Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГООБРАЗОВАНИЯ (АССОЦИАЦИЯ)

«КИСЛОВОДСКИЙ ГУМАНИТАРНО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Факультет Инженерный

Кафедра Систем автоматического управления

Направление Управление в технических системах

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

На тему:

«СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СУШИЛКОЙ ПУЛЬПЫ»

Студент: Хашукоев Беслан Анзорович

Кисловодск 2017

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа (ВКР) содержит 73 листа, 16 рисунков, 10таблиц, 10 источников литературы

Ключевые слова: система управления, сушилка пульпы,математическая модель, микроконтроллер, безопасность, экологичность, экономическое обоснование.

Данная выпускная квалификационная работа посвящена разработке системы управления сушилкой сахарной пульпы.

В первом разделе проекта выводиться математическая модель объекта управления на основе заданных разгонных кривых сушилки.

Во втором разделе синтезируется модальное управление стабилизации по заданным характеристикам объекта управления и требованиям к системе управления. Приводятся результаты моделирования расчетных данных замкнутой системы в программе MatLab, и выбирается оптимальный регулятор.

В третьем разделе осуществляется выбор измерительных приборов и реализация системы управления на основе микроконтроллера. Здесь же описывается выбранный микроконтроллер, его режимы адресации и средства отладки.

Четвертый и пятый разделы посвящены вопросам безопасности, экологичности и технико-экономическому обоснованию разработанной системы.

ВЕДЕНИЕ

В данной выпускной работе разработана система автоматического управления барабанной сушилкой пульпы Зюддойче Цукер АГ. Пульпа (свекловичная стружка) - побочный продукт производства сахара. Она является ценным сельскохозяйственным продуктом. Важным условием ее эффективного использования является оптимальное влагосодержание. При высокой влажности в свекловичной стружке происходит самонагрев, который приводит к разрушению питательных веществ и, в конечном счете, - загниванию. Пересушенная пульпа становится слишком хрупкой, что неудобно при транспортировке и хранении. Пульпу сушат термическим способом в специальных сушилках особенностью, которых, как объекта автоматизации, является сложность их динамических характеристик (запаздывания, большое время установления и т.д.). В результате ручное управление является неэффективным, ведет к перерасходу топлива и плохому качеству стружки. Поэтому в данном проекте предложена автоматизированная система управления сушилкой в режиме непосредственного цифрового управления.

В первом разделе рассмотрены особенности барабанной сушилки свекловичной стружки как объекта управления. Вследствие того, что физические процессы, происходящие в сушилке, весьма сложны и плохо поддаются аналитическому описанию, то математическая модель объекта была получена в результате идентификации по разгонным характеристикам. Помимо математической модели в первой главе приведены краткое описание технологического процесса сушки пульпы, отдельно рассмотрены функции и требования предъявляемые к САУ.

Второй раздел посвящен алгоритмам функционирования системы. Приведены алгоритмы первичной обработки сигналов аналогового входа. Так же во второй главе проведен синтез модального управления с редуцированным наблюдателем состояния. Проведено моделирование как непрерывной, так и цифроуправляемой системы, определена оптимальная частота выдачи управляющего воздействия.

В третьем разделе рассматриваются особенности реализации САУ. Выбраны датчики и исполнительные механизмы, оценена разрядность АЦП и микроконтроллера, разработана принципиальная схема системы. Также третий раздел посвящен особенности конструктивного исполнения, разрабатывается схема размещения элементов и разводка печатной платы.

В четвертом разделе проводится расчет себестоимости опытного образца САУ и определяется технический эффект от ее внедрения.

В пятом разделе рассмотрена безопасность и экологичность разрабатываемой САУ на всех этапах ее жизненного цикла: разработка, изготовление, изготовление, эксплуатация и утилизация.

1. БАРАБАННАЯ СУШИЛКА ЗЮДДОЙЧЕ ЦУКЕР АГ И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1.1 Описание технологического процесса

Свежая свекловичная стружка пульпа является промежуточным продуктом при производстве сахара и идет на корм скоту. Пульпа под действием температуры высушивается в барабанной сушилке. Высушенная пульпа должна содержать не более 10% влаги или 90% сухого вещества. Если влажность меньше 10%, то пересушенная пульпа становиться хрупкой. Кроме того, ее производство становится менее экономичным из-за увеличения расхода топлива и снижения веса. Точность поддержания процентного содержания сухого вещества составляет ± 1%.

В данной ВКР рассматривается барабанная сушилка Зюддойче Цукер АГ, технические характеристики которой приведены в таблице 1.1. Схема барабанной сушилки показана на рис. 1.1.

Таблица 1.1- Технические характеристики барабанной сушилки Зюддойче Цукер АГ

Наименование технического параметра	Условное обозначение	Единицы измерения	Численное значение
Диаметр барабана	DD	м	4,6
Длина барабана	LD	м	21,0
Скорость подачи сырой пульпы	MPS MAX	т/ч	80
Расход нагретого газа	MKG MAX	м3/ч	80 000
Расход топлива	MF MAX	т/ч	4,8
Температура газов на выходе сушильной печи	0		1 050
Температура газов в середине барабана	1		140 - 210
Температура газов на выходе барабана	2		110 - 155



Рисунок 1.1 - Схема барабанной сушилки Зюддойче Цукер АГ

За счет сжигания жидкого топлива осуществляется нагрев сушильной печи. Вытяжной вентилятор прогоняет смесь из нагретых газов и продуктов горения через барабанную сушилку. Сырая пульпа (отжатая пульпа с содержанием влаги 70-80%) подается в барабан шнековым. Внутри барабана закреплены крестообразные выступы для равномерного распределения пульпы по барабану. В конце барабана другой шнековой транспортер доставляет высушенную пульпу на элеватор. В процессе сушки можно выделить три стадии. Вначале происходит испарение воды с поверхности пульпы, затем зона испарения смещается во внутренние области свекловичных стружек, а на третьей стадии давление паров внутри свекловичных стружек становится меньше давления насыщенного пара.

Сложность управления процессом сушки связана с его неминимально-фазовыми свойствами, с временами запаздывания в несколько минут, длительностью времени установления, большого диапазона колебаний влажности сырой пульпы и неизмеримых изменений свойств самой пульпы. Регулируемым показателем является содержание сухого вещества в высушенной пульпе. В качестве добавочных регулируемых параметров используются температура газа на выходе сушильной печи, в середине барабана и на выходе из сушилки. Основной управляющей переменной является расход топлива. Введение обратной связи по регулируемой переменной не обеспечивает нужное качество управления; введение обратных связей по температурам газа и значительно его улучшает. Содержание воды в прессованной пульпе является возмущающим воздействием. Задача разработки САУ состоит в улучшении качества управления за счет применения управляющей ЭВМ.

Достижение данной цели возможно в случае управления путем регулирования расхода топлива. В качестве регулируемых переменных выбраны температура в середине сушильной печи, температура на выходе сушильной печи и как главную регулируемая переменная - влажность высушенной стружки. Скорость шнекового транспортера принята постоянной, т.е. считается, что сырая пульпа поступает в сушильный барабан равномерно. Подача нагретых газов также считается постоянной, потому что управление путем регулирования этих параметров неэффективно.

1.2 Математическая модель объекта управления

1.2.1 Исследование структуры ОУ и его разгонные характеристики

Процессы передачи тепла и массы описаны физическими законами. Движения пульпы исследованы недостаточно, необходимая математическая модель установки не может быть получена теоретическим путем, предпочтительнее осуществить идентификацию объекта управления. Исследуемая барабанная сушилка является типичным примером объекта управления со сложными внутренними взаимодействиями и длительным временем установления переходных процессов. Идентификация объекта управления совместно с автоматизацией расчета различных систем управления приводит к более глубокому пониманию свойств объекта и позволяет моделировать и проводить сравнение различных вариантов систем управления. Однако в связи с тем, что сушильная установка обычно работает при полной нагрузке, в адаптивных алгоритмах управления необходимости не возникает, и требуемые показатели качества обеспечиваются обычными алгоритмами управления с фиксированными параметрами. Одной из главных целей изучения объекта управления является построение математической модели, адекватно описывающей его функционирование в реальных условиях производства. Математическая модель необходима не только для синтеза того или иного алгоритма управления, но и для оценки достижимого качества управления и обоснованного выбора «рабочего» варианта алгоритма.

Модель объекта управления находится по реакции объекта на ступенчатое воздействие. Результат эксперимента по идентификации приведен на рис. 1.2. На рис. 1.2,а и 1.2,б показаны графики изменения температуры в середине и в конце барабана при изменении подачи топлива на 1 кг/с. На рис. 1.2,в приведен график изменения процентного содержания сухого вещества в пульпе на выходе сушилки при том же изменении скорости подачи топлива.

а)



б)

в) Рисунок 1.2 - Переходные процессы в исследуемом объекте

Анализируя разгонные характеристики и конструктивные особенности ОУ можно составить структурную схему барабанной сушилки (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Структурная схема барабанной сушилки.

На рис. 1.3 приняты обозначения: U - управляющее напряжение; - температура в середине барабана; - температура на выходе барабана; N - процентное содержание сухого вещества в пульпе на выходе барабана; - передаточная функция канала управляющего напряжения - подача топлива, то есть заслонки и ее привода; - передаточная функция канала подачи топлива - температура внутри барабана; - передаточная функция канала температуры внутри барабана - температура на выходе барабана; - передаточная функция канала температуры внутри барабана - влажность пульпы на выходе барабана.

1.2.2 Определение передаточных функций

Передаточные функции объекта управления определяются по разгонным характеристикам (рис. 1.2). Их анализ показывает, что наименьшее время установления соответствует температуре газа в середине барабана, и оно значительно возрастает на его выходе, а изменение температуры газа на выходе характеризуется запаздыванием порядка 4 мин. Изменение процентного содержания сухого вещества в высушенной пульпе имеет запаздывание порядка 5 мин., обратный выброс в течение приблизительно 23 мин., время установления около 1,5 ч, так как ОУ многомерный, найдем передаточные характеристики по каждому выходу.

1.2.2.1 Передаточная функция по температуре газа внутри сушилки

Переходный процесс изменения температуры в середине барабана сушильной установки при единичном изменении подачи топлива представлен на рис. 1.2,а. Его можно аппроксимировать переходной функцией инерционного звена первого порядка. Из графика на рис. 1.2,а имеем:

· Начальное значение температуры - .

· Установившееся значение температуры - .

· Время переходного процесса -

· Запаздывания нет.

Следовательно, постоянная времени

· коэффициент передачи

Таким образом, передаточная функция расход топлива - температура внутри сушилки имеет следующий вид:

(1.1)

Переходная характеристика объекта с передаточной функцией (1.1) представлена на рис. 1.4. Установившееся значение - 150. а время регулирования этого объекта равно 1200 с. Полученная переходная характеристика аппроксимирует разгонную характеристику по температуре внутри барабана (см. рис. 1.2,а).

Рисунок 1.4 - Переходная функция по температуре в середине барабана.

1.2.2.2 Передаточная функция по температуре газа на выходе сушилки

График переходной функции температуры на выходе сушильного барабана при единичном изменении количества подаваемого топлива представлен на рис. 1.2,б. Эту функцию, учитывая структурную схему барабана (рис. 1.3) аппроксимируем переходной функцией, соответствующей произведению W₁(p) и инерционного звена первого порядка с запаздыванием, т.е.

По графику на рис. 1.2,б находим:

· Начальное значение температуры -.

· Установившееся значение температуры - .

· Запаздывание -

· Время переходного процесса -

· Коэффициент передачи

Следовательно,

В результате аппроксимации графика на рис. 1.2.б с помощью пакета SIMULINK при , - определяем значение постоянной времени .

Таким образом, передаточная функция канала расход топлива - температура на выходе сушилки имеет следующий вид:

 (1.2)

Переходная характеристика с передаточной функцией (1.2) представлена на рис. 1.5. Время задержки - 180 с, время регулирования равно 2400 с, а установившееся значение - 112,5. Полученная переходная характеристика точно аппроксимирует разгонную характеристику по температуре на выходе барабана (см. рис. 1.2,б).

Рис. 1.5. Переходная функция по температуре на выходе барабана.

1.2.2.3 Передаточная функция по влажности пульпы

График переходной функции по влажности пульпы при единичном изменении количества подаваемого топлива представлен на рис. 1.2,в. Учитывая структурную схему сушилки (рис. 1.3) аппроксимируем ее переходной функцией W₁(p) и инерционного звена первого порядка с запаздыванием, т.е.

По графику на рис. 1.2,в находим:

· Начальное значение влажности пульпы -

· Установившееся значение влажности пульпы -

· Время переходного процесса - .

· Запаздывание - .

· Коэффициент передачи

Следовательно

В результате аппроксимации графика на рис.1.2.в при , и определим постоянную времени и .

Таким образом, передаточная функция канала расход топлива - влагосодержание пульпы имеет следующий вид:

(1.3)

На рис. 1.6 представлена переходная характеристика объекта с передаточной функцией (1.3). Время задержки - 360 с, время регулирования этого объекта равно 5400 с а установившееся значение - 15. Полученная переходная характеристика достаточно точно аппроксимирует разгонную характеристику по температуре на выходе барабана (см. рис. 1.2.в).



Рисунок 1.6 - Переходная функция по влажности пульпы.

Для удобства дальнейших расчетов экспоненты целесообразно заменить их дробно-рациональными приближениями:

Тогда передаточные функции примут следующий вид:

(1.4)

(1.5)

Итак, рассматриваемый объект описывается моделью пятого порядка с одной входной и тремя выходными переменными.

1.2.3 Выбор привода заслонки

Структурная схема привода заслонки приведена на рис. 1.7.

Рисунок 1.7 - Схема привода заслонки.

На рис. 1.7 приняты обозначения: ИМ - исполнительный механизм, Р - редуктор, З - заслонка, U - управляющее напряжение, ц - угол поворота заслонки, КП - коэффициент передачи потенциометра, М - скорость подачи жидкого топлива.

В зависимости от типа регулирующего органа и по необходимому моменту нагрузки осуществляется выбор привода. Момент, развиваемый ИМ, должен быть больше реактивного момента , обусловленного стремлением потока топлива закрыть заслонку, из-за необходимости учета затяжки сальников и трения в опорах. Поэтому, обычно выбирают ИМ с моментом равным

где а - коэффициент, зависящий от угла поворота ( значение этого коэффициента максимально и равно 0,07),

Р - перепад давления на диске заслонки, D - диаметр диска заслонки.

P = 2000 кГс/м², D = 0,1 м,

M _реак = 0,07 · 2000 ·0,1³ = 0,14 кГс · м,

M _им = 2 · 0,14 = 0,28 кГс ·м.

Для управления заслонками выбираются однооборотные МЭО или многооборотные МЭМ - исполнительные механизмы. Однооборотные ИМ типа МЭО поворачиваются на требуемый угол за указанное время. Такой тип ИМ выпускается с концевыми выключателями, ограничивающими положение выходного вала и сигнализирующими о достижении предельных значений положения.

Выберем МЭО-4/40-68, в качестве ИМ, который имеет следующие технические характеристики:

· номинальный момент на выходном валу - 4 кГс · м;

· время одного оборота выходного вала - 40 с;

· максимальный рабочий угол поворота выходного вала - 90 ;

· напряжение питания при частоте 50 Гц - 220 В;

· потребляемая мощность - 65 В · А;

· габаритные размеры - 370 Ч 300 Ч 325 мм;

· масса - 26 кг.

Из параметров выбранного МЭО-4/40-68 рассчитаем, что время поворота выходного вала на 90 составляет

.

Так как постоянные времени ИМ меньше полученного значения, то инерционностью ИМ можно пренебречь.

Из параметров выбранных устройств следует, что максимальное управление на ИМ составляет 5В, а максимальная выходная величина составляет 90 за 10 с. Поэтому коэффициент передачи ИМ

.

Следовательно, передаточная функция исполнительного механизма

.

Если коэффициент передачи редуктора равен единице, то его передаточная функция (без учета люфта)

Передаточная функция привода заслонки (рис. 1.7)

где

Максимальный угол поворота заслонки =, максимальное управляющее напряжение = 5В, следовательно, требуемый коэффициент передачи привода заслонки

Таким образом, коэффициент передачи потенциометра

Постоянная времени привода заслонки

.

Так как постоянная времени на порядок меньше самой малой постоянной времени объекта, то инерционностью такого привода можно пренебречь, а его передаточная функция имеет вид

.

Максимальный угол поворота заслонки =. Этому положению заслонки соответствует максимальная скорость подачи топлива . Тогда коэффициент передачи заслонки

и передаточная функция заслонки вместе с ее приводом

. (1.6)

1.2.4 Уравнения сушилки в переменных состояния

Модель объекта управления в пространстве состояния в общем виде записывается следующим образом [4]



Следует перейти от передаточных функций (1.1), (1.4)-(1.6) звеньев ОУ (рис. 1.3) к их дифференциальными уравнениями вход-выход.

,

.

Последнюю систему можно привести к нормальному виду

(1.7)

где

Уравнения выходов

(1.8)

Последние две системы можно представить в матричной форме

(1.9)

где x = [x₁ x₂ x₃ x₄ x₅]^T - вектор переменных состояния; y = [y₁ y₂ y₃]^T - вектор выходных переменных; u = U - управление,

, .

2. АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Методы первичной обработки сигналов

2.1.1 Опрос датчиков

В разрабатываемой системе используется четыре аналоговых датчика. Датчики влажности сушеной пульпы, температуры газа внутри и на выходе барабана опрашиваются 1 раз в 6 с, а датчик расхода мазута - 1 раз в минуту. Блок-схема подпрограммы ввода сигналов от датчиков приведена на рис. 2.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1 - Блок-схема подпрограммы ввода сигналов аналоговых датчиков

2.1.2 Проверка на достоверность, отклонение от технологических границ и фильтрация

При обрыве в канале связи, импульсной помехи, неисправности датчика и т.д., - выходной сигнал АЦП может быть недостоверен. Для обеспечения адекватной работы системы проводится проверка сигналов, получаемых с АЦП, на достоверность с интервалом контроля k=8. Проверка проводится в соответствии со следующими соотношениями.

(2.1)

где -допустимое изменение измеряемой величины на интервале контроля.

Фильтрация низкочастотных помех основана на применении метода экспоненциального сглаживания с параметром по формуле

(2.2)

Проверка на технологические границы осуществляется в соответствии со следующими формулами

г_ik=1 при x_ik ? xB_i при x_ik ? xH_i

г_ik=0 при xH_i + д_iг_i(k-1) ? x_ik ? xB_i ? д_iг_i(k-1).

где г_ik - признак нарушения; если г_ik=1, то фиксируется время нарушения и величина отклонения переменной от технологической границы; хB_i, xH_i - верхняя и нижняя технологические границы; д_i = (xB_i - xH_i)·0,05 - полоса гистерезиса.

2.1.3 Сбор и обработка входной информации

Блок-схема программы сбора и обработки информации датчиков приведена на рис. 2.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.2 - Блок-схема программы сбора и первичной обработки входных сигналов

2.2. Алгоритмы управления

2.2.1 Характеристики режима работы САУ

Разрабатываемая САУ является однорежимной, так как работает в одном режиме. Характеристики режима ее работы приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1- Характеристики режима работы

Контролируемый технологический параметр	Влажность высушенной пульпы
Тип управления	Непосредственное цифровое управление
Цель управления	Стабилизация влажности высушенной пульпы
Критерий эффективности	Точность, быстродействие
Связь управления с контролируемым параметром	Изменение расхода мазута
Интервал выдачи управляющих воздействий	6с
Информационное обеспечение (перечень исходных данных)	Датчики температуры газа в середине и на выходе барабана, датчик расхода мазута, датчик влажности высушенной пульпы
Период опроса датчиков	Датчик расхода мазута - 1 мин; Датчики температуры газа в середине и на выходе барабана, датчик влажности сушеной пульпы - 6 с;

2.2.2 Синтез закона управления

К качеству и точности переходного процесса предъявляются следующие требования:

· Время регулирования не более

· Нулевая статическая ошибка.

· Перерегулирование не более .

Синтез модального управления с наблюдателем состояния осуществляется в соответствии с методикой, описанной в [4].

Проверим наблюдаемость объекта. Матрица наблюдаемости



Ранг этой матрицы совпадает с порядком системы n

rang Q = n = 5

Следовательно, объект является полностью наблюдаемым.

Проверим управляемость объекта. Матрица управляемости

G = [B AB A²B A³B A⁴B] =

Определитель этой матрицы не равен нулю

det G = ? 1,400 ·10 ^-31 ? 0.

Следовательно, ранг этой матрицы совпадает с порядком системы n

rang G = n = 5.

Следовательно, объект является полностью управляемым.

Приведем уравнения объекта к нормальной форме (такой при которой матрица А будет сопровождающей). Такое преобразование возможно, поскольку det G ? 0.

Характеристический полином матрицы А

det[pE ? A] = p⁵ + б₄p⁴ + б₃p³ + б₂p² + б₁p + б₀ =

= p⁵ + 0.02259 p⁴ + 1.706·10^-4 p³ + 5.386·10^-7 p² + 7.016·10^-10 p + 2.942·10^-13.

Найдем матрицу преобразования

P = [p₁ p₂ p₃ p₄ p₅],

где p₅ = B, p₄ = AB + б₄B, p₃ = A²B + б₄AB + б₃B,

p₂ = A³B + б₄A²B + б₃AB + б₂B, p₁ = A⁴B + б₄A³B + б₃A²B + б₂AB + б₁B.

Приведем уравнения объекта к нормальной форме по следующим формулам

Преобразование уравнения объекта

(2.3)

где



Определим желаемый характеристический полином системы. Чтобы обеспечить желаемое время переходного процесса, вещественные части собственных чисел системы должны удовлетворять следующему условию

(2.4)

Чтобы исключить колебательность, мнимые части собственных чисел выберем нулевыми

Im л_i = 0.(2.5)

При этом, чтобы обеспечить первый порядок астатизма по выходу у3 свободный член характеристического полинома

в₀ = 1.6772·10^-12(2.6)

Пусть

л₁^* = ? 0.0013, л₂^* = ? 0.003, л₃^* = ? 0.004, л₄^* = ? 0.005, л₅^* = ? 0.021502 (2.7)

Тогда желаемый характеристический полином

Найдем компоненты вектора управления по формуле

Закон управления в пространстве нормальной системы

u = ? [1.3829·10^-12 1.9801·10^-9 9.2836·10^-7 0.00017795 0.012207] (2.8)

Перейдем к исходным переменным

u = ? [0.055196 -11.09 -0.013345 74.805 0.37269] x (2.9)

2.2.3 Синтез наблюдателей состояния

Непосредственному измерению в барабанной сушилке подлежат только три из пяти переменных состояния: температура газов внутри барабана x₁, температура газов на выходе барабана x₃ и влажность высушенной пульпы x₅. Для определения остальных переменных состояния x₂ и x₄ следует построить наблюдатели состояния. Барабанную сушилку описывается следующей матричной системой уравнений в переменных состояния.

y = C^Tx (2.10)

где x = [x₁ x₂ x₃ x₄ x₅]^T - вектор переменных состояния; y = [y₁ y₂ y₃]^T - вектор выходных переменных; u = U - управление,

,

Проведем декомпозицию системы (2.10). Можно выделить три подсистемы ОУ1:

(2.11)

где а₁ = ? 3.333·10^-3, b₁ = 0.19, c₁ = 1.

Эта подсистема первого порядка n₁=1 и ее переменная состояния x₁ измеряется посредственно ОУ2:

ї₂ = A₂z₂ + b₂u + h₂x₁,

y₂ =, (2.12)

где z₂ = [x₂ x₃]^T, , b₂ = [-2.568·10 ^-4 0]^T,

h₂ = [1.952·10 ^-5 0]^T, = [0 1].

Эта подсистема второго порядка n₂=2. Непосредственно измеряются здесь переменные состояния x₁ и x₃. Переменную x₂ необходимо оценить ОУ3:

ї₃ = A₃z₃ + b₃u + h₃x₁,

y₃ = , (2.13)

где z₃ = [x₄ x₅]^T, , b₃ = [-1.508·10^-5 0]^T, h₃ = [7.055·10^-7 0]^T, c₃^T = [0 1].

Эта подсистема второго порядка n₃=2. Здесь непосредственно измеряются переменные состояния x₁ и x₅. Переменную состояния x₄ необходимо оценить.

Таким образом, для ОУ2 и ОУ3 следует построить редуцированные наблюдатели Луенбергера первого порядка.

2.2.3.1 Построение наблюдателя состояния для ОУ2

Для построения наблюдателей воспользуемся методикой изложенной в [4]. Характеристический полином матрицы А₂

det [pE ? A₂] = p² + б₁ p + б₀ = p² + 0.012913 p + 2.002·10^-5.

Найдем матрицу преобразования P1.

(2.14)

Поскольку определитель матрицы Р₁

det P₁ = 1 ? 0

отличен от нуля, то ОУ2 наблюдаем и построение наблюдателя возможно.

В уравнении (2.12) перейдем к канонической наблюдаемой форме. Для этого используем преобразование

Тогда получим

(2.15)

где

Зададимся собственным числом наблюдателя так, чтобы оно было меньше самого малого собственного числа замкнутой системы. Пусть

н^* = - 0.03.

Тогда поскольку n₂ = 1

И матрица преобразования примет вид

(2.16)

С помощью преобразования

полученную ранее систему (2.15) приводим к следующему виду

(2.17)

где ,

На основе последней системы можно составить уравнение редуцированного наблюдателя

(2.18)

где - оценка переменной x₂.

Для удобства моделирования в среде SIMULINK выражение для целесообразно представить в операторной форме

2.2.3.2 Построение наблюдателя состояния для ОУ3

Характеристический полином матрицы А₃

det [pE ? A₃] = p² + б₁ p + б₀ = p² + 0.0063492 p + 4.4092·10^-6.

Найдем матрицу преобразования P₃.

(2.19)

Поскольку определитель матрицы Р₃

det P₃ = 1 ? 0

отличен от нуля, то ОУ3 наблюдаем и построение наблюдателя возможно.

В уравнении (2.13) перейдем к канонической наблюдаемой форме. Для этого используем преобразование

Тогда получим

(2.20)

где

.

Пусть собственное число наблюдателя для ОУ3 совпадает с собственным числом наблюдателя для ОУ2. Тогда матрица преобразования Р₂ имеет вид (2.16).

С помощью преобразования

полученную ранее систему (2.20) приводим к следующему виду

(2.21)

где ,

На основе последней системы можно составить уравнение редуцированного наблюдателя

(2.22)

где - оценка переменной x₄.

Для удобства моделирования в среде SIMULINK выражение для целесообразно представить в операторной форме

Итак, управляющее воздействие будет рассчитываться в соответствии со следующей формулой

где вектор k = [k₁ k₂ k₃ k₄ k₅] - вектор из соотношения (2.9).

Отсюда выводим

u = ? 0.055196 x₁ + 11.09 + 0.013345 x₃ - 74.805 - 0.37269 x₅.(2.23)

2.2.4 Моделирование замкнутой системы с редуцированными наблюдателями состояния

Моделирование замкнутой системы с синтезированным законом управления (2.23) и двумя редуцированными наблюдателями состояния (2.18) и (2.22) проводится в системе SIMULINK. На рис. 2.3. представлена имитационная модель набранная в SIMULINK. На рис. 2.4 - 2.7 приведены результаты моделирования.



Рисунок 2.3 - Моделируемая структурная схема непрерывной замкнутой системы

Рисунок 2.4 - Переходная характеристика по влажности пульпы N/N^є



Рисунок 2.5 - Переходная характеристика по температуре на выходе барабана

Рисунок 2.6 - Переходная характеристика по температуре в середине сушильного барабана

Рисунок 2.7 - Управляющее воздействие u

Из рисунка видно, что время регулирования t_p =2400 c. Из рис.2.4 видно, что по выходной координате y₃=x₅=N (влажность сушенной пульпы) перерегулирование и статическая ошибка равны нулю.

сушилка управление matlab микроконтроллер

3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ САУ

3.1 Датчики температуры, влажности и расхода топлива

1. Датчик температуры

Для температур до 200°С наиболее подходящим вариантом будет приёмник температуры ПП19. Представляющий собой последовательно-параллельное соединение терморезисторов с взаимно обратными нелинейными температурными зависимостями сопротивления. Благодаря такому схемному решению, этот приёмник температуры имеет высокую степень линейности выходной характеристики. Нелинейность температурной зависимости сопротивления составляет 0.075 % на 27°С.

2. Датчик влажности

Для измерения влажности свекловичной стружки - будем использовать импортный датчик содержания воды в сыпучих телах - CS505. Этот датчик работает в диапазоне от 1 до 95 % относительной влажности. Точность измерения влажности составляет 0.05 %.

3. Датчик расхода топлива

Так как топливом является жидкость - мазут, то лучше использовать бесконтактные ультразвуковые расходомеры. В нашей стране доступна широкая номенклатура этих изделий как отечественного, так и зарубежного производств.

Датчики расхода газов и жидкостей представляют собой бесконтактные устройства, осуществляющие измерение расхода косвенно по скорости с использованием эффекта Доплера. В качестве рабочего органа используются пъезоакустические преобразователи, установленные на трубе. Примером такого датчика может служить V-203, производства фирмы «Bronkhorst High-Tech B.V.»

Основные технические характеристики этого расходомера следующие: точность измерения расхода ± 1 %, диапазон 0.1 ч 45 м³/ч. Выходной сигнал 0ч5В.

3.2 Оценка разрядности ЦАП и АЦП. Выбор микроконтроллера

Исходные данные.

1. Изменение относительной влажности сушеной пульпы - 75ч96 % относительная влажность

2. Точность поддержания относительной влажности - 1%

3. Статический коэффициент передачи в контуре управления влажностью исполнительного блока k_ИБ1 = 57, объекта управления k_ОУ1 = 0.1.

4. Максимальное значение управляющего воздействия u = 5.

5. Закон управления температурой модальный с двумя наблюдателями состояния

u = ? 0.055196 x₁ + 11.09 + 0.013345 x₃ - 74.805 -0,37269 x₅,

где x₁ (температура в середине барабана), х₃ (температура на выходе барабана) и x₅ (влажность высушенной пульпы) измеряются, a и вычисляются по следующим соотношениям

6. Период выдачи управления 0.1 мин.

7. Алгоритм первичной обработки - экспоненциальное сглаживание с параметром = 0.02.

3.2.1 Оценка разрядности ЦАП

Допустимая погрешность представления управляющего воздействия на выходе исполнительного блока

(3.1)

где

Следовательно

(3.2)

3.2.2 Оценка разрядности АЦП

Датчик измеряет влажность с точностью 0.1 %, следовательно

(3.3)

Пусть , тогда разрядность АЦП32

(3.4)

3.2.3. Определение погрешности формирования управления

Погрешность на входе УВМ, с учетом того, что погрешность измерения датчика подчиняется нормальному закону распределения

(3.5)

Для избежания влияния ошибок, связанных с вычислением кода управляющего воздействия, выберем микро ЭВМ с длиной разрядной сетки большей, чем разрядность АЦП. То есть выберем 16-ти разрядную микро ЭВМ.

Погрешность метода вычисления П -закона управления отсутствует.

Трансформированная погрешность возникает при обработке сигналов с датчиков. Поэтому согласно (2.23)

(3.6)

Погрешность округления будем считать равной нулю, так как будет использоваться 16 разрядный микропроцессор.

В этом случае погрешность вычисления кода управляющего воздействия в микро ЭВМ будет

(3.7)

Как видно из выражения (3.7) теоретически рассчитанная точность формирования управляющего воздействия выше минимально необходимой для данного технологического процесса.

3.3 Описание принципиальной схемы

3.3.1 Общие характеристики

Главным элементом управляющего устройства является однокристальная микроЭВМ типа C85051F022 производства фирмы CYGNAL. Этот микроконтроллер имеет в своём составе многоканальный АЦП на 12 разрядов, два ЦАПа, развитую систему ввода-вывода, состоящую из восьми восьмиразрядных портов, двух асинхронных портов, широтно-импульсных преобразователей, и двух компараторов аналоговых сигналов. Перечисленные особенности и большой объём внутренней памяти программ и данных, а также наличие внутрисхемного отладочного интерфейса, позволяют использовать эту однокристальную микро ЭВМ для автоматизации технологических процессов высокой степени сложности. Применительно к данному проекту, в микро ЭВМ задействованы следующие устройства: 4 канала 12-тиразрядного АЦП, один 12-тиразрядный ЦАП, и порты ввода-вывода.

3.3.2 Источник питания

Разрабатываемое устройство питается от сети переменного тока с напряжением 220В и частотой 50Гц. Входной трансформатор Т1 преобразует напряжение сети в переменное напряжение 19В, выходные обмотки включены последовательно со средней точкой. Далее диодный выпрямительный мост VD1 совместно с электролитическими конденсаторами большой ёмкости С2 и СЗ преобразует это переменное напряжение в биполярное постоянное с амплитудой 27В. Конденсатор С1 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения в питающей сети. Резисторы R1 и R2 ограничивают пусковой ток, протекающий в момент зарядки электролитических конденсаторов.

Индуктивности L1-L4 совместно с конденсаторами С4-С9 образуют LC-фильтр нижних частот, удаляющий переменные составляющие напряжения не входе интегральных стабилизаторов.

Выпрямленное и сглаженное питающее напряжение, стабилизируется до уровней ±5В, +3.3В и +2.5В. Для этого используются интегральные стабилизаторы напряжения DA5, DA6, DA11, DA12 типа К142ЕН12, К142ЕН18, REF192GS, LM2937 соответственно.

Резисторы R21-R26 используются для установки уровней стабилизируемых напряжений.

Конденсаторы С10, С11 и С16, С17 и С22, С23 используются для повышения устойчивости стабилизаторов, защищая их от самовозбуждения.

Напряжения ±5В используются для питания усилителей, +3.3В - для питания процессора, а +2.5В - для подачи опорных напряжений на ЦАП и АЦП и питания внутренних аналоговых цепей процессора.

Для уменьшения уровня помех, распространяющихся по цепям питания, в устройстве общие провода для аналоговых устройств и для цифровых разделены, и соединяются вместе только в средней точке сетевого трансформатора. Изображённый на схеме резистор R31 должен иметь как можно меньшее сопротивление, стремящееся к нулю.

3.3.3 Блок центрального процессора

Как было сказано выше, примененный процессор является функционально законченной однокристальной микроЭВМ, а потому не требует большого количества специальных внешних цепей для поддержания его работоспособности.

Для задания тактовой частоты используется кварцевый резонатор ZQ1 и два конденсатора С24 и С22. Кварцевый резонатор должен иметь частоту третьей гармоники 24МГц. Разъём ХР1 используется для загрузки программы и данных во внутреннюю энергонезависимую память, а также для внутрисхемной отладки программного продукта на этапе проектирования.

Резистор R44, конденсатор С27 и кнопка SB1 образуют схему сброса процессора при включении питания, а также по желанию оператора.

Конденсаторы С29, С31, С32, С33 призваны подавлять помехи, распространяющиеся по цепям питания, и должны устанавливаться как можно ближе к корпусу микропроцессора.

3.3.4 Блок управления заслонкой

Выдача управляющего напряжения на заслонку осуществляется с помощью встроенного в микроконтроллер ЦАПа. Так как сигнал на выходе ЦАПа имеет ступенчатую форму, то для его сглаживания используется фильтр нижних частот второго порядка, выполненный на операционном усилителе DA14 типа КР140УД1208, резисторах R45, R50, R57 и конденсаторах С30, С34. Резистор R59 используется для задания режима работы операционного усилителя. Подстроечный резистор R65 регулирует смещение нуля в выходном сигнале. Частота среза этого фильтра выбирается такой, чтобы исключить его влияние на передаточную функцию замкнутой системы управления.

Далее сглаженный сигнал поступает на усилитель мощности. Усилитель представляет собой последовательное соединение операционного усилителя и эмиттерного повторителя, охваченных отрицательной обратной связью. Такая схема позволяет добиться высокой линейности амплитудной характеристики при достаточно высокой выходной мощности. Усилитель мощности построен на операционном усилителе DA13 типа КР140УД1208 и резисторах R46, R47, R49, R55, R60, R61, R62 и транзисторах VT3, VT5. Резистор R50 используется для задания режима работы операционного усилителя. Построечный резистор R54 регулирует смещение нуля в выходном сигнале.

3.3.5 Блок индикации

Для отображения параметров технологического процесса используются семисегментные светодиодные индикаторы HL1-HL8. Управление ими осуществляется через порты ввода-вывода микроконтроллера. Для усиления управляющих сигналов используются буферные элементы типа К1533АП6 (DD6-DD10, DD1). Для уменьшения количества задействованных в микроконтроллере выводов используется временное мультиплексирование семисегментных индикаторов. Это означает, что в произвольный момент времени сигнал подаётся только на один индикатор, а благодаря особенностям человеческого зрения (его инерционности) кажется, что светятся все восемь индикаторов. Для отображения состояния каждого технологического параметра используется два индикатора. То есть температура отображается с точностью до градуса, влажность - 1 %, расход - 0.1 т/ч.

В случае возникновения аварийной ситуации (выход температуры или влажности за допустимые пределы, или сбой в программе) загорается один из сигнальных светодиодов VD2, VD3, VD4, VD5. Включение или выключение светодиодов происходит через транзисторные ключи (транзисторы VT1, VT2, VT4, VT6, резисторы R48, R53, R57, R64) для уменьшения токовой нагрузки на выходы микроконтроллера. Для ограничения силы протекающего через светодиоды тока используются резисторы R52, R56, R63, R68.

3.3.6 Блок измерения параметров технологического процесса

Точность определения температуры непосредственным образом влияет на качество технологического процесса.

Для измерения сопротивления терморезистивных датчиков температуры используется следующая методика: через терморезисторы пропускается ток заранее известной силы, и замеряется падение напряжения, отношение напряжения к току; получим величину термосопротивления, которая является функцией температуры.

В качестве источников постоянного тока используется известная схема электронного имитатора на операционных усилителях [8].

Два одинаковых источника тока силой по 1мА выполнены на элементах DA1, DA3, R3, R4, R7, R13, R15 - первая схема, и DA2, DA4, R5, R6, R9, R14, R16. Принцип работы этих источников тока основан на сравнении втекающего и вытекающего в инвертирующий вход ОУ тока. Втекающий ток задаётся источником опорного напряжения +2.5В и резисторами R3 - для первой схемы, R5 - для второй. А вытекающий ток пропорционален току в нагрузке, который измеряется с помощью эталонного резистора и дифференциального усилителя (R13 и DA3, R14 и DA4 для первой и второй схемы соответственно).

Фактически используемые источники тока представляют собой преобразователи типа «напряжение-ток» с отрицательной обратной связью по току. Эти источники обеспечивают стабилизацию тока в нагрузке в диапазоне

-30+50 °С с точностью ± 1 мкА.

Напряжение с выходов датчиков проходит через фильтры нижних частот, идентичные примененному в блоке управления заслонкой. Применение этих фильтров обусловлено необходимостью подавления высокочастотных помех во входном сигнале.

3.4 Оценка надежности САУ

Элементы рассматриваемой САУ и интенсивности их отказов приведены в таблице 3.1. Резервирование в системе отсутствует.

Таблица 3.1- Элементы рассматриваемой САУ и интенсивности их отказов

№	Наименование элементов	Интенсивность отказов в 1/ч
1	Барабанная сушилка	1.286Е-6
2	Датчик влажности пульпы	5.511Е-7
3	Датчик температуры газа в середине барабана	4.287Е-7
4	Датчик температуры газа на выходе барабана	4.287Е-7
5	Датчик расхода мазута	4.823Е-7
7	Микроконтроллер	1.157Е-9
9	Исполнительный механизм	7.716Е-7

Будем считать, что надежность всех элементов распределена по экспоненциальному закону

,

где i = 1,2,3,...9. В данной системе целесообразно считать, что все элементы соединены последовательно. Тогда интенсивность отказов всей системы

Время наработки на отказ

лет.

Вероятность безотказной работы системы

Определим время, в течении которого система будет безотказно работать с вероятностью .

Будем считать, что надежность всех элементов распределена по экспоненциальному закону

,

где i = 1,2,3,...9. В данной системе целесообразно считать, что все элементы соединены последовательно. Тогда интенсивность отказов всей системы

Время наработки на отказ

лет.

Вероятность безотказной работы системы



Определим время, в течении которого система будет безотказно работать с вероятностью .

3.5 Конструктивное исполнение

Разработанное электронное устройство управления собирается на единой печатной плате. В зависимости от его мощностных характеристик необходимо выбрать материал подложки и толщину токонесущего слоя. Так как толщина токонесущего слоя зависит от суммарной мощности, потребляемой элементами схемы, и является одним из критических размерных параметров, то произведём расчёт толщины фольги.

Примем ширину проводника питания равной 0.5мм (такая ширина необходима при разводке между ножками микросхемы). Определим толщину проводящего рисунка при максимальном токе 0.5А источника +5В (как наиболее нагруженного). Исходя из предельно-допустимой плотности тока в печатном проводнике

(3.8)

где W - ширина проводника; р - максимальная плотность тока в проводнике; Н - толщина проводника.

Так как в процессе изготовления печатных плат толщина исходного металлизированного слоя увеличивается примерно в два раза, то минимальный слой меди должен быть 25 микрон. Зазор между проводниками принимаем равным 0.3мм. Для увеличения помехоустойчивости ширину проводников питания микросхем принимаем равной 2.5 мм. В качестве материала основания выбираем двухсторонний фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35Г-1,5 толщиной 1,5мм и толщиной проводящего слоя 35мкм.

Печатная плата изготовлена с учетом следующих требований:

1. Расстояние между проводниками не менее 0.3 мм

2. Диаметр переходных отверстий не менее 0.55 мм

3. Диаметр отверстий для монтажа элементов 1.0 мм

4. Все проводники должны быть покрыты сплавом Розе или залужены

5. По окончанию сборки плату промыть от остатков флюса в спирто-бензиновой смеси (бензин Б72 и изопропиловый спирт в соотношении 1:1)

6. После контроля функционирования поверхность платы покрыть слоем лака ЭП-9114.УХП2.

7. Сушку лака осуществлять при температуре не более 60 °С.

4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ СИСТЕМЫ

4.1 Анализ производственных условий

Помещение цеха сахарного производства имеет ряд вредных факторов, оказывающих влияние на работающих в нем людей.

Вредные производственные факторы имеют место в основных цехах сахарного завода - в производственном и упаковочном цехах.

Рассмотрим влияние вредных производственных факторов на оператора, контролирующего автоматическое управление барабанной сушилкой пульпы (свекловичная стружка).

4.1.1 Микроклимат в помещении оператора

Параметры микроклимата могут меняться в широких пределах, в то время как необходимым условием жизнедеятельности человека является поддержание постоянства температуры тела благодаря свойству терморегуляции, т.е. способности организма регулировать отдачу тепла в окружающую среду.

Основной принцип нормирования микроклимата - создание оптимальных условий для теплообмена тела человека с окружающей средой. В санитарных нормах СН-245/71 установлены величины параметров микроклимата, создающие комфортные условия. Эти нормы устанавливаются в зависимости от времени года, характера трудового процесса и характера производственного помещения (значительные или незначительные тепловыделения).

Помещение оператора представляет собой отдельную комнату в здании цеха, длиной 6 м, шириной 4 м и высотой- 3.5 м. Помещение имеет два окна, расположенные на расстоянии 1,5 м друг от друга. План помещения, в котором располагается рабочее место оператора, приведен на рис. 4.1.



Рисунок 4.1- Расположение рабочего места оператора в помещении.

Рабочее место оператора представляет собой стол, с установленным на нем пультом управления, персональным компьютером и принтером для визуализации технологического процесса сушки сахарной стружки.

Установочная мощность оборудования, установленного в помещении оператора - 1,2 кВт.

Производственная пыль по ее дисперсности и способу образования относится к аэрозоли дезинтеграции. Норма запыленности в помещении, где установлена САУ барабанной сушилкой пульпы, составляет 7 мг/м³. Предусмотрена искусственная вентиляция с помощью канального вентилятора в шумоизолированном корпусе с регулируемыми жалюзи.

Для обеспечения в помещении температурного режима, необходимого для нормального функционирования электронного оборудования и создания комфортных условий работы оператора, установлен оконный кондиционер.

В помещении работает один человек оператор, в три смены, продолжительностью 8 часов каждая.

4.1.2 Уровень освещенности помещения оператора

Рациональное освещение рабочего места является одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность трудовой деятельности человека, предупреждающих травматизм и профессиональные заболевания. Правильно организованное освещение создает благоприятные условия труда, повышает работоспособность и производительность труда. Освещение на рабочем месте оператора должно быть таким, чтобы работник мог без напряжения зрения выполнять свою работу.

Для организации благоприятных условий труда оператора в помещении используется искусственное и естественное освещение. Уровень освещенности регулируется в зависимости от точности выполняемых работ. Для искусственного освещения используются люминесцентные лампы дневного света (два светильника по две лампы ЛБ40-1). Светильники располагаются в одном ряду на расстоянии 3,5 м. Для естественного освещения в помещении оператора предусмотрены два окна, расположенные на одной стене с солнечной стороны на расстоянии 1.5 м друг от друга.

4.1.3 Шумоизоляция помещения оператора

Установлено, что шум ухудшает условия труда, оказывая вредное воздействие на организм человека. При длительном воздействии шума на человека происходят нежелательные явления: снижается острота зрения, слуха, повышается кровяное давление, понижается внимание. Сильный продолжительный шум может стать причиной функциональных изменений сердечно-сосудистой и нервной систем.

Согласно ГОСТ 12.1.003-88 ("Шум. Общие требования безопасности") характеристикой постоянного шума на рабочих местах являются среднеквадратичные уровни давлений в октавных полосах частот со среднегеометрическими стандартными частотами: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. В этом ГОСТе указаны значения предельно допустимых уровней шума на рабочих местах предприятий. Для помещении конструкторских бюро, расчетчиков и программистов уровни шума не должны превышать соответственно: 71, 61, 54, 49, 45, 42, 40, 38 дБ. Эта совокупность восьми нормативных уровней звукового давления называется предельным спектром.

Строительно-акустические методы защиты от шума предусмотрены строительными нормами и правилами (СНиП-II-12-77).

К данным методом относятся:

- звукоизоляция ограждающих конструкции, уплотнение по периметру притворов окон и дверей;

- звукопоглощающие конструкции и экраны;

- глушители шума, звукопоглощающие облицовки.

Для обеспечения защиты от шума помещение оператора вынесено в отдельную комнату, а смежная с цехом стена является основной и играет роль естественной шумозащиты. Дверь, ведущая из помещения в цех, выполнена из металлопластика с применением шумоизоляционных технологий.

4.1.4 Электробезопасность помещения оператора

Причинами поражения электрическим током является соприкосновение с открытыми токоведущими частями и шинопроводами, а также с частями агрегатов, в которых нарушена изоляция. Для защиты от поражения электрическим током предусмотрены защитные устройства. Необходимо заземлить все металлические части оборудования, оградить механизмы, которые находятся под электрическим током. Так же для уменьшения вероятности поражения электрическим током необходимо полное соблюдение правил техники безопасности. Повышение электробезопасности достигается применением систем защитного заземления и зануления. Защитному заземлению или занулению подлежат металлические части электроустановок, доступные для прикосновения человека, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции. В данном здании соблюдены все нормы по электробезопасности, используются системы зануления. Опасность поражения электрическим током очень невысокая.

...