Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу
Г.Н. Семенцов, Я.Р.Когуч, М.І.Когутяк, М.І.Горбійчук, М.М.Дранчук, І.І.Чигур, М.В.Шавранський, В.С.Борин
АВТОМАТИЧНЕ УПРАВЛІННЯ
Навчальний посібник
для студентів спеціальностей
“Автоматизоване управління технологічними процесами”. “Метрологія та вимірювальна техніка”
м. Івано-Франківськ
2003
Міністерство освіти і науки України
Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу
Кафедра автоматизації технологічних процесів
і моніторингу в екології
Г.Н. Семенцов, Я.Р.Когуч, М.І.Когутяк, М.І.Горбійчук, М.М.Дранчук, І.І.Чигур, М.В.Шавранський, В.С.Борин
АВТОМАТИЧНЕ УПРАВЛІННЯ
Навчальний посібник
м. Івано-Франківськ
2003
МВ 02070855 – 1226 – 2003
УДК. 622. 52.: 65011 + 6201. 08 – 53. 08
Г.Н.Семенцов, Я.Р.Когуч, М.І.Когутяк, М.І.Горбійчук, М.М.Дранчук, І.І.Чигур, М.В.Шавранський, В.С.Борин. „Автоматичне управління”: Навчальний посібник – Івано-Франківськ: Факел, 2003. – 398 с.
У навчальному посібнику викладені основні поняття, визначення і принципи класифікації технологічних процесів як об’єктів автоматизації. Приводяться диференціальні рівняння типових динамічних ланок, їх моделей. Методи синтезу алгоритмів і систем курування на сучасному рівні із використанням мікропроцесорних засобів.
Призначається для студентів вузів, що навчаються за спеціальністю „Автоматизоване управління технологічними процесами. Метрологія управління технологічними процесами”. Навчальний посібник може бути корисний студентам інших технологічних спеціальностей та науковим і аспірантам.
Рецензент: С.А. Чеховський – к.т.н., проф. завкафедрою інформаційно- вимірювальної техніки.
Дане видання є власністю ІФНТУНГ, тиражування та розповсюдження без згоди авторів забороняється.
МВ 02070855 – 1226 – 2003
УДК. 622. 52.: 65011 + 6201. 08 – 53. 08
Г.Н.Семенцов, Я.Р.Когуч, М.І.Когутяк, М.І.Горбійчук, М.М.Дранчук, І.І.Чигур, М.В.Шавранський, В.С.Борин. „Автоматичне управління”: Навчальний посібник – Івано-Франківськ: Факел, 2003. – 398с.
У навчальному посібнику викладені основні поняття, визначення і принципи класифікації технологічних процесів як об’єктів автоматизації. Приводяться диференціальні рівняння типових динамічних ланок, їх моделей. Методи синтезу алгоритмів і систем курування на сучасному рівні із використанням мікропроцесорних засобів.
Призначається для студентів вузів, що навчаються за спеціальністю „Автоматизоване управління технологічними процесами. Метрологія управління технологічними процесами”. Навчальний посібник може бути корисний студентам інших технологічних спеціальностей та науковим і аспірантам.
Автори
проф., д-р. техн. наук Г.Н.Семенцов
доц., канд. техн. наук Я.Р.Когуч
доц., канд. техн. наук М.І.Когутяк
проф., д-р. техн. наук М.І Горбійчук
проф., канд. техн. наук М.М. Дранчук
доц., канд. техн. наук І.І. Чигур
асистент М.В.Шавранський
асистент В.С. Борин
Відповідальний за випуск завідувач кафедри „Автоматизація технологічних процесів і моніторингу в екології.:
Проф., д-р. техн. наук Г.Н.Семенцов
Ухвалено на засіданні навчально – методичного об’єднання спеціальності 7. 092501 „Автоматизоване управління технологічними процесами”:
Протокол № від 2003 р.
Голова методооб’єднання
спеціальності Г.Н.Семенцов
Нормоконтролер О.Г.Гургула
Коректор Н.Ф.Будуйкевич
Заключення члена експертно-ліцензійної комісії університету Я.Р.Когуч
„_____”________________ 2003р.
Дане видання є власністю ІФНТУНГ, тиражування та розповсюдження без згоди авторів забороняється.
Література
Семенцов Г.Н. Теорія автоматичного керування. – Івано-Франківськ, 1999. – 610 с.
Семенцов Г.Н., Когуч Я.Р., Чигур І.І., Аверкієва В.В. Основи автоматики і автоматизація технологічних процесів. – Івано-Франківськ, “Факел”, 2002 – 348 с.
Головко Д.Б. та ін. Автоматика і автоматизація технологічних процесів. – К.: “Либідь”, 1997 – 232 с.
Современные технологии автоматизации: Сб. сталей. – М. Из-во, «СТА – Пресс», 1997 – 200 гт.
Исакович Р.Я., Логинов В.И., Понадько В.Е. Автоматизация производственых процесов нафтяной и газовой промышлености. Учебник для вузов, М., Недра, 1983 – 424 с.
Автоматизация технологических процесов. Условные обозначения приборов и средств автоматизации в схемах ГОСТ 21. 404 – 85. М. Государственный комитет СССР по делам строительства. Издательство стандартов, 1985 – 38 с.
Семенцов Г.Н., Борин В.С. Теорія інформації. – Івано-Франківськ. «Факел», 2002 – 38 с.
Семенцов Г.Н., Когуч Я.Р., Дранчук М.М., Шавранський М.В., Чигур І.І. Спеціальні вимірювальні прилади і системи. – Івано-Франківськ. “Факел”, 2002 – 104 с.
Семенцов Г.Н., Чигур І.І., Шавранський М.В., Борин В.С. Фазі – логіка в системах керування. – Івано-Франківськ. “Факел”, 2002 – 84 с.
Метран. Номенклатурній каталог. Росия, Челябинск. 2001 – 368 с.
Средства автоматизации технологических процесов. Каталог продукции. Микрон. Ивано-Франковск – 48 с.
В.Дьяконов. MATLAB: учебный курс – СПб: Питер, 2001 – 560 с.
Семенцов Г.Н., Когуч Я.Р. Автоматизація збору і обробки інформації для резервуарних парків. – Івано-Франківськ, “Факел”, 2003 – 122 с.
Когутяк М.І. Виконавчі механізми автоматичних систем керування в нафтовій промисловості. – Івано-Франківськ, “Факел”, 2003 – 227 с.
Семенцов Г.Н., Чигур І.І., Когуч Я.Р., Дранчук М.М. Інтегровані та адаптивні системи керування. – Івано-Франківськ, “Факел” 2003 – 62 с.
Когутяк М.І., Когуч Я.Р., Дранчук М.М. Комп’ютерно-інтегровані технології та їх програмування. Лабораторний практикум. – Івано-Франківськ. “Факел”. 2003 – 74 с.
Семенцов Г.Н., Когуч Я.Р., Когутяк М.І., Дранчук М.М., Борин В.С., Щавранський М.В. Автоматизація періодичних технологічних процесів. – Івано-Франківськ. “Факел”, 2003 – 174 с.
Вимірювання Витрати та кількості газу і нафтопродуктів. Третя Всеукраїнсько-технічна конференція. “Витратометрія 2003”, Івано-Франківськ, 2003, 26 – 28 березня, - 134 с.
Леоненков А.В. Нечітке моделювання в среде MATLAB і Fuzzy TECH. БХВ – Петербург, 2003 – 736 с
Вступ
Сучасні технологічні процеси, які охоплюють багато галузей народного господарства досить складні, вони діляться на неперервні, періодичні, неперервно – періодичні.
Створення складних систем керування технологічними процесами базується на використанні математичних моделей, нових ідей і сучасних методів аналізу якості показників процесу керування.
Сучасні системи автоматичного мають ієрархичну структуру, як правило на верхніх рівнях передбачається використання комп’ютерної техніки.
В навчальному посібнику розглядаються основні поняття і визначення автоматизації, елементи теорії автоматичного керування, методи побудови систем автоматичного керування, технічні засоби реалізації системи автоматичного керування різними об’єктами нафтової, газової, нафтопереробної промисловості і приладобудування. Велика увага в підручнику приділяється комп’ютеризації технологічних процесів. Навчальний підручник розрахований на студентів спеціальності “Метрологія та вимірювальна техніка”, “Автоматизоване управління технологічними процесами”, а також спеціалістів і наукових спеціалістів галузі. Автори висловлюють подяку ст. гр. АТП – 99 – 1 Горбак Ю., Сабат Н., Фіняк І., Хромею Ю., і ст. гр. АТП – 00 – 1 Заболотному В., Кудлаку Р., які надали допомогу при підготовці рукопису до комп’ютерного друку.
Зміст
|
Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
6 |
1. |
Основні поняття і визначення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
|
7 8 9 11 15 17 |
2. |
Статичні і динамічні характеристики об’єктів керування 2.1. Лінійні диференціальні рівняння автоматичних систем і їх елементів. . . . . . . . . . . . . . 2.2. Перехідні функції. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Передавальні функції. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Частотні характеристики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.Статичні характеристики типових з’єднань елементів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . |
19 27 32 38
48 |
3. |
Типові алгоритмічні ланки, їх частотні та часові характеристики 3.1. Поняття алгоритмічної, типової і елементарної ланок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Типові ланки з розподіленими параметрами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Безінерційна ланка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Інерційна ланка І-го порядку . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Інтегруючі ланки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Диференціююча ланка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Інерційні ланки другого порядку . . . . . . . . . . . . . . . |
57
60 61 65 76 81 85 |
4. |
Стійкість автоматичних систем і показники якості перехідних процесів 4.1. Поняття стійкості автоматичних систем керування. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Математична оцінка стійкості . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Алгебраїчні критерії стійкості . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Графо-аналітичний критерій Михайлова . . . . . . . . 4.5. Частотні критерії стійкості . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Оцінка стійкості автоматичної системи за її структурою. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
4.7. Синтез систем керування, виходячи з умов стійкості . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.8. Запас стійкості автоматичної системи . . . . . . . . . .. 4.9. Показники якості перехідних процесів . . . . . . . . . . 4.10. Методи побудови перехідних процесів . . . . . . . . . 4.11. Непрямі оцінки якості перехідних процесів . . . . . 4.12. Інтегральні оцінки перехідних процесів . . . . . . . . 4.13. Розрахунок сталої помилки автоматичної системи. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 4.14. Помилки від задаючих впливів . . . . . . . . . . . . . . . 4.15. Коефіцієнти помилки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.16. Помилки від впливу збурення . . . . . . . . . . . . . . .. |
98 100 104 106 108
116
117 121 125 129 136 141
145 148 150 150 |
5. |
Аналіз стійкості нечітких систем керуванням з нечітким ПІД – регулятором 5.1. Твердження проблеми . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5.2. Узагальнена умова Гурвіца . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Еквівалентна система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
154 157 159 |
6. |
Загальні відомості про автоматичні регулятори 6.1. Принципи побудови і класифікація автоматичних регуляторів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Математичні моделі і способи реалізації автоматичних регуляторів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Регулятори прямої дії . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6.4. Пневматичні регулятори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5. Елементи і вузли пристроїв безперервної дії . . . . 6.6. Елементи і вузли пристроїв дискретної дії . . . . .. 6.7. Регулятори безперервної дії . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6.8. Екстремальні регулятори . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
165
171 187 190 194 206 215 236 |
7. |
Типові схеми автоматичного регулювання основними технологічними процесами 7.1. Регулювання витрати . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Регулювання рівня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7.3. Регулювання тиску . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Регулювання температури . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5. Регулювання за якісними показниками . . . . . . . . |
251 256 263 266 273 |
8. |
Нечітке моделювання багатовимірних нелінійних процесів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
275 |
9. |
Первинні вимірювачі, перетворювачі технологічних параметрів 9.1.Перетворювач-регулятор потенціометричний ПП-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2. Блок перетворення взаємної індуктивності БПВИ-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3. Блок перетворення сигналів термоопорів БПО-32, БПО-42 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4. Блок перетворення сигналів термопар БПТ-22 . . . 9.5. Блок перетворення сигналів тензодатчиків БПТ-2
9.8. Блок перетворювання інтерфейсів БПИ-485 . . . . . 9.9. Блок перетворювання інтерфейсів БПИ-2К . . . . .. |
290
294
296 298 300 301 303 305 307 |
10. |
Цифрові системи автоматичного керування 10.1. Функціональна організація цифрових САР з керуючого мікро електронної ЕОМ . . . . . . . . . 10.2. Реальний масштаб часу ЦСАК з КМЕОМ . . . . . . 10.3. Дискретна передавальна функція неперервної частини ЦСАК . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4. Дискретна передавальна функція цифрових коректуючих ланок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
309 317
321
325 |
11. |
Синтез автоматичних систем керування технологічними процесами 11.1. Класифікаціяі загальна характеристика методів синтезу АСК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Основні етапи синтезу АСК . . . . . . . . . . . . . . . . . |
332 335 |
12. |
Структурний синтез багатовимірних систем керування (детерміновані системи) 12.1. Математична модель багатовимірної системи керування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. Основні властивості об’єктів керування . . . . . . . 12.3. Алгоритмічні структури багатовимірних систем керування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4. Синтез автоматичних систем керування . . . . . . . 12.5. Cинтез модального керування . . . . . . . . . . . . . . . 12.6. Поняття про синтез оптимальних регуляторів . . |
338 344
345 347 354 357 |
|
Література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. |
373 |
|
Додатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
375 |
1 Оcновні поняття і визначення
Основною задачею будь-якої системи автоматичного керування є регулювання одного або декількох параметрів технологічного процесу.
Під керуванням (регулюванням) технологічного процесу розуміють сукупність таких операцій, які необхідні для здійснення пуску, зупинки або підтримування технологічного параметру на заданому рівні або зміна його по певному закону. Установку, агрегат, машину в яких протікає технологічний процес, називається об’єктом керування (ОК).
Керування може бути як ручним так і автоматичним. В 1-му випадку операцію керування здійснює людина, а в 2-му – автоматичний регулятор (АР), керуючий пристрій (КП).
П
оєднання
об’єкту керування і автоматичного
регулятора – це система автоматичного
керування (САК) рисунок 1.1.
Рисунок 1.1 – Структурна схема САК
Н
а
роботу систем автоматичного керування
діють різні впливи (збурення). Ці збурення
є вхідними величинами (входами) і
вихідними (виходами).
Хвхн – перешкоди по навантаженню;
Х
Рисунок 1.2 – Структурна схема ОК
Параметри, які в тій чи іншій мірі характеризують якість технологічного процесу і змінюються під дією вхідних величин, називаються вихідними величинами або регульованим параметрами.
Вхідні впливи, які порушують заданий закон зміни вихідних величин, називаються збурюючи ми впливами або збуреннями.
Збурення по навантаженню обумовлене зміною параметрів технологічного процесу.
Збурення по перешкодам обумовлено зміною зовнішніх умов.
Вплив керуючого пристрою на об’єкт керування називається керуючим впливом.
Будь-яку систему автоматичного керування можна розкласти на ряд простих елементів. Якщо в таких елементів зміна вхідної величини впливає на зміну вихідної, а зміна вихідної не впливає на зміну вхідної, то такі елементи називають елементами направленої дії.
1.1 Зворотні зв’язки
При побудові системи автоматичного керування досить широко використовуються зворотні зв’язки. Зворотні зв’язки бувають зовнішніми і внутрішніми, додатними і від’ємними, жорсткими або гнучкими.
Зовнішнім зворотним зв’язком називається такий зв’язок, при якому вихід системи з’єднаний з її входом.
Внутрішнім зворотним зв’язком називається такий зв’язок, при якому вихід одного із елементів з’єднаний з її входом.
Додатнім зворотним зв’язком називається такий зв’язок, при якому подача вихідного сигналу на вхід системи, підсилює дію вхідної величини.
Від’ємним зворотним зв’язком називається такий зв’язок, при якому подача вихідної величини на вхід системи, послаблює дію вхідної величини.
Ж
орсткий
зворотній зв’язок діє як в усталеному,
так і в перехідному режимі, а гнучкий
тільки в перехідному режимі.
Рисунок 1.3 – Структурна схема САК із додатнім зворотнім зв’язком
Рисунок 1.4 – Структурна схема САК із від’ємним зворотнім зв’язком
1.2 Класифікація сак
САК можна класифікувати по багатьох ознаках: розімкнена, зімкнена, прямої та непрямої дії і т.д.
Розімкненими САК називаються такі системи, в яких відсутній зворотній зв’язок і результат контролю. Їх можна розділити на системи з жорсткою програмою і системи керування по збуренню рисунок 1.5 – 1.6.
КП – керуючий пристрій; Хк – керуючий вплив; З – завдання
Рисунок 1.5 – Структурна Рисунок 1.6 – Структурна
схема розімкненої САК із схема розімкненої САК із
жорсткою програмою. керуванням по збудженню.
У розімкнених системах по збуренню, керуючий пристрій виробляє Хк у відповідності із жорстким завданням і коректується в залежності від навантаження. Розімкнені САК мають обмежене використання. До таких систем відноситься як пуск та зупинка різних агрегатів.
Замкненими САК називаються такі системи, в яких присутній зовнішній зворотній зв’язок, що забезпечує контроль вихідної величини.
Системи автоматичного регулювання по відхиленню – це такі системи, в яких точне значення регульованої величини порівнюється із заданим, тобто
ε = хП – хЗ, де ε – відхилення
Системи автоматичного регулювання по відхиленню приведені на рисунку 1.7.
Рисунок 1.7 – Структурна Рисунок 1.8 – Структурна схема
САК по відхиленню. схема комбінованої САК.
Для підвищення точності систем автоматичного регулювання використовують комбіновані системи рисунок 1.8 в яких поєднано принцип регулювання по відхиленню і по збуренню.