Курсовой проект по МДК 4.1 Теоретические основы разработки и моделирования несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Югорский государственный университет»
НИЖНЕВАРТОВСКИЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИКУМ (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования
«Югорский государственный университет»
МДК 04.01 «Теоретические основы разработки и моделирования несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов»
Методические указания по курсовому проекту
для студентов образовательных учреждений
среднего профессионального образования
всех форм обучения (очная, заочная)
по специальности 15.02.07. Автоматизация технологических процессов и производств
Нижневартовск 2016
Рассмотрено
На заседании ПЦК ЭТД
Протокол № 5 от 24.05.2016г.
Председатель ПЦК
____________М. Б. Тен
УТВЕРЖДАЮ
Зам. директора по УВР
ННТ (филиал) ФГБОУ ВО «ЮГУ»
_____________ Р.И. Хайбулина
« » 2016г.
Соответствует:
1. Федеральному государственному стандарту (ФГОС) по специальности 15.02.07. Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) утвержденному 18.04.2014 (приказ № 349)
Разработчик:
Тен Марина Борисовна, высшая квалификационная категория, преподаватель Нижневартовского нефтяного техникума (филиал) ФГБОУ ВО «ЮГУ».
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания по курсовому проекту по МДК 04.01 «Теоретические основы разработки и моделирования несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов» для студентов очной и заочной форм обучения разработаны в соответствии с требованиями Федерального государственного стандарта (ФГОС) по специальности 15.02.07. Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям), рабочей программе профессионального модуля ПМ 04 Разработка и моделирование несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов
Курсовой проект имеет цель закрепить и систематизировать знания студентов, развить навыки в самостоятельной работе и научить их практически применять полученные ими теоретические знания при решении вопросов производственно- технического характера.
Дидактическими целями курсового проектирования являются: обучение студентов профессиональным умениям; углубление, обобщение, систематизация и закрепление знаний по МДК; формирование умений и навыков самостоятельного умственного труда; комплексная проверка освоения профессиональных и общих кометенций.
Данное пособие ставит своей целью оказание помощи студентам при выполнении курсового проекта по МДК 04.01 «Теоретические основы разработки и моделирования несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов»
Курсовой проект выполняется после изучения теоретической части МДК 04.01 «Теоретические основы разработки и моделирования несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов»
Целью курсового проекта является освоение методик разработки и моделирования систем автоматического регулирования, построения графиков временных и частотных характеристик и исследования систем автоматического регулирования, а также приобретения навыков в пользовании технической литературой, справочниками, нормативными документами. Работа над курсовым проектом способствует систематизации, закреплению, углублению знаний, полученных студентами в ходе теоретического обучения, применению этих знаний для комплексного решения поставленных задач. В результате выполнения курсового проекта студенты должны освоить профессиональные компетенции:
ПК 4.1Проводить анализ систем автоматического управления с учетом специфики технологических процессов.
ПК 4.2 Выбирать приборы и средства автоматизации с учетом специфики технологических процессов.
ПК4.3 Составлять схемы специализированных узлов, блоков, устройств и систем автоматического управления.
ПК 4.4 Рассчитывать параметры типовых схем и устройств
Тематика курсового проекта выбирается в соотвествии с местом прохождения производственной практики
2 СТРУКТУРА курсового проекта
Курсовой проект состоит из двух частей: пояснительной записки и графической части.
Структура пояснительной записки:
титульный лист;
содержание;
перечень листов графической части;
перечень условных обозначений и приятых сокращений;
введение;
глава 1;
глава 2;
глава 3;
заключение;
библиографический список;
приложения.
Графическая часть состоит из двух листов формата А1, при этом чертежи и схемы могут быть разработаны на формате А1 или А2, конкретный набор графической части определяется в индивидуальном задании и может включать следующие схемы и чертежи:
схему автоматизации функциональную;
схему соединений внешних проводок;
принципиальные электрические схемы;
схемы электрических подключений;
структурную схему контроллера.
3 СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Введение
Введение содержит следующие разделы:
а. Актуальность темы проекта (обоснование необходимости исследования вопросов, связанных с предметом исследования), например Актуальность создания автоматизированных систем управления значительно возросла, в связи c затратами на содержание обслуживающего персонала и поддержания экологии окружающей среды;
б. Объект – (совокупность связей и отношений свойств, которая существует объективно в теории и практике и служит источником необходимой для исследователя информации). Объектом исследования определяют явление или процесс объективной реальности, на который направлена исследовательская деятельность субъекта, например для темы «Разработка системы автоматизации скважин ЭЦН, ШГН и АГЗУ на кусту скважин», объектом будет куст скважин;
в. Предмет исследования (более конкретен и включает только те связи и отношения, которые подлежат непосредственному изучению в данном проекте, устанавливает границы научного поиска). В каждом объекте можно выделить несколько предметов исследования, но в работе должен быть указан один предмет исследования. Предметом исследования определяют конкретные свойства объекта, например для темы «Разработка системы автоматизации скважин ЭЦН, ШГН и АГЗУ на кусту скважин», предметом будет скважины ЭЦН, ШГН и АГЗУ;
Из предмета исследования вытекают его цель и задачи.
г. Цель (формулируется кратко и предельно точно, в смысловом отношении выражая то основное, что намеревается сделать исследователь).
Примеры: 1. Цель проекта разработка системы автоматизации на базе оптимально подходящих средств автоматизации. Моделирование устойчивой и качественной системы автоматического регулирования
Цель конкретизирует и развивается в задачах исследования.
Задача должна быть сформулирована с использованием глагола в форме инфинитива, например: разработать, проанализировать, выявить и т.д.
Первая задача, как правило, связана с выявлением, уточнением, углублением, методологическим обоснованием сущности, природы, структуры изучаемого объекта. Например, проанализировать назначение объектов и разработать структурную схему куста скважин
Вторая – с анализом реального состояния предмета исследования, динамики, внутренних противоречий развития. Например, проанализировать технологию работы и основные технические характеристики АГЗУ, определить параметры автоматизации и условия эксплуатации средств автоматизации.
Третья и четвертая – со способами преобразования, моделирования, проверки либо с выявлением путей и средств повышения эффективности совершенствования исследуемого явления, процесса, т.е. с практическими аспектами работы, с проблемой управления исследуемым объектом. Например, разработать схему автоматизации, определить способы внешних соединений средств автоматизации, исследовать способы монтажа, ремонта, поверки средств автоматизации, определить экономическую эффективность
Методы исследования включают использование конкретных теоретических и эмпирических методов исследования, например: анализ научно-методической литературы, документальных источников и др.
Структура и объем работы (указывается, из каких структурных
элементов состоит работа: введение, количество глав, параграфов, заключение, библиографический список, с указанием количества наименований, а также объем работы в страницах и др.).
Объем введения составляет 2-3 страницы.
2 ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (САР)
2.1 Технологическая характеристика объекта регулирования
В этом подразделе курсового проекта необходимо коротко изложить технологию и основные технологические характеристики рассматриваемого объекта регулирования.
2.2 Математическая модель объекта регулирования
Необходимо начертить переходную характеристику объекта регулирования согласно варианта в заданном масштабе.
По виду переходной характеристики, необходимо определить каким типовым динамическим звеньям соответствует объект регулирования по динамическим свойствам. Записать передаточную функцию этих звеньев и по графику определить численные значения коэффициентов.
Например:
По экспериментально снятой переходной характеристике (рисунок 2.1) определяем передаточную функцию объекта регулирования.
Объект регулирования соответствует последовательному соединению нескольких апериодических звеньев и звена запаздывания, поэтому его передаточная функция
13 EMBED Equation.3 1415-р
· , (2.1)
где
W1
- передаточная функция;
К1
- коэффициент усиления;
Т1
- постоянная времени;
m
- число апериодических звеньев;
·
- время запаздывания.
Для определения численных значений коэффициентов K1, Т1,
·1 по графику находим установившееся значение регулируемого параметра hуст, hуст = 14. Перейдём в относительные единицы, приняв значение hуст за 1, разделим полученный отрезок на десять равных частей, отметим точки а=0,7, i=0,3. Определим по графику время соответствующее этим точкам ti=9,8 и tа=11,8. Принимаем значение m=3.
По таблице 7.8 [1] определяем значение постоянных коэффициентов Та*, Аia , Вia , для а=0,7 и i=0,3 в зависимости от степени m передаточной функции
m = 3,
Т7* = 0,277,
А37 = 1,125,
В37 = 1,889.
Определяем время запаздывания объекта регулирования
13 EMBED Equation.3 1415, (2.2)
13 EMBED Equation.3 1415
Определяем постоянную времени объекта регулирования
(2.3)
Т1 = 0,277 (11,8 – 9,8) = 1,19
Определяем коэффициент усиления объекта регулирования
вх13 EMBED Equation.3 1415 (2.4)
где hуст – установившееся значение регулируемой величины.
Так как нам дана переходная характеристика, то Хвх=1, значит
K1 = hуст, (2.5)
K1=14
В результате получаем передаточную функцию ОР в виде
13 EMBED Equation.3 1415-7,5р
2.3 Определение оптимальных параметров настройки регулятора
В соответствии с заданным законом регулирования (исходные данные) необходимо определить передаточную функцию автоматического регулятора и рассчитать параметры настройки.
Например:
Согласно исходных данных закон регулирования пропорциональный.
Уравнение закона регулирования имеет вид:
y = K
· (2.6)
где y - выходная величина;
K – коэффициент усиления;
· – рассогласование.
Запишем закон регулирования в общем виде:
Хвых = K2Хвх (2.7)
Определим передаточную функции автоматического регулятора W2(p)
Хвых(р) = К2Хвх(р)
W2(р) = К2 (2.8)
Определяем параметры настройки регулятора по формулам ВТИ (таблица 7.13 [1]):
- характеристика объекта:
(2.9)
- определяем предел пропорциональности:
· = 2K1, (2.10)
· = 2*14 =28
Определяем коэффициент усиления автоматического регулятора K2:
(2.11)
В результате получаем передаточную функцию АР в виде
W2(p)=0,035
2.4 Математическая модель исполнительного механизма и измерительного преобразователя
В качестве исполнительных механизмов в САР широкое применение находят электрические двигатели переменного тока. В системах, где требуется регулирование скорости исполнительного механизма применяют трёхфазные асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Если регулирование скорости не требуется, то применяют электродвигатели с короткозамкнутым ротором. В качестве исполнительных механизмов небольшой мощности широко применяют двухфазные асинхронные двигатели. Динамические свойства асинхронных электродвигателей определятся дифференциальным уравнением
13 EMBED Equation.3 1415 (2.12)
где Тм – электромеханическая постоянная времени электродвигателя, с;
Кр – коэффициент передачи электродвигателя;
Uр – напряжение на роторе, В;
Q – угловая скорость ротора, рад/с.
Электромеханическая постоянная времени Тм в зависимости от инерционности ОР может быть в пределах Тм=0,006ч2 с. В курсовом проекте, например, принимаем Тм=2с.
Согласно исходных данных, например, Кр=4, таким образом передаточная функция ИМ:
13 EMBED Equation.3 1415 (2.13)
13 EMBED Equation.3 1415
Измерительный преобразователь по динамическим свойствам соответствует усилительному звену. Его уравнение:
Хвых=КХвх (2.14)
Коэффициент усиления К=1, следовательно передаточная функция ИП:
W5(p)=1 (2.15)
3 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
3.1 Регулирование технологического процесса
Необходимо выбрать типы элементов САР, привести описание их принципа действия, технических характеристик. Описать работу системы автоматического регулирования.
3.2 Структурная схема разомкнутой САР по задающему и возмущающему воздействию
Необходимо разработать структурную схему системы автоматического регулирования по задающему и возмущающему воздействиям. Определить передаточную функцию разомкнутой системы.
Например.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 3.1 – Структурная схема
Рассчитываем передаточную функцию последовательно соединённых элементов
Передаточная функция разомкнутой САР по задающему воздействию
13 EMBED Equation.3 1415 (3.1)
Передаточная функция разомкнутой САР по возмущающему воздействию
13 EMBED Equation.3 1415 (3.2)
3.3 Структурная схема замкнутой системы автоматического регулирования по задающему и возмущающему воздействиям
Определим передаточную функцию замкнутой САР по задающему воздействию (рисунок 3.1):
13 EMBED Equation.3 1415 (3.3)
Определим передаточную функцию замкнутой САР по возмущающему воздействию (рисунок 3.1):
13 EMBED Equation.3 1415 (3.4)
4 УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
4.1 Устойчивость по критерию Гурвица. Критический коэффициент усиления
По критерию Гурвица система устойчива, если при а0>0 определители Гурвица положительны. Пусть характеристическое уравнение рассматриваемой системы
3,36р4 +10,14р3+11,37р2+5,57р+2,17=0
13 EMBED Equation.3 1415
Рассчитываем определители Гурвица
·1=10,14
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Вывод: Система устойчива.
Определяем граничный коэффициент усиления по критерию Гурвица.
Заменяем коэффициенты усиления буквенными обозначениями.
13 EMBED Equation.3 1415
W2(p)=K2
W3(p)=K3
13 EMBED Equation.3 1415
W5(p)=K5
Рассчитываем передаточную функцию САР.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Таким образом характеристическое уравнение системы имеет вид:
3,36р4+10,14р3+11,37р2+5,57р+1+K2K1-5=0
Внесём замену K2K1-5=Kгр.
3,36р4+10,14р3+11,37р2+5,57р+1+Kгр=0
Составляем определитель Гурвица:
13 EMBED Equation.3 1415
Система находится на границе устойчивости, если один из определителей Гурвица равен 0.
13 EMBED Equation.3 1415
Из полученного выражения определяем Kгр.
642,17-102,81-102,81Kгр-104,24=0
-102,81Kгр=-435,12
Kгр=4,23
Таким образом критический коэффициент усиления Kгр=4,23.
4.2 Устойчивость по критерию Михайлова. Критический коэффициент усиления
Согласно критерию Михайлова система устойчива, если годограф Михайлова проходит последовательно против часовой стрелки n-четвертей комплексной плоскости при изменении
·=0 ч +13 EMBED Equation.3 1415. Пусть характеристическое уравнение системы:
3,36р4 +10,14р3+11,37р2+5,57р+2,176=0
Полином Михайлова:
13 EMBED Equation.3 1415
Задаваясь значениями
·=0 ч +13 EMBED Equation.3 1415 строим годограф Михайлова.
Расчет необходимо выполнить программным путем. Например с использованием EXEL. Составляем программу для данного примера.
В2=3,36*B1^4-11,37*B1^2+2,176
В3=-10,14*B1^3+5,57*B1
Таблица 4.1 – Результаты расчета
W
0
0,01
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1
Re
2,176
2,17486
2,06264
1,17992
-0,4565
-2,5886
-4,8292
-5,834
Im
0
0,05569
0,54686
1,39722
1,5175
0,42098
-2,3791
-4,57
Годограф необходимо построить с использованием программной среды.
13 EMBED Excel.Chart.8 \s 1415
Рисунок 4.1 – Годограф Михайлова
Вывод: система устойчива.
Определяем граничный коэффициент по критерию Михайлова.
Характеристическое уравнение при неизвестных коэффициентах усиления имеет вид:
3,36р4+10,14р3+11,37р2+5,57р+1+Kгр=0
Полином Михайлова равен:
F(j
·)13 EMBED Equation.3 1415
Система находится на границе устойчивости, если годограф Михайлова проходит через начало координат при частоте
·
·0. Следовательно, система находится на границе устойчивости, если действительная и мнимая части равны 0.
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
4.3 Устойчивость по критерии Найквиста. Запас устойчивости по амплитуде и фазе
Для того чтобы система была устойчива в замкнутом виде необходимо и достаточно чтобы годограф АФХ устойчивой разомкнутой системы не охватывал точку на комплексной плоскости с координатами
(-1;0) при изменении
·=0 ч +0. Разомкнутая система считается устойчивой, если состоит из устойчивых типовых звеньев.
Пусть передаточная функция разомкнутой системы.
13 EMBED Equation.3 1415
Определяем АФХ:
13 EMBED Equation.3 1415
Задаваясь значениями 13 EMBED Equation.3 1415 строим АФХ разомкнутой системы с использованием Excel:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
Таблица 4.2 – Результаты расчёта
W
0
0,01
0,1
0,3
0,5
0,7
1
Re
1,176
1,17369
0,96084
0,002359
-0,38645
-0,30853
-0,11773
Im
0
0,065437
0,592628
0,841665
0,359225
0,034502
-0,07675
13 EMBED Excel.Chart.8 \s 1415
Рисунок 4.3 – Годограф АФХ
Вывод: система устойчива
Запас устойчивости по амплитуде и фазе определяем по годографу АФХ разомкнутой системы
Запас устойчивости по амплитуде
·А=0,74
Запас устойчивости по фазе
·
·=1300
5 КАЧЕСТВО САУ
5.1 График переходного процесса
График переходного процесса можно построить методом трапеций. Для этого необходимо определить АФХ замкнутой системы, выделить действительную частотную характеристику, построить график ДЧХ. Затем выполнить операции в следующей последовательности.
Разбиваем ДЧХ на трапеции, так чтобы две стороны каждой трапеции были параллельны оси (, третья совпадала с осью Р.
Определяем для каждой трапеции (0,(d и h0.
Вычисляем для каждой трапеции (=13 EMBED Equation.3 1415.
По значению ( находим по таблице значения h( функций, задаваясь значениями (, для каждой трапеции.
Рассчитываем t для каждой трапеции 13 EMBED Equation.3 1415, h= h(h0.
Строим графики переходных процессов для каждой трапеции в одних координатах.
Складывая ординаты с учетом знака, строим график переходного процесса.
Рассмотрим построение графика переходного процесса на примере.
Определяем АФХ замкнутой системы:
13 EMBED Equation.3 1415
Строим график ДЧХ
Таблица 5.1 – Результаты расчёта ДЧХ
W
0
0,01
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1
P
15,44118
15,43913
15,21999
11,85411
-6,108
-12,6457
-5,59886
-3,56921
Разбиваем ДЧХ на трапеции, так чтобы две стороны каждой трапеции были параллельны оси
·, третья совпадала с осью Р.
13 EMBED Excel.Chart.8 \s 1415
Рисунок 5.1 –Действительная частотная характеристика
Определяем для каждой трапеции
·0,
·d, h0.
Например, 1 трапеция:
·0=0,54.
·d =0 ,31
h0=45,5
Вычисляем для каждой трапеции значение Х:
трапеция: 13 EMBED Equation.3 1415
По значении Х находим по таблице значения hx функции, задаваясь значениями
·, для каждой трапеции.
Таблица 5.2 – Результаты расчета графиков переходного процесса
·
hх
t
h
0
0
0
0
5
1,067
2,777778
5,335
8,5
1,024
4,722222
5,12
10
1,027
5,555556
5,135
15
0,995
8,333333
4,975
17
0,996
9,444444
4,98
Строим графики переходных процессов для каждой трапеции в одних координатах.
Рисунок 5.2 – График переходного процесса
Рассмотрим аналитический метод построения графика переходного процесса с использованием программы «Mathcad 11 Enterprise Edition.Ink».
Для построения переходных характеристик САУ наиболее целесообразным является использование формулы разложения для простых и одного нулевого полюсов изображения выходной величины у.
13 EMBED Equation.3 1415 (5.1)
где х – величина входного воздействия;
В(р) – числитель передаточной функции;
А(р) – знаменатель передаточной функции (характеристическое уравнение);
рк – корень характеристического уравнения
Рассмотрим построение графика переходного процесса в Mathcad.
Вводим характеристическое уравнение (знаменатель передаточной функции) согласно варианта. Для этого использовать панель «арифметические инструменты»
13 EMBED Mathcad 1415
Рассчитываем производную от характеристического уравнения.
13 EMBED Mathcad 1415
Числитель передаточной функции
13 EMBED Mathcad 1415
определяем корни характеристического полинома используя функцию root (вставка функции, категория – все)
Составляем вектор корней характеристического уравнения (используем панель «векторные и матричные исчисления»).
13 EMBED Mathcad 1415
Рассчитываем корни уравнения (знак =)
13 EMBED Mathcad 1415
Задаемся переборм корней Используем панель «векторные и матричные исчисления» .
13 EMBED Mathcad 1415
Входное воздействие при построении переходной характеристики равно 1, следовательно согласно уравнения 7.1, установившаяся составляющая:
Переходная составляющая:
13 EMBED Mathcad 1415
Переходная характеристика:
13 EMBED Mathcad 1415
Задаемся значением времени и строим график переходной характеристики. Если среди корней характеристического уравнения есть действительный корень, то строим график у(t), если все корни комплексные, то строим график действительной части Re(y(t)).
13 EMBED Mathcad 1415
13 EMBED Mathcad 1415
Рисунок 5.3 – График переходного процесса
5.2 Прямые показатели качества
Так как выходная величина системы под воздействием типа ступенчатой функции стремится к новому установившемуся значению и регулирование происходит со статической ошибкой, то это график статического регулирования.
Определяем показатели качества:
Время регулирования tр.
Максимальное относительное отклонение
·м от установившегося значения:
13 EMBED Equation.3 1415 (5.1)
Колебательность
·.
Степень затухания:
13 EMBED Equation.3 1415 (5.2)
Заключение
В заключение необходимо сделать вывод о соответствии рассчитанной системы автоматического регулирования устойчивости и качеству.
ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Гальперин М.В.Автоматическое управление М.:ФОРУМ:ИНФРА-М,2010.-224с.
Слевцов Л.И. , Слевцов А.Л. Автоматизация технологических процессов М.: Академия,2011-352с
Шишмарев В.Ю. Автоматизация технологических процессов. М.: Академия, 2012 -352 с.
Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУ ТП: проектирование и разработка М.: Инфра-Инженерия, 2008 - 928с.
Калиниченко А.В. Справочник инженера по контрольно-измерительным приборам и автоматике. М.: Инфра-Инженерия, 2008 – 576с.
Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие/ А.С. Клюев, А.Т. Лебедев, С.А. Клюев, А.Г. Товарнов; Под ред. А.С. Клюева. М.: Энергоатомиздат,1989. – 368 с.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
13PAGE 143415
13PAGE 14415
y
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Excel.Chart.8 \s 1415
f
g
W5
W1
W3
W4
W2