Разработка одноконтурных систем автоматизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ И ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

И ПРОИЗВОДСТВ

РАЗРАБОТКА

ОДНОКОНТУРНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

для подготовки бакалавров

по специальности

Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии

А.А. Стопакевич

Одесса, 2017



1. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНДЕНСАТОРА С ПОМОЩЬЮ П РЕГУЛЯТОРА

Исходные данные.

Объект управления - аппарат для конденсации пара (поверхностный конденсатор). Габариты конденсатора - вертикальный цилиндр, диаметр D=5+0.03n, высота L=10м.

Управляемая величина - уровень. Режимное значение Н=0.5 м.

Управление - расход из конденсатора. Режимное значение G=1000+10n кг/с.

Диаметр выпускного трубопровода D_T=200 мм. Длина пренебрежимо малая.

Избыточное давление в конденсаторе - 0.003+0.01n, МПа.

Давление в сборнике конденсата - атмосферное.

Температура конденсата - 20+n, ^оС.

Максимальная величина возмущения - .

Максимально допустимое отклонение уровня - .

n - номер по журналу преподавателя.

Отклонение задания z=0. Работа выполняется в программе Simulink Matlab.

Протокол работы должен содержать.

1. Описание конденсатора с рисунком

2. Расчет модели объекта управления

, ; ; ,

- площадь зеркала воды в конденсаторе, м²;

- оператор дифференцирования, с;

- плотность конденсата, кг/м³ (определить в интернете при заданной температуре)

3. Расчет П регулятора. Поскольку запаздывания нет, то запишем модель системы относительно возмущения

Тогда,

.

4. Моделирование системы управления

Промоделировать систему рис.2 (указать на рис. параметры в блоках) и привести результат моделирования при подаче максимального возмущения - график переходного процесса, а также график переходного процесса изменения управления. Режимное значение расхода составляет 70% от максимального. Если значение управления превышает максимальное - уменьшить коэффициент передачи регулятора и повторить моделирование.

5 Выбор аппаратуры управления

5.1 Выбор уровнемера (1а)

- выбор и обоснование принципа измерения уровня, который позволяет работать в закрытом резервуаре, рисунок уровнемера, формулу заказа;

- выбор типа датчика, который имеет передачу показаний по интерфейсу RS-485;

- выбор диапазона измерений, у которого, желательно, режимное значение составляет 67%;

- выбор абсолютной погрешности измерений, которая в 5 - 10 раз меньше максимального отклонения, полученного на переходном процессе.

5.2 Выбор цифрового регулятора (1б)

- выбор типа регулятора с показанием уровня, ручками настройки параметров, задания, ручным управлением исполнительным механизмом и переключением в автомат, формулу заказа;

- привести рисунок передней и присоединительной панелей регулятора;

- выбор шага дискретности, как 0.01-0.1 от времени установления процесса управления с округлением до 2 значащих цифр;

- описание ввода настроек регулятора.

5.3 Выбор регулирующего органа (1г)

- расчет пропускной способности (единицы измерения такие же, как в исходных данных) K_{v ,} м³/час

, .

- по найденному K_v, принять большее стандартное значение K_vy Є {4, 6.3, 10, 16, 25, 40,63,100,160,250,400,630,1000,1600} и определить диаметр клапана D_y, мм.

,

,

Выбрать конструкцию клапана, его тип, переходные патрубки, линейную расходную характеристику. Привести рисунок клапана и формулу заказа.

5.4 Выбор исполнительного механизма (1в)

- по графику процесса изменения управления определить наибольшую скорость изменения управления; по найденной скорости определить время 100% хода исполнительного механизма; найти исполнительный механизм со стандартным меньшим временем хода;

- по весу подвижных частей клапана с запасом 30% выбрать перестановочное усилие исполнительного механизма);

- выбрать электрический ИМ с линейным перемещением затвора и интерфейсом RS-485. Рекомендуется выбрать модификации ИМ РЭМТЭК-02, поставляемые совместно с клапаном РУСТ. Привести формулу заказа.

5.5 Выбор вспомогательного оборудования

- выбрать тип малого щитка для работы в обычных условиях, его размеры и формулу заказа, выбрать блок питания и выбрать автомат включения.

Нарисовать принципиальную электрическую схему соединения выбранных устройств. Пример - см. рис.3. Надо указать конкретные обозначения клемм у выбранных устройств.

Рисунок 1 - Схема автоматизации установки

Рисунок 2 - Структурная схема моделирования системы управления

Рисунок 3 - Пример электрической схемы

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ДЕАЭРАТОРА С ПОМОЩЬЮ ПИ - РЕГУЛЯТОРА

Исходные данные.

Объект управления - деаэратор.

Управляемая величина - давление в колонке. Режимное значение

Р₂= 0.7МПа.

Управление - расход пара в колонку. Режимное значение D=28 кг/с.

Давление пара - Р₁= 0.9 МПа.

Плотность пара =3.6 кг/м³.

Коэффициент расхода клапана =0.6.

Площадь проходного сечения клапана =0.03м².

Запаздывание паропровода _о =4+0.2n, с.

Постоянная времени деаэратора Т_о =5+0.2n, с.

Коэффициенты:

К₂=2.5 %/(кг/с); К₀=5.4e-3+0.00001n, Па/(кг/с); K₅= 1.58e-3+0.00001n, МПа/К;

K₆= -2.5e-3+0.00001n, МПа/(кг/с).

Номинальные значения возмущающих параметров:

Расход конденсата Gk=560 кг/с.

Температура конденсата Tk=140^OC.

Величина возмущений равна 10% номинальных значений.

Максимально допустимое отклонение давления - .

n - номер по журналу преподавателя.

Отклонение задания z=0. Работа выполняется в программе Simulink Matlab.

Протокол работы должен содержать.

1. Описание деаэратора с рисунком

2. Модель объекта управления

Модель имеет вид, приведенный на рис.2.

Коэффициент К₂ рассчитывается следующим образом:

,

3. Расчет и исследование методов настройки ПИ регулятора

Передаточная функция регулятора

3.1 Расчет ПИ-регулятора по Копеловичу

.

3.2 Расчет ПИ-регулятора по табличному методу Циглера-Николсона

где .

3.3 Расчет ПИ-регулятора по табличному методу Коена-Куна

.

3.4. Расчет ПИ-регулятора по табличному методу робастного синтеза

Последовательно со звеном регулятора следует включить инерционное звено

, .

3.5. Расчет ПИ-регулятора по усовершенствованному методу IMC-PID

при , иначе

3.6. Расчет ПИ-регулятора по методу SIMC

,

3.7. Расчет ПИ-регулятора по методу Matlab

Расчет проводится блоком PID Controller в SIMULINK, Ideal.

4. Моделирование системы управления

Система моделируется при подаче максимального возмущения. Снимается график изменения управляемой переменной (переходной процесс), и изменения управления. Режимное значение расхода составляет 70% от максимального. Если значение управления превышает максимальное (30%) - уменьшить коэффициент передачи регулятора и повторить моделирование. Моделирование провести для каждых настроек регулятора.

Выбрать процесс с наилучшими настройками - минимальным отклонением параметра.

5 Выбор аппаратуры управления

5.1 Выбор манометра (1а)

- выбор конкретного типа датчика, который имеет электрическую передачу показаний по интерфейсу RS-485; формула заказа;

- выбор диапазона измерений, у которого, желательно, режимное значение составляет 67%;

- выбор абсолютной погрешности измерений, которая в 5 - 10 раз меньше максимального отклонения, полученного на переходном процессе.

5.2 Выбор цифрового регулятора (1б)

Принять регулятор, выбранный в лабораторной работе 1.

5.3 Выбор регулирующего органа (1г):

- расчет пропускной способности (единицы измерения такие же, как в исходных данных) K_{v ,} м³/час

.

- по найденному K_v, принять большее стандартное значение K_vy Є {4, 6.3, 10, 16, 25, 40,63,100,160,250,400,630,1000,1600} и определить диаметр клапана D_y, мм.

,

,

определить диаметр клапана D_y, мм. Далее выбрать конструкцию клапана, его тип, переходные патрубки, линейную расходную характеристику. Привести рисунок клапана.

5.4 Выбор исполнительного механизма (1в)

- по графику процесса изменения управления определить наибольшую скорость изменения управления; по найденной скорости определить время 100% хода исполнительного механизма; найти исполнительный механизм со стандартным меньшим временем хода;

- по весу подвижных частей клапана с запасом 30% выбрать перестановочное усилие исполнительного механизма);

- выбрать электрический ИМ с линейным перемещением затвора и интерфейсом RS-485. Рекомендуется выбрать модификации ИМ РЭМТЭК-02, поставляемые совместно с клапаном РУСТ. Привести формулу заказа.

5.5 Выбор вспомогательного оборудования

Привести оборудование, выбранное в лабораторной работе 1.

Нарисовать принципиальную электрическую схему соединения выбранных устройств.

Рисунок 1 - Схема автоматизации установки

Рисунок 2 - Схема моделирования системы управления

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТОПКИ КОТЛА С ПОМОЩЬЮ КАСКАДНОЙ СИСТЕМЫ

Исходные данные.

Объект управления - топка барабанного парового котла.

Основная управляемая величина - содержание кислорода в дымовых газах. Режимное значение у2= 0.5% О₂. Отклонение 0.2%О₂.

Вспомогательная управляемая величина - расход природного газа в топку.

Режимное значение у1=4000 м³/час.

Управление - расход газа в топку. Режимное значение Q=4000 м³/час.

Давление газа перед клапаном - Р1= 50 кПа.

Давление газа после клапана - Р2= 25 кПа.

Плотность газа =0.75 кг/м³.

Диаметр газопровода D=400мм.

Возмущение по расходу топлива - 10% режимного значения.

Отклонение задания z=0. Работа выполняется в программе Simulink Matlab.

Протокол работы должен содержать.

1. Описание барабанного парового котла с рисунком

2. Модель объекта управления

,

Параметры модели вспомогательного малоинерционного объекта

К₁=1; Т₁=4+0.2*n; ₁ =2+0.2n, с.

Параметры модели основного инерционного объекта

К₂= -0.18; Т₂=20+0.3*n; ₂ =7+0.2n, с.

Параметры К₁ и К₂ имеют размерность %хим/%хим, %О₂/%хим

n - номер по журналу преподавателя.

3. Расчет настроек регуляторов каскадной системы

Рассчитать регулятор R₁ малоинерционного объекта W₁ и регулятора R₂ инерционного объекта W₂ тремя способами. Для способа 1 и 2 принять каскад П-ПИ.

3.1 Способ 1. По таблице рассчитывается регулятор R₁ для объекта W₁ (применяются настройки для процесса с нулевым перерегулированием ). Затем, система моделируется по каналу u₂-e без регулятора R₂ и приближенно аппроксимируется типовой передаточной функцией (W_o в таблице), для которой снова по таблице рассчитывается регулятор R₂ (лучше, для процесса с ). Параметры в таблице связаны с формулой регулятора следующим образом:

, , , .

Объект	, %	П	ПИ	ПИД
	0	0.30	0.60	0.80	0.50	0.95	2.40	0	0.40
	20	0.70	0.70	1.00	0.30	1.20	2.00	0	0.40
	40	0.90	1.00	1.00	0.35	1.40	1.30	0	0.50

3.2 Способ 2. Регулятор R₁ берется из Способа 1. Затем, вместо всей аппроксимированной передаточной функции берется только коэффициент передачи_, которым заменяется коэффициент передачи передаточной функции W₂ и по ней рассчитывается регулятор R₂.

3.3 Способ 3. Вид закона регулирования регуляторов R₁ и R₂ и параметры их настройки выбирают в соответствии с формулами, указанными в таблице,

Каскад R1 - R2	Условия использования	Стабилизирующий регулятор R1	Корректирующий регулятор R2
П-ПИ
ПИ-ПИ
ПИ-ПИД

4. Моделирование системы управления

Промоделировать три схемы систем управления при подаче максимального возмущения (переходные процессы), а также процессы изменения управления. Режимное значение расхода составляет 70% от максимального. Если значение управления превышает максимальное - уменьшить коэффициент передачи регулятора и повторить моделирование. Моделирование провести для каждых настроек регулятора. Выбрать процесс с наилучшими настройками.

5. Выбор аппаратуры управления

5.1. Выбор расходомеров (1а,1б)

- выбор дифманометра Метран с интерфейсом RS-485 и диапазоном измерения, например, Р_н = 100 кгс/м² (1кПа); привести формулу заказа.

- выбор диафрагмы, для чего следует рассчитать внутренний диаметр d

, ,

Таким образом получим диафрагму с наружным диаметром D и с внутренним отверстием d мм. Выбрать конкретный тип стандартной камерной диафрагмы и привести формулу заказа.

Абсолютная погрешность измерений должна быть в 5 - 10 раз меньше максимального отклонения, полученного на переходном процессе изменения расхода u₁. Для оценки следует пересчитать отклонение расхода в отклонение давления (в кгс/м²) по формуле

- привести рисунки дифманометра и диафрагмы.

5.2. Выбор газоанализатора (кислородомера) (2а)

- рисунок газоанализатора;

- выбор конкретного типа датчика, который имеет электрическую передачу показаний по интерфейсу RS-485; привести формулу заказа;

- выбор диапазона измерений, у которого, желательно, режимное значение составляет 67%, то есть или больше, например 1%.

- выбор абсолютной погрешности измерений, которая в 5 - 10 раз меньше максимального отклонения, полученного на переходном процессе.

5.3. Выбор цифровых регуляторов (1в)

Принять регуляторы, выбранные в лабораторной работе 1.

5.4. Выбор регулирующего органа (1д)

- расчет пропускной способности (единицы измерения такие же, как в исходных данных) K_{v ,} м³/час

.

- по найденному K_v, принять большее стандартное значение K_vy Є {4, 6.3, 10, 16, 25, 40,63,100,160,250,400,630,1000,1600} и определить диаметр клапана D_y, мм.

,

,

определить диаметр клапана D_y, мм. Далее выбрать конструкцию клапана, его тип, переходные патрубки, линейную расходную характеристику. Привести рисунок клапана.

5.5. Выбор исполнительного механизма (1г)

- по графику процесса изменения управления определить наибольшую скорость изменения управления; по найденной скорости определить время 100% хода исполнительного механизма; найти исполнительный механизм со стандартным меньшим временем хода;

- по весу подвижных частей клапана с запасом 30% выбрать перестановочное усилие исполнительного механизма);

- выбрать электрический ИМ с линейным перемещением затвора и интерфейсом RS-485. Рекомендуется выбрать модификации ИМ РЭМТЭК-02, поставляемые совместно с клапаном РУСТ. Привести формулу заказа.

5.6 Выбор вспомогательного оборудования

- выбрать тип малого щитка для работы в обычных условиях и его размеры, чтобы поместилось 2 регулятора, блок питания и автомат (их тоже выбрать).

Нарисовать принципиальную электрическую схему соединений выбранных устройств.

Рисунок 1 - Схема автоматизации установки

Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема моделирования системы управления



4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСТРУДЕРА С ПОМОЩЬЮ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

котел топка автоматизация конденсатор

Исходные данные.

Объект управления - экструдер в производстве электрокабеля

Основная управляемая величина - температура расплава изоляции кабеля. Режимное значение у= 120 ^оС. Отклонение 6.5^оС.

Управление - напряжение постоянного тока, подаваемое на ТЭН. Режимное значение U=400B.

Теплоемкость и плотность расплава - с=886 Дж/(кг^.оС). кг/м³.

Радиус цилиндра экструдера r=0.085м. Длина зоны L=0.2м.

Поверхность обогрева F=0.038 м². Сопротивление обогревателя R=16.5 Ом

Возмущение измеряемое f - отклонение температуры предыдущей зоны.

Режимное значение 90^оС. n - номер по журналу преподавателя.

Отклонение задания z=0. Работа выполняется в программе Simulink Matlab.

Протокол работы должен содержать.

1. Описание экструдера с рисунком

2. Модель объекта управления

по каналу управления

по каналу измеряемого возмущения

,

3. Расчет настроек регулятора

Расчет выполнить с помощью автонастройки матлаба. Привести настройки и передаточную функцию регулятора.

4. Расчет компенсатора

5. Моделирование системы управления

Промоделировать систему рис.2 (указать параметры в блоках при подаче максимального возмущения и привести график переходного процесса, а также график переходного процесса изменения управления. Режимное значение напряжения составляет 70% от максимального. Тогда максимальное - 600В. Если значение управления превышает максимальное - уменьшить коэффициент передачи регулятора и повторить моделирование.

6. Исследование робастности системы управления

Считая, что напряжение может измениться на +20% и на -20% от режимного, не изменяя настроек регулятора проведите моделирование системы и сделайте заключение о ее робастности. Если система оказалась не робастной (сильно увеличивается отклонение температуры при изменении параметров), увеличьте робастность в окне настройки регулятора и повторите моделирование, начиная с п.5. Переходные процессы и настройки приведите в протоколе.

7. Выбор аппаратуры управления.

7.1. Выбор термометров (1а,2а)

- выбор конкретного типа датчика температуры (2 шт), с интерфейсом RS-485;

- выбор диапазона измерений (режимное значение приблизительно 67%);

- погрешность в 5 - 10 раз меньше отклонения в переходном процессе.

7.2. Выбор цифрового регулятора означает (1б, 2б)

- выбор типа регулятора (2 шт) с интерфейсом RS-485;

- регулятор должен иметь возможность моделировать звено запаздывания; если не найдете, то выбрать микроконтроллер и перерисовать схему автоматизации;

- привести рисунок передней и присоединительной панелей регулятора;

- выбор шага дискретности, как 0.01-0.1 от времени установления управления;

7.3. Выбор регулирующего органа (1в)

- выбор регулятора постоянного напряжения от 200 до 600 В с RS-485.

7.4. Выбор исполнительного механизма

- его нет.

7.5. Выбор вспомогательного оборудования

Выбрать малый щиток для работы в обычных условиях и его размеры, чтобы поместилось 2 регулятора или контроллер, регулятор напряжения, блок питания и автомат (их тоже выбрать). Нарисовать принципиальную электрическую схему соединений выбранных устройств.

Рисунок 1 - Схема автоматизации установки

Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема моделирования системы управления



5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ РЕАКТОРА С БОЛЬШИМ ЗАПАЗДЫВАНИЕМ

Исходные данные.

Объект управления - реактор с мешалкой.

Основная управляемая величина - рН раствора на выходе. Режимное значение у= 8 рН. Отклонение 0.4 рН.

Управление - расход кислоты в реактор. Режимное значение Q=108 м³/час.

Объем жидкости в реакторе 27м3.

Мощность насоса 5кВт.

Возмущение по расходу кислоты - 10% режимного значения.

n - номер по журналу преподавателя.

Отклонение задания z=0. Работа выполняется в программе Simulink Matlab.

Протокол работы должен содержать.

1. Описание реактора с рисунком

2. Модель объекта управления

Расчет и моделирование системы управления с упредителем Смита

Система с упредителем Смита показана на рис.2 Настройки регулятора найдите с помощью автонастройки Матлаба. Приведите настройки и формулу регулятора. Промоделируйте систему и получите графики переходных процессов.

Моделирование системы управления без упредителя

Промоделировать систему без упредителя и сравнить процессы в системах.

3. Выбор вспомогательного оборудования

5.1. Выбор рН-метра 1а

- выбор рН-метра с интерфейсом RS-485; абсолютная погрешность измерений рН-метра должна быть в 5 - 10 раз меньше максимального отклонения, полученного на переходном процессе изменения расхода (привести формулу заказа).

- выбор стеклянных электродов на рН=8.

5.2. Выбор цифровых регуляторов 1б,1в

- выбор типа регулятора (2 шт) с интерфейсом RS-485 с показанием, ручками настройки параметров, задания, ручным управлением исполнительным механизмом и переключением в автомат;

- регулятор должен иметь возможность моделировать звено запаздывания и инерционное звено - если не найдете, то выбрать микроконтроллер и перерисовать схему автоматизации;

- привести рисунок передней и присоединительной панелей регулятора;

- выбор шага дискретности, как 0.01-0.1 от времени установления процесса управления с округлением до 2 значащих цифр;

- описание ввода настроек регулятора.

5.3. Выбор регулирующего органа 1г

- выбор преобразователя частоты с интерфейсом RS-485, подходящего к насосу по мощности. Привести рисунок преобразователя частоты.

5.4. Выбор исполнительного механизма

- исполнительного механизма нет

5.5. Выбор вспомогательного оборудования

- выбрать тип малого щитка для работы в обычных условиях и его размеры, чтобы поместилось 2 регулятора или контроллер, преобразователь частоты, блок питания и автомат (их тоже выбрать).

Нарисовать принципиальную электрическую схему соединений выбранных устройств,

Рисунок 1 - Схема автоматизации установки

Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема моделирования системы управления

Размещено на Allbest.ru

...