Проектирование одноконтурной системы автоматического регулирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Курсовая работа 21 с, 4 рис., 5 источника.

АВТОМАТИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ, СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ, СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ, АППАРАТУРА АВТОМАТИКИ.

Тема: «Проектирование одноконтурной системы автоматического регулирования».

Объектом исследования данной курсовой работы является процесс сушки зерна.

Цель: научиться составлять функциональные схемы автоматизации и выбирать аппаратуру автоматики.

Рассмотрены основные условные обозначения, используемые при составлении функциональных схем автоматизации, аппаратура автоматики, используемая на предприятии в процессе сушки зерна.



Содержание

Введение

1. Устойчивость систем управления

1.1 Преобразования структурных схем

1.2 Алгебраический критерий устойчивости Гурвица

1.3 Частотный критерий устойчивости Михайлова

2. Проектирование одноконтурной системы регулирования

2.1 Описание технологического процесса

2.2 Описание схемы автоматики

2.3 Выбор и обоснование средств измерения

Заключение

Список используемой литературы

Спецификация

Схема автоматизации



Введение

В настоящее время возникает острая необходимость повышения производительности труда, эффективности производства и ускорения научно-технического процесса. Это возможно, путем автоматизации производственных процессов.

Автоматика - отрасль науки и техники, разрабатывающая теорию и методы автоматизации производственных процессов. Сегодня и в перспективе компьютерные технологии управления будут лежать в основе систем управления производственным процессом и обработку баз данных в производстве.

Внедрение компьютерных технологий и автоматизированных систем управления дает возможность повысить технико-экономические показатели производства, увеличить выпуск продукции, эффективнее использовать трудовые и материальные ресурсы, а также улучшить качество и своевременность обработки технологической и оперативной информации.

Целью данной работы является автоматизация технологического процесса сушки зерна с применением современных приборов и средств контроля.

Задачами курсовой работы являются: выбор объектов управления; определение параметров для контроля, управления, сигнализации; разработка функциональной схемы автоматизации и другой документации.



1. Расчет устойчивости одноконтурной системы регулирования

Вариант № 37

W_p(p), W_c(p), W_o(p), W_и(р) - передаточные функции: регулятора, исполнительного механизма, объекта регулирования, измерителя (датчика) соответственно;

ц_з, ц, ц_и - заданное, действительное, и измеренное значения регулируемой величины соответственно;

л - возмущающее воздействие.

Вид передаточных функций:

Коэффициенты передаточных функций

К_о = 3

Т_о = 200 К_с = 30

Т = 15 Т_с = 30

К_р = 8

Т_и = 30



Рис. 1.1 - Схема автоматической системы регулирования.

1.1 Преобразование структурной схемы

Система будет называться устойчивой, если выведенная из состояния равновесия и представленная самой себе, она возвращается в исходное состояние, т.е. при снятии внешнего воздействия САУ возвращается в то состояние, в котором она находилась до возмущения.

Последовательное соединение звеньев: звенья системы автоматического управления, описывающие динамику отдельныхэлементов, могут соединяться последовательно, когда выход предыдущего звена является входом последующего. При этом результирующая передаточная функция будет равна произведению передаточных функций отдельных звеньев (рис. 1.2).

Рис. 1.2 - Последовательное соединение звеньев АСР

Результирующая передаточная функция есть отношение операторных изображений выходной величины к входной при начальных нулевых условиях.

Встречно-параллельное включение звеньев: при встречно-параллельном включении звеньев результирующая передаточная функция равна частному от деления передаточной функции прямой связи на единицу плюс/минус передаточную функцию разомкнутого контура, в котором звенья включены встречно-параллельно (рис. 1.3). При этом знак плюс соответствует отрицательной, а минус положительной обратной связи.

Рис. 1.3 - Встречно-параллельное включение звеньев

Под прямой связью понимается передаточная функция между искомыми переменными по направлению прохождения сигнала без учета главной обратной связи. Для системы, изображенной на рис. 1.1 передаточная функция прямой связи л и ц есть W_c(p), а между ц_з и ц есть W_p(p)W_c(p)W_o(p). Передаточная функция между ц_з и о равна единице, поскольку переменными в прямой связи нет динамических звеньев, а есть динамическая непосредственная связь ц_з и о, на этом основании можно записать:

W¹_зс = ц(р) / л(р) = W_o(p) / (1+ W_pаз(р));

W²_зс = ц(р) / ц_з(р) = W_p(p)W_c(p)W_o(p) / ц_з(р) (1+ W_pаз(р));

W³_зс = о(р) / ц_з(р) = 1 / ц_з(р).



Где W_pаз(р) = W_p(p)W_c(p)W_o(p)W_и(р) - передаточная функция разомкнутой САУ. В нашем случае:

W_pаз(р)=W_p(p)*W_c(p)*W_o(p)*W_и(р)=

Используя общее правило записи передаточных функций замкнутой системы, можно записать ее между любыми переменными, при этом знаменатель будет неизменным, изменяться будет только числитель.

Для того чтобы приступить к анализу устойчивости САУ определим вид характеристического уравнения замкнутой системы, для чего приравниваем знаменатель передаточной функции к нулю:

=

1.2 Алгебраический критерий устойчивости Гурвица

Если характеристическое уравнение САУ имеет видС₀ рⁿ + С₁ р^n-1 + …+С_n-1р + С_n = 0, то САУ будет устойчива, если С₀ ? 0, будут положительны все главные диагональные миноры определителя Гурвица до n-1 порядка.

Определитель Гурвица составляется следующим образом: по диагонализаписывают коэффициенты от С₁до С_n, над диагональю записываются коэффициенты с возрастающими индексами, под диагональю - с убывающими, недостающие коэффициенты заменяются нулями.

Критерий Гурвица удобен для исследования систем с характеристическими уравнениями невысокой степени (до пятой). При высокой степени характеристического уравнения или при наличии звена чистого запаздывания, когда характеристическое уравнение становится трансцендентным из-за члена вида е^-рф, удобнее, а при трансцендентном характеристическом уравнении единственно возможным, являются частотные критерии, обладающие простой геометрической интерпретацией.

Составим определители:

?3 =

?2 =

D₂(K₁T₁)=2558000; ?₃= 2558000*8, 2= 20975600

Вывод: после расчета алгебраического критерия Гурвица можно сделать вывод, что АСР является устойчивой, т.к. ?_2, ?₃ >0

сушка зерно автоматика управление

1.3 Частотный критерий устойчивости Михайлова

Если в характеристическое уравнение С₀ рⁿ + С₁ р^n-1 + …+С_n-1р + С_n = 0 подставить выражение р = jщ, то получим годограф Михайлова:

G (jщ) = С₀ (jщ - р₁) (jщ - р₂) … (jщ - р_n) = С₀ (jщ)ⁿ + С₁ (jщ)^n-1 + … + С_n

САУ будет устойчива, если годограф Михайлова, начинаясь на положительной вещественной полуоси, последовательно проходит в положительном направлении (против часовой стрелки) n квадрантов при изменении щ от 0 до + ?, где n - степень характеристического уравнения.

Если годограф Михайлова проходит через начало координат, то САУ находится на границе устойчивости. При этом если он начинается с нуля, то это указывает на наличие нулевого корня, если годограф начинается на положительной вещественной полуоси, но затем проходит через начало координат, то это означает наличие мнимых корне в характеристическом уравнении.

Если годограф Михайлова не последовательно проходит квадранты комплексной плоскости или не проходит n квадрантов, то САУ не устойчива.

Таким образом, критерий устойчивости Михайлова позволяет не только анализировать устойчивость замкнутых и разомкнутых САУ, но и находить число неустойчивых корней.

Расчет частотного критерия Михайлова:

Запишем выражение годографа Михайлова

G(jщ) = 40000(jщ)³ + 4100(jщ)² + 20(jщ) + 8, 2

Для облегчения построения G(jщ) при изменении щ от 0 до + ?, найдем точки его пересечения с вещественной и мнимой осями комплексной плоскости. Для этого представим G(jщ) в виде вещественной и мнимой частей:

G(jщ) = x (щ) + jy(щ) = (8, 2-40100щ²)+ j(20щ-40000щ³)

Для определения точек пересечения годографа Михайлова с вещественной осью приравниваем нулю мнимую его часть:

20щ - 40000щ³ = 0, отсюда

щ₁ = 0, щ₃= v20/ 40000 ? 0, 02 с^-1

Вещественную часть принимаем равной нулю:

8, 2 - 4100 щ²= 0;

щ ₂ = v8, 2/4100 = 0, 014 с^-1

Подставив значение щ ₂ в мнимую часть G(jщ), получим

y(щ₂)=20*0, 014-4000*(0, 014)³= 0, 28-0, 11=0, 17

Поскольку щ ₂< щ₃чередуемость корней соблюдается, значит, система управления устойчива.

Рис. 1.4 - Годограф Михайлова.

Вывод: после расчета частотного критерия устойчивости Михайлова справедливым можно считать утверждение о том, что исследуемая САУ является устойчивой, т.к. годограф Михайлова последовательно проходит 3 квадранта при изменении щ от 0 до + ?.



2. Проектирование одноконтурной системы регулирования

Функциональная схема автоматизации даст представление о функционально-блочной структуре системы автоматического управления, регулирования, контроля, сигнализации, защиты технологического процесса или установок и определяет объем оснащения автоматического объекта аппаратурой автоматики.

2.1 Описание технологического процесса

В данной курсовой работе рассматривается процесс сушки зерна в производственных объемах.

Зерно поступает в шахты для сушки. Агент сушки (или воздух), поступая из подводящего короба, проходит через слой зерна (толщину слоя и направление потока определяют взаимным расположением подводящих и отводящих коробов), где происходит тепловлагообмен, и затем попадает в отводящий короб. В шахтной прямоточной сушилке в верхней части шахты находится зона сушки, в нижней - зона охлаждения. В первой зерно продувается агентом сушки, во второй - атмосферным воздухом. Конструкция сушильной и охладительной части шахты одинаковая.

Температура продува агентом сушки 60^оС.



Рисунок 1.5- Структурная и параметрическая идентификация объекта управления

2.2 Описание схемы автоматизации

В разработанной схеме автоматизации процесса сушки зерна контролируемым параметром является температура среды, а регулируемым - влажность.

Влажность воздуха в сушильном шкафу измеряется установленным по месту измерительным преобразователем температуры и влажности РОСА - 10 «Элемер» (поз. 1-1), который вырабатывает пропорциональный электрический сигнал и подает его на щит управления.

Этот сигнал поступает на ПИД - регулятор RS- 485 ОВЕН ТРМ212 (поз. 1-2), который в случае если воздух имеет влажность больше или меньше заданной вырабатывает управляющий электрический сигнал по пропорционально-интегральному закону регулирования и посылает его на исполнительное устройство, действуя на клапан воздушный КВК 400 (поз. 1-3).

Температуру среды контролирует установленный по месту ТС-1388 «Элемер» (поз. 2-1), который вырабатывает электрический сигнал передающийся затем на щит управления на измеритель двухканальный ОВЕН 2ТРМ1 (поз. 2-2), который обеспечивает непрерывную индикацию температуры среды.

2.3 Выбор и обоснование средств контроля и регулирования

Поз. 1-1-измерительный преобразователь температуры и влажности РОСА -10.

Предназначен для измерения температуры и относительной влажности, абсолютной влажности, объемного влагосодержания газообразных сред. Применяется при измерении химических характеристик газов в системах автоматического контроля.

Модификации: РОСА-10/м1, РОСА-10/м2, РОСА-10/м3, РОСА-10/м4.

Выбираем РОСА-10/м1

Основные характеристики:

-выходной сигнал -4…20мА;

-измеряемая относительная влажность -0…100%;

-погрешность измерения относительной влажности - +/- 2-3%;

-допускаемое давление измеряемой среды -2, 5 мПа;

-потребляемая мощность 2 Вт;

Материал клеммной головки алюминиевый сплав;

Материал защитной арматуры, контролирующий с измеряемой средой 12х18 н10т

Гарантийный срок эксплуатации - 1 год

Межповерочный интервал - 2 года

Поз. 1-2 -измеритель ПИД регулятор для управления задвижками и трехходовыми клапанами с интерфейсом R5-485 ОВЕН ТРМ212

Применяется в системе газового и парового отопления, в теплообменных аппаратах, при регулировании соотношений газ/воздух, а также в другом технологическом оборудовании.

Основные функции прибора ОВЕН ТРМ212

-два универсальных входа для подключения широкого спектра датчиков температуры, давления, влажности, расхода, уровня и тп.

-вычисления разности суммы отношения и корня из разности измеряемых величин

-ПИД-регулирования измеренной или вычисленной величины с использованием:

1) электропривода запорно-регулирующего (КЗР) или трехходового клапана

2) задвижки с аналоговым входом 4…20мА или 0…10В в автоматическом, ручном или дистанционном режиме.

-автонастройка ПИД-регулятора по современному эффективному алгоритму, оптимизация выхода на установку

-дистанционный пуск и остановка ПИД-регулятора

Поз.1-3 клапан воздушный КВК 400

Предназначен для регулирования потока воздуха или перекрывания воздушных каналов. Корпус и заслонка изготавливаются из стального оцинкованного листа. Корпус с двух сторон снабжен резиновыми уплотнениями для подсоединения воздуховодов. Управление клапаном осуществляется с помощью с ручного или электрического приводов.

Технические характеристики КВК 400:

Диаметр D=400мм

Момент вращения -2Нм

Вес 2, 91кг

Поз. 2-1- ТС - термометр сопротивления (модификация ТС - 1388)

Предназначен для измерения температуры различных сред во многих отраслях промышленности. Используются также термометры для работы с жидкими, твердыми и газообразными средами.

Основные технические характеристики:

-диапазон измерения температур от -50^oC до +350^oC

-количество чувствительных элементов 1 или 2

-степень защиты от пыли и влаги 1р5х

-НСХ 46П, 50П, 100П, 53М, 50М, 100М, пт50, пт500

Материалы чувствительных элементов 50М, 100М, пт500

Материалы клеммных головок: стеклонаполненный полиамид, алюминевый сплав, 12х18Н10Т, пластмасса.

Материалы арматуры: 12х18Н10Т, латунь ЛС59, титановый сплав БТ-1, медь М1, М2, второпласт ФБ-4.

Средний срок службы 6 лет

Межповерочный интервал 2 года

Поз. 2-2 - измеритель двухканальный ОВЕН 2ТРМ1

Предназначен для измерения, регистрации или регулирования температуры теплоносителей и различных сред холодильной техники, сушильных шкафах, печах и другом технологическом оборудовании.

Основные функции 2ТРМ1:

- Два универсальных входа для подключения широкого спектра датчиков температуры, давления, влажности, расхода, уровня и т. п.

Два канала регулирования или регистрации входной величины: - двухпозиционное регулирование - аналоговое П-регулирование - регистрация на токовом выходе 4...20 мА

-Цифровая фильтрация и коррекция входного сигнала, масштабирование шкалы для аналогового входа

-Вычисление и индикация квадратного корня из измеряемой величины (например, для регулирования мгновенного расхода)

-Вычисление разности двух измеряемых величин и ее индикация (например, для поддержания влажности психрометрическим методом)

-Импульсный источник питания 90...245 В 47...63 Гц

-Встроенный источник питания 24В для активных датчиков, выходных аналоговых устройств (ЦАП) и др. во всех модификациях прибора

-Программирование кнопками на лицевой панели прибора

-Сохранение настроек при отключении питания

-Защита настроек от несанкционированных изменений

Основные технические характеристики:

погрешность измерений не превышает 0, 15 % (при классе точности 0, 25/0, 5)

межповерочный интервал 3 года

гарантийный срок обслуживания нового 2ТРМ 1 составляет 5 лет

допустимый диапазон рабочих температур от -20^оС до +50^оС

Заключение

Автоматизация производства - процесс, при котором функции управления и контроля, передаются приборам и автоматическим устройствам.

В данной курсовой работе была разработана и спроектирована автоматическая система регулирования. Была произведена проверка устойчивости системы по алгебраическому критерию устойчивости Гурвица и частотному критерию устойчивости Михайлова. Исходя из полученных результатов, пришли к выводу, что данная система является устойчивой и возможно её практическое применение. Главная цель автоматизации производства заключается в повышении производительности труда, улучшения качества выпускаемой продукции, создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства.

Широкое применение автоматизированных систем управления обуславливается значительным экономическим эффектом, который достигается благодаря: уменьшение потерь ценных продуктов, снижение трудоемкости процессов производства, повышению культуры производства.



Список использованных источников

1. Системы управления технологическими процессами и информационные технологии: методические указания по выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения и МИИПС направления 260100.62 Продукты питания из растительного сырья / Сост.: Д.Л. Пиотровский, С. А. Подгорный; Кубан. Гос.технолог. ун-т. Каф. Автоматизации производственных процессов.- Краснодар: КубГТУ, 2014-27с.

2. Учебное пособие студентов ВУЗов «Автоматика и автоматизация пищевых производств», М.М. Благовещенская, Москва, ВО «АГРОПРОМИЗДАТ», 1991г.

3. www.elemer.ru

4. www.owen.ru

Размещено на Allbest.ru

...