Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический

университет им. Г.И. Носова»

Кафедра промышленной кибернетики и систем управления

Оптимизация настройки и исследование переходных процессов в контурах систем автоматического регулирования

Методические указания к лабораторному практикуму «Системы автоматизации и управления» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 2203001 и бакалавров, обучающихся по направлению 220200

Магнитогорск , 2008 г.

Введение

Данное методическое указание рассчитано на фронтальное проведение лабораторного практикума, когда все бригады (по 2-3 человека) на которые разделена учебная группа выполняют лабораторную работу по вариантам, используя программу имитационного моделирования САУ которая имитирует работу реальной промышленной системы автоматического управлении (САУ) технологическими параметрами.

Весь лабораторный практикум разделен на пять тем.

1. Снятие и изучение статических характеристик объекта управления.

2. Экспериментальное определение динамических параметров объекта.

3. Определение оптимальных значений параметров настройки ПИ-регулятора.

4. Определение параметров переходных процессов в системе автоматического управления.

5. Комплексное исследование системы автоматического управления технологическим параметром металлургического производства.

Компактное изложение материала не требует использования дополнительной литературы и рассчитано на выполнение всего объема работы по каждой теме примерно за 40-60 минут. Результаты выполнения лабораторной работы заносятся студентом в лабораторный журнал в последовательности, соответствующей порядку выполнения работы.

За оставшиеся 30-40 минут студент должен оформить отчет о проведении лабораторной работы и «защитить» полученные результаты путем квалифицированного объяснения хода выполнения работы и физический смысл каждого полученного в ходе эксперимента результата. Проверить качество усвоенного материала можно с помощью контрольных вопросов, которые даны в конце каждой лабораторной работы.

Предварительную подготовку к выполнению лабораторных работ и подготовку лабораторного журнала каждый студент должен выполнить самостоятельно до выполнения работы.

Программа имитации промышленной системы автоматического управления технологическим параметром

Для выполнения данных работ и изучения процессов, происходящих в промышленной САУ технологическим параметром, используется компьютерная имитационная программа «САУ», которая моделирует работу реального промышленного контура регулирования.

Программа имитации располагается в исполняемом файле САU.EXE и запускается автоматически после включения ПЭВМ, расположенной в лаборатории. Общий вид окна программы представлен на рис.1.

Рис.1 Общий вид окна программы имитации промышленной САУ технологическим параметром

Окно программы включает следующие элементы имитируемой системы (см. рис.1):

1 – измерительный прибор;

2 – блок ручного управления исполнительным механизмом (ИМ);

3 – дистанционный указатель положения вала ИМ;

4 – органы настройки регулятора;

5 – ручной задатчик;

6 – кнопки управления ходом процесса регулирования в имитируемой САУ;

7 – кнопка размыкания контура;

8 – поле отображения процессов в САУ;

9 – меню команд управления программой;

10 – отображение номера варианта;

11 – переключатели между локальным внутренним регулятором и внешним регулирующим устройством.

Показывающий измерительный прибор отображает текущее значение сигнала с выхода имитируемого объекта управления (ОУ) в единицах измерения контролируемого параметра.

Блок ручного управления позволяет выбрать режим управления контуром «автоматический» – «ручной» и изменять положение вала ИМ в ручном режиме управления. Также блок сигнализирует о наличии сигналов «больше» и «меньше», поступающих на ИМ, как в ручном, так и в автоматическом режиме управления. Сигнализация наличия управляющих импульсов и вида режима управления осуществляется красным цветом.

Дистанционный указатель положения показывает текущее положение вала исполнительного механизма в % хода.

Органы настройки регулятора позволяют установить параметры настройки ПИД-регулятора: коэффициент передачи регулятора К_Р; время изодрома Т_ИЗ и время предварения Т_П. Изменение параметра настройки осуществляется с помощью манипулятора «мышь». Для изменения параметра необходимо подвести к соответствующей ручке параметра настройки указатель, нажать на левую кнопку манипулятора и переместить указатель по вертикали. Движение указателя по вертикали вверх увеличивает значение параметра настройки, вниз – уменьшает.

С помощью ручного задатчика в систему управления задается текущее значение задания контура. Изменение задания контура осуществляется по такому же принципу, как и изменение настроек регулятора.

Кнопки управления ходом процесса позволяют останавливать и запускать после остановки процесс в САУ или производить сброс всех внутренних сигналов в системе (текущее время, накопленное значение в интегральной части регулятора, входной и выходной сигналы объекта управления и т.д.) и приведение системы в исходное состояние.

Кнопка размыкания контура САУ позволяет разомкнуть связь между исполнительным механизмом и регулирующим органом. Кроме того, сигнал размыкания контура останавливает («замораживает») в звене моделирования динамических свойств ОУ все переходные процессы.

В поле отображения процессов в САУ в графическом виде показывается изменение выхода ОУ (красная линия), положение вала ИМ (синяя линия) и задание контура (желтая линия) во времени. По оси абсцисс указывается текущее время в секундах в системе. По левой оси ординат – выходной сигнал ОУ, по правой – положение вала ИМ.

Меню программы служит для выбора варианта, открытия окна описания контура и порядка выполнения работы, сохранения результата работы, пуска и останова процесса в системе.

Рис.2 Структурная схема имитируемого контура САУ

Структурная схема имитируемого контура имеет вид, показанный на рис.2. Алгоритмы, заложенные в основу функционирования «САУ», моделируют работу следующих звеньев системы управления.

1. Статическая характеристика ОУ.

2. Динамические свойства ОУ.

3. Интегрирующее звено ИМ с блоком концевых выключателей (КВ), ограничивающих выходную величину интегрирующего звена и хода регулирующего органа (РО).

4. ПИД-регулятор с возможностью оперативного изменения параметров настройки.

5. Релейный элемент формирующий сигналы ₁ на ИМ.

6. Элементы сравнения: ЭС₁ для формирования сигнала рассогласования контура () и ЭС₂ для формирования входного сигнала u() релейного элемента.

7. Блок переключения режимов управления «ручной» – «автоматический».

8. Блок формирования сигнала ₂ для управления ИМ в ручном режиме.

Кроме формирования контура локального управления в программе предусмотрена возможность переключения между внутренним локальным регулятором (ВНТР) и внешним регулятором, сигналы которого поступают в систему имитации по одному из возможных интерфейсов связи: последовательному интерфейсу («СОМ»), параллельному интерфейсу («LTP»), сетевому каналу («NET»).

Протоколы объекта по каждому интерфейсу приведены в окне описания работы с программой и в отдельной инструкции.

Используя эти внешние интерфейсы связи с внешними регуляторами, программу имитационного моделирования можно использовать для изучения переходных процессов в САУ с другими типами регуляторов, формируемых аппаратными средствами (например, РП25) или программно в микропроцессорных контроллерах либо ПЭВМ. Данные виды работ выходят за объем настоящего курса и проводятся в работах по другим дисциплинам или при самостоятельной работе.