В.А. Старовойтов Технические средства автоматизации. Задания и методические указания к выполнению курсовой работы

Министерство образования Российской Федерации Кузбасский государственный технический университет Кафедра электропривода и автоматизации

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

Задания и методические указания к выполнению курсовой работы для студентов заочного обучения специальности 170500 ″Машины и аппараты химических производств

и предприятий строительных материалов″ (ХМз)

Составитель В.А. Старовойтов Утверждено на заседании кафедры Протокол № 5 от 21.03.2000 Рекомендовано к печати учебнометодической комиссией специальности 170500 Протокол №2 от 30.10.2000

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью выполнения курсовой работы является выработка у студента навыков самостоятельного выбора технических средств для решения вполне конкретной задачи автоматизации технологического объекта и определение работоспособности (устойчивости) рассматриваемой системы.

2. СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа (КР) состоит из пояснительной записки и графического материала, оформленного на листе формата А24.

2.1. Задание для курсовой работы

Спроектировать одноконтурную автоматическую систему регулирования (АСР) одного из параметров реактора (рис. 1) и рассчитать систему на устойчивость в соответствии с данными таблицы. Вариант соответствует последней цифре номера зачетной книжки студента.

Рис. 1. Предлагаемый объект регулирования (реактор)

2

2.2. Пояснительная записка (ПЗ)

ПЗ должна содержать формулировку задания, выбранного в соответствии с вариантом, численные значения параметров процесса и уравнение динамики объекта.

На титульном листе указываются наименование университета, кафедры, тема (например, «Автоматическая система регулирования расхода пара в рубашке реактора») и дисциплина, по которой работа выполнена, а также фамилия студента и руководителя.

Содержательная часть ПЗ строится следующим образом:

−собственно задание;

−выбор схемы регулирования с указанием места регулирующего воздействия;

−выбор технических средств для реализации задачи с приведением их характеристик и устройства;

−проведение расчетов с целью получения общего уравнения динамики АСР и определения характеристического уравнения;

−производство расчетов на устойчивость АСР с целью получения характеристической кривой (годографа) Михайлова;

−заключение о работоспособности АСР;

−список использованной литературы.

2.3. Графическая часть

Выполняется на листе ватмана формата А4. На листе должны быть представлены:

−функциональные схемы автоматизации объекта в упрощенном

иразвернутом изображениях по ГОСТ 21.404-85 со спецификацией элементов в правой части листа;

−конструктивно-функциональная схема АСР с изображением внешнего вида элементов автоматизации;

−структурная схема АСР с указанием воздействий;

−годограф Михайлова для рассматриваемой АСР.

3

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

В качестве объекта регулирования предлагается рассматривать гипотетический обобщенный непрерывно действующий аппарат (реактор) с рубашкой и мешалкой. В зависимости от регулируемого параметра для упрощения расчетов некоторые конструктивные элементы реактора можно изъять, как это будет показано ниже.

Синтез функциональной структуры или технический синтез системы заключается в выборе конкретных элементов (с учетом их физической природы) и согласовании статических и энергетических характеристик смежных элементов. Этот этап проектирования не имеет пока строго математической основы и относится к области инженерного искусства. Выполняя синтез функциональной структуры, прежде всего согласовывают входные и выходные сигналы смежных элементов. Сигналы должны иметь одинаковую физическую природу и одинаковые несущие величины. При выборе вида энергии и конструкции отдельных элементов руководствуются практическими соображениями об их простоте, надежности, минимальных габаритах и стоимости. Кроме того учитывают условия эксплуатации элементов: температуру и агрессивность рабочей и окружающей среды, вибрацию, взрывоопасность и т.д.

Поскольку некоторые параметры рабочих и окружающих сред не заданы, то студент волен выбрать их сам, отразив последние в описании условий применения выбранного технического средства.

Имеет смысл воспользоваться одной из типовых схем автоматизации, которые можно найти в литературе [3, с.62,96-102; 11, с.233-235, 241-246]. Например, если необходимо проектировать АСР уровня, то на рис. VII-2 в [11, с.233] дан пример ее изображения упрощенным способом для нижней части ректификационной колонны. На рис. VII-3 [11, с.234] дано уже ее изображение развернутым способом. Развернутый способ позволяет отобразить на схеме используемые для реализации данной АСР конкретные технические средства. Применительно к нашему случаю схемы АСР уровня могут быть представлены в соответствии с рис. 2 (рубашка реактора и мешалка как неучаствующие в процессе регулирования уровня убраны).

4

Рис.2. Функциональная схема АСР уровня в реакторе в упрощенном (а) и развернутом (б) изображениях по ГОСТ 21.404-85

Следует отметить, что рассмотренный на рис. 2,а комплект технических средств измерения и автоматизации не является единственным - возможны и другие варианты. Кроме того регулирующее воздействие может наноситься и на входные потоки жидкостей А и Б. В любом случае выбор технических средств осуществляется по каталогам и справочной литературе [5, 6]. При выборе следует учитывать особые условия, указанные в таблице.

Допустим, что заданным условиям и схеме (рис. 2,б) соответствуют следующие устройства пневматической ветви ГСП:

8а – передающий преобразователь уровня 13УБ08; 8б – вторичный прибор со станцией управления ПВ10.1Э; 8в – реагирующий блок пневматической ПР3.31; 8г – мембранное исполнительное устройство (К).

Ознакомившись с их устройством, можно представить АСР уровня в виде схем, изображенных на рис. 3, где регулирующий блок рассматривается в виде единого с вторичным прибором устройством.

5

Рис. 3. Схема АСР уровня жидкости в реакторе (а) и структурная схема (б): 1 - объект регулирования (реактор); 2 - измерительный (передающий) преобразователь уровня; 3 - регулирующий блок с встроенным прибором; 4 - исполнительное устройство

При использовании регуляторов аппаратного типа вторичный измерительный прибор непосредственно не участвует в формировании закона регулирования и служит лишь для индикации (регистрации) результатов нанесения регулирующих воздействий. В нашем случае прибор имеет более широкие возможности, в т.ч. и станцию управления.

При теоретическом методе анализа, в одну из задач которого входит определение устойчивости АСР, составляют уравнение динамики системы. Последнее может быть найдено по структурной схеме АСР (рис. 3,б) и уравнениям динамики ее отдельных элементов. Для этого сначала записывают систему уравнений отдельных элементов, входящих в систему, и, исключив из них промежуточные переменные (по рис. 3,б это (у1, х1 и х)), определяют зависимость между входными и выходными величинами системы. В общем случае одноконтурная замкнутая АСР с одной входной величиной имеет две такие зависимости, связывающие величины z, у и u,у.

В курсовой работе следует считать, что воздействие осуществляется по каналу z → у, а заданное значение регулируемой величины по-

6

стоянно и равно нулю (u = 0). Кроме того уравнения динамики для первичных измерительных, нормирующих и промежуточных преобразователей соответствуют уравнениям типовых усилительных (пропорциональных) звеньев. Исключения составляют измерительные преобразователи температуры, поведение которых описывается уравнениями динамики периодических звеньев первого порядка (постоянная времени выбирается по технической характеристике и равна инерционности). Такими же уравнениями описывается и динамика исполнительных устройств (ИУ).

Особое внимание следует обратить на конструктивные особенности, т.е. исполнение ИУ (тип Н3 или НО), поскольку от этого зависит знак его коэффициента преобразования.

В АСР использовать пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор.

Получив уравнение динамики рассматриваемой системы, необходимо представить его в общем виде

где а0, а1, аn,b0, b1, bm – постоянные коэффициенты, выраженные через параметры, входящих в систему элементов.

Полученное уравнение динамики затем следует представить в операторной форме

выражение в скобках левой части уравнения (2), приравненное к нулю, как известно, представляет собой характеристическое уравнение

Это типичное алгебраическое уравнение относительно неизвестного p. Корни этого уравнения pi =α ± jω используются для анализа системы

на устойчивость. При этом вовсе не обязательно находить корни, т.к. достаточно лишь знать знаки вещественных комплексных корней или их вещественной части. Эти признаки получили название алгебраических критериев устойчивости (критерии Гурвица и Рауса).

Имеются и другие критерии АСР. Это прежде всего частотный критерий Михайлова, отличающийся большей наглядностью, который и предлагается использовать в настоящей работе. Анализ устойчивости по данному критерию сводится к построению годографа Михайлова, на основе которого и можно судить об устойчивости системы.

7

Для этого записываем характеристическое уравнение в виде полинома

где jω = p. Затем, учитывая, что все четные степени ( jω) будут вещественными, т.е. ( jω)2 = −1;( jω)4 =1;( jω)6 = −1 и т.д., а нечетные мнимые, т.е. ( jω)3 = − jω3;( jω)5 = jω5 и т.д., находим мнимую Q(ω) и действительную P(ω) часть характеристической функции F ( jω) (4).

Подставляя в выражения для этих частей конкретное значение параметра ω, можно вычислить координаты ряда точек F ( jω) и по виду кривой оценить

устойчивость системы (рис. 4). При этом следует помнить, что F ( jω) = P(ω) + jQ(ω) и представля-

ет собой вектор на плоскости с координатами P(ω) и jQ(ω) . При

расчетах принимать значения ω от 0 до 1/10 Т0 при наличии 10 ÷

Рис. 4. Характеристическая кри15 точек. В конечном итоге сдевая (годограф) Михайлова для АСР лать вывод об устойчивости АСР.

В работе должны быть представлены принцип действия, конструкция и другие характеристики выбранных средств автоматизации. Кроме того нужно отразить возможности перехода на ручное дистанционное управление процессом в случае выхода из строя регулирующего блока.

Все схемные и конструктивные решения должны изображаться четко и аккуратно соответствующими пояснениями на рисунках или в тексте. В конце работы указать перечень литературы, на которую сделаны ссылки. Общий объем записки не более 20 страниц.