Лабораторная работа. «Средства контроля в системах управления технологическими процессами»



страница1/6
Дата14.02.2017
Размер1.21 Mb.
Просмотров1708
Скачиваний0
ТипЛабораторная работа
  1   2   3   4   5   6

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Казанский (Приволжский) федеральный университет”



Институт геологии и нефтегазовых технологий

Кафедра высоковязких нефтей и природных битумов

Лабораторная работа.

«Средства контроля в системах управления технологическими процессами».

Методическое пособие

Казань


ВВЕДЕНИЕ

1 Основные термины и определения теории автоматического управления (ТАУ)

1.1.1 Основные понятия

Системы управления современными химико-технологическими процессами характеризуются большим количеством технологических параметров, число которых может достигать нескольких тысяч. Для поддержания требуемого режима работы, а в конечном итоге – качества выпускаемой продукции, все эти величины необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону. Данный процесс называется управлением.

Решение задачи управления такими процессами вручную не всегда представляется возможным вследствие ограниченности возможностей операторов по быстродействию, точности, безошибочности действий. Управление в таких случаях возможно только путем применения автоматических регуляторов и управляющих устройств (т.е. автоматических и автоматизированных систем управления). Под разработкой автоматических систем регулирования понимается, во-первых, выбор соответствующих регуляторов, датчиков и исполнительных устройств, во-вторых, расчет настроек для выбранного оборудования. Теория автоматического управления (ТАУ) представляет собой математический инструмент для решения задачи разработки такой системы.

Перед ТАУ ставятся основные задачи:

1) анализ существующих систем управления на предмет определения качества их функционирования;

2) синтез новых систем управления – разработка методов расчета настроек регуляторов;

3) решение диагностических задач.

Прежде чем знакомиться с методами ТАУ, необходимо определиться с основными понятиями, которые будут использованы в дальнейшем.

Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса. Например, параметрами технологического процесса могут быть: температура, давление, расход, напряжение и т.д.

Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называется регулируемой величиной или регулируемым параметром.

Значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением.

Значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени на основании данных некоторого измерительного прибора, называется ее измеренным значением.



Объект управления (объект регулирования) – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.

Управление – формирование управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый режим работы объекта управления (ОУ).

Регулирование – частный вид управления, когда задачей является обеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ.

Автоматическое управление – управление, осуществляемое без непосредственного участия человека.

Входное воздействие (Х) – воздействие, подаваемое на вход системы или устройства.

Выходное воздействие (Y) – воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства.

Внешнее воздействие – воздействие внешней среды на систему.

Датчик (Д) – устройство или комплекс устройств, преобразующих измеряемый параметр технологического процесса в вид, удобный для дальнейшей передачи и использования. Как правило, технологические параметры неудобно или невозможно контролировать (наблюдать, выводить на пульт оператора и т.д.) напрямую без дополнительных технических средств. Например, температуру нельзя наблюдать визуально, контроль температуры тела возможен только в сравнении со степенью нагретости какого-либо другого тела. Чтобы контроль параметров стал возможен, используют разного рода датчики, которые преобразуют измеряемые параметры в показания на шкале прибора (показывающие датчики, например, ртутный термометр), в разность потенциалов (например, термопары) в сопротивление (термометры сопротивления), в давление (пневматические датчики).

Датчик измеряет технологический параметр, преобразует его в другой вид энергии и передает управляющей части.



Управляющая часть реализует алгоритмы управления. В автоматических системах управления этой частью является регулятор, для систем ручного управления – человек-оператор. В управляющей части генерируются управляющие воздействия на объект управления (например, решения на включение/выключение рубильника, изменения напряжения и т.д.). Для реализации управляющих воздействий служат исполнительные устройства (ИУ).

Работа датчиков и исполнительных устройств в отличие от управляющей части заключается лишь в преобразовании энергии, изменения информации в них практически не происходит (если не считать погрешности). Поэтому при анализе и синтезе систем управления чаще эти части СУ опускают, считая их коэффициенты усиления равными «1». Наиболее часто в ТАУ при расчетах пользуются общей схемой одноконтурной АСР (см. рисунок 1.7).

На схеме приняты обозначения: x - задающее воздействие (задание), e = х - у - ошибка регулирования, u - управляющее воздействие, f - возмущающее воздействие (возмущение).

Элемент называется сумматором. Его действие заключается в суммировании поступающих к нему сигналов. Если какой-либо сектор сумматора зачернен, то сигнал, поступающий в данный сектор, берется со знаком «минус». Поэтому в данной схеме ошибка е определяется как разность между х и у.

Р

ОУ

x



e

u

y



f

сумматор
Рисунок 1.7

Определения:

Задающее воздействие (то же, что входное воздействие х) - воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины).

Управляющее воздействие (u) - воздействие управляющего устройства на объект управления.

Управляющее устройство (УУ) - устройство, осуществляющее воздействие на объект управления с целью обеспечения требуемого режима работы.

Возмущающее воздействие (f) - воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Ошибка управления (е = х - у) - разность между предписанным (х) и действительным (у) значениями регулируемой величины.

Регулятор (Р) - комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенному закону.

Автоматическая система регулирования (АСР) - автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление (u) вырабатывается в результате сравнения истинного значения у с заданным значением х.

Дополнительная связь в структурной схеме АСР, направленная от выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называется обратной связью (ОС). Обратная связь может быть отрицательной или положительной.



Принцип функционирования одноконтурной АСР: регулятор производит постоянное сравнение текущего значения регулируемой величины у с заданным значением х, определяя ошибку е = ху. Если текущее значение равно заданному, то регулятор не изменяет управляющее воздействие (АСР работает в установившемся режиме), в противном случае управляющее воздействие на объект u изменяется в соответствии с величиной ошибки. Чем больше ошибка регулирования (и дольше она наблюдается), тем больше изменение управляющего воздействия.

Данная схема справедлива как для автоматического, так и для ручного управления. При ручном регулировании человек-оператор, наблюдая за показаниями датчиков, мысленно сравнивает их с заданными значениями, т.е. определяет величину ошибки регулирования и, исходя из этого, решает, какие действия предпринимать.


1.1.2 Классификация автоматических систем регулирования

1 По назначению (по характеру изменения задания):

  • стабилизирующая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать регулируемую величину на постоянном значении (x=const);

  • программная АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией (x  изменяется программно, например, как функция времени);

  • следящая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в зависимости от заранее неизвестной величины на входе АСР (x изменяется произвольно).

2 По количеству контуров:

  • одноконтурные - содержащие один контур регулирования (одну обратную связь по регулируемому параметру),

  • многоконтурные - содержащие несколько контуров регулирования (несколько обратных связей, например, по нескольким параметрам, по скорости/ускорению изменения параметра и т.д.).

3 По числу регулируемых величин:

  • одномерные - системы с 1 регулируемой величиной,

  • многомерные - системы с несколькими регулируемыми величинами.

Многомерные АСР в свою очередь подразделяются на системы:

а) несвязанного регулирования, в которых регуляторы непосредственно не связаны и могут взаимодействовать только через общий для них объект управления;

б) связанного регулирования, в которых регуляторы различных параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования.



4 По функциональному назначению:

АСР температуры, давления, расхода, уровня, напряжения и т.д.



5 По характеру используемых для управления сигналов:

  • непрерывные,

  • дискретные (релейные, импульсные, цифровые).

6 По характеру математических соотношений:

  • линейные, для которых справедлив принцип суперпозиции;

  • нелинейные.

Примечание - Если на вход объекта подается несколько входных воздействий, то реакция объекта на сумму входных воздействий

объект


х1 у

х2


Рисунок 1.8

равна сумме реакций объекта на каждое воздействие в отдельности:

(х1 + х2) = (х1) + (х2),

где  - линейная функция (интегрирование, диф-

ференцирование и т.д.). Данный принцип называется принципом суперпозиции (наложения).

7 По виду используемой для регулирования энергии:


  • пневматические,

  • гидравлические,

  • электрические,

  • механические и др.

8 По наличию внутреннего источника энергии

  • системы прямого действия,

  • системы с вспомогательным источником энергии.

9 По принципу регулирования:

  • по отклонению:

Р

ОУ

x



e

u

f



Рисунок 1.9

Подавляющее большинство систем построено по принципу обратной связи - регулирования по отклонению (см. рисунок 1.9). Принцип действия такой системы рассмотрен выше.




  • по возмущению.

y

К

ОУ



f

u

Рисунок 1.10



Данные системы могут быть использованы в том случае, если есть возможность измерения возмущающего воздействия (см. рисунок 1.10).

На схеме обозначено К - корректирующее звено.



  • комбинированные - сочетают в себе особенности предыдущих АСР.

Данный способ (см. рисунок 1.11) достигает высокого качества управления, поскольку здесь идет коррекция управляющего воздействия не только по величине ошибки, но и по возмущающему воздействию, однако применение данного способа регулирования ограничено тем, что возмущающее воздействие f не всегда возможно измерить.
Р

ОУ

x



e

u

f



К

у

Рисунок 1.11




1.1.3 Классификация элементов систем

Системы управления строятся из элементов (устройств, к числу которых можно отнести регуляторы, датчики, исполнительные устройства, а также элементы объекта управления). Элементы СУ также можно классифицировать по нескольким признакам.



1 По функциональному назначению:

  • измерительные,

  • усилительно-преобразовательные,

  • исполнительные,

  • корректирующие.

2 По виду энергии, используемой для работы:

  • электрические,

  • гидравлические,

  • пневматические,

  • механические,

  • комбинированные.

3 По наличию или отсутствию вспомогательного источника энергии:

  • активные (с источником энергии),

  • пассивные (без источника).

4 По характеру математических соотношений:

  • линейные – для которых справедлив принцип суперпозиции,

  • нелинейные.

5 По поведению в статическом режиме:

  • статические, у которых имеется однозначная зависимость между входным и выходным воздействиями (состояние статики). Примером является любой тепловой объект. Например, если на вход электрического нагревателя подать некоторое напряжение, то с течением времени его температура установится на соответствующем значении (вид зависимости температуры от времени может иметь вид, представленный на рисунке 1.12, а). При этом установившаяся температура будет зависеть от величины поданного напряжения.

Т, °С

, рад.


t

t

Туст




  • а) б)

  • Рисунок 1.12

  • астатические - у которых эта зависимость отсутствует. То есть, при постоянном входном воздействии амплитуда сигнала на выходе непрерывно растет с постоянной скоростью, ускорением и т.д. Пример: Зависимость угла поворота ротора электродвигателя от приложенного напряжения. При подаче напряжения угол поворота будет постоянно возрастать, поэтому однозначной зависимости у него нет (пример см. на рисунке 1.12, б).


1.2 Характеристики и модели элементов и систем
1.2.1 Основные модели

Работу системы регулирования можно описать словесно. Словесное описание помогает понять принцип действия системы, ее назначение, особенности функционирования и т.д. Однако, что самое главное, оно не дает количественных оценок качества регулирования, поэтому не пригодно для изучения характеристик систем и построения систем автоматизированного управления. Вместо него в ТАУ используются более точные математические методы описания свойств систем:



  • статические характеристики,

  • временные характеристики,

  • дифференциальные уравнения,

  • передаточные функции,

  • частотные характеристики и др.

звено

X

F



Y

Рисунок 1.13

В любой из этих моделей система может быть представлена в виде звена, имеющего входные воздействия Х, возмущения F и выходные воздействия Y (см. рисунок 1.13). Под влиянием входных воздействий выходная величина может изменяться.

Установившийся режим - это режим, при котором расхождение между истинным значением регулируемой величины и ее заданным значением будет постоянным во времени.
1.2.2 Статические характеристики

ууст

х

Рисунок 1.14



Статической характеристикой элемента называется зависимость установившихся значений выходной величины от значения величины на входе системы, т.е.
yуст = (х).
Статическую характеристику (см. рис. 1.14) часто изображают графически в виде кривой у(х).

Линейным статическим элементом называется безынерционный элемент, обладающий линейной статической характеристикой:

ууст = К*х + а0.

Как видно, статическая характеристика элемента в данном случае имеет вид прямой с коэффициентом наклона К.

Линейные статические характеристики, в отличие от нелинейных, более удобны для изучения благодаря своей простоте. Если модель объекта нелинейна, то обычно ее преобразуют к линейному виду путем линеаризации.

САУ называется статической, если при постоянном входном воздействии ошибка управления е стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия.

САУ называется астатической, если при постоянном входном воздействии ошибка управления стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия.


1.2.3 Временные характеристики

Переход системы от одного установившегося режима к другому при каких-либо входных воздействиях называется переходным процессом. Переходные процессы могут изображаться графически в виде кривой y(t).

у, С

ууст



t

Рисунок 1.15

Например, процесс нагрева сушильного шкафа до установившегося значения может иметь вид, представленный на рисунке 1.15.

То есть переходный процесс характеризует динамические свойства системы, ее поведение.

Следует различать динамические и статические характеристики, поскольку они строятся в разных координатах и характеризуют различные свойства системы. Зная набор динамических характеристик при различных входных воздействиях, можно построить статическую характеристику, но по статической характеристике восстановить динамику невозможно.

Поскольку входные воздействия могут изменяться во времени, то и переходные характеристики будут каждый раз разные. Для простоты анализа систем входные воздействия приводят к одному из типовых видов сигналов (см. рисунок 1.16).


t

x

1



t

x
t


x
t

x

а) единичный



ступенчатый

сигнал


б) -функция

(дельта-функция,

импульс)

в) линейный

сигнал

г) синусоидальный (гармонический)



сигнал

Рисунок 1.16


В зависимости от вида входного воздействия функция у(t) может иметь разное обозначение:



Переходной характеристикой h(t) называется реакция объекта на единичное ступенчатое воздействие (сигнал) при нулевых начальных условиях, т.е. при х(0) = 0 и у(0) = 0.

Импульсной характеристикой (t) называется реакция объекта на -функцию при нулевых начальных условиях.

При подаче на вход объекта синусоидального сигнала на выходе, как правило, в установившемся режиме получается также синусоидальный сигнал, но с другой амплитудой и фазой: y = Aвых*sin(*t + ), где Aвых - амплитуда,  - частота сигнала,  - фаза.



Частотной характеристикой (ЧХ, АФХ и др.) называется зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала системы в установившемся режиме при приложении на входе гармонического воздействия.
3.1 Измерения технологических параметров

3.1.1 Государственная система приборов (ГСП)

ГСП объединяет в себе все средства контроля и регулирования технологических процессов. Характерной особенностью ГСП является:

1) блочно-модульный принцип, лежащий в основе конструкций устройств;

2) унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания.

Содержит три ветви:

1) гидравлическую,

2) пневматическую,

3) электрическую.

Блочно-модульный принцип характеризуется наличием отдельных модулей или блоков, выполняющих достаточно простую функцию. Этот принцип позволяет уменьшить номенклатуру средств автоматизации, упрощает ремонт и замену, уменьшает стоимость, позволяет реализовать принцип взаимозаменяемости.

Унифицированные сигналы:

1) Пневматические - сигналы давления сжатого воздуха

диапазон изменения сигнала: 0,2 - 1 или 0,02 - 0,1 МПа;

сигнал питания: 1,4 ;

расстояние передачи сигнала: до 300 м.

2) Электрические сигналы имеют много диапазонов, которые можно разделить на две группы:

а) токовые (сигналы постоянного тока), например:

0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА и др.;

б) сигналы напряжения постоянного тока, например: 0 - 1 В, 0 - 10 В и др.

Первичные приборы (датчики) могут преобразовывать измеряемый параметр в какой-либо унифицированный сигнал. Если же датчик выдает неунифицированный сигнал, то для приведения его к стандартному диапазону должен быть установлен соответствующий преобразователь.
3.1.2 Основные определения

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми, прямым измерениям.

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний.

Показания средства измерений – измерение величины, определяемое по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины.

Градуировочная характеристика средства измерений – зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы.

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений.

Предел измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений.

Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Любые измерения сопровождаются погрешностями:

1) случайные погрешности - имеют случайную природу и причина их неизвестна;

2) промахи - вызваны неправильными отсчетами по прибору;

3) систематические - обусловлены несовершенством методов определения, конструкции прибора.

Виды погрешностей:

1) абсолютные: Х = Х - Х0,

где Х - измеренное значение параметра, Х0 - истинное значение.

Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.

2) относительные: (выраженные в процентах);

Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины. Относительная погрешность может быть выражена в процентах.

3) приведенные: ,

где Хmin и Хmax - минимальное и максимальное значения измеряемой величины.

Максимальная приведенная погрешность называется классом точности:



.

В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные (образцовые) и рабочие.




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал