Курсовая работа: Схема и основные характеристики технологической установки

Автоматика - отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения средств и систем управления производственным процессом. Автоматика является основой автоматизации.

Автоматизация - этап развития машинного производства, который характеризуется освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций техническим устройствам.

Управление производственным процессом - это такое воздействие на него, которое обеспечивает оптимальный или заданный режим работы. Объект управления - управляемый производственный процесс. Совокупность технических средств, используемых для управления, и производственного персонала, который принимает в нем непосредственного участие, образует совместно с объектом систему управления.

Процесс управления складывается из следующих основных функций, которые выполняются системой управления:

получение измерительной информации о состоянии производственного процесса как объекта управления;

переработка полученной информации и принятии решения о необходимом воздействии на объект для достижения целей управления;

реализация принятого решения, т.е. непосредственное воздействие на производственный процесс.

Средство измерений - это средство, предназначенное для получения информации о состоянии объекта управления.

Среди автоматических систем наиболее распространены автоматические системы регулирования (АСР). АСР предназначены для поддержания заданных значений технологических параметров, которые характеризуют состояние производственного процесса как объекта регулирования. С появлением новых технических средств, в практику автоматизации вошел новый тип систем управления - автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Широкое внедрение автоматизации пищевых производств позволяет повысить эффективность технологических процессов и обеспечить полную сохранность натуральных свойств исходного сырья, которое поступает на переработку.

1. Схема и основные характеристики технологической установки

Рисунок 1.1 - Схема хлебопекарной печи

Регулируемые параметры: температура дымовых газов, подаваемых в центральную зону пекарной камеры.

Контролируемые параметры температура, давление газа.

Сушка (высушивание) материалов состоит в удалении влаги из влажных материалов путем ее диффузии из твердого материала и испарения.

Необходимость удаления влаги из материала может быть обусловлена разными причинами, например:

Влажный продукт может портиться при хранении, так как влага вредно воздействует на товарные свойства некоторых материалов: слеживание, смерзание в зимнее время, образование плесени.

2. Составление функциональной схемы автоматизации технологической установки

Функциональная схема автоматизации (ФСА) дает представление о функционально - блочной структуре системы автоматического управления - регулирования, сигнализации, защиты технологического процесса или установки и определяет объем оснащения установки (объекта) аппаратурной автоматики. На ФСА изображены: технологическое оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации (датчики, регулирующие и контролирующие приборы, элементы управления, вычислительные устройства и пр.).

В зоне щитов и пультов условно изображают установленные средства автоматизации. От них линии связи идут к элементам схемы установки. Приборы и средства, установленные вне щитов, - местные приборы.

Рисунок 2 - Функциональная схема автоматизации регулирования и контроля температуры и давления газа

В соответствие с заданием для регулирования и контроля температуры и давления газа в технологической установке на выходе из топки установлен измеритель температуры (поз.4-1), имеющий сдвоенный чувствительный элемент (сдвоенная термопара), один из которых подключен ко вторичному прибору, установленному на щите (поз.4-2), осуществляющий показание и запись температуры, а другой - к электрическому регулятору (поз.4-3), имеющему датчик (поз.4-4), не встроенный в регулятор. Исполнительным механизмом (поз.4-5) можно управлять вручную с помощью кнопок управления (поз.4-5) можно управлять вручную с помощью кнопок управления (поз.3-1) через переключатель режима работы - ручное - автоматическое (поз.3-2). Исполнительный механизм изменяет подачу газа в топку. Для контроля давления на выходе в топку установлен датчик давления (поз.2-1), который подключен ко вторичному прибору на щите (поз.2-2), осуществляющему показание давление газа и имеющему задатчик (поз.2-3) и сигнализацию (поз.2-4) для обеспечения техники безопасности. Измеритель температуры подаваемого газа (поз.1-1) подключен к прибору, установленному на щите (поз.1-2), осуществляющему показания и запись температуры.

3. Построение кривой разгона объекта по каналу регулирования, выбор типа регулятора

Исходные данные для построения кривой разгона объекта по каналу регулирования сведены в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п	Возмущение Y% Р.О.	Относительное время кривой разгона tотн											Показатели качества процесса регулирования
		0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	Показатели качества процесса регулирования
		данные эксперимента - отклонение параметра Xэ(t)											X1%	Xост	Xр. отн.
1	10	0	0,25	1	2,3	3,3	4,1	4,5	4,8	5,0	5,1	5,1	40	10	1,5

Абсолютное значение времени определяется по формуле:

где tпер. - время переходного процесса, указанное для технологической установки.

Кривую разгона объекта строим в единицах регулируемой величины по формуле:

(t)

где - отклонение по кривой разгона,

- отклонение параметра по таблице 1.

Результаты пересчета t и X сводим в таблицу 2.

Таблица 2

Параметр	Значение
tотн	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
X э (t)	0	0,25	1	2,3	3,3	4,1	4,5	4,8	5,0	5,1	5,1
t(М)	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20
X(t)	0	0,59	2,35	5,2	7,77	9,65	10,6	11,3	11,77	12	12

По данным таблицы строим кривую разгона объекта (рисунок 3).

Рисунок 3 - Кривая разгона

На кривой разгона объекта проводим касательную к точке перегиба и определяем графически динамические и установившиеся параметры объекта:

t=2,5 мин,

Т=10,5 мин,

X¥ = 12.

Затем рассчитываем вспомогательные параметры:

;

По номограмме выбираем закон регулирования.

Рисунок 4 - Номограмма

Согласно координаты точки (Rg, t/Т) и ближайшей к ней кривой - это П - регулятор.

4. Определение пригодности регулятора и параметров его настроек

После того, как мы выбрали закон регулирования определяем время регулирования tр и остаточное отклонение.

Время регулирования tр определяем по номограмме tр/t=f(t/Т) (рисунок 5).

Рисунок 5 - Номограмма tр/t=f(t/Т)

К оси абсцисс в точке с соответствующим значением t/Т восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с графиком П - регулятора. По оси ординат определяем величину "С" отношения tр/t, тогда время регулирования tр определяем по формуле:

;

Затем проверяем неравенство:

;

Так как. , следовательно, регулятор выбран верно.

По графику

(рисунок 6) определяем графически остаточное отклонение.

Рисунок 6 - Номограмма

X’ост=С’X∞ C'=0,25;

X’ост< Xост 3<10;

Закон регулирования П - регулятора имеет вид:

Определяем параметры настроек регулирования по формуле:

;

5. Анализ АСР на устойчивость по критериям устойчивости Гурвица и Михайлова

Y(P)

F(P)

Анализируемая АСР задана исходной структурной схемой, рисунок 7.

X(P)

Рисунок 7 - Структурная схема

Структурную схему преобразовываем к одноконтурному виду, заменяя внутренние контуры одним звеном пользуясь правилами коммутации. Передаточные функции структурной схемы записываем в общем виде.

W(P) = W5(P) =W3(P) W4(P) W2(P) W1(P)

Заменяем параметры передаточных функций их числовыми значениями из таблицы 3.

Таблица 3

Параметры звена	k1		T1		t1		k01		k2		T2		t2		k02		k3		t3		k4		T4		t4
8	1		1,2		0		0,4		0		0		1		0,9		0		0,5		0,7		0,5

Формулы передаточных функций имеют вид:

;

Записываем передаточную функцию замкнутой АСР по управлению и возмущению Фf(P):

5.1 Определение устойчивости системы по критерию Гурвица

Для определения устойчивости системы по Гурвицу приравниваем к 0 знаменатель передаточной функции замкнутой по управнению системы, т.е. получаем характеристическое уравнение замкнутой по управлению системы:

В общем виде:

При положительных коэффициентах критерий Гурвица сводится к проверке неравенства:

САУ по критерию Гурвица устойчива, так как определитель и диагональный минор величины положительные.

Определяем критический коэффициент усиления замкнутой по управлению системы по формуле:

;

5.2 Проверка устойчивости САУ по критерию Михайлова

Для проверки САУ по критерию Михайлова в характеристическом уравнении для замкнутой по управлению системы заменяем оператор дифференцирования Р на комплексную переменную jw, полученное комплексное число представляем в алгебраической форме записи:

Изменяя значение w от 0 до ¥ определяем значение функции и строим график на комплексной плоскости. На первоначальном этапе определяем точки пересечения годографа Михайлова с действительной и мнимой осями.

1) ;

;

2) ;

; или

или

Изменяя значение w определяем U(w) и V(w), полученные данные сводим в таблицу 4.

Таблица 4.

w	0,0	0,4	0,8	1,2	1,3	1,6	2,0	2,4
U(w)	1,440	1,168	0,352	-1,008	-1,433	-2,912	-5,36	-8,352
V(w)	0,000	0,765	1,299	2,410	1,292	0,755	-0,784	-3,475

w	2,8	3,2	3,6	3,9	4,0	4,4	4,8	5,2	5,6
U(w)	-11,888	-15,968	-20,592	-24,417	-25,76	-31,472	-37,728	-44,528	-51,872
V(w)	-7,549	-13,235	-20,765	-27,76	-30,368	-42,275	-56,717	-73,923	-94,125

По данным таблицы строим годограф, рисунок 8.

Рисунок 8 - Годограф Михайлова

Анализируя годограф Михайлова делаем следующие выводы:

САУ по критерию Михайлова устойчива, так как при показателе степени характеристического уравнения n=3, кривая (годограф), начинаясь на действительной положительной полуоси, огибает начало координат против часовой стрелки, проходя последовательно 3 квадранта.

Определенный по графику коэффициент максимального усиления kmax

kд + kз

kд - коэффициент усиления, = 1,44

kз - коэффициент запаса, = 4,24

Сравнения его со значением, определенным по критерию Гурвица, мы видим, что они равны:

6. Определение запаса устойчивости АСР по фазе

Для определения запаса устойчивости по фазе воспользуемся критерием Михайлова - Найквиста. Для этого исследуем разомкнутую по управлению систему:

Выпишем отдельно числитель и разделим его на вещественную и мнимую составляющие, заменив P на jw:

Амплитудно-частотную характеристику численно найдем по формуле:

Фазово-частотную характеристику численно найдем по формуле:

Выпишем знаменатель и так же разделим его на вещественную и мнимую части:

Амплитудно-частотную характеристику определим по формуле:

Для удобства строим АЧХ и ФЧХ в логарифмических координатах.

Чтобы система была устойчива, необходимо, чтобы логарифмические частотные характеристики разомкнутой системы удовлетворяли следующему требованию: необходимо и достаточно, чтобы при всех частотах, при которых ЛАЧХ положительна, значения фазы не превышали "-π". Иначе говоря, система устойчива, если ЛАЧХ пересечет ось lg(w) раньше, чем ЛФЧХ достигнет значения "-π".

Фазово-частотную характеристику определим по формуле:

;

Изменяя значение w от 0 до ¥ рассчитываем значение действительной и мнимой составляющих. Затем производим операцию логарифмирования, и результаты вычислений сводим в таблицу 5.

Таблица 5

w	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25	2,5
lgw	0	0,09691	0,176091	0,243038	0,30103	0,352183	0,39794
20lgA(w)	11,56588868	9,357563	7,573092	6,07112	4,770441	3,620912	2,58966
φ(w)	0	-0,32548	-0,58501	-0,79662	-0,97266	-1,12171	-1,24986

По данным таблицы строим годограф, рисунок 9.

Рисунок 9 - Запас устойчивости по фазе

По графику определяем запас устойчивости по фазе

Δφ = 1,93 рад = 110,5°, следовательно, система имеет высокий запас устойчивости.

Заключение

В пищевой промышленности чаще всего необходимо измерять, контролировать и регулировать следующие технологические параметры: температуру, давление (разряжение), влажность, уровни рабочих сред в аппаратах и машинах, показатели качества и состава сырья, полуфабрикатов и готового продукта.

При внедрении автоматизации технологического процесса обеспечивается рост производства, повышение качества продукции и производительности труда.

В процессе выполнения курсового проекта мы ознакомились с устройством и основными характеристиками хлебопекарной печи. Составили функциональную схему автоматизации, построили кривую разгона по каналу регулирования, выбрали тип регулятора - П - регулятор, определили пригодность регулятора и записали закон регулирования:

Проанализировали автоматизированную систему регулирования по критериям Гурвица и Михайлова и сделали вывод:

По критерию Михайлова система устойчива, так как при показателе степени характеристического уравнения n=3, кривая, начинаясь на положительной действительной полуоси, огибает начало координат против часовой стрелки и проходит последовательно 3 квадрата;

Коэффициенты усиления k max определенный по графику и найденный по критерию Гурвица равны

При использовании критерия Михайлова - Найквиста рассчитали запас устойчивости по фазе. Δφ = 1,93 рад = 110,5°.

Литература

1. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем: Учебник для ВУЗов. М.: Машиностроение. - 1978 - 736 с.

Симонов В.П. Задания и методические указания на курсовую работу по УТС. Орел: ОрелГТУ, 1999 - 22 с.

3. Качанов А.Н. Математические основы проектирования и наладки систем автоматического управления техническими объектами и процессами. Орел: ОрелГТУ, 2001 - 143 с.

4. Автоматика и автоматизация пищевых продуктов: Учебник для ВУЗов. М.: "ВО Агропромиздат", 1991 - 239 с.

5. Малахов Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств. Орел: ОрелГТУ, 2001 - 686 с.