Разработка систему автоматического регулирования конвейерной сушилка СПК-4Г-45

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Объектом исследования моей курсовой работы является модель конвейерной сушилки СПК-4Г-45 как объект управления.

При моделировании использовались имитационные методы, основанные на работе в программной среде MatLab.

В результате исследования была разработана САУ, которая обеспечивает более качественные процессы управления технологическим процессом. Это имеет немаловажное значение для повышения производительности, уменьшения энергетических затрат, и улучшение в эксплуатирование.



Содержание

Введение

Раздел 1. Выделение объекта управления из среды

1.1 Общий анализ технологического процесса, реализуемого агрегатом, целей и условий его ведения

1.1.1 Составление схемы и описание сущности технологического процесса, реализуемого технологическим агрегатом, как целенаправленного преобразования материальных и энергетических потоков

1.1.2 Описание конструкции технологического агрегата, его электропривода и особенностей эксплуатации

1.1.3 Формулирование условий, при которых возможно и целесообразно реализовывать рассматриваемый технологический процесс

1.1.4 Параметризация схемы технологического процесса и общая характеристика параметров и их взаимосвязей

1.2 Конкретизация регламентов и условий ведения процесса, его формализованное представление

1.2.1 Выявление нормативов ведения технологического процесса и работы технологического агрегата

1.2.2 Анализ последствий выхода технологических и эксплуатационных параметров за регламентные допуски

1.2.3 Выявление параметров, характеризующих условия ведения технологического процесса и эксплуатации технологического агрегата

1.2.4 Формализация параметризованной схемы технологического процесса и получение его параметрической схемы

1.3 Разработка структурной (координатной) схемы объекта регулирования

1.3.1 Конкретизация целей и задач управления объектом, выявление регулируемых и оптимизируемых переменных (координат)

1.3.2 Выбор управляющих переменных (координат) объекта управления

1.3.3 Выделение и классификация возмущающих переменных (координат) объекта управления

1.3.4 Составление структурной (координатной) схемы объекта

регулирования

Раздел 2. Идентификация моделей каналов преобразования координатных воздействий объекта управления

2.1 Априорный анализ статических и динамических свойств объекта управления

2.1.1 Априорный анализ и выбор структуры моделей динамических свойств каналов управления и контролируемых возмущений на основе знания физических закономерностей технологического процесса

2.1.2 Априорный анализ и принятие решения о допустимости линеаризации статических свойств каналов управления

2.2 Идентификация линеаризованных моделей динамики каналов управления объекта регулирования в окрестности его рабочих режимов

2.2.1 Краткий сравнительный анализ и выбор целесообразных входных воздействий для экспериментального исследования с целью получения необходимой информации о свойствах каналов объекта для случая, когда входные переменные каналов доступны для целенаправленного изменения

2.2.2 Планирование активного эксперимента на объекте для выбранных входных воздействий и получение реакций на них в ходе натурного и (или) мысленного эксперимента

2.2.3 Анализ полученной в ходе эксперимента информации, обоснование и выбор структуры моделей каналов (структурная идентификация моделей)

2.2.4 Выбор методик и проведение параметрической идентификации моделей первого и второго порядков

Раздел 3. Реализации моделей на ЦВМ и подтверждение их адекватности

3.1 Реализация на ЦВМ моделей каналов управления и подтверждение их адекватности

3.1.1 Разработка структурных схем и программ моделирования динамики каналов управления, получение переходных характеристик моделей и их сравнение с экспериментальными переходными характеристиками либо их оценками

3.2 Реализация на ЦВМ полной модели объекта управления и подтверждение ее адекватности

Раздел 4. Формулирование задач управления, требований к их решению и выбор основных принципов построения автоматических систем

4.1 Формулирование задач управления технологическим агрегатом

4.1.1 Декомпозиция общей задачи управления технологическим агрегатом и формулирование частных задач

4.1.2 Обоснование необходимости и целесообразности (для рассматриваемой ситуации) автоматизации каждой из частных задач управления

4.2 Формализация требований к решению задачи регулирования и выбор принципа построения системы автоматического регулирования

4.2.1 Формализация требований к предельно-допустимым статическим и динамическим отклонениям регулируемых переменных от соответствующих заданных значений в переходных и динамически установившихся процессах и представление их в форме регламентных зон регулируемых переменных

4.2.2 Формализация интегральных требований к переходным и динамически установившимся процессам регулирования в форме интегрального критерия оптимальности САР

4.2.3 Выбор, обоснование и представление в виде обобщённой структурной схемы принципа построения системы автоматического регулирования

Раздел 5. Синтез и анализ системы автоматического регулирования простейшей структуры

5.1 Конкретизация структуры САР и алгоритмов регулирования

5.1.1 Разработка на основе выбранного в п. 4.2.3. общего принципа построения САР, ее простейшей конкретной структуры

5.1.2 Выбор нескольких альтернативных вариантов типовых алгоритмов регулирования, запись их уравнений и передаточных функций

5.1.3 Разработка структурной схемы и программы цифрового имитационного моделирования САР при детерминированных и стохастических входных воздействиях

5.2 Параметрический синтез САР с различными вариантами типовых алгоритмов регулирования и их сравнительный анализ для детерминированных входных воздействий

5.2.1 Выбор начальных приближений настроечных параметров алгоритмов регулирования на основе инженерных методик параметрического (неоптимального) синтеза

5.2.2 Параметрический оптимальный синтез САР с альтернативными алгоритмами регулирования для детерминированных (ступенчатых) входных воздействий

5.2.3 Сравнительный анализ переходных процессов в параметрических оптимальных системах по значению критерия оптимальности и показателям, для которых установлены предельно-допустимые значения

5.3 Анализ грубости САР к вариации параметров объекта управления

5.3.1 Выбор параметров объекта управления, по которым целесообразно оценить грубость САР, значения их вариаций и планирование активного эксперимента по оценке грубости

5.3.2 Сравнительный анализ переходных процессов по критерию оптимальности и показателям, для которых установлены предельно - допустимые значения

5.4 Выводы по разделу

Раздел 6. Синтез и анализ системы автоматического регулирования повышенной динамической точности

6.1 Структурный синтез САР повышенной динамической точности

6.1.1 Анализ особенностей объекта регулирования, снижающих динамическую точность и выбор способов ее повышения за счет введения в структуру САР дополнительных связей

6.1.2 Разработка на основе выбранных способов повышения динамической точности САР, её структурной схемы и формулирование (в аналитической форме) условий, обеспечивающих необходимые свойства САР

6.1.3 Вывод передаточных функций корректирующих связей, анализ их структуры из условий физической реализуемости, приведение к физически реализуемому виду, представление их в форме соединения типичных динамических звеньев и получение переходных характеристик

6.2 Упрощение корректирующих связей с учетом особенностей их технической реализации и параметрический синтез САР при детерминированных входных влияниях

6.2.1 Анализ сложности технической реализации корректирующих связей с учетом возможностей технических средств и их упрощение за счет снижения размерности передаточных функций, аппроксимации запаздывания дробно-рациональными передаточными функциями и т.п. с сохранением общих свойств связей, представление упрощенных связей в виде соединения типичных звеньев

6.2.2 Выбор начальных приближений параметров упрощенных корректирующих связей из условия близости переходных характеристик корректирующих связей к и после их упрощения (возможное применение любых методик - как оптимизационных, так и обычных)

6.2.3 Разработка структурной схемы и программы цифрового имитационного моделирования и параметрический оптимальный синтез САР повышенной динамической точности при детерминированных входных влияниях

6.3 Анализ грубости САР повышенной динамической точности к вариациям параметров объекта регулирования

6.3.1 Выбор параметров объекта управления, по которым целесообразно оценить грубость САР, значений их вариаций и планирование машинного эксперимента

6.4 Сравнительный анализ САР простейшей структуры и повышенной динамической точности

6.4.1 Сравнительный анализ переходных процессов в параметрично оптимальных САР по величине критериев и показателей, на которые установленные предельно-допустимые значения

6.5 Выводы по разделу

Список литературы



Введение

В данной курсовой работе мы будем разрабатывать систему автоматического регулирования простейшей структуры и САР повышенной динамической точности.

Целью разработки САР является получение переходных характеристик, которые соответствовали бы предельно-допустимым требованиям показателей качества системы, а для этого необходимо сформировать такое управляющее воздействие, которое обеспечивало бы инвариантность контуров регулирования объекта.

В нашем случае объект управления - конвейерная сушилка СПК-4Г-45. Это технологический агрегат, который имеет достаточно высокую производительность и высокое качество продукции на выходе. Уровень этих показателей вряд ли мог бы быть достигнут путём ручного управления. Поэтому актуальность создания системы автоматического управления вполне оправдывается.



РАЗДЕЛ 1. ВЫДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ ИЗ СРЕДЫ

1.1 Общий анализ технологического процесса, реализуемого агрегатом, целей и условий его ведения

1.1.1 Составление схемы и описание сущности технологического процесса, реализуемого технологическим агрегатом, как целенаправленного преобразования материальных и энергетических потоков

Ленточные конвективные сушилки используют в пищевой промышленности для сушки материалов, нарезанных на куски сухарей, фруктов, овощей, пищевых концентратов, чая, макарон и других продуктов.

Ленточные сушилки - устройства непрерывного действия, состоящие из нескольких ленточных транспортеров, которые расположены один под другим в прямоугольном корпусе.

Высушиваемый материал в ленточной сушилке поступает на верхнюю ленту и, следуя за конвейером, проходит до нижнего разгрузочного люка.

Ленты изготовлены из металлических сит с большим живым сечением. Между двумя ветвями транспортных лент расположены ребристые паровые подогреватели. Воздух поступает снизу и проходит перекрестным по отношению к материалу потоком через все ленты сушилки. Отработанный воздух удаляется при помощи зонта и трубы или вентилятора. Скорость движения лент изменяется от 0,1 до 1 м/мин при помощи вариатора скорости.

Ленточные конвективные сушилки работают по варианту с промежуточным подогревом воздуха. Это позволяет осуществлять мягкие режимы сушки, так как промежуточные температуры нагревания и степени насыщения воздуха влагой могут быть выбраны в соответствии со скоростью испарения влаги из материала. Благодаря постепенному нарастанию влагосодержания, в таких сушилках можно высушивать пищевые продукты, для которых требуются равномерные условия сушки и не высокая температура.

На макаронных и овощесушильных предприятиях установлены в основном паровые конвейерные (ленточные) сушилки.

Рис. 1.1.1.1. - Технологическая схема.

1. Каркас

2. Калорифер

3. Ленточный конвейер

4. Шиберы

5. Шиберы

6. Приводные колонки

7. Осевые вентиляторы

8. Паровой коллектор

9. Регулирующие клапаны

1.1.2 Описание конструкции технологического агрегата, его электропривода и особенностей эксплуатации

Сушилка СПК-4Г-45 (рис. 2). Состоит из следующих основных частей: пяти ленточных конвейеров 4, двух приводных колонок 12, паровых калориферов 2, вентиляционной системы 9 и пульта управлении сушилкой.

Каркас 1 сушилки сборный металлический, снаружи облицован металлическими щитами, имеет двери. Для наблюдения за процессом сушки продукта, отбора проб, очистки сеток и ремонта с боковых сторон сушилки установлены съёмные щиты с окнами 7, а с торцовых сторон - двери.

Рис 1.1.2.1. Сушилка СПК-4Г-45: 1 - каркас; 2 - калорифер; 3 -сетчатая лента, 4 -ленточный конвейер, 5 -шиберы; 6, 11-коллектор; 7 -окно; 8 -угловой термометр; 9 -вентиляционная система; 10 -шиберы; 12 -приводная колонка

Внутри сушилки один под другим расположены пять пар барабанов, диаметр каждого 340 мм, на которые натянута металлическая сетчатая лента 3 шириной 2000 мм из нержавеющей стали, при этом общая сушильная поверхность лент 90 м2. Каждая пара барабанов относительно другой смещена по длине, что позволяет продукту пересыпаться с ленты на ленту.

Для очистки поверхности барабанов от налипающего продукта на всех пяти натяжных барабанах установлены скребки. В местах ссыпки продукта с верхней ленты на нижнюю установлены поворотные направляющие шибера 5.

Сушилка обогревается паровыми ребристыми калориферами, расположенными между ведущей и ведомой ветвями сетчатых лент всех пяти конвейеров. Калорифер 2 каждого конвейера состоит из двух последовательно соединенных батарей. Каждая батарея представляет собой две продольные трубы диаметром 44,5/39,5 мм с отверстиями, в которые вставлено 16 поперечных труб диаметром 38/33 мм.

На поперечных трубах навиты металлические полоски шириной 30 мм и толщиной 1 мм так, что образуются ребра в количестве 100 на 1 м длины трубы. Поверхность нагрева каждого калорифера 140 м2, общая поверхность калориферов сушилки 700 м2. Источником тепла для калориферов служит пар, который поступает от паросиловой установки под давлением 0,3-0,8 МПа по трубопроводу через регулирующий клапан, впускной коллектор 6, а от него через впускные вентили к каждому ярусу калориферов.

Контроль за давлением пара, поступающего в сушилку, осуществляется манометрами ОБМ-160, установленными на впускном и выпускном 11 коллекторах.

Сушилка оборудована вентиляционной системой, которая представляет собой две вытяжные камеры, изготовленные из листовой стали толщиной 1,5 мм и установленные над верхней лентой сушилки.

В каждой камере находится по одному осевому вентилятору. Внутри вытяжных камер перед осевыми вентиляторами установлены поворотные шиберы 10, с помощью которых можно изменять количество проходящего отработавшего воздуха.

Движение ленточных конвейеров сушилки осуществляется от двух приводных колонок 12. От первой приводятся в движение первый, третий и пятый ленточные конвейеры. Вращение приводных барабанов осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу, цепной вариатор, цепную передачу, червячный редуктор и систему цепных передач. От электродвигателя первой колонки через клиноременную передачу, червячный редуктор и цепную передачу осуществляется вращение одного вала со щетками, установленными в конце второго ленточного конвейера.

Вторая приводная колонка имеет аналогичную конструкцию, от нее осуществляется привод второго и четвертого ведущих барабанов конвейерных лент, а также вращение двух валов со щетками, установленными в конце первой и третьей лент.

Над тремя верхними лентами имеются ворошители, которые представляют собой вал с закрепленными на нем прутками. Он расположен поперек ленты, и при вращении прутки перемешивают высушиваемые изделия, предотвращая образование слитков.

Сырые изделия при помощи раскладчика поступают на верхнюю ленту сушилки, где довольно быстро перемещаются над калориферами верхнего яруса. При этом испаряется более трети влаги, подлежащей удалению.

Далее продукт поступает на вторую ленту, которая несколько медленнее перемещается над калориферами второго яруса. Сушка продолжается здесь также довольно интенсивно, удаляется примерно еще одна треть влаги.

Затем изделия поступают на третью ленту, которая еще медленнее перемещается над калориферами третьего яруса, на этой ленте удаляется около 4 % влаги.

Четвертая и пятая ленты имеют еще меньшие скорости, и за время нахождения на них продукт окончательно высыхает до стандартной влажности.

В процессе пересыпания изделий на лентах образуется мелкая мучная крошка, которая проходит сквозь ячейки лент и собирается в нижней части сушилки на поддонах. Сушильный воздух проходит через сушилку снизу вверх, подогревается в калориферах и охлаждается, проходя через конвейерные ленты с продуктом. Удаляемая из изделий влага посредством вытяжных вентиляторов выводится в атмосферу.

Технические характеристики сушилки	СПК-4Г-45
Производительность по испаренной влаге, кг/ч	450
Число сетчатых транспортеров, шт.	5
Число вытяжных устройств, шт.	3
Рабочая площадь конвейеров, м2	90
Ширина конвейера, мм	2000
Площадь нагрева калориферов, м2	1400
Количество электродвигателей вентилятора	3
Мощность электродвигателей вентилятора кВт	6.6
Количество электродвигателей конвейеров	2
Мощность электродвигателей конвейеров кВт	3
Температура над каждой лентой, оС
И1	70
И2	75
И3	60
И4	50
И5	40
Габариты в мм
Длина	11980
Ширина	2800
Высота	4600
Масса, кг	11000
Сушка фруктов, овощей, коротко резанных макарон и др. продуктов
Давление в калориферах 1, 2 и 3 лент;4 и 5 лент	0,8 Мпа 0,6 Мпа
Число лент	4…5

1.1.3 Формулирование условий, при которых возможно и целесообразно реализовывать рассматриваемый технологический процесс.

Наличие на входном участке сырья

Наличие давление в калориферах 1, 2 и 3 лент 0.8 МПа, и 4 и 5 лент 0.6 МПа

Наличие температуры на лентах: на первой 70 оС, на второй 75 оС, на третей 60 оС, на четвертой 50 оС, на пятой 40 оС .

Исправные приводы двигателей



1.1.4 Параметризация схемы технологического процесса и общая характеристика параметров и их взаимосвязей

Рис. 1.1.4.1. - Параметризованная схема технологического процесса ленточной конвективной сушильной установки

1.2 Конкретизация регламентов и условий ведения процесса, его формализованное представление

1.2.1 Выявление нормативов ведения технологического процесса и работы технологического агрегата

Технологический регламент - определяет условия, при которых в результате технологического процесса получается продукт с заданными свойствами. В нашем случае является высушивание продукта (термическая обработка продуктов), а параметры, описывающие свойства данного продукта это:

-И - температура отработанного воздуха, C

-w_вв - влажность отработанного воздуха, %

-w - конечная влажность высушиваемого продукта, %

-И_к - конечная температура влажного продукта, C

-И₁…И₅ - температура над 1, 2, 3, 4, 5 лентами, C

Эксплуатационный регламент - определяет условия нормальной безаварийной работы технологического оборудования. В нашем случае - это параметры:

-V - скорость ленты, м/с

-Технико-экономический регламент - определяет условия эффективности ведения процесса.

-G_ив - производительность по испаренной влаге, кг/ч

-G_п - производительность по использованию пара, кг/ч

-G_вв - производительность отработанного (влажного) воздуха, м³/ч

-G_влп - производительность сушилки по влажному продукту, кг/с

-G_гп - производительность сушилки по готовому продукту, кг/с

1.2.2 Анализ последствий выхода технологических и эксплуатационных параметров за регламентные допуски

Даже при достаточно эффективном управлении процессом, могут возникать отклонения параметров технологического процесса от регламентных значений, вызываемые изменением параметров, характеризующих условия ведения процесса.

Наименование параметров	Обозначение	Единица измерения	Номинальное значение параметров	Допустимые отклонения от номинала
				Длительные	Кратковременные
				Величина	Вели чина	Время
Влажность высушенного продукта	W	%	20	±2	±5	100 с.
Температура над первой лентой	И1	C	70	±1	±4	120

1.2.3 Выявление параметров, характеризующих условия ведения технологического процесса и эксплуатации технологического агрегата

Условия, в которых ведется технологический процесс, характеризуется определенными параметрами, которые могут изменятся с течением времени и влиять на изменение выходных нормативных параметров, выводя их за пределы допусков. Для удобства сгруппируем такие параметры по некоторым признакам:

-Сырьевые параметры - характеризуют свойства продукта, идущего на переработку:

-w_н - начальная влажность высушиваемого продукта , %;

-И_н - начальная температура влажного продукта, C;

-Энергетические параметры - характеризуют энергию, которая подводится к технологическому оборудованию из вне и расходуется на изменение свойств продукта:

-Uном - напряжение подводимое к электроприводу дозатора, В

-cos ? - коэффициент мощности электроэнергии

-f_с - частота сети, Гц

-Р_п - давления пара, Мпа

-И_в - температура входного воздуха, C

-w_в - влажность входного воздуха, %

-G_в - производительность входного воздуха, м³/ч

-Механические (либо другие специфические) параметры - это параметры, характеризующие состояние рабочих органов технологического оборудования:

-л_м - параметр, характеризующий механические потери в агрегате (например трение в подшипниках), %;

-U₁ - положение регулирующего органа, который управляет скоростью ленты

-U₂ - положение регулирующего органа, который управляет подачей пара парового коллектора.

1.2.4 Формализация параметризованной схемы технологического процесса и получение его параметрической схемы

Параметризованная схема ТП имеет содержательный характер. Формализация описания взаимосвязей между параметрами ТП достигается за счет перехода к формализованной параметрической схеме ТП. При этом те параметры, которые отражают цели функционирования объекта моделирования и дополнительные требования к нему, т.е. те параметры, которые регламентированы, будут являться выходными, а параметры, отражающие условия функционирования объекта - входные.

Рис. 1.1.2.1. - Параметрическая схема технологического процесса

1.3 Разработка структурной (координатной) схемы объекта управления

1.3.1 Конкретизация целей и задач управления объектом, выявление регулируемых и оптимизируемых переменных (координат)

Целью ведения технологического процесса сушки является обеспечение оптимальных параметров в СПК-4Г-45.

Параметры:

И₁ - температура над первой лентой, C

w - влажность высушенного продукта, %

1.3.2 Выбор управляющих переменных (координат) объекта управления

В качестве управляющих переменных (координат), т.е. переменных, изменяя которые целенаправленно, мы сможем влиять на изменение регулируемых переменных, изменяя расходы материальных энергетических потоков, выбираем:

-U₁ - положение регулирующего органа, который управляет скоростю ленты

-U₂ - положение регулирующего органа, который управляет подачей пара парового коллектора.

1.3.3 Выделение и классификация возмущающих переменных

После выделения управляющих воздействий все остальные входные переменные отнесем к разряду возмущений. При этом все возмущения формально объединим в группы неконтролируемых возмущений (по числу управляющих воздействий), они имеют общие (контролируемые) последствия - заставляют изменяться управляемые переменные, и будем считать их действующими аддитивно управляемым переменным.

Выделять контролируемые возмущения в нашем случае не целесообразно т.к. они усложняют математическую модель, а также изменяются медленно их изменение не существенно, а также не сильно влияет на технологический процесс.

1.3.4 Составление структурной (координатной) схемы объекта регулирования

Структурная (координатная) схема объекта управления является очередным и последним этапом формализации представления ТП как ОУ. При переходе к такой схеме, осуществляется переход к использованию другого понятийного аппарата, общего с ТАУ. Понятие «параметр» заменяется на понятие «переменная (координата)».



Рис. 1.2.3. - Структурная (координатная) схема ОР.

U₁ - положение регулирующего органа, который управляет скоростью ленты

U₂ - положение регулирующего органа, который управляет подачей пара парового коллектора.

W - влажность высушенного продукта, %

И₁ - температура над первой лентой, C



РАЗДЕЛ 2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ КАНАЛОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КООРДИНАТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Априорный анализ статических и динамических свойств объекта управления.

2.1.1 Априорный анализ и выбор структуры моделей динамических свойств каналов управления и контролируемых возмущений на основе знания физических закономерностей технологического процесса

Перед началом экспериментов, исходя из физической сущности объекта, предварительно оценить свойства каналов, модели которых подлежат идентификации т.е. проведем предварительную структурную идентификацию.

В нашем случае, в СПК-4Г-45 при «включении» и «отключениями» процесс устанавливает динамическое равновесие, которые восстанавливаются после всякого их нарушения без управляющих воздействий. Следовательно, свойства объекта управления по каналу

U₁ - w - статические

U₁ - И₁ - статические

U₂ - w - статические

U₂ - И₁ - статические

2.1.2 Априорный анализ и принятие решения о допустимости линеаризации статических свойств каналов управления

Исходя из того, что диапазоны изменения переменных функций, в статических характеристиках каналов объекта управления, ограничены, а также то что эти функции являются гладкими (без разрывов) и монотонными (возрастающими или убывающими), можно сделать вывод о допустимости линеаризации статических свойств каналов управления.

2.2 Идентификация линеаризованных моделей динамики каналов управления объекта регулирования в окрестности его рабочих режимов

2.2.1 Краткий сравнительный анализ и выбор целесообразных входных воздействий для экспериментального исследования с целью получения необходимой информации о свойствах каналов объекта для случая, когда входные переменные каналов доступны для целенаправленного изменения

В нашем случае, управляющее воздействие U₁ и U₂ доступно для целенаправленного изменения, поэтому именно его целесообразно выбрать в качестве входного воздействия для экспериментального исследования с целью получения необходимой информации о свойствах каналов объекта.

2.2.2 Планирование активного эксперимента на объекте для выбранных входных воздействий и получение реакций на них в ходе натурного и (или) мысленного эксперимента

План проведения активного эксперимента на объекте:

- Изменением управляющего воздействия U₁ и U₂ выведем объект в зону рабочего режима (добьемся таких значений управляемых переменных, которые находились бы в окрестности их номинальных значений) и дождемся наступления установившихся режимов;

- Дождаться окончания переходного процесса в каналах и наступления установившегося режима, при котором выходные переменные перестанут изменяться;

- Изменить входные переменные ступенчатым образом на выбранную заранее величину, отметив момент начала её изменения;

- Регистрировать изменение выходной переменной до наступления нового установившегося режима, входное воздействие можно не регистрировать.

Рис. 2.2.2.1. - Переходная характеристика входного воздействия U₁

w, %

t,c

Рис. 2.2.2.2. - Переходная характеристика объекта полученная в результате мысленного эксперимента по каналу U₁ - w

И₁, C

t, c

Рис. 2.2.2.3. - Переходная характеристика объекта по каналу U₁ - И₁

Рис. 2.2.2.4. - Переходная характеристика входного воздействия U₂

w, %

t, c

Рис. 2.2.2.5. - Переходная характеристика объекта по каналу U₂ - w

И₁, C

t, c

Рис. 2.2.2.6. - Переходная характеристика объекта по каналу U₂ - И₁

2.2.3 Анализ полученной в ходе эксперимента информации, обоснование и выбор структуры моделей каналов (структурная идентификация моделей)

-Для статических каналов: U₁-w, U₁-И₁, U₂-w, U₂-И₁

1-й порядок:

2-й порядок:

2.2.4 Выбор методик и проведение параметрической идентификации моделей первого и второго порядков

Для параметрической идентификации моделей каналов объекта управления первого и второго порядков будем использовать методику «2-х общих точек» (Мининой), так как она самая точная.

Расчет параметров для канала U₁-w ОУ со статическими свойствами будем производить по следующим формулам:

Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 1-го порядка:

?h1.0 = 2

?h0.33= 0,66

?h0.7=1.4

?t0.33=88 с

?t0.7=152 с

ф = 0,5 * (3 * t0.33 - t0.70) = 0.5 * (3 * 88 - 152) = 56 с

T = (t0.70 - ф ) / 1.2 = (152 - 56) / 1.2 = 80 с

Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 2-го порядка:

?h0.19= 0.38

?t0.19= 64 с

?h0.7= 1,4

?t0.7=152 с

ф = 0,5 * (3 * t0.19 - t0.70) = 0.5 * (3 * 64 - 152) = 20 с

T = (t0.70 - ф ) / 2.4 = (152 - 20) / 2.4 =55 с

Расчет параметров для канала U₁-И₁ ОУ со статическими свойствами будем производить по следующим формулам:

Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 1-го порядка:

?h1.0 = 1,5

?h0.33= 0,5

?h0.7=1.05

?t0.33=80 с

?t0.7=108 с

ф = 0,5 * (3 * t0.33 - t0.70) = 0.5 * (3 * 80 - 108) = 56 с

T = (t0.70 - ф ) / 1.2 = (108 - 66) / 1.2 = 35 с

Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 2-го порядка:

?h0.19= 0.29

?t0.19= 69 с

?h0.7= 1,05

?t0.7=108 с

ф = 0,5 * (3 * t0.19 - t0.70) = 0.5 * (3 * 69 - 108) = 40 с

T = (t0.70 - ф ) / 2.4 = (108 - 50) / 2.4 =24.2 с

Расчет параметров для канала U₂-w ОУ со статическими свойствами будем производить по следующим формулам:

Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 1-го порядка:

?h1.0 = 2

?h0.33= 0,66

?h0.7=1.4

?t0.33=72 с

?t0.7=123 с

ф = 0,5 * (3 * t0.33 - t0.70) = 0.5 * (3 * 72 - 123) = 47 с

T = (t0.70 - ф ) / 1.2 = (123 - 47) / 1.2 = 63 с

Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 2-го порядка:

?h0.19= 0.38

?t0.19= 58 с

?h0.7= 1,4

?t0.7=123 с

ф = 0,5 * (3 * t0.19 - t0.70) = 0.5 * (3 * 58 - 123) = 25.5 с

T = (t0.70 - ф ) / 2.4 = (123 - 25.5) / 2.4 =40.6 с

Расчет параметров для канала U₂-И₁ ОУ со статическими свойствами будем производить по следующим формулам:

Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 1-го порядка:

?h1.0 = 4,5

?h0.33= 1,49

?h0.7=3,15

?t0.33=35 с

?t0.7=57 с

ф = 0,5 * (3 * t0.33 - t0.70) = 0.5 * (3 * 35 - 57) = 24 с

T = (t0.70 - ф ) / 1.2 = (57 - 24) / 1.2 = 27,5 с

Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 2-го порядка:

?h0.19= 0.855

?t0.19= 22 с

?h0.7= 3,15

?t0.7=57 с

ф = 0,5 * (3 * t0.19 - t0.70) = 0.5 * (3 * 22 - 57) = 4,5 с

T = (t0.70 - ф ) / 2.4 = (57 - 4,5) / 2.4 =21,8 с



РАЗДЕЛ 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ НА ЦВМ И ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ИХ АДЕКВАТНОСТИ.

3.1 Реализация на ЦВМ моделей каналов преобразования воздействий и подтверждение их адекватности

3.1.1 Разработка структурных схем и программ моделирования динамики каналов преобразования воздействий, получение переходных характеристик моделей и их сравнение с экспериментальными переходными характеристиками либо их оценками

Моделирование моделей каналов объекта управления будем производить совместно с моделированием экспериментальных переходных характеристик, с целью их сравнения, будем проводить по следующей схеме:

Рис. 3.1.1.1. - Схема моделирования моделей каналов объекта управления по каналу U₁-w.



Рис. 3.1.1.2. - Переходные характеристики по каналу U₁-w:

1. Экспериментальная;

2. Модели 1-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой);

3. Модели 2-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой).

Рис. 3.1.1.3. - Схема моделирования моделей каналов объекта управления по каналу U₁- И_1.



Рис. 3.1.1.4. - Переходные характеристики по каналу U₁- И₁:

1. Экспериментальная;

2. Модели 1-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой);

3. Модели 2-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой).

Рис. 3.1.1.5. - Схема моделирования моделей каналов объекта управления по каналу U₂-w.



Рис. 3.1.1.6. - Переходные характеристики по каналу U₂-w:

1. Экспериментальная;

2. Модели 1-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой);

3. Модели 2-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой).

Рис. 3.1.1.7. - Схема моделирования моделей каналов объекта управления по каналу U₂- И₁.



Рис. 3.1.1.8. - Переходные характеристики по каналу U₂- И₁

1 Экспериментальная;

2 Модели 1-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой);

3 Модели 2-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой).

3.2 Реализация на ЦВМ полной модели объекта управления и подтверждение ее адекватности

Рис. 3.2.1. Полная модель объекта

Рис. 3.2.2. - Переходная характеристика входного воздействия U₁

Рис. 3.3.3. - Переходные характеристики объекта управления по каналу U₁-w:

1. Экспериментальная;

2. Модель

Рис. 3.3.4. - Переходные характеристики объекта управления по каналу U₁- И₁:

1. Экспериментальная;

2. Модель



Рис. 3.3.5. Переходная характеристика входного воздействия U₂

Рис.3.3.6. - Переходные характеристики объекта управления по каналу U₂-w: система автоматическое инвариантное регулирование

1. Экспериментальная;

2. Модель

Рис. 3.3.7 - Переходные характеристики объекта управления по каналу U₁- И₁:

1. Экспериментальная;

2. Модель



РАЗДЕЛ 4. ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ, ТРЕБОВАНИЙ К ИХ РЕШЕНИЮ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

4.1 Формулирование задач управления технологическим агрегатом

4.1.1 Декомпозиция общей задачи управления технологическим агрегатом и формулирование частных задач

Общей задачей управления является обеспечение оптимального течения технического процесса путем вывода агрегата на рабочий режим и поддержания его выходных параметров (регламентных параметров) в реальных условиях при достижении заданного качества и эффективности.

Для создания системы автоматического управления (САУ) из общей задачи управления необходимо выделить частные задачи, т.е. провести декомпозицию общей задачи. Выполним эту процедуру - выделим частные задачи управления:

1)задача регулирования заключается в поддержании значений выходных переменных объекта управления (ОУ) - на заданном уровне;

2)задача самонастройки или адаптации управляющего устройства (УУ), заключающаяся в «приспосабливании» в процессе работы САУ свойств УУ к изменяющимся с течением времени свойствам объекта управления;

3)задача оптимизации - обеспечение наилучших (оптимальных) в определенном смысле режимов работы ОУ;

4)задача логического управления - включение и выключение технологического оборудования при пусках, остановах, возникновении аварийных ситуаций.



4.1.2 Обоснование необходимости и целесообразности (для рассматриваемой ситуации) автоматизации каждой из частных задач управления

Необходимость в автоматизации каждой из частных задач управления нужно рассматривать, исходя из конкретной цели функционирования агрегата.

Что касается задачи регулирования, то ее необходимо рассматривать как основную, исходя из тех соображений, что сущность данной задачи заключается в поддержании в необходимых диапазонах (определенных регламентом ведения технологического процесса) значений выходных переменных; без выполнения этой задачи невозможно достижение заданного качества процесса и его эффективного управления.

Целесообразность автоматизации данной частной задачи можно объяснить тем, что использование труда человека, его интеллекта при ручном управлении при решении данной задачи нежелательно и неэффективно, так как это требует использование высококвалифицированных специалистов, что связано с финансовыми и кадровыми проблемами, поэтому автоматизация задач регулирования является наиболее целесообразным путем решения данной задачи.

Если рассматривать вопрос о необходимости автоматизации задачи самонастройки или адаптации свойств УУ, то она может возникнуть только в том случае, если достаточно детально выяснены режимы работы агрегата и в том случае, когда параметры объекта имеют достаточно широкие пределы изменения, «вмешательство» человека при рассмотренных условиях нецелесообразно, т.к. автоматическое управляющее устройство справится с этой задачей намного быстрее и с меньшими усилиями.

Что касается автоматизации задачи оптимизации, то ее необходимость и целесообразность возникает только лишь в том случае, когда выполнена задача регулирования и когда предъявляются особые требования к качеству продукции. Автоматизировать данную задачу целесообразно также и в том случае, когда технологический процесс требует значительных энергетических затрат.

Задачу логического управления необходимо автоматизировать с целью уменьшения возможных потерь от аварии, быстрейшего вывода оборудования на рабочий режим, т.к. эффективность (быстрота, «понимание» причин и следствий аварии, необходимость останова оборудования и т.п.) действий человека «ручного» управления в большинстве случаев ниже.

4.2 Формализация требований к решению задачи регулирования и выбор принципа построения системы автоматического регулирования

4.2.1 Формализация требований к предельно-допустимым статическим и динамическим отклонениям регулируемых переменных от соответствующих заданных значений в переходных и динамически установившихся процессах и представление их в форме регламентных зон регулируемых переменных

Исходя из требований технологии процесса и эксплуатации технологических машин , могут быть заданы определенные требования к отклонениям ( ошибкам ) регулируемых переменных :

1)к предельно-допустимым динамическим отклонениям ДyПД ;

2)к отклонениям, которыми можно пренебречь, т.е. к Дy ЗНО ;

3)к времени существования допустимых динамических отклонений за пределами ЗНО t ДДО.

Отразив эти предельные условия графически, можно задать регламентную зону переходного процесса.

Для рассматриваемого нами ТП вышеописанные требования можем представить в таблице регламентов, полученной в раздели 1.

Нормативы ведения ТП и эксплуатации ТО.



Табл. 4.2.1.1.

Наименование параметров	Обозначение	Единица измерения	Номинальное значение параметров	Допустимые отклонения от номинала
				Длительные	Кратковременные
				Величина	Величина	Время
Влажность высушенного продукта	W	%	20	±2	±5	100 с.
Температура над первой лентой	И1	C	70	±1	±4	120 с.

Для регулируемой переменой W вид регламентной зоны изображён на рис. 4.2.1.1.

Для регулируемой переменной W требования к отклонениям следующие:

-предельно допустимое динамическое отклонение равно ± 5 %;

-ЗНО равна 4 %;

-время существования допустимых отклонений за пределами ЗНО равно 100 c.

Для регулируемой переменой И₁ вид регламентной зоны изображён на рис. 4.2.1.2.



Для регулируемой переменной И1 требования к отклонениям следующие:

-предельно допустимое динамическое отклонение равно ± 4 C;

-ЗНО равна 2 C;

-время существования допустимых отклонений за пределами ЗНО равно 100 c.

4.2.2 Формализация интегральных требований к переходным и динамически установившимся процессам регулирования в форме интегрального критерия оптимальности САР

На этапах разработки САУ, в качестве одного из главных критериев, характеризующих целесообразность ее создания и эффективность ее применения является оценка качества выполнения поставленной перед САУ задачи, в частности, для задач регулирования,

поддержание параметров технологического процесса на заданных значениях (в заданных диапазонах изменения). На практике, в качестве показателя качества САР, наиболее часто используют интегральные критерии; причем, чем меньше будет отклонение текущего значения регулируемой переменной от заданного (предусмотренного регламентом), тем показатель качества будет лучше.

Существует несколько интегральных критериев.

Так как мы будем проводить оптимизацию многомерной САР и количество регулируемых параметров равно 3-м, необходимо сформулировать критерий, который одновременно будет отображать показатели качества регулирования всех выходных переменных объекта. Он будет иметь следующий вид:

где:

б_n - весовой коэффициент, отражающий значимость регулируемой переменной. Для нашего конкретного случая общий вид критерия оптимальности следующий:

б1 = 1/?wмах =0.2 ; б2 = 1/? И1мах =0.25

4.2.3 Выбор, обоснование и представление в виде обобщённой структурной схемы принципа построения системы автоматического регулирования

Классификацию САУ по принципам их построения можно произвести в зависимости от вида информации, используемой управляющим устройством (УУ). В общем случае УУ использует 3 вида информации: об узд, у и fк. В частных случаях используются не все виды информации, а только некоторые из приведенных. Рассмотрим эти частные случаи, а, следовательно, и принципы построения САУ:

1)принцип жесткого (программного) управления - используется информация только о узд.

Данный принцип применяется в тех случаях, когда свойства объекта достаточно хорошо известны. Достоинством является максимальная простота системы. Недостатком является низкая и неконтролируемая степень соответствия между у и узд.

2)принцип управления по возмущениям - УУ использует информацию об yзд и fк, применим в тех случаях, когда влиянием fн на ОУ можно пренебречь, когда размерность fk относительно небольшая, свойства ОУ по каналам fk - y и u - y достаточно хорошо известны.

Достоинство данного принципа: такая система даёт возможность полностью скомпенсировать влияние fk на у, т.е. сделать у инвариантным относительно fk.

Недостатки данного принципа: аналогичны первому. Для повышения точности соответствия у для уж требуется увеличение размерности fk, уточнять свойства по каналам управления и контролируемых возмущений, что приведёт к усложнению и удорожанию, как самой системы, так этапа её разработки.

Оба из рассмотренных принципов построения систем, относятся к принципам разомкнутого управления, т.к. они не используют информацию о текущем состоянии объекта.

3)принцип замкнутого управления (управление с обратной связью) - применим в том случае, когда допустимы достаточно большие динамические изменения (колебания) у от узд.

Достоинства данного принципа: можно обеспечить высокую точность у и узд.

Свойства объекта необходимо знать только по каналу у - u, и также не требуется высокой точности.

Недостатки данного принципа: введение обратной связи приводит в собственной составляющей к движению в замкнутом контуре. Наличие обратной связи провоцирует появление неустойчивости САУ, т.е. её неработоспособности.

4)комбинированный принцип управления - целесообразно использовать, когда необходимо получать высокие статистические и мало динамические отклонения САУ.

Достоинства данного принципа: сочетание разомкнутого и замкнутого принципов управления.

...