схемы.

Следует отметить, что процесс изменения положения заслонки будет происходить до тех пор, пока не восстановиться равновесие мостовой схемы, при котором ток на выходе ФЧУ станет равным нулю и двигатель остановится. В этом случае на процесс регулирования температуры будет оказывать значительное влияние инерционность ТОУ, определяемая его постоянной времени То. При больших значения То будет осуществляться чрезмерное открытие или закрытие заслонки клапана К и, соответственно, чрезмерная интенсивность горения газов. Это вызовет возможность дополнительного регулирования, направленного на устранение возникшей интенсивности горения и, следовательно, склонность системы автоматизации к автоколебаниям и неустойчивому характеру работы.

Для устранения этого недостатка необходимо ввести местную дополнительную обратную связь по положению заслонки клапана К. Эта связь на функциональной схеме обозначена штриховой линией и обеспечивает восстановление равновесия мостовой схемы до того момента, пока произойдет перерегулирование по подаче газа к горелкам.

Аналогичное регулирование должно происходить и при изменении подачи (расхода) шликера к механическим форсункам. Так, например, при увеличении подачи шликера происходит изменение термодинамического режима в сушилке в сторону уменьшения температуры отходящих газов и соответствующее изменение термосопротивления Rt. Равновесие мостовой схемы нарушается, исполнительный механизм приоткрывает заслонку клапана К, обеспечивая увеличение подачи газа к горелкам и интенсивности горения.

Система автоматизации должна обеспечить формирование дополнительного сигнала управления по возмущающему воздействию со стороны изменения подачи шликера.

Для анализа работы системы автоматизации удобно пользоваться структурно-функциональными схемами, отражающими функционирование отдельных элементов системы, их взаимосвязи и работу системы в целом.

На рис. 2.4. приведена структурно-функциональная схема системы автоматизации процесса сушки шликера.



Рис.2.4. Структурно-функциональная схема системы автоматизации

сушки шликера
На структурно-функциональной схеме приняты следующие обозначения:

ЗТ  задатчик температуры;

У  фазофувствительный усилитель;

АР  автоматический регулятор;

ДР  датчик расхода шликера;

Шл  источник подачи шликера;

Кл  клапан с заслонкой.

Как видно из схемы ТОУ представлен совокупностью двух составляющих: одна из которых по управляющему воздействию от заданной температуры отходящих газов, а вторая  по возмущающему воздействию от расхода шликера.

При написании пояснительной записки дипломного проекта в технологическом разделе необходимо привести описание всех элементов системы автоматизации с указанием основных характеристик.

В пояснительной записке курсового проекта этого делать необязательно.


    1. Требования к системе автоматизации

процесса сушки шликера
Применение автоматического регулирования влажности шликера по температуре отходящих газов позволяет:

 сократить расход газа;

 уменьшить среднеквадратическое отклонение влажности шликера;

 увеличить качество керамических изделий;

 уменьшить брак прессования.

Для обеспечения положительного эффекта использования системы автоматизации, к ней предъявляются следующие требования:

 статическая ошибка: не более ± 5 %;

 перерегулирование: не более 10 %;

 время переходного процесса: от до с;

 запас устойчивости по амплитуде: не менее 20 дБ;

 запас устойчивости по фазе: от 20 до 80 градусов.


18



  1. РАЗДЕЛ АВТОМАТИЗАЦИИ


В технологическом разделе было приведено полное описание работы системы автоматизации, составлены соответствующие схемы, определяющие ее структуру. Для анализа системы автоматизации и получения основных характеристик процесса регулирования составляется структурно-математическая или алгоритмическая схема, на которой каждая часть схемы предназначена для выполнения определенного алгоритма преобразования информации (рис. 3.1.).

При анализе системы автоматизации составляются уравнения для статического и динамического режимов работы объекта управления, регулирующего органа, исполнительного механизма, датчика, схемы сравнения (возможно и других элементов, входящих в систему автоматизации).

Эти уравнения в зависимости от удобства их дальнейшего использования могут представляться в различных формах: во временной – с представлением переменных состояния во временной области или в операторной – с представлением переменных состояния в виде операторных изображений в области комплексного переменного. В последнем случае, характерном для линейных систем автоматизации, для каждого из элементов соотношения между операторными изображениями для входных и выходных переменных представляются обычно с помощью передаточных функций, которые являются однозначно связанными с переходными характеристиками для этих элементов.

На структурно-математической схеме обозначены:

Wу – передаточная функция фазочувствительного усилителя;

WАР – передаточная функция автоматического регулятора;

WДПТ – передаточная функция двигателя постоянного тока;

WР – передаточная функция редуктора;

WКЛ – передаточная функция клапана с заслонкой;

WТОУ1 – передаточная функция ТОУ по каналу расход газа–температура;

WДТ – передаточная функция датчика температуры;

WМ – передаточная функция мостовой схемы по положению заслонки;

WПЭ – передаточная функция датчика расхода шликера;

WКУ – передаточная функция корректирующего устройства;

WТОУ2 – передаточная функция ТОУ по каналу расход шликера–температура.

Для большинства элементов систем автоматизации математические модели статических и динамических свойств известны и приведены в технической литературе. Параметры этих моделей могут быть определены по паспортным данным этих элементов.

Так, если объектом исследования является датчик, то его математическая модель с достаточной точностью аппроксимируется передаточной


Рис. 3.1. Структурно-математическая схема системы регулирования температуры отходящих газов

функцией апериодического звена первого порядка. Если объектом исследований является исполнительный механизм, то его математическая модель может быть представлена передаточной функцией апериодического звена первого или второго порядка, либо интегрирующим звеном, либо сочетанием этих звеньев.

При составлении передаточных функций отдельных звеньев системы следует помнить, что все они являются звеньями направленного действия, у которых входные и выходные переменные имеют различную размерность. Так, например, у двигателя постоянного тока входной величиной является значение тока, а выходной – угловая скорость. Поэтому размерность коэффициента передачи у этого звена равна [рад-1 /A].

На структурно-математической схеме входные и выходные переменные обозначены следующим образом:

хЗ – заданное значение температуры, [oC];

∆х – значение разбаланса мостовой схемы по цепи Rt, R3.1, R5 (см. рис. 2.3), [Oм];

хД и хМ – действительные значения температуры и положения заслонки клапана с соответствующих датчиков, [oC] и [Ом];

iМ – ток в измерительной диагонали мостовой схемы, снимаемый с движков резисторов R3.1 и R3.2, [A];

iУ, iАР, iКУ, iПЭ, i – токи на выходах усилителя, автоматического регулятора, корректирующего устройства, датчика расхода и сравнивающего устройства, соответственно, [A];

?ДПТ – угловая скорость вала двигателя постоянного тока, [рад-1];

?Р – угол поворота заслонки клапана, [град];

QШЛ и QГ – расходы шликера и газа соответственно, [м3/час];

у1, у2 и у – значения температур ТОУ, [oC];

Математическое описание звеньев системы автоматизации следует начинать с ТОУ. В технической литературе тепловые объекты автоматизации, к которым относится распылительная сушилка, с достаточной степенью точности описываются последвательным соединением звена чистого запаздывания и апериодического звена первого порядка. Значения постоянных времени и времени запаздывания определяются по переходных характеристикам.

Однако в ряде случаев, когда невозможно получить переходную характеристику при составлении математической модели ТОУ следует использовать статистические данные по их характеристикам, полученные экспериментально в ходе штатной работы установки методом пассивного эксперимента, когда через определенные промежутки времени фиксируются значения входной и выходной величины ТОУ. Такой путь называется идентификацией объектов автоматизации.

21

3.1. Идентификация технологического объекта управления
3.1.1. Основные понятия и определения
Трудоемкость автоматизации технологических процессов во многом определяется степенью имеющейся информации о технологических объектах управления (ТОУ), их статических и динамических характеристиках. Обычно под объектом управления понимается часть окружающего нас мира, поведение которой нас интересует, и на которую мы можем целенаправленно воздействовать, то есть управлять ею.

Для облегчения работы с разнообразными объектами управления их разбивают на группы:

● статические объекты;

● динамические объекты;

● линейные объекты;

● нелинейные объекты;

● непрерывные объекты;

● дискретные объекты;

● стационарные объекты;

● нестационарные объекты;

● объекты с сосредоточенными параметрами;

● объекты с распределенными параметрами и т.д.

Определение характеристик ТОУ происходит по-разному: здесь рассматриваются методы, связанные с проведением специального экспериментального исследования ТОУ, в результате которого получается массив экспериментальных данных [ ui, yi ], где ui – входные переменные, yi – выходные переменные ТОУ, i – номер опыта (всего может быть N опытов). Наиболее полная информация о ТОУ содержится в их математических моделях.

Под моделью обычно понимается выраженная в той или иной форме информация о наиболее существенных характеристиках ТОУ. По способу представления данной информации выделяют следующие типы моделей:

● словесные, или вербальные модели;

● физические модели (уменьшенные копии реальных объектов, иногда другой физической природы, позволяющие имитировать процессы в исследуемом объекте);

● математические модели (информация об исследуемом объекте или системе представляется в виде математических терминов).

В свою очередь математические модели делятся на:

● графические;

● табличные;

● алгоритмические;

● аналитические.

В частности, аналитические модели представляют собой отражение взаимосвязей между переменными объекта в виде математической форму-

лы или группы таких формул.

Моделирование основано на двух основополагающих признаках:

● на принципе практической ограниченности фундаментальных законов природы;

● на принципе подобия, означающем, что явления различной физической природы могут описываться одинаковыми математическими зависимостями.

Процедуру построения модели принято называть идентификацией, при этом данный термин относится к построению аналитических математических моделей динамических объектов.

Динамический объект ─ это объект, выход которого зависит не только от текущего значения входных сигналов, но и от их значений в предыдущие моменты времени. Идентифицируемый объект принято представлять в виде, показанном на рис. 1.1, где t ─ время; u(t) ─ контролируемый (иногда управляемый) входной сигнал; y’(t) ─ теоретический выход объекта; y(t) ─ наблюдаемый выход объекта; e(t) ─ случайная аддитивная помеха, отражающая действие неучитываемых факторов (шум наблюдения).


e(t)



ТОУ


y’(t)


y(t)

u(t)

  1   2   3   4


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации