Задание на курсовойпроект
Наименование объектарегулирования – вельц печь для переработки цинковых кеков.
U – угол перемещения заслонки натрубопроводе вытяжного вентилятора, %
y – разряжение газов на входе вкотел-утилизатор, мм.в.ст.
В таблице 1 представленабезразмерная кривая разгона
Таблица 1 – Безразмернаякривая разгона
tб 1 2 3 4 5 6
Δyб 0,01 0,07 0,25 0,43 0,58 0,70
tб 7 8 9 10 11 12 13
Δyб 0,78 0,84 0,88 0,91 0,94 0,96 0,97
tб 14 15 16 17 18 19
Δyб 0,98 0,985 0,99 1 1 1
Масштаб времени Мt = 2,4 мин, масштаб для регулируемойпеременной Мy = 4,3
Приборный состав системырегулирования:
— дифференциальныйманометр для дистанционной передачи сигнала давления – по месту;
— преобразователь сигналаот дифференциального манометра – на щите;
— показывающий исамопишущий прибор – на щите;
— регулятор импульсный –на щите;
— переключатель «ручноеуправление – автоматическое управление», включаемый после регулятора – на щите;
— пускатель бесконтактныйреверсивный для включения исполнительного механизма – на щите;
— исполнительный механизмпривода заслонки – рядом с заслонкой.
Содержание
Введение
1. Построение кривойразгона
2. Определениепередаточной функции методом площадей
3. Вычисление настроекрегуляторов и исследование статистических свойств системы регулирования
4. Исследованиеустойчивости системы регулирования
5. Определениепередаточной функции замкнутой системы регулирования
6. Определение качестварегулирования
7. Функциональная схемасистемы регулирования
8. Назначение элементовсистемы и ее работа. Принцип действия измерительного преобразования
Выводы
Список литературы
Введение
Основной задачей любого процесса управленияявляется выработка и реализация таких решений, которые приданных условиях обеспечивают наиболее эффективное достижение поставленной цели.
Процессы управления совершаются над объектамиуправления (ОУ), под которыми понимаются частитехнологического процесса или агрегата, целиком технологическиепроцессы, агрегаты, машины, цехи, производственные предприятия,коллективы людей.
Протекание всякого технологического процесса характеризуется совокупностью физических величин, на которые накладываютсяопределенные условия. Процессомуправления называется совокупностьопераций, необходимых для пуска, остановки ОУ, а также для поддержания иизменения в требуемом направлении величин, характеризующихтехнологический процесс. Цельюуправления технологическимипроцессами может быть поддержание постоянного значения физическойвеличины с заданной точностью в установившемсяи переходном режимах, изменение величины по определенной наперед заданной программе.
Если управление осуществляется непосредственночеловеком, то такое управление называют ручным; если жеуправление осуществляется без непосредственного участия человека, то егоназывают автоматическим. Автоматическое управлениепроизводится с помощью автоматически действующих управляющихустройств. Объект управления и управляющие устройства составляют автоматическуюсистему управления (АСУ). В наиболее простых случаях (поддержание постоянногозначения параметра, изменение параметра ножесткой программе) процесс управления называют регулированием,управляющие устройства — автоматическими регуляторами, или просто регуляторами, а автоматические системыуправления -автоматическимисистемами регулирования (АСР).
1 Построение кривойразгона
Кривой разгона называютпроцесс изменения во времени выходной переменной, вызванный ступенчатым входнымвоздействием. Кривая разгона служит для определения динамических свойствобъекта.
Запаздывание объектавыражается в том, что его выходная величина начинает изменяться не сразу посленанесения возмущения, а только через некоторый промежуток времени, называемымвременем запаздывания.
Под постоянной времениобъекта понимается время, в течение которого выходная величина достигла бысвоего нового установившегося значения, если бы она изменялась с постояннойскоростью, равной скорости ее изменения в начальный момент времени.
Коэффициент передачиобъекта представляет собой изменение выходной величины объекта при переходе изначального в новое установившееся состояние, отнесенное к изменению возмущенияна входе [1].
Снятие кривой разгонапредусматривает нанесение на объект ступенчатого возмущения путем энергичногоизменения степени открытия проходного сечения регулирующего органа, при этомотмечают величину и момент нанесения возмущения. Изменения выходной величины регистрируютдо тех пор, пока объект не примет установившееся значение.
Кривая разгона отличаетсяот переходной характеристики тем, что амплитуда «скачка» может бытьпроизвольной, в то время как переходная характеристика есть реакция объектауправления на единичный скачок по управляющей переменной [2].
Кривая разгона получаетсяпересчетом безразмерной кривой разгона по формулам
t = Mt. tб
Δy = My.Δyб
где t – реальное время,
tб – безразмерное время,
Mt – масштаб времени,
My – масштаб регулируемой переменной,
Δy – изменение регулируемой переменнойв натуральных единицах,
Δyб – изменение регулируемой переменной в безразмерномвиде
Рассчитаем кривую разгона(таблица 2)
Таблица 2 – Пересчитаннаякривая разгонаt, мин 2,4 4,8 7,2 9,6 12 14,4 Δy, мм.в.ст. 0,043 0,301 1,075 1,849 2,494 3,01 t, мин 16,8 19,2 21,6 24 26,4 28,8 31,2 Δy, мм.в.ст. 3,354 3,612 3,784 3,913 4,042 1,128 4,171 t, мин 33,6 36 38,4 40,8 43,2 45,6 Δy, мм.в.ст. 4,214 4,2355 4,257 4,3 4,3 4,3
Кривая разгонапредставлена на рисунке 1.
Определим параметрыаппроксимации кривой разгона. Касательная касается кривой разгона в точке А1,соответствующей максимальной крутизне.
В соответствии с рисунком1 коэффициент передачи равен
Коб = Δyуст / ΔU
Коб = 4,3 / 8= 0,54 мм.в.ст./%
где Δyуст – установившееся значение выходнойпеременной,
ΔU – изменение входной переменной.
Передаточная функцияданной аппроксимации будет иметь вид
/>
/>
где Коб –коэффициент передачи объекта,
Тоб –постоянная времени (Тоб = 18 – 4 = 14 мин),
τоб –время запаздывания, (τоб = 4 мин),
S – переменная Лапласа.
2 Определениепередаточной функции методом площадей
Передаточная функциявторого порядка может быть представлена в следующем виде
/>
Коэффициенты а1и а2 вычисляются по формулам
а1 = F1 = Δt {∑ [1-Δyб (Δt. i)] – 0,5},
/>
где n – количество интервалов разбиениякривой разгона (n=19),
Δt – интервал разбиения (Δt = Мt = 2,4 мин),
Δyб (t. i) – значение безразмерной кривой разгона в i-й момент времени.
Тогда
а1 = F1 = 2,4{(1-0) + (1 – 0,1) + (1 – 0,07) + (1 – 0,25)+(1 – 0,43)+(1 – 0,58) + (1 – 0,7) +(1 – 0,78) + (1 – 0,84) + (1 – 0,88) + (1 – 0,91) + (1 – 0,94)
+ (1 – 0,96) + (1 – 0,97)+ (1 – 0,98) + (1 – 0,985) + (1 – 0,99) – 0,5 }=
= 2,4. 5,225= 12,54 мин
/>/>/>/>
/>
/> мин 2
Передаточная функциявторого порядка будет иметь вид
/>
Определение передаточнойфункции методом площадей является более сложным по сравнению с определением покривой разгона. Однако передаточная функция второго порядка имеет более точноепредставление.
3 Вычисление настроекрегуляторов и исследование статических свойств системы регулирования
Автоматическоеустройство, обеспечивающее поддержание выходных величин объекта вблизитребуемых значений, называют автоматическим регулятором.
Регулятор реализует законрегулирования. Структурная схема системы регулирования представлена на рисунке2./> /> /> /> /> />
Р – регулятор,
ОУ – объект управления, />
Рисунок 2 – Структурнаясхема системы регулирования
Целью регулированияявляется выполнение условия ε = y3 – y = 0
Основные законырегулирования:
1) релейный (р- закон)
0, если ε ≤0
U = 1, если ε>0
/>где 1 – включено, 0 – выключено
Преимущество: простотареализации, недостаток: низкое качество регулирования.
2) пропорциональный(п-закон)
U = КП. ε
где КП –коэффициент передачи регулятора.
Преимущества: простотареализации, высокое быстродействие, недостатки: ненулевая ε, низкоекачество регулирования.
3) Интегральный (И-закон)
/>,
где ТИ –постоянная интегрирования.
Преимущества: отсутствиеошибки в установившемся режиме, недостатки: низкое быстродействие и склонностьк автоколебаниям.
4) Пропорционально-интегральный(ПИ-закон)
/>
Обладает преимуществамиП- и И- регуляторов. Недостаток: сложность.
Определим КПдля П-регулятора по формуле
/>
/>
Для ПИ- регулятора
/>
/>
ТИ = 0,6.ТОБ = 0,6. 14 = 8,4 мин
Для определениястатической ошибки системы регулирования нужно изобразить эту систему,содержащую регулятор КП и объект КОБ (рисунок 3).
/>
Рисунок 3 – Структурнаясхема замкнутой системы регулирования
Коэффициент передачипоследовательного соединения звеньев равен
К1 = КП. КОБ
Коэффициент передачиобратной связи К2 = 1
Коэффициент передачизамкнутой системы в статике
/>
/>
Принимая величинуизменения задания yЗ = 1, находим установившееся значение
yуст = 1. 0,51 = 0,51
Тогда статическая ошибкаравна
/>
/>
Для уменьшениястатической ошибки и сохранения других показателей качества регулированиянеобходимо применять другие законы регулирования (например И- или ПИ- закон).
4 Исследованиеустойчивости системы регулирования
Под устойчивостьюпонимают свойство системы самостоятельно возвращаться к равновесному состояниюпосле снятия возмущения, нарушевшего ее равновесие.
Устойчивость линейнойсистемы определяется характером его свободного движения, которое описываетсяоднородным дифференциальным уравнением
/>
При вещественных корняхрешение имеет вид
y(t)= c1. eP1t + c2. eP2t + …+cn. ePnt ,
где cn – постоянная интегрирования
pn – корни характеристическогоуравнения
an. pn + an-1. pn-1 + …+a0= 0
Для устойчивой работысистемы необходимо, чтобы Pi
Решениехарактеристического уравнения сложно, поэтому разработаны другие критерииустойчивости.
Частотным критериемНайквиста определяют устойчивость замкнутой системы по поведениюсоответствующей ей разомкнутой системы.
Если в разомкнутомсостоянии система устойчива и ее амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) приизменении частоты W от нуля добесконечности не охватывает на комплексной плоскости точку с координатами(-1;0), то система в замкнутом состоянии будет устойчива. АФХ охватывает точку,если точка лежит внутри контура, образованного характеристиками и отрезкамидействительной оси, соединяющей точки ноль и бесконечность.
Выполним исследованиесистемы на устойчивость. Определим АФХ разомкнутой системы с П-регулятором. Дляполучения передаточной функции приведем рисунок 4.
/>
Рисунок 4 –Функциональная схема разомкнутой системы регулирования
Передаточная функцияразомкнутой системы будет иметь вид
WРАЗ(S) = WP (S).WОБ (S)
Выполняя замену WР = КП, WОБ (S) = j w получим
/>
Избавляясь от мнимости взнаменателе, получим АФХ в алгебраической форме
/>
/>
Подставляя в полученноевыражение численные значения, получим АФХ для исследования устойчивости
/>
/>
Для исследованияустойчивости нужно построить годограф АФХ, для чего выполним вычисление R(w) и Im(w) для различных w. Результаты вычислений сведем втаблицу 3.
Таблица 3 – Расчет АФХразомкнутой системыw, мин R(w) Im(w) w, мин R(w) Im(w) 1,05 0,10 0,28 -0,69 0,01 1,04 -0,12 0,11 0,19 -0,68 0,02 1,00 -0,25 0,12 0,11 -0,65 0,03 0,95 -0,36 0,13 0,05 -0,61 0,04 0,88 -0,46 0,14 -0,01 -0,57 0,05 0,79 -0,55 0,15 -0,05 -0,52 0,06 0,69 -0,61 0,20 -0,15 -0,34 0,07 0,59 -0,66 0,30 -0,14 -0,14 0,08 0,48 -0,69 0,40 -0,10 -0,06 0,09 0,38 -0,70 0,50 -0,07 -0,03
По результатам расчетовстроим годограф (рисунок 5). Из рисунка видно, что система в замкнутомсостоянии будет устойчива.
5 Определениепередаточной функции замкнутой системы регулирования
Любую системуавтоматического регулирования можно представить в виде совокупности различныхзвеньев, соединенных между собой тем или иным образом. На рисунке 6представлена схема последовательного соединения звеньев
/>
Рисунок 6 – Структурнаясхема последовательного соединения звеньев
На рисунке 7 приведенасхема параллельного соединения звеньев/> /> /> /> /> /> /> /> />
Рисунок 7 – Структурнаясхема параллельного соединения звеньев
y Структурная схемаобратной связи приведена на рисунке 8./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
= /> />
Рисунок 8 – Структурнаясхема обратной связи
Используя правилоструктурных преобразований, найдем передаточную функцию замкнутой системырегулирования, представленной на рисунке 3.
Передаточная функцияпропорционального звена имеет вид
WР = КП,
где КП –коэффициент передачи регулятора.
Передаточная функцияколебательного звена имеет вид
/>
/>
Передаточная функцияобратной связи W2 = 1
Тогда передаточнаяфункция замкнутой системы будет иметь вид
/>
После подстановкичисленных значений получим
/>
/>
6 Определение качестварегулирования
Качество переходногопроцесса количественно оценивается следующими показателями
1 Статическая ошибкарегулирования есть рассогласование между установившемся значением регулируемойвеличины после переходного процесса и ее заданным значением
δст абс =(yЗ – yУСТ). 100%
/>
где yЗ – величина ступенчатого изменения задания,
yУСТ – установившееся значениерегулируемой переменной
2 Динамическая ошибкарегулирования есть максимальное отклонение регулируемой переменной в переходномпроцессе от ее заданного значения
/>
где yMAX – максимальное значение регулируемойпеременной после ступенчатого изменения задания.
3 Время регулированияесть отрезок, в течении которого регулируемая величина достигает новогоустановившегося значения с некоторой, заранее установленной точностью, ±Δ.
Вычислим и построимпереходную функцию замкнутой системы регулирования с П-регулятором и графическиопределим показатели качества.
Переходная функция длясистемы с передаточной функцией вида
/>
/>
Вычисляется по формуле
/>
где α = 0,5.(b1/ b2)
/>
/>
Следует учесть, что φ0,βt + φ0– углы врадианах.
Формулы применимы, есливыполняется равенство
/>
/>
0 ≤ 0,61
α = 0,5.(6,12 / 25,37) = 0,12
/>
/>
Тогда
/>
Вычислим значение h(t) в зависимости от времени (таблица 4).
Таблица 4 – Расчетзначений h(t) в зависимости от времениt, мин h(t) 5 0,10 10 0,31 15 0,44 20 0,49 25 0,53 30 0,528 35 0,52 40 0,50 45 0,51 50 0,51
Переходная функцияизображена на рисунке 9.
Статическая ошибка равна
/>
Динамическая ошибка равна
/>
Время регулирования tР = 16,5 мин
7 Функциональная схемасистемы регулирования
Рисунок 10 — Функциональная схема автоматизации
Таблица 5 – Переченьприборов для функциональной схемыОбозначение Наименование Количество Примечание 1 а Дифференциальный манометр для дистанционной передачи давления 1 1 б Преобразователь сигнала от дифференциального манометра 1 1 в Показывающий и самопишущий прибор 1 1 г Регулятор импульсный 1 1 д Переключатель «ручное управление – автоматическое управление», включаемый после регулятора 1 1 е Пускатель бесконтактный реверсивный для включения исполнительного механизма 1 1 ж Исполнительный механизм привода заслонки 1
8 Назначение элементовсистемы и ее работа. Принцип действия измерительного преобразователя
Процесс вельцеванияосуществляется в трубчатых вращающихся печах. Печь представляет собой стальнойбарабан, расположенный под углом 3-5 0к горизонту для того, чтобышихта могла передвигаться при вращении барабана от верхнего конца к нижнему.Скорость вращения барабана 1-2 об/мин. По всей длине печь футруют огнеупорнымкирпичем.
Печь опирается на катки,при этом обычно ее ставят на три опоры. Одна из опор совмещается с приводомпечи от электродвигателя через редуктор и венечную шестерню, укрепленную набарабане печи. У нижнего разгрузочного конца печи размещают топочные устройства– мазутные или газовые горелки.
Шихту подают в верхнийзагрузочный конец печи через водоохлаждаемую трубу. Передвигаясь при вращениипечи, шихта вступает в контакт с горячими газами, идущими противотоком, теряетвлагу и нагревается. В конце верхней зоны печи шихта воспламеняется и поступаетв зону возгонки. По мере продвижения к разгрузочному концу печи шихта все болееобедняется цинком и свинцом.
В процессе особоевнимание уделяется контролю и регулированию разряжения газов на входе вкотел-утилизатор при помощи перемещения заслонки на трубопроводе вытяжноговентилятора [3].
В системахавтоматического управления для измерения текущих значений величинхимико-технологических процессов используются различные измерительныеустройства. Средство измерения, предназначенное для выработки сигналаизмерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятиянаблюдателем, называют измерительным прибором. Средство измерения,вырабатывающее сигнал, в форме, удобной для передачи, дальнейшегопреобразования, но не позволяющей наблюдателю осуществить непосредственноевосприятие, называют измерительным преобразователем. Первичный измерительныйпреобразователь – тот, к которому подведена измеримая величина, передающийизмерительный преобразователь – тот, который предназначен для дистанционнойпередачи сигнала измерительной информации.
В курсовом проектепервичным измерительным преобразователем является дифференциальный манометр длядистанционной передачи сигнала давления.
Под абсолютным давлениемпонимают полное давление газа на его стенки. При РАБС
Рh = РАТМ — РАБС
Принцип действия дифференциальногоманометра основан на измерении разности двух давлений. В курсовом проектеустанавливаем жидкостный дифманометр. В этом приборе измеряемое разряжениеуравновешивается гидростатическим давлением столба рабочей жидкости, в качествекоторой применяются ртуть, вода, спирт и др.
На рисунке 11 показанапринципиальная схема U-образногодифманометра.
/>
↑↓ l (ХВЫХ) />
Рисунок 11 –Принципиальная схема U-образногодифманометра
Входной величинойявляется перепад давления, выходной – изменение уровня рабочей жидкости в U-образной трубке.
Промежуточнымизмерительным преобразователем называется элемент измерительного устройства,занимающий в измерительной цепи место после первичного преобразователя.Основное назначение промежуточного преобразователя – преобразование выходногосигнала первичного преобразователя в форму, удобную для последующегопреобразования в сигнал измерительной информации для дистанционной передачи.
Показывающий исамопишущий прибор предназначен для автоматического преобразования идокументальной записи на бумажной ленте с помощью карандаша результатовизмерения физической величины (давления), характеризующую технологическийпроцесс.
Устройство, с помощьюкоторого в системах регулирования обеспечивается автоматическая поддержкатехнологической величины около заданного значения, называют автоматическимрегулятором. Импульсный регулятор относится к регулятором прерывного действия,у которых непрерывному изменению входной величины соответствует прерывистоеизменение регулирующего воздействия [2].
Пускатель бесконтактныйреверсивный является усилителем сигнала управления и предназначен для включенияисполнительного механизма.
Исполнительный механизмпредназначен для управления регулирующим органом (заслонкой) [4].
Выводы
Система автоматизациивельц печи является устойчивой, следовательно, она может выполнять предписанныеей функции. В системе достаточно быстро устанавливается равновесие.Отрицательным показателем является большая статическая ошибка регулирования.
Списоклитературы
1 Каганов В.Ю., БлиновО.М., Беленький А.М. Автоматизация управления металлургическими процессами. –М.: Металлургия, 1974 – 416 с.
2 Клюев А.С., ГлазовБ.В., Миндин М.Б. Техника чтения схем автоматического управления итехнологического контроля. – М.: Энергия, 1977 – 296 с.
3 Полоцкий Л.М.,Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. Теория, расчет ипроектирование систем автоматизации. – М.: Химия, 1982 – 296 с.
4 Снурников А.П.Гидрометаллургия цинка. – М.: Металлургия, 1981 – 384 с.