АСР давления в рабочем пространстве методической печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Кафедра АУТП

Курсовой проект

по курсу

Автоматизация технологических процессов и производств

на тему

АСР давления в рабочем пространстве методической печи



Аннотация

Объем страниц - 43 стр., 12 рисунков, 1 таблица, 7 - использованных источников, 2 - приложения.

Цель курсового проекта - приобретение практических навыков синтеза промышленных автоматических систем управления технологическими процессами.

Этапы синтеза систем управления:

Обоснование необходимости автоматизации того или иного объекта, анализ динамики объекта автоматизации и выбор его математической модели, обоснование и выбор критериев оптимальности, закона управления и структуры системы управления, расчет оптимальных значений параметров настройки, анализ устойчивости и качества функционирования замкнутой системы.

Проведём разработку АСР для системы автоматического регулирования давления в рабочем пространстве методической печи.



Содержание

автоматический давление печь

Введение

1. Характеристика объекта управления

2. Общие сведения об АСР регулирования давления в рабочем пространстве методической печи

3. Разработка математической модели объекта

4. Обоснование закона регулирования и критерия оптимальности

5. Расчет параметров настройки системы регулирования

6. Анализ качества функционирования АСР

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Современное производство характеризуется повышением мощности и производительности агрегатов, интенсификацией технологических процессов, их механизацией и автоматизацией.

В связи с этим существенно возросла роль и ответственность автоматического управления и регулирования, так как каждый процент экономии материальных и энергетических ресурсов приносит существенный эффект, а каждая, даже небольшая ошибка управления приводит к большим абсолютным потерям материалов, топлива, электроэнергии, снижает производительность агрегатов и качество производимой продукции.

Основной задачей управления технологическим агрегатом является создание в нем наиболее благоприятных условий для протекания технологических и теплоэнергетических процессов.

С этой целью применяют автоматические системы регулирования (АСР), предназначенные для стабилизации технологических параметров на заданном уровне.

В промышленных АСР наиболее широкое распространение получили стандартные ПИ- и ПИД - законы регулирования. Для качественного функционирования АСР все динамические параметры входящих в их состав автоматических регуляторов должны быть оптимально настроены. Решению этой задачи посвящён данный курсовой проект, в котором разработана АСР давления в рабочем пространстве методической печи.



1. Характеристика объекта управления

Перед прокаткой или ковкой заготовки металла нагревают в методических нагревательных печах непрерывного действия. В методические печи загружают холодные или горячие (600-800°) заготовки. Методическая печь - проходная печь для нагрева металлических заготовок (рис. 1.1) перед обработкой давлением (прокатка, ковка, штамповка). В свою очередь проходной печью называется печь непрерывного действия, в которой нагреваемые заготовки движутся вдоль печи, перемещаемые толкателем, рольгангом или другими механизмами. Загрузка и выгрузка проходной печи производятся через окна в торцовых стенах печи или в боковых стенках вблизи торцов [5].

Рисунок 1.1. Методическая нагревательная печь (схема-разрез): 1 - окно посада металла; 2 - толкатель; 3 - металл в печи; 4 - окно выдачи металла; 5 - методическая зона; 6 - сварочная (верхняя и нижняя зоны); 7 - томильная зона; 8 - горелка; 9 - вентилятор; 12 - дымовая труба

В методической печи заготовки обычно передвигаются навстречу движению продуктов сгорания топлива; при таком противоточном движении достигается высокая степень использования теплоты, подаваемой в печь. Хотя встречаются прямоточные и прямопротивоточные печи. Заготовки проходят последовательно три теплотехнические зоны: методическую (зону предварительного подогрева), сварочную (зону нагрева) и томильную (зону выравнивания температур в заготовке). Иногда томильная зона может отсутствовать.

Методические печи классифицируют: а) по числу зон отопления в сварочной зоне плюс методическая зона, и, если есть, томильная зона (2-, 3-, 4-, 5-зонные); б) по способу транспортирования заготовок (толкательные, с подвижными балками и др.); в) по конструктивным особенностям (с нижним обогревом, с наклонным подом, с плоским сводом и т.д.).

В методических печах обычно нагревают перед прокаткой заготовки толщиной 40-350 мм, шириной 40-1850 мм и длиной 1000-12000 мм с массой 50-40 000 кг, а в некоторых случаях слитки толщиной 300 - 400 мм.

При нагреве некоторых сталей из-за опасности возникновения чрезмерно высоких температурных напряжений температура в начале печи должна быть не выше значений.

Чем дальше от начала печи находится зона отопления, тем меньше зависит количество подаваемого в нее топлива от производительности. Температура в начале методической зоны сильно меняется при изменении производительности.

Ниже приведём некоторые параметры теплового режима четырехзонной печи производительностью 110 т/ч на холодном всаде [3];

Тепловая мощность всей печи, МВт	60
Температура,°С:
в зонах	До 1400
газов перед рекуператором	До 1100
воздуха	350-400
конечная поверхности металла.;	1230-1300
Давление, Н/м2 (кгс/м2):
газа перед горелками	500-2500 (50-250)
воздуха перед горелками	200 (20)
под сводом томильной зоны	30-40 (3-4)
Разрежение, Н/м3 (кгс/м2):
в борове перед шибером	200 (20)
воздуха перед эксгаустером	250 (25)
Соотношение расхода газа по зонам, %:
томильная	11,5
две верхние сварочные	67,2
нижняя сварочная	21,3

В схеме автоматического регулирования теплового режима предусматривают следующие основные узлы регулирования: температуры в зонах; давления в томильной зоне; соотношения газ-воздух (в печах с горелками дутьевого типа). При установке металлических рекуператоров предусматривают автоматическую защиту его от перегрева путем сброса подогретого воздуха или разбавлением продуктов сгорания холодным воздухом. Подача газа автоматически прекращается при падении давления газа, воздуха или отключении питания приборов автоматического регулирования. В печах с инжекционными горелками применяют сигнализаторы проскока пламени в горелку.

Давление в печи должно поддерживаться таким, чтобы на уровне металла, особенно в томильной зоне, было небольшое положительное избыточное давление [3]. Давление измеряется через отверстие в своде томильной зоны. Однако существует мнение, что отбор и регулирование давления целесообразнее выполнять в сварочной зоне.

Обычно в методические печи сажают холодный металл. Горячий посад возможен только для рядовых сталей, для которых не нужна промежуточная зачистка, и в том случае, если заготовки можно направить непосредственно от обжимного или заготовочного стана в методическую печь. При передаче заготовки быстро остывают: через 1,5 ч после конца прокатки температура поверхности заготовок не превышает 350-400° С, а в связи с этим даже при благоприятных условиях количество заготовок с температурой поверхности 600-800° С обычно не превышает 30-35%.

Методические печи отапливают смешанным коксодоменным газом с теплотой сгорания 1300-2400 ккал/нм³ или мазутом, используют также природный газ и предварительно подогретый чистый доменный газ.

Давление в рабочем пространстве методических печей существенно влияет на их тепловую работу. Оно определяет при прочих равных условиях интенсивность нагрева металла, удельный расход топлива, величину угара и окалинообразования, удобство обслуживания и сохранность агрегата.

Излишне высокое давление ведёт к выбиванию из печи продуктов сгорания, что наряду с ростом тепловых потерь вызывает ускоренный износ внешних конструкций, затрудняет визуальный контроль и обслуживание, загрязняет атмосферу цеха.

Слишком низкое давление обусловливает подсос в печь через рабочие окна и различные неплотности в кладке холодного воздуха, что ведёт к ухудшению использования топлива, увеличению угара и окалинообразования и затрудняет управление процессом горения. Особенно опасен подсос воздуха через окно выдачи, вызывающий неравномерное охлаждение ближайшей заготовки и подстуживание подины. Наиболее благоприятным в смысле обеспечения наилучшей тепловой работы печи и удобства её обслуживания является небольшое положительное давление во всём рабочем пространстве. Однако создать такой режим работы на современных методических печах практически невозможно. Главная причина - работа горелок, подающих топливо и воздух с большой кинетической энергией. По высоте печи давление также различно из-за влияния геометрического напора столба продуктов сгорания. Периодическое открытие заслонок окна выдачи вызывает дополнительные изменения давления, особенно сильно проявляющиеся в томильной зоне.

Тепловую работу методической печи достаточно точно характеризует давление в импульсной точке, расположенной под наклонным участком свода последней по ходу металла верхней сварочной зоны. Стабилизация давления в указанной импульсной точке обеспечивает в значительной мере автоматическое возвращение гидравлического режима печи к его достижимому оптимальному состоянию практически при всех видах возмущений. Качество работы системы регулирования зависит от представительной точки контроля, правильности подключения датчика, типа регулятора и его настройки, скорости перемещения и характеристики регулирующего органа.

Продукты сгорания из рабочего пространства методической печи I (рис. 1.2) через рекуператор II и дымопроводы удаляются при помощи разрежения, создаваемого эксгаустером III или дымовой трубой IV.

Измерение давления в томильной зоне осуществляется отборным устройством 1 через свод печи. Импульсная и компенсационная линии подводятся к дифманометру 2, сигналы с электрических датчиков которого поступают на вторичный регистрирующий прибор 3 и регулятор 4 с дистанционным задатчиком 5. Управляющий сигнал регулятора через ключи 6 и 7, служащие для перевода системы с ручного управления на автоматическое и обратно, блок ручного управления 7, усилитель 8 и ключ 9 подается к исполнительным механизмам 10 и 11 приводов регулирующих органов IV и VII. При работе эксгаустера регулирующим органом являются жалюзи VII, а при отключенном котле-утилизаторе - дымовой шибер VI. Ключ 9 служит для подключения регулятора к приводу 10 или 11 в зависимости от режима работы агрегата [6].



Рисунок 1.2. Схема стабилизации давления в рабочем пространстве печи

Необходимость в автоматической стабилизации расхода газообразного топлива возникает, например, при регулировании тепловой нагрузки мартеновской печи; на доменных печах регулируется расход дутья; в термических печах автоматически дозируется расход защитного газа и т.д. Стабилизация давления газообразного топлива, воздуха, кислорода обеспечивает нормальную работу горелочных устройств; без поддержания заданного давления газообразной среды невозможно точное измерение ее расхода, так как показания автоматических расходомеров зависят, как правило, от давления измеряемого газа.

2. Общие сведения об АСР регулирования давления в рабочем пространстве методической печи

Достоинствами методических нагревательных печей являются непрерывный характер работы и относительно стабильный благодаря этому тепловой режим. Непрерывный характер работы методических печей облегчает автоматическое регулирование теплового режима.

В условиях нагрева заготовок с переменными геометрическими и теплотехническими параметрами, а также при переменном темпе выдачи заготовок из печей получение требуемого качества нагрева заготовок возможно лишь при автоматическом управлении работой участка нагревательных печей. Печи различаются по конструкции, но, тем не менее, у всех печей есть много общего в схемах автоматического контроля и регулирования.

Нагревательные печи должны работать на автоматическом управлении. Переход на ручное управление может быть разрешен только в исключительных случаях. Нагревательная печь оборудована автоматизированной системой управления нагревательными печами (АСУ ТП). Система АСУ печью смонтирована в шкафах, локальных пультах управления, с применением промышленного ПК. Уровень управления может согласовываться. АСУ может интегрироваться с другими установками, выполняться на контроллерах. Имеются все необходимые сигнализации и блокировки аварийных ситуаций.

Автоматически контролируются следующие параметры: температура (рабочего пространства в одной или нескольких точках; продуктов сгорания перед и после рекуператора и перед дымососом; подогретых воздуха и газа; первой секции металлических рекуператоров); расход (топлива на печь и по зонам отопления; воздуха; охлаждающей воды, если имеются водо-охлаждаемые детали); давление (в рабочем пространстве печи; газа и воздуха); разрежение в одной или нескольких точках дымового тракта.

Автоматически регулируются: температура в зонах рабочего пространства; давление в рабочем пространстве; качество сжигания топлива.

Для оповещения персонала о нарушениях в работе и автоматического отключения печи при возникновении аварийных ситуаций предусматривается система звуковой и световой сигнализации и отключения газа и воздуха на печь. Отсечка подачи газа и воздуха к горелкам осуществляется при падении давления одного из компонентов горелки и отключении питания приборов КИПиА.

Стабилизация давления газообразного топлива, воздуха, кислорода обеспечивает нормальную работу горелочных устройств; без поддержания заданного давления газообразной среды невозможно точное измерение ее расхода, так как показания автоматических расходомеров зависят, как правило, от давления измеряемого газа. Контроль давления осуществляется перед устройствами сжигания. Все зоны печи оборудованы газоотводящими каналами. Давление в рабочем пространстве измеряют при помощи комплекта аппаратуры, включающей в себя датчик давления.

По своей структуре узлы регулирования расхода и давления газа являются типичными узлами стабилизации, на рисунке 1.3 изображена принципиальная схема регулирования давления газа. Схема регулирования давления имеет отборное устройство 1, работающее в комплекте с дифманометром 2.

Сигнал с электрического датчика дифманометра поступает на вторичный регистрирующий прибор 3 и регулятор 4, которые управляют исполнительными механизмами 5 при газовых регулировочных клапанах 6.

В рассматриваемых контурах применяется электрическая, пневматическая и гидравлическая аппаратура. В ряде случаев для регулирования давления газа используют регуляторы прямого действия. По своим динамическим характеристикам объект регулирования давления газа, представляющий собой участки трубопроводов между первичными элементами 1 и регулирующими органами 6, т.е. объект является малоинерционным, на нём обычно используется И-регуляторы [6].



Рисунок 1.3. Схема регулирования расхода давления газа в трубопроводе

Управляемый объект и управляющее устройство (т.е. устройство для реализации целенаправленных воздействий) образуют систему автоматического управления.

Воздействия, которые определяют состояние объекта, называют выходными. Выходными переменными служат физические параметры материальных и энергетических потоков (температура, давление, их производные по времени), конструкционные параметры, технологические параметры, влияющие на скорость технологического процесса, выход и качество готовых продуктов.

Величины, характеризующие внешнее влияние на систему, или на её части называют входными переменными. К ним относятся управляющие и возмущающие воздействия. Управляющими воздействиями являются управляемые изменения расходов, параметры материальных и энергетических потоков (регулирование подачи сырья, тепловых процессов, частоты вращения приводов). Воздействия внешней среды называют возмущающими воздействиями, возмущения могут быть контролируемыми и неконтролируемыми. Управляющей величиной является положение шибера, % хода исполнительного механизма. Возмущения технологического характера: нестабильность, нестационарность протекания физико - химических реакций в печи, выбивание и подсос газов в печь. В зависимости от свойств загружаемого в печь материала, химические реакции будут протекать по-разному с разным количеством выделяемых в печь газов. Многообразие возмущающих факторов и различие их проявлений в различных точках рабочего пространства на современных методических печах имеется лишь один канал управления давлением - изменением тяги. В зависимости от принятой схемы это изменение реализуют путём воздействия на положение поворотного клапана в дымовом борове, или на производительность дымососа, или на режим работы вытяжной трубы.

Исходя из того, что наиболее вредны подсосы в томильной зоне, импульсную точку располагают под её сводом. Величину давления выбирают так, чтобы с учётом геометрического напора обеспечить небольшое положительное давление на уровне металла.

За счёт инжектирующего действия горелочного и геометрического напора, обусловленного низким расположением окна выдачи, исключить подсос холодного воздуха в томильную зону не удаётся. Чтобы уменьшить его вредное влияние, снижают подачу регулируемого воздуха в горелки томильной зоны или устанавливают у окна выдачи газовые завесы, а на печах с машинной выдачей оборудуют окалиносборник мощными горелками.

Распространённым требованием является обеспечение минимальной длительности пребывания металла в печи. В этом случае режим работы каждой зоны и распределение давления по печи устанавливают таким образом, чтобы обеспечить за счёт оптимального распределения температуры над заготовками максимально допустимую интенсивность нагрева металла и, как следствие, минимальное время пребывания его в печи.

Поддержание оптимального давления в каждой зоне возможно при прочих равных условиях только в том случае, если контролируемая величина характеризует условия нагрева металла в каждой точке печи, отражает только те возмущающие и регулирующие воздействия, которые оказывают существенное воздействие на гидравлический режим и тепловую работу, и обеспечивают возможность направленного воздействия на условия нагрева металла.

Стабилизация давления в указанной импульсной точке обеспечивает в значительной мере автоматическое возвращение гидравлического режима печи к его достижимому оптимальному состоянию практически при всех видах возмущений.

Качество работы системы зависит от того, насколько правильно выбраны точка контроля, способ установки датчика, тип и настройка регулятора, а также регулирующий орган.

3. Разработка математической модели объекта управления

Для получения математической модели объекта регулирования, необходимой для синтеза АСР и анализа ее работы, чаще всего используют активный метод и в ходе эксперимента снимают переходную характеристику, подавая на вход объекта одноступенчатое воздействие. Проведя эксперимент и обработав его результаты, строят математическую модель объекта регулирования в виде передаточной функции, при этом видом передаточной функции задаются.

Требования к точности математической модели сводятся к совпадению экспериментальной переходной характеристики с полученной переходной характеристикой объекта в трех точках: в начале координат, в точке перегиба. На практике чаще всего используются активные методы проведения эксперимента, а не пассивные. В этом случае на вход объекта подают ступенчатое воздействие Х (в данном случае единичное) и снимают временную зависимость выходной величины h(t) от входного ступенчатого воздействия - кривую разгона. Затем, обработав результаты эксперимента, строят математическую модель объекта регулирования в виде передаточной функции. При этом необходимо задаться видом передаточной функции.

Исходная переходная характеристика объекта регулирования, приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. Экспериментальная переходная характеристика рабочего пространства управления давлением в методической печи

Переходная характеристика объекта имеет самовыравнивание, обладает инерционностью и некоторым запаздыванием, поэтому в качестве математической модели объекта управления принимаем передаточную функцию вида:

(3.1)

Для выбора исходных значений коэффициентов К_об, ф, Т, n используем методику приведенную в [7]. Из рисунка 3.1: Т = 2,4 c;ф = 0,49; К_об = 1; n примем равным 4.

Требования к точности математической модели сводятся к совпадению экспериментальной переходной характеристики с полученной переходной характеристикой объекта в трех точках: в начале координат, в точке перегиба и в установившемся режиме, а также совпадение первой производной переходной функции объекта и аппроксимирующей кривой в точке перегиба [7].

Постоянная времени Т = 2,4 с. выбрана таким образом, чтобы выполнялись вышеперечисленные требования. Коэффициент усиления объекта К_об равен единице.

В этом случае переходная функция объекта примет вид:

(3.2)

Для проверки точности аппроксимации, на ЭВМ, построена переходная характеристика по передаточной функции (3.2). Вид аппроксимирующей характеристики предложен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2. Переходные характеристики объекта.

1-исходная (экспериментальная) характеристика объекта; 2-аппроксимирующая характеристика объекта

Так как экспериментальная и аппроксимирующая характеристики совпадают по оговоренным ранее требованиям к точности математической модели, то аппроксимация проведена успешно. Аппроксимирующая характеристика удовлетворяет изложенным выше критериям, значит точность аппроксимации удовлетворительна, и передаточная функция (3.2) будет использована при синтезе автоматической системы регулирования.

4. Обоснование закона регулирования и критерия оптимальности

Качество функционирования любой автоматической системы управления существенно зависит от выбора критериев оптимальности и закона управления.

Автоматические системы регулирования, являясь замкнутыми динамическими системами с обратными связями, могут при неправильном выборе алгоритма функционирования регулятора или при неправильном выборе его параметров настройки потерять устойчивость. При определении оптимальных параметров настройки из условия минимума среднеквадратичной ошибки такое явление не наблюдается, однако как показывает опыт, переходные процессы в такой системе имеют характер затухающих колебаний, интенсивность затухания которых, как правило, оказывается явно недостаточной для того, чтобы систему можно было признать пригодной к эксплуатации.

Поэтому в критерий оптимального функционирования системы регулирования приходится обычно вводить дополнительные ограничения, с помощью которых можно целенаправленно влиять на возникающие в ней переходные процессы. Введение таких ограничений производится либо путем соответствующего усложнения показателя оптимальности (в этом случае минимизируется не просто значение среднеквадратичной ошибки, а более сложная функция ошибки), либо при неизменном минимизируемом функционале в критерий оптимальности вводятся добавочные ограничения на показатели, характеризующие затухание переходного процесса. Первый способ удобен тем, что позволяет оставить неизменной процедуру поиска оптимума, лишь в той или иной степени усложнив ее. Однако при его практическом использовании возникают определенные затруднения в формулировке критерия оптимальности в каждом конкретном случае. Поэтому при практических расчетах предпочтение отдают второму способу ввода ограничений на затухание переходных процессов.

Для того чтобы провести синтез АСР, необходимо выбрать регулятор, а точнее закон регулирования. В любом случае при выборе регулятора основным требованием является качество регулирования, то есть поддержание АСР технологического режима и обеспечение его экономической эффективности.

Для получения необходимого характера процесса регулирования требуется, чтобы АСР обладала некоторыми динамическими свойствами. Так как свойства объекта регулирования нам не подвластны, приходится выбирать вид и параметры регулятора.

Для того чтобы выбрать регулятор необходимо знать:

- динамические свойства объекта регулирования;

- требования к качеству регулирования и возмущение технологического процесса;

- показатели качества регулирования, которые могут быть получены при установке серийных регуляторов различных типов на объектах с различными динамическими свойствами.

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид:

Значит

(4.1)



Обозначим

(4.2)

Параметры настройки регулятора могут считаться оптимальными, если среднеквадратичная ошибка регулирования достигает минимального значения при дополнительном условии, что показатель колебательности системы не превышает заданной величины М <M доп. При эксплуатации систем управления требуется, чтобы в установившихся режимах в замкнутой системе отсутствовала статическая ошибка, что достигается путем введения астатизма в состав разомкнутой системы [4].

На объекты регулирования, как мы знаем, действуют возмущающие воздействия в рабочем пространстве методической печи. Чтобы поддерживать необходимое давление в рабочем пространстве, нужно использовать автоматический регулятор с пропорционально - интегральным законом регулирования в нашем объекте.

Интеграл в законе регулирования исключает статическую ошибку системы управления, но уменьшается запас устойчивости и быстродействие системы.

Исходя из этого в промышленных системах для управления объектами с самовыравниванием используются ПИ - регуляторы, как в нашем случае [1]. Структурная схема АСР будет выглядеть, как на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Структура автоматической системы регулирования давления в рабочем пространстве

где

Передаточная функция замкнутой АСР по каналу управляющего воздействия будет равна:

Замкнутые динамические системы с обратными связями, могут при неправильном выборе алгоритма функционирования регулятора или неправильном выборе его параметров настройки потерять устойчивость, но при определении оптимальных параметров настройки из условия минимума среднеквадратичной ошибки регулирования такое явление не наблюдается, по опыту, переходные процессы в такой системе все же имеют характер затухающих колебаний, интенсивность затухания которых, как правило, оказывается явно недостаточной для того, чтобы систему можно было признать пригодной к эксплуатации.

Чтобы целенаправленно влиять на возникающие в критерии оптимального функционирования системы регулирования переходные процессы, необходимо введение дополнительных ограничений путем соответствующего усложнения показателя оптимальности (в этом случае минимизируется не просто среднее значение квадрата ошибки регулирования, а более сложная функция ошибки, например, взвешенная сумма квадратов ошибки и производной ошибки), либо при неизменном минимизируемом функционале в критерий оптимальностей вводятся добавочные ограничения на показатели, характеризующие затухание переходного процесса.



5. Расчет параметров настройки системы регулирования

Среди инженерных методов расчета оптимальных значений параметров настройки из-за удобства реализации на ЭВМ получил метод вспомогательной функции.

Поэтому расчет параметров настройки регулятора выполнен на ЭВМ методом вспомогательной функции для передаточной функции объекта.

В качестве вспомогательной функции принято аналитическое выражение отношения К_р /Т_и как функции от частоты и показателя колебательности [7]. Первый положительный максимум этой функции обеспечивает минимум среднеквадратичной ошибки при заданном показателе колебательности и является точкой оптимума параметров настройки регулятора.

Вспомогательная функция для системы с ПИ-регулятором имеет вид:

(5.1)

Первый положительный максимум этой функции соответствует резонансной частоте автоматической системы регулирования, для которой можно вычислить величину К_р по формуле:

(5.2)



при данной передаточной функции:

Листинг программы

OPEN «PIR» FOR OUTPUT AS #1

CLS

DIM T(10)

COLOR 3, 4

PRINT»……………………………………………………»

PRINT «РАСЧЕТ ПИ-РЕГУЛЯТОРА НА ЗАДАННЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ КОЛЕБАТЕЛЬНОСТИ М»

PRINT»……………………………………………………»

K = 1: V1 = 0: Z0 = 0: E = 0: Z = 1E-15: R1 = 1: R3 = 1: R6 = 1: R8 = 1:

Y1 = 0: Y3 = 0: Y6 = 0: Y8 = 0

COLOR 2, 1

PRINT «ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ ОБЪЕКТА ИМЕЕТ ВИД»

PRINT «W=V*W1*W2*W3*W4*W5*EXP(-LP)+V0*W6*W7*W8*W9*W10*EXP(-L1P)»

PRINT «W1=T1P, W2=(T2P+1)^B, W3=1/T3P, W4=1/(T4P+1)^O, W5=1/(T5P+1)^C»

PRINT «W6=T6P, W7=(T7P+1)^B1, W8=1/T8P, W9=1/(T9P+1)^O1, W10=1/(T10P+1)^C1»

COLOR 12, 1

PRINT»……………………………………………………»

PRINT «ВВЕДИТЕ ПАРАМЕТРЫ ЗВЕНЬЕВ:»

PRINT»……………………………………………………»

FOR L3 = 1 TO 10

PRINT «T»; L3; «=»;: INPUT T(L3)

NEXT L3

CLS

COLOR 3, 4

PRINT «ПОСТОЯННЫЕ ВРЕМЕНИ ПРИНЯТЫ:»

FOR L3 = 1 TO 5

PRINT «T»; L3; «=»; T(L3); «»;

NEXT

PRINT

FOR L3 = 5 TO 10

PRINT «T»; L3; «=»; T(L3); «»;

NEXT

PRINT

COLOR 2, 1

PRINT «ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ ОБЪЕКТА ИМЕЕТ ВИД»

PRINT «W=V*W1*W2*W3*W4*W5*EXP(-LP)+V0*W6*W7*W8*W9*W10*EXP(-L1P)»

PRINT «W1=T1P, W2=(T2P+1)^B, W3=1/T3P, W4=1/(T4P+1)^O, W5=1/(T5P+1)^C»

PRINT «W6=T6P, W7=(T7P+1)^B1, W8=1/T8P, W9=1/(T9P+1)^O1, W10=1/(T10P+1)^C1»

COLOR 12, 1

INPUT «B=»; B

INPUT «O=»; O

INPUT «C=»; C

INPUT «V=»; V

INPUT «L=»; L

INPUT «B1=»; B1

INPUT «O1=»; O1

INPUT «C1=»; C1

INPUT «V0=»; V0

INPUT «L1=»; L1

PRINT «ВВЕДИТЕ M, maxT, N»

INPUT M, B0, N

H = 1 / (5 * B0 * N)

x = 1E-16

N150: x = x + H

N160: IF T(1) = 0 THEN GOTO N190

R1 = T(1) * x

Y1 = 1.57

N190: R2 = ((T(2) * x) ^ 2 + 1) ^ (B / 2)

Y2 = B * ATN (T(2) * x)

IF T(3) = 0 THEN GOTO N240

R3 = 1 / (T(3) * x)

Y3 = -1.57

N240: R4 = ((T(4) * x) ^ 2 + 1) ^ (-O / 2)

Y4 = - O * ATN (T(4) * x)

R5 = ((T(5) * x) ^ 2 + 1) ^ (-C / 2)

Y5 = - C * ATN (T(5) * x)

N270: IF T(6) = 0 THEN GOTO N330

R6 = T(6) * x

Y6 = 1.57

N330: R7 = ((T(7) * x) ^ 2 + 1) ^ (B1 / 2)

Y7 = B1 * ATN (T(7) * x)

IF T8 = 0 THEN GOTO N360

R8 = 1 / (T(8) * x)

Y8 = -1.57

N360: R9 = ((T(9) * x) ^ 2 + 1) ^ (-O1 / 2)

Y9 = - O1 * ATN (T(9) * x)

R0 = ((T(10) * x) ^ 2 + 1) ^ (-C1 / 2)

Y0 = - C1 * ATN (T(10) * x)

A1 = V * R1 * R2 * R3 * R4 * R5

A2 = V0 * R6 * R7 * R8 * R9 * R0

F1 = Y1 + Y2 + Y3 + Y4 + Y5 - L * x

F2 = Y6 + Y7 + Y8 + Y9 + Y0 - L1 * x

P4 = A1 * COS(F1)

P5 = A2 * COS(F2)

Q4 = A1 * SIN(F1)

Q5 = A2 * SIN(F2)

A0 = ((P4 + P5) ^ 2 + (Q4 + Q5) ^ 2) ^.5

P3 = P4 + P5

F0 = ATN((Q4 + Q5) / (P4 + P5))

IF P3 <= 0 THEN F0 = F0 - 3.14

Z1 = (- (M * SIN(F0) + 1) * M * x) / (A0 * (M * M - 1))

IF E = 1 THEN GOTO N580

IF Z1 < 0 THEN GOTO N150

H = x / 5: E = 1

N580: IF V1 > 0 THEN GOTO N780

Z1 = (- (M * SIN(F0) + 1) * M * x) / (A0 * (M * M - 1))

Z3 = Z1 - Z0

IF ABS(Z3) < Z THEN GOTO N710

IF Z3 < 0 THEN GOTO N660

x = x + H: Z0 = Z1

GOTO N160

N660: x = x - 2 * H: H = H / 2: x = x + H: Z0 = 0: GOTO N160

N710: V1 = (-M * M * COS(F0)) / (A0 * (M * M - 1))

T6 = V1 / Z1

CLS

COLOR 3, 4

PRINT «ПАРАМЕТРЫ НАСТРОЙКИ ПИ-РЕГУЛЯТОРА:»

PRINT «W=»; x, «Kp=»; V1, «Tи=»; T6

PRINT «НАЖМИТЕ 'ENTER'»

INPUT G9

PRINT

PRINT

S = 2 * x: H = x / 5: x = 1E-11: GOTO N160

N780: A6 = V1 * SQR (1 + (1 / ((T6 * x) ^ 2)))

F6 = - ATN (1 / (T6 * x))

A7 = A0 * A6: F7 = F0 + F6

P1 = A7 * COS(F7)

Q1 = A7 * SIN(F7)

A8 = A7 / (SQR((1 + P1) ^ 2 + Q1 * Q1))

F9 = ATN (Q1 / (1 + P1))

IF (1 + P1) < 0 THEN F9 = F9 - 3.14

F8 = F7 - F9: P2 = A8 * COS(F8): Q2 = A8 * SIN(F8)

COLOR 0, 7

PRINT «X=»; x

PRINT «____________________________________________________________»

F0 = F0 * 57.3: F7 = F7 * 57.3: F8 = F8 * 57.3:

PRINT «Aоб=»; A0, «Fоб=»; F0

PRINT

PRINT «Aрс=»; A7, «Aзс=»; A8

REM PRINT #1, USING «####.####»; x; SPC(3); A8

PRINT

PRINT «Fрс=»; F7, «Fзс=»; F8

PRINT «************************************************************»

INPUT rty

IF x <= 2 * S THEN x = x + H: GOTO N160

COLOR 3, 4

PRINT «ПАРАМЕТРЫ НАСТРОЙКИ ПИ-РЕГУЛЯТОРА:»

PRINT «W=»; x, «Kp=»; V1, «Tи=»; T6

END

Результаты расчета

Кр =0,8553151 Ти = 5,564348 w = 0.2017377

Таким образом, определена передаточная функция ПИ-регулятора:

Результаты расчета на ЭВМ, частотных характеристик автоматической системы регулирования приведем в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Результаты расчета частотных характеристик АСР.

ю, рад/с	Aрс(ю	црс(ю)	Aзс(ю)	цзс(ю)
6.052132E-03	9995782	-3.328923	1.000187	-2.256068
6.052132Е-02	959103	-33.06036	1.022089	-22.64973
1270947	837002	-67.85757	1.13098	-50.2319
181564	7063059	-94.09702	1.276433	-81.57571
2420853	5589451	-120.5448	1.173698	-129.9893
3026067	4286148	-143.8764	739027	-170.575
3631281	3230048	-164.2104	4408605	-195.1649
4236494	2417599	-181.8265	280192	-211.5652
4841708	1810362	-197.065	188849	-224.0197
5446922	1362711	-210.2663	1329338	-234.2428
6052135	103404	-221.7413	9.663759Е-02	-242.9958



Подтвердим правильность полученных параметров настройки регулятора построив АЧХ замкнутой системы. В астатических системах при щ=0 А(щ)=1, максимум АЧХ замкнутой системы должен равняться показателю колебательности М_ДОП.

Для построения АЧХ замкнутой системы используем программу MathCAD, листинг программы и результаты программы (рис. 5.1) покажем ниже:

Рисунок 5.1. АЧХ замкнутой системы

Запасы устойчивости автоматической системы регулирования при показателе колебательной М = 1,3, поэтому параметры настройки регулятора - оптимальные.



6. Анализ качества функционирования АСР

Анализ косвенных показателей качества показывает, что они отвечают требуемым нормам. Анализ прямых показателей качества выполнен для переходных процессов по каналу задания и по каналу возмущения.

Система должна быть не только устойчивой, но и с качественным процессом регулирования, и оценивается качеством переходных процессов и ошибками в установившихся режимах.

Вычисление критериев основывается на использовании математического аппарата управления, причем наиболее часто при вычислении критериев качества используются временные и частотные характеристики автоматических систем. Анализ переходных процессов - это поиск общего решения неоднородного дифференциального уравнения, которое описывает физические процессы в автоматической системе при заданных начальных условиях и известных внешних воздействиях, а также к анализу влияния изменения параметров автоматической системы на вид этого решения. Часто при анализе качества работы автоматических систем требуется лишь установить, находится ли переходный процесс внутри области допустимых значений регулируемой величины или выходит за ее пределы.

Использование какого-либо показателя работы автоматической системы или их комбинации в виде критериев качества определяется удобством его применения в системах автоматического регулирования.

Запас устойчивости можно определить по удалению АФХ разомкнутой системы от точки (-1, j0) введя понятия запаса устойчивости по амплитуде (модулю) и по фазе.

Замкнутая система является устойчивой, можно определить меру устойчивости с помощью критерия устойчивости Найквиста, определим запасы устойчивости по модулю и по фазе при показателе колебательности M = 1,3 по модулю H = 0,38 по фазе ? = 48⁰ (рисунок 6.1).

Моделирование работы автоматической системы регулирования выполнено на ЭВМ с помощью программы «Matlab» в среде моделирования Simulink (рис. 6.1).

где

Рисунок 6.1. Схема моделирования системы управления с ПИ - регулятором

Рисунок 6.2. КЧХ разомкнутой системы



График переходного процесса по заданию - рисунок 6.3

Рисунок 6.3. Переходный процесс по каналу задания

График переходного процесса по возмущению - рисунок 6.4

Рисунок 6.4. Переходный процесс по каналу возмущения



Рисунок 6.5. Переходный процесс по каналу задания и по каналу возмущения

Прямые показатели качества для переходного процесса по каналу задания (рис. 6.3):

- время регулирования t_p = 38 c;

- величина перерегулирования у = 31%;

- статическая ошибка е = 0.

Прямые показатели качества для переходного процесса по каналу возмущения (рис. 6.4):

- время регулирования t_p = 44 c;

- величина перерегулирования у = 44%;

- статическая ошибка е = 0.

- максимальное динамическое отклонение А_max = 0,56.

Прямые показатели качества для переходного процесса по каналу задания и по каналу возмущения (рис. 6.5):

- время регулирования t_p = 48 c;

- величина перерегулирования у = 78%;

- статическая ошибка е = 0.

Заключение

На данный момент отделение методических печей занимает важное место в цикле производства проката различных сортов, видов и т.д. Для эффективной работы методической печи необходим серьезный контроль и автоматизация всех ее узлов.

Рост производства проката, повышение требований к его качеству, а также поточность технологических процессов создали условия для широкого внедрения эффективных средств автоматического контроля и управления и поставили задачу дальнейшего повышения уровня автоматизации. Автоматическое управление внедряют практически на всех участках отделения методических печей. Автоматизируются процессы нагрева, расходов топлива и воздуха, получают развитие новые, более совершенные способы контроля и управления процессами нагрева металла.

В рамках данного курсового проекта мною были рассмотрены контуры контроля и регулирования. Так же мною была разработана математическая модель процесса регулирования давления в рабочем пространстве методической печи. Модель разработана в виде передаточной функции для объекта управления:

Также был подобран и настроен ПИ-регулятор с учётом показателей оптимальности настройки и расчётов значений параметров настройки регулятора, передаточная функция которого имеет вид:



Система была исследована по показателям качества она устойчива, хорошо отрабатывает возмущающие воздействия. То есть из полученных результатов выбранная структура и параметры настройки АСР удовлетворяют требуемым показателям и из анализа динамики видим, что выбранная структура системы удовлетворяет принятым показателям качества.



Список используемой литературы

1. Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Автоматизация технологическими процессами и производством» (для студ. напр. подг. 6.050202 «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технелогии» 4-го курса дн. и заоч. формы обуч.) / Сост.: И.А. Коцемир. - Алчевск: ДонГТУ, 2013.-28 с.

2. Основные понятия и определения теории автоматического управления; адрес источника, url: https://www.ncfu.ru/export/uploads/imported-from-dle/op/doclinks2017/Metod_SUHTP_280302_2017.pdf

3. Автоматизация методических печей; адрес источника, url: https://moodle.dstu.education/course/view.php? id=492

4. Ротач В.Я. Автоматизация настройки систем управления. / В.Я. Ротач, В.Ф. Кузищин, А.С. Клюев - М.: Энергоатомиздат, 1984.-272 с.

5. Методические печи, источник сайт, url: https://studopedia.su/7_8305_obshchaya-harakteristika-pechey.html

6. Автоматическое регулирование расхода и давления газа, источник, url: https://studopedia.su/15_11411_avtomaticheskoe-regulirovanie-rashoda-i-davleniya-gaza.html

7. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М: «Энергия», 1973. 440 с.



Приложение

АЧХ замкнутой системы

КЧХ разомкнутой системы



Переходной процесс по заданию

Переходной процесс по возмущению

Переходной процесс по возмущению и заданию

Размещено на Allbest.ru

...