Синтез и моделирование промышленной системы автоматического управления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

Кафедра: "Автоматика и процессы управления"

Факультет: "АиУ"

Курсовая работа по дисциплине:

"Технические средства"

по теме:

"Синтез и моделирование промышленной системы автоматического управления"

Москва 2012

Содержание

1. Вычисление передаточной функции объекта управления

2. Структура системы управления

3. ЛАФЧХ разомкнутой системы и ее переходная характеристика

4. Выбор исполнительного механизма совместно с регулирующим органом

5. Выбор датчика уровня

6. Выбор автоматического регулятора

7. Расчет передаточной функции ПИ-регулятора. Синтез желаемой ЛАФЧХ

8. Исследование реакции системы на возмущающее воздействие

Заключение

Список литературы

Задание по курсовому проектированию

"Синтез и моделирование САУ".

Блок - схема системы автоматического регулирования уровня.

Провести синтез промышленной системы автоматического управления (рис 1), обеспечивающей время регулирования t_р, ориентировочно соответствующее наибольшему значению динамической константы объекта управления при статической ошибке d_ст=0 и монотонности переходной функции по каналу управления (x_max=0).

Метод синтеза - на основе Логарифмических Амплитудно-Фазовых Частотных Характеристик (ЛАФЧХ).

САУ реализовать на основе современных средствах КИПиА.

Результаты синтеза САУ подтвердить моделированием в среде Simulink (МАТLAB).

Обьект управления - бак напорный.

Передаточная функция объекта по каналам вход - поступающий расход воды уровень воды в напорном баке  имеет вид

,

Где площадь сечения цилиндрического бака напорного (-диаметр бака напорного)

 - номинальный режим по уровню воды.

 - номинальное значение поступающего расхода при.

1. Вычисление передаточной функции объекта управления

Численные значения констант передаточной функции неизменяемой части САУ (объекта управления):

 - номинальный режим по уровню воды;

 - номинальное значение поступающего расхода при ;

 - диаметр бака напорного.

Передаточная функция ОУ:

Численное значение передаточной функции:

 - площадь сечения цилиндрического бака напорного;

 - номинальное значение поступающего расхода при ;

 - передаточный коэффициент

 - постоянная времени

датчик промышленный автоматическое управление

Тогда:

2. Структура системы управления

Исходная структура системы управления:

Расчет коэффициента усиления регулирующего органа K_{р. о}:

,

где  - изменение поступающего потока;

изменение степени открытия клапана (в процентах).

Зависимость поступающего потока от степени открытия клапана:

Чтобы осуществить возможность регулирования поступающего потока выбираем двойной расход :

Расчет коэффициента усиления датчика уровня K_д:

FS=10м - (FullScale) - диапазон измеряемых величин;

FSO=4.20мА - (FullScaleOutput) - диапазон выходных значений.

Передаточная функция датчика уровня:

Исходная структура системы управления с численными значениями:

Упростим структуру системы управления:

Упрощенная структура системы управления с численными значениями:

3. ЛАФЧХ разомкнутой системы и ее переходная характеристика

ЛАФЧХ неизменяемой части САУ строятся приближенным методом, состоящим в том, что для звена с передаточной функцией Wнч (p) =K/ (Tp+1) (Tф+1) в логарифмической сетке координат до частоты 1/T, где T=1589,6с - постоянная времени, ЛАЧХ имеет вид прямой, параллельной частотной оси на уровне 20lgK=20lg0.29 - 5дб-коэффициент передачи, а для частот, больших 1/T, ЛАЧХ имеет вид прямой линии с наклоном - 20дб/дек до сопрягающей частоты 1/Tф, (Tф=10c), где наклон ЛАЧХ изменяется дополнительно на - 20дб/дек и составляет - 40дб/дек.

Результаты построений в matcad:

Переходная характеристика:

4. Выбор исполнительного механизма совместно с регулирующим органом

Вычисление K_v (величины пропускной способности) производится по DINEN 60534. Типовые листы содержат необходимые индивидуальные параметры клапана. Для предварительного упрощенного расчета регулирующих клапанов можно использовать формулу:

Влияние соединительных фитингов и ограничение потока не учитываются.

Расчет условной пропускной способности для расхода Q_п:

Расход Q_п принимаем в 2 раза больше номинального, поэтому выбираем клапан с K_v=0,2.

Зависимость пропускной способности от степени открытия клапана:

Расчет условной пропускной способности для расхода Q₀:

Расход Q₀ принимаем в 2 раза больше номинального, поэтому выбираем клапан с K_v=3,2.

Выбираем клапан запорно-регулирующий 25ч945п односедельный фланцевый DN=20мм с характеристиками K_v=2.5 ЭИМ клапана имеет управляющий сигнал 4.20 мА.

Клапан запорно-регулирующий 25ч945п

Клапан запорно-регулирующий (КЗР) 25ч945 подноседельный фланцевый с электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ),6МПа

Код ОКП 37 2250

Изготовление и поставка - по ТУ 3722-011-50987615-2002

Сертификат соответствия №РОСС RU. МУ04. В00207

Назначение

Клапан запорно-регулирующий (КЗР) 25ч945п односедельный фланцевый с электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ) PN1,6МПа предназначен для использования на центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЦТП и ИТП), в системах горячего водоснабжения, системах приточной вентиляции тепличных хозяйств и в других областях как для автоматического регулирования технологических процессов, так и в качестве запорного устройства.

Фторопластовое уплотнение в затворе обеспечивает требуемую герметичность в положении "закрыто".

Материал основных деталей

Технические характеристики:

Гарантии

Гарантийный срок эксплуатации - 12 месяцев со дня ввода в эксплуатацию. Срок консервации - 3 года. Срок службы - не менее 10 лет. Наработка на отказ - 10000 часов.

Габаритные и присоединительные размеры

D1=58 мм

D2=75 мм

D3=105 мм

B=80 мм

L=150мм

H=375 мм

n=4

d=14 мм

5. Выбор датчика уровня

Выбираем датчик гидростатического давления LMP 331 (ЛМП 331)

Врезные датчики уровня серии LMP предназначены для непрерывного измерения уровня жидкости в открытых емкостях. Датчики этой серии применяются для измерения низкого и среднего давления вязких субстанций, где требуется защита чувствительной мембраны от засорения и налипания.

Столб жидкости над датчиком давит на разделительную мембрану. Давление через инертный масленый наполнитель передается на полупроводниковый чувствительный элемент. Электронная цепь усиления обеспечивает питание сенсора, усиление сигнала, преобразование в стандартный электрический сигнал, а также температурную компенсацию. Уровень сигнала пропорционален высоте столба жидкости над датчиком.

Наличие открытой мембраны исключает возможность ее засорения. Подключение к процессу обеспечено наличием резьбы 3.4 дюйма. Уплотнение, расположенное непосредственно за резьбой, позволяет добиться герметичного соединения при монтаже датчика.

Области применения:

·              измерение уровня жидкости природных и искусственных агрессивных жидкостей

·              химическое и фармацевтическое производство

·              пищевая промышленность

·              гальвано-производство

·              очистка воды и сточных вод

Технические характеристики:

·              Диапазоны давления: от 0.0,4 м вод. ст. до 0.400 м вод. ст.

·              Выходные сигналы: 4.20 мА / 2-х пров.

·              0.20 мА / 3-х пров.

·              0.10 В / 3-х пров.

·              Класс защиты IP 65-68

Преимущества и особенности

·              Индивидуальная настройка диапазона по требованию заказчика. Например: 0.55 м вод. ст.

·              Применим для воды и других жидкостей не агрессивных к нержавеющей стали

·              Открытая мембрана

·              Компенсация температурной погрешности

·              Долговременная стабильность калибровочных характеристик

·              Высокая степень защиты от неправильного подключения, коротких замыканий и перепадов напряжений

·              Прочная и надёжная конструкция для тяжелых условий эксплуатации

·              Искробезопасное исполнение: EExia IIC T4

Подключение источника давления

Электрические разъёмы

Схема подключения

6. Выбор автоматического регулятора

Выбираем микропроцессорный регулятор МИНИТЕРМ 400.00

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

НАЗНАЧЕНИЕ

Регуляторы микропроцессорные МИНИТЕРМ 400.00 предназначены для регулирования давления, расхода, уровня и т.д. при работе с датчиками унифицированного сигнала постоянного тока (шесть входов).

Питание:

·              Напряжение - (24±6) В постоянного тока при амплитуде переменной составляющей от 0.4 до 1.5В;

·              Потребляемая мощность - не более 3.6ВА.

Типы и количество подключаемых датчиков:

·              шесть датчиков 4-20 мА постоянного тока.

Импульсный выход:

·              Вид - “сухой” транзисторный ключ (45В, 0.15А) либо сигнал 0, 24В постоянного тока.

Дискретные выходы:

·              Назначение и количество:

o     для сигнализации верхнего и нижнего предельных отклонений регулируемого параметра от задания - 2;

o     для сигнализации отказа - 1;

Аналоговый выход:

·              Вид - 0-10В либо 0-5мА постоянного тока;

·              Назначение:

o     для регуляторов с импульсным выходом - для подключения внешнего регистратора (самописца) регулируемого параметра (например, температуры);

o     для регулятора с аналоговым выходом - в качестве выходного сигнала регулятора.

Интерфейс:

·              RS232C.

. Расчет передаточной функции ПИ-регулятора. Синтез желаемой ЛАФЧХ

Построение ЛАФЧХ разомкнутой САУ исходит из следствия теории линейных систем заключающегося в том, что если ЛАЧХ разомкнутой системы имеет в области существенных частот (в секторе, отсекаемом линиями ) наклон , то:

1)      Замкнутая САУ устойчива;

2)      Переходная функция близка к монотонной;

3)      Время регулирования .

Структура разомкнутой исходной систему с ПИ-регулятором:

Желаемый ЛАЧХ (Lж) простейшего вида разомкнутой САУ, которая бы в замкнутом виде удовлетворяла заданным показателям качества должна иметь в окрестности существенных частот наклон ЛАЧХ равный - 20дб/дек и пересечение с осью частот при

В области низкочастотной асимптоты, для создания нулей статической ошибки δ_ст=0 частотные характеристики разомкнутой системы должны соответствовать интегратору по крайней мере первого порядка. Тогда естественно сформировать в этой области желаемый ЛАЧХ в виде прямой с наклоном - 20дб/дек. как продолжение Lж из области существенных частот. С целью упрощения реализации САУ высокочастотная асимптота должна соответствовать высокочастотной асимптоте неизменяемой части системы

Согласно принятой структуре промышленной САУ, единственным средством приведения ЛАФЧХ неизменяемой части Lнч к Lж является

ПИ-регулятор с передаточной функцией

,

ЛАФЧХ (при Kp=1) которого показаны на рисунке:

Примем постоянную интегрирования регулятора равной постоянной времени Tобъекта управления, т.е. , при Kp=1. Тогда ЛАЧХ разомкнутой САУ примет вид L1=Lнч+Lпи, качественно соответствующий виду Lжна рисунке, но с меньшим коэффициентом усиления. Для совпадения ЛАЧХ проектируемой системы с Lж необходимо увеличить коэффициент усиления разомкнутой системы на 20 дб, т.е. в 10 раз. Следовательно . Настройки регулятора определены.

При , передаточная функция разомкнутой системы имеет вид, в состав которой имеет место интегрирующее звено. При построении ЛАЧХ, соответствующей Wp (p) коэффициент передачи 0.29/1589 должен численно соответствовать частоте пересечения ЛАЧХ с осью  на частоте , откуда или .

Результаты построений ЛАФЧХ разомкнутой системы с ПИ-регулятором в Matcad:

Переходная характеристика:

8. Исследование реакции системы на возмущающее воздействие

Подадим возмущающее воздействие и рассмотрим получившийся переходный процесс:

Вывод: после подачи возмущающего воздействия система вернулась в исходное состояние.

Заключение

В соответствии с заданием была спроектирована промышленная система автоматического регулирования на основе заданных параметров объекта регулирования. Были проанализированы основные элементы системы. Произведен синтез САУ, обеспечивающей время регулирования t_р=1589 [c], соответствующее наибольшему значению динамической константы объекта управления при статической ошибке δ_ст=0 и монотонности переходной функции по каналу управления (ξ_max=0). Результаты синтеза САУ были подтверждены моделированием в средеMathCADиMatLab (Simulink).

Список литературы

1. Дж Фрайден. Современные датчики. Москва.: Техносфера 2006г.

. Каталоги фирм - производителей средств измерения, воздействия на процесс и автоматического управления: ЗАО МЗТА; МЕТРАН - 100 (РФ); ООО МАНОМЕТР (Москва), ООО ELEMER (Зеленоград); HONEYWELL; SIEMENS; COOL-PARMER; EMERSON; BARATRON; KAMMER; BRONKHORST-HIGH-TEC; MKSINSRUMENTSINC; SWAGELOK; SAMSON.

. Справочные сведения в цифровой форме (200Мгб) по средствам измерения, воздействия на процесс и автоматического управления, подготовленные на основе каталогов перечисленных в Л.2 фирм - производителей. Предоставляются каждому студенту

. Ч. Филипс, Р. Харбор. Системы управления с обратной связью. Москва.: Лаборатория Базовых Знаний. 2001.

. Е. Никулин Основы теории автоматического управления. Частные методы анализа и синтеза систем. СПб.: "БХВ-Петербург". 2004.

. Дж. Дэбни, Т. Хартман. Simulink 4. Секреты мастерства. МОСКВА.: БИНОМ, Лаборатория знаний., 2003