УП_Лабы_Оптимизация управления ТП

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра промышленной кибернетики и систем управления

Б.Н. Парсункин С.М. Андреев Е.С. Рябчикова Т.Г. Обухова

ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие

Магнитогорск ФГБОУ ВПО «МГТУ» 2012

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

№6) ……………………………………………………………………... 173 Приложение Г. Моделирование переходного процесса в системе с двухпозиционным регулированием (часть 2, лабораторная работа

№1)…………………………………………………………………….... 176 Приложение Д. Моделирование переходного процесса в системе с трехпозиционным регулированием (часть 2, лабораторная работа

№2)……………………………………………………………………… 178 Приложение Е. Моделирование переходного процесса в системе с ПИ-регулятором (часть 2, лабораторная работа № 3)……………. 181 Приложение Ж. Моделирование переходного процесса в системе с ПИД-регулятором (часть 2, лабораторная работа № 5)…………... 184

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебном пособии изложен цикл лабораторного практикума для изучения практических вопросов идентификации объектов управления, а также синтеза систем автоматической стабилизации технологического параметра с позиционными и типовыми регуляторами. Лабораторный практикум охватывает дисциплины «Системы автоматизации и управления», «Автоматизация технологических процессов и производств» для студентов специальности 220301 и направлений 220200 и 220400. При изучении материала в качестве примеров используются реальные данные по режимам работы объектов и систем автоматического управления агрегатами промышленных производств.

Учебное пособие состоит из двух глав. Первая глава включает в себя семь лабораторных работ по идентификации динамических параметров объектов управления на основании экспериментальных динамических характеристик, полученных на реальных физических стендах (лабораторный практикум по курсу «Системы автоматизации и управления»).

Вторая глава содержит пять лабораторных работ, в которых содержится теоретическое исследование и моделирование принципов функционирования различных контуров управления. Также рассматривается выбор рациональных (оптимальных) параметров настройки контуров автоматического управления. Таким образом, вторая глава представляет собой лабораторный практикум по курсу «Автоматизация технологических процессов и производств».

Для каждой лабораторной работы представлен необходимый для понимания процесса исследования теоретический материал и порядок выполнения работы. В конце каждой работы приведен список вопросов для самостоятельной подготовки. Учебное пособие может использоваться студентами заочного отделения для самостоятельной работы.

Для более углубленного изучения излагаемого материала приведены приложения, содержащие тексты программ необходимых для выполнения работ.

5

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для фронтального проведения лабораторного практикума, когда учебная группа разбивается на бригады по 2-3 человека и на различных физических стендах выполняет работу по экспериментальному определению параметров объекта управления.

В пособии изложены простые инженерные методы взаимного преобразования одного вида динамических характеристик в другой. Все излагаемые методы доведены до практической реализации в процессе выполнения лабораторного практикума на реальных объектах с использованием реальных технических средств управления.

Применяемые методы обеспечены рабочими программами для ПЭВМ, что позволяет решать задачи определения динамических параметров управляемых процессов на современном уровне. Основной задачей является получение устойчивых навыков в квалифицированном определении динамических параметров объекта и взаимном преобразовании различных видов динамических характеристик.

Серьезное внимание уделено оценке погрешности используемых методов и проверке достоверности полученных экспериментальным путем результатов.

Используемая и рекомендуемая в учебном пособии методика проведения лабораторного практикума на лабораторных стендах, реально представляющих стабилизирующие контура автоматического управления, позволяет получить практические навыки исследования динамических свойств объектов управления, а также производить настройку контуров управления, отличающихся как видом используемых методов управления, так и динамическими свойствами.

Несомненным достоинством пособия является наличие раздела по математическому моделированию изучаемых стабилизирующих контуров управления объектами, динамические параметры которых определены экспериментально на компьютеризированных стендах для сравнения параметров оценки качества переходных процессов в исследуемых контурах управления.

Возможности компьютеризированных стендов позволяют реально оценить влияние каждого из параметров настройки регулятора на показатели качества переходных процессов в исследуемых контурах управления.

Наличие теоретического вступления и компактное изложение материала не требует использования дополнительной литературы. Объем экспериментальной части по каждой теме рассчитан ориентировочно на 40-50 мин в соответствии с указанным порядком выполнения работы. За оставшиеся 40-50 мин студент должен занести полученные данные в

6

таблицу наблюдений, произвести необходимые расчеты, построить требуемые зависимости и сделать соответствующие выводы.

Оформление отчета по каждой теме осуществляется индивидуально каждым обучаемым в процессе самостоятельной работы по полученным экспериментальным данным и в соответствии с указанными требованиями по представляемым материалам (пункт «Содержание отчета»).

Проверка усвоенного информационного объема знаний осуществляется в процессе «защиты» полученных результатов путем ответа на поставленные вопросы, примерный перечень которых приведен в конце каждой темы.

Предварительную подготовку к выполнению следующей темы лабораторного практикума студент осуществляет самостоятельно перед получением допуска к работе по теме.

7

1 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа №1 Экстраполяция экспериментальной кривой разгона

Цель работы: изучить устройство системы автоматического регулирования, изучить метод экстраполяции кривой разгона объекта управления.

1. Методика экстраполяции

Если на многоемкостном статическом объекте в процессе экспериментального определения кривой разгона по техническим условиям не было достигнуто установившееся состояние исследуемого параметра, то незафиксированную часть кривой разгона можно восстановить методом экстраполяции. Это возможно в том случае, если успели получить начальную часть траектории кривой разгона с прохождением зоны максимальной скорости изменения выходной величины, иначе говоря, скорость изменения выходной величины стала уменьшаться.

Экстраполяция подразумевает распространение полученных данных на оставшуюся часть кривой разгона, не подвергнутую наблюдению. Графический метод экстраполяции кривой разгона удобно выполнять по следующему алгоритму:

1)На экспериментально зафиксированном участке кривой разгона

выбирают две произвольные точки А1 и А2, см. рис. 1.1. Затем для равных отрезков времени Δτ определяют соответствующие приращения выходного сигнала ΔY1 и ΔY2.

2)В точке максимальной скорости изменения выходной величины (это точка перегиба М) проводят касательную к траектории изменения Y(t).

3)Для имеющейся части кривой разгона определяют кажущееся

значение постоянной времени ТК, как интервал времени от пересечения касательной с осью абсцисс в точке К до максимального полученного значения по кривой разгона Ymax (абсцисса точки А3).

4)От точки К вдоль оси времени откладывают промежуток КЕ,

равный (3…4)ТК. Продолжительность интервала КЕ в этом случае гарантирует установление равновесного состояния в объекте управления (ОУ).

5)Из точки Е проводят перпендикуляр к оси абсцисс и на эту линию проектируют ординаты точек А1 и А2.

8

7)Через точки С1 и С2 проводят линию DF до пересечения с линией ЕЕ΄. Отрезок ЕF определяет новое установившееся значение выходной величины Y2.

8)В соответствии с рис. 1.1 достраивают (пунктирная линия) кривую разгона и определяют истинное значение постоянной времени ОУ ТО, как интервал времени от точки К до абсциссы точки N.

2. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой систему автоматического регулирования (САР) температуры. В качестве регулируемого параметра используется температура нагревательного элемента, представляющего собой фарфоровую трубку, на которую намотана нихромовая спираль. Питание спирали нагревателя и всей установки в целом осуществляется от сети переменного тока

9

напряжением 220В. Нагревательная печь охлаждается потоком воздуха от пылесоса. Производительность пылесоса определяется напряжением питания, которое меняется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТРАа). Движок ЛАТРа механически связан с валом двигателя исполнительного механизма (ИМ) типа МЭО 2/120.

Чем больше напряжение питания, тем выше производительность пылесоса и тем меньше температура внутри нагревательной печи. В качестве датчика температуры используется термоэлектрический преобразователь градуировки ХК, расположенный внутри фарфоровой трубки толщиной 1-1,5мм. Для улучшения качества регулирования шкала прибора расширена путем включения в цепь сигнала батареи, состоящей из двух термопар. В качестве вторичного прибора используется автоматический потенциометр КСП-3 с пределом измерений 1100°С. Заданное значение температуры устанавливается с помощью реостатного задатчика, встроенного в КСП-3.

Сигнал, пропорциональный отклонению регулируемого параметра от задания, снимется с реостатного датчика. Датчик питается напряжением переменного тока от измерительного блока регулятора РПИБ. Регулирующий прибор РПИБ с помощью реверсивного магнитного пускателя МКР-0-62 управляет движением ИМ.

Положение выходного вала ИМ в процентах от максимального хода фиксируется милливольтметром, выполняющим роль дистанционного указателя положения (ДУП) вала ИМ. Сигнал на милливольтметр снимается с реостата обратной связи. Питание реостата осуществляется от измерительного блока регулятора через выпрямитель, собранный по мостовой схеме. Выходной вал ИМ жестко соединен с движком автотрансформатора, питающего пылесос, с помощью которого изменяется расход вентилирующего воздуха.

Выбор способа управления ИМ «автоматический» – «дистанционный» («ручной») осуществляется с помощью универсального переключателя УП-1. Изменение направления движения ИМ «больше» – «меньше» при дистанционном управлении осуществляется с помощью переключателя УП-2.

3.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с описанием лабораторной установки.

2.Установить универсальный переключатель УП-3 в положение «включено». О наличии напряжения питания в лабораторном стенде можно судить по сигнальной лампе.

3.Включить вентилятор подачи воздуха (включение производит лаборант или преподаватель). ПереключательУП-1 установить в положение «ручное». С помощью УП-2 установить ИМ в крайнее левое

10

положение на 0% и дождаться установления показаний температуры на КСП-3.

4.Снять статическую характеристику ОУ. Переключателем УП-2 установить ИМ на 10% и дождаться установления показаний температуры, записать показания в журнал наблюдений (выдержка времени не менее 3-5мин.). Повторить измерения для 20, 30, 40, …, 100% положения вала ИМ.

5.По полученным данным построить статическую характеристику ОУ в координатах: Х – проценты хода вала ИМ, %; Y – температура нагревателя, °С.

6.Снять кривую разгона ОУ. Для этого положения вала ИМ установить на 50% открытия, дождаться установившихся показаний по КСП-3. Записать значения входной и выходной величины в журнал наблюдений. Быстро изменить угол поворота вала ИМ на 10-15% по ДУП. Записывать показания вторичного прибора через каждые 5-10с до момента установления нового значения температуры.

7.По полученным данным построить кривую разгона ОУ,

определить параметры объекта: коэффициент передачи KОБ, время запаздывания τЗ, постоянную времени ТО, см. л.р. №2.

8.Выбрать произвольно точку на кривой разгона за точкой перегиба и экстраполировать кривую разгона согласно приведенной

выше инструкции, определить параметры объекта по экстраполированной кривой KОБ*, ТО*.

9.Сравнить параметры ОУ определенные по экспериментальной и

экстраполированной кривым разгона. Оценить погрешность экстраполяции по абсолютной и относительной погрешности определения динамических параметров объекта. За истинные значения принять параметры, полученные по экспериментальной кривой разгона. Например

4.Содержание отчета

1.Описание порядка экстраполяции экспериментальной кривой разгона.

2.Экспериментальные данные и график экспериментальной статической характеристики объекта.

3.Экспериментальные данные и график кривой разгона объекта.

4.График экстраполированной кривой разгона ОУ, для построения которого используется часть экспериментальной кривой.

5.Расчет и определение параметров ОУ по обоим кривым разгона.

11