Расчёт системы автоматического регулирования производится на базе полного анализа объекта и после проведения полномоштабного экмперементального исследования.

На стадии проектирования данные об объекте автоматизации являются не полными, а проведение эксперимента не даст нужного эффекта, так как после установки новых средств автоматизации, свойства объекта изменятся в связи с тем, что технические средства входят в состав объекта автоматизации и сильно влиют на его характеристики.

Но, при пуске системы автоматизации оставить регуляторы без настроек невозможно, поэтому предполагается расчёт их параметров опираясь на приближённые, взятые у экспертов на предприятии, данных.

2.1.1 Выбор и анализ технологического объекта управления

Одной из основных задач, решаемых при создании систем автоматического управления, является задача идентификации объекта управления, то есть задача определения структуры и параметров математической модели, обеспечивающих наилучшую близость значений выходных переменных модели и объекта при одних и тех же входных воздействиях.

Существует достаточно много методов идентификации, однако в инженерной практике получили широкое распространение методы, базирующиеся на результатах активного экспериментального исследования объекта управления.

В качестве технологического объекта управления выбран теплообменник, а в качестве регулируемой переменной - температура горячей воды на выходе из теплообменника (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Фрагмент технологической схемы объекта автоматизации.

Выбор управляющего воздействия (канала) производится из условия, что диапазон его изменения должен обеспечить компенсацию всех возмущающих воздействий, вызывающих изменение регулируемой переменной. Кроме этого, данный канал должен обладать хорошими динамическими свойствами и простотой реализации управляющего воздействия. В существующей системе управления присутствует клапан на трубопроводе подачи пара. Поэтому рассмотрим возможность использования канала '' Положение регулирующего клапана на трубопроводе подачи пара в теплообменник - температура воды на выходе из теплообменника”. Примем данный канал управляющим.

Структурная схема ТОУ представлена на рисунке 2.2.

Как видно из рисунка на регулируемую переменную Т_{г. в} действуют переменные, которые делятся на управляющие и возмущающие воздействия. В данном случае к управляющему воздействию относится положение регулирующего клапана на трубопроводе подачи пара в теплообменник U, а к возмущающему воздействию относят T_OB - температура окружающего воздуха, T_х - температура холодной воды, Рп - давление пара, Рх. в - давление холодной воды.

Рисунок 2.2 - Структурная схема ТОУ: U - положение регулирующего клапана на трубопроводе подачи пара; T_OB - температура окружающего воздуха; T_х - температура холодной воды; Рп - давление пара; Рх. в - давление холодной воды.

U - управляющее воздействие;

Тг. воды - температура горячей воды на выходе из теплообменника (регулируемая переменная);

Возмущающие воздействия:

Рп - давление пара;

То. в - температура окружающего воздуха;

Рх. в - давление холодной воды;

Тх - температура холодной воды;

В результате анализа работы объекта автоматизаци было определено, что передаточную функцию модели объекта по каналу "положение регулирующего клапана на трубопроводе подачи пара в теплообменник (U) - температура воды на выходе из теплообменника Т ₍Т_{г. в})" можно представить в виде апериодического звена второго порядка с запаздыванием имеющего структуру, показанную на рисунке 2.3.

При этом математически передаточную функцию можно записать выражением (2.1).

ЗЧЗ АП1 АП1

Рисунок 2.3 - Структурная схема модели

Вид передаточной функции, записанной через коэффициенты T1 и T2, имеет следующий вид:

(2.1)

где k_о - коэффициент усиления объекта, ^оС/%х. р. о.;

Т₁, Т₂ - постоянные времени объекта, с;

ф - время запаздывания, с.

В результате эксперимента, проведенного на производстве были получены следующие параметры передаточной функции:

Параметры передаточной функции Wu (S);

Ко= 1.3 ^оС/%х. р. о; Т1=31с; Т2=42с; фо=6с;

Подставим параметры передаточной функции в выражения 2.1:

(2.2)

При наблюдении за работой технологического объекта управления (ТОУ) в нормальном режиме эксплуатации были определены диапазоны изменения возмущающих воздействий и коэффициенты передачи возмущающих каналов.

Диапазоны изменения возмущающих воздействий:

а) температура окружающего воздуха То. в (25-31C);

б) температура холодной воды Т х. в (10-14C);

в) давление холодной воды Рх. в (4-6 кПа);

г) давление пара (180-190 кПа);

Коэффициенты передачи возмущающих каналов объекта:

=0.5; = 0.4; = 2; = 0.5;

Исходные данные:

1) допустимые значения прямых показателей качества регулирования (смотри табл.1.6):

· допустимый запас устойчивости, выраженный через степень затухания процесса ;

· допустимая статическая ошибка (y^д_ст) - ±1С;

· допустимая динамическая ошибка (y^д_дин) - ±3С;

· допустимое время регулирования - 3мин.

2) заданное значение регулируемой переменной y_здн = 52 С.

2.1.1.1 Обоснование выбора управляющего канала ТОУ

Для определения влияния возмущающих воздействий на управляемую переменную необходимо знать:

1. Диапазоны изменения возмущающих воздействий;

2. Коэффициент передачи возмущающих каналов.

Коэффициенты передачи каждого возмущающего воздействия были получены на производстве при прохождении технологической практики.

Для определения влияния возмущений на управляемую переменную необходимо умножить коэффициент передачи на максимально возможное изменение данного возмущения:

(2.3)

где: - влияние i-го возмущающего воздействия на управляемую переменную, град.,

- максимальное скачкообразное изменения i-го возмущающего воздействия.

Изменение положения регулирующего органа, при изменении значения управляемой переменной, можно оценить, разделив полученное значение на коэффициент передачи объекта:

(2.4)

где: U - эквивалентное значение i-го возмущающего воздействия, % х. р. о.,

- коэффициент передачи объекта по каналу управления

(Ко = 1.3 С/%х. р. о)

Результаты расчета величины эквивалентных возмущающих воздействий сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 - Расчет эквивалентных возмущающих воздействий

В соответствии с данными таблицы 2.1 определим максимальное возмущающее воздействие:

% х. р. о. (2.5)

Диапазон изменения управляющего воздействия, необходимый для компенсации всех возмущений, должен быть меньше 100%. Из полученного результата видно, что управляющий канал выбран правильно и компенсирует все возмущения.

Основное влияние на управляющее воздействие оказывает давление пара.

2.1.2 Расчет и анализ одноконтурной САР

Структурная схема одноконтурной САР в системе IPC CAD имеет вид, который показан на рис.2.4

Рисунок 2.4 - Структурная схема одноконтурной САР

Передаточная функция регулятора, настраиваемого в программе IPC-CAD выглядит следующим образом:

(2.7)

где K_{p -} коэффициент передачи регулятора;

T_{u -} время изодрома;

T_пр - время предварения.

Уравнение изменения выходного сигнала регулятора:

(2.8)

Перед расчетом параметров настройки регулятора переведем коэффициент передачи управляющего канала ТОУ в проценты шкалы измерительного преобразователя:

(2.6)

где -диапазон шкалы нормирующего преобразователя. (-50…130°С)

Подставив значения в выражение 2.6, получим:

Введем в систему IPC - CAD следующие исходные данные:

коэффициент передачи объекта - К₀ = 0.72;

время запаздывания объекта - TAU₀ = 6 с;

порядок полинома знаменателя - n = 2;

постоянная времени объекта - T1 = 31 с;

постоянная времени объекта - T2 = 42 с.

Рисунок 2.5 - Передаточная функция объекта в IPC CAР

Таблица 2.2 - Результаты расчета и моделирования одноконтурных САР с ПИД - регулятором.

Из данных типовых процессов выбираем процесс с умеренным затуханием, так как он имеет максимальный запас устойчивости системы, что очень важно для нашего объекта, которым является теплообменник.

Рисунок 2.6 - График переходного процесса