Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

3935

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
08.01.2021
Размер:
709.18 Кб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова»

АВТОМАТИКА И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРО-

ЦЕССОВ

Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов

по направлению подготовки 35.03.02 – Технология лесозаготовительных и де-

ревоперерабатывающих производств;

Профиль: Технология мебели, материалов и изделий из древесины

Воронеж, 2016

УДК 658.5.011.56

Поляков, С. И. Автоматика и автоматизация производственных процессов

[Текст]: метод. указания к выполнению курсового проекта для студентов по на-

правлению подготовки 35.03.02 – Технология лесозаготовительных и деревопе-

рерабатывающих производств; Профиль: Технология мебели, материалов и из-

делий из древесины / С. И. Поляков; Мин-во обр-я и науки Рос. Фед., ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. 31 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ»

Рецензент: профессор кафедры автоматизации технологических процес-

сов и производств Воронежского государственного архитектурно-

строительного университета В.И. Акимов

2

Введение

На современном этапе развития производства актуальной является задача всестороннего совершенствования технологии, повышения качества управления производством на всех уровнях.

Автоматизация производства как на основе традиционных, так и с использованием новейших средств компьютерной и микропроцессорной техники, является важнейшим средством решения этих задач.

Для успешного выполнения и последующей сдачи курсового проекта студент должен:

Знать – принцип действия основных элементов автоматического устройства, их достоинства и недостатки, области применения; принцип действия систем автоматического управления и регулирования, свойства объектов управления;

Уметь – составить структурную схему контура автоматизации агрегата, участка производства; экспериментально определить статические и динамические характеристики объекта автоматизации;

Иметь представление – о тенденциях развития систем автоматизации технологическими процессами, об основных направлениях технической политики создания систем управления на предприятиях деревообработки.

При разработке систем управления широко используются структурные схемы АСР, которые наглядно показывают строение системы, прохождение и преобразование сигналов. Такой подход прежде всего основан на использовании передаточных функций, а это позволит выяснить динамику системы, реализацию задающего воздействия. Модель системы управления должна достаточно точно отражать управление реальным объектом, сокращать сроки создания новых технологий.

Курсовой проект выполняется студентом в соответствии с полученным заданием, которое выдается каждому студенту индивидуально. Перед началом выполнения курсового проекта студент обязан ознакомиться с требованием настоящего руководства. В процессе выполнения курсового проекта студент должен пользоваться не только рекомендованной, но и любой другой доступной ему учебной и технической литературой. При выполнении курсового проекта особое внимание должно быть обращено на использование последних достижений отечественной и зарубежной науки и техники в области создания систем управления производственными и технологическими процессами на предприятиях деревообработки.

3

1. ОБШИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Курсовой проект является средством углубленного изучения дисциплины, позволяющим студентам на практике закрепить навыки математического моделирования систем автоматического управления при решении конкретной инженерной задачи.

Курсовой проект выполняется студентами в соответствии с полученным заданием, которое выдается преподавателем каждому студенту индивидуально. Для разработки предлагаются следующие темы:

1.Система автоматического управления расходом стружки двухагрегатного дозатора;

2.Система автоматического управления температурой в сушильной камере пиломатериалов;

3.Система автоматического управления температурой в плитах пресса;

4.Система автоматического управления процессом прессования в производстве древесностружечных плит;

5.Система автоматического управления нагрузкой главного привода станка;

6.Система автоматического управления скоростью вращения шпинделей лущильного станка с двигателем постоянного тока;

7.Система автоматического управления скоростью вращения шпинделей лущильного станка с электромагнитной муфтой скольжения.

Темы курсовых проектов выдаются студентам, как правило, из приведенного списка. В интересах подготовки студентов к выполнению последующей ВКР им могут быть предложены и другие темы, согласованные с руководителями ВКР.

Задание на курсовой проект содержит тему курсового проекта, неиз-

меняемую часть структурной схемы системы автоматического управления (САУ) и перечень исходных данных. В качестве исходных данных задаются параметры (постоянные времени и коэффициенты передачи) динамических звеньев неизменяемой части САУ и требования, предъявляемые к разрабатываемой САУ:

-требуемая точность в статическом режиме (допустимая величина статической ошибки) S в относительных единицах;

-допустимая величина перерегулирования (динамического выброса) D в процентах;

-требуемое быстродействие (допустимая продолжительность переходного процесса) T в секундах.

Общая часть содержания заданий со структурными схемами САУ приведены в прил.1. Исходные данные для проведения расчетов выдаются студентам руководителем курсовой работы.

Выполнение курсового проекта состоит из следующих этапов:

-изучение необходимой научно-технической литературы и выбор необходимых методов расчета;

4

-составление математических моделей САУ с возможными типами регуляторов (П, ПД, ПИ, ПИД) в частотной области и построение с помощью ЭВМ графиков частотных характеристик разрабатываемой АСР;

-сравнительная оценка параметров качества регулирования (S, T, D), обеспечиваемых различными регуляторами, и выбор типа регулятора, удовлетворяющего заданным требованиям;

-составление динамической математической модели замкнутой САУ во временной области в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений, решение полученной системы с помощью ЭВМ и анализ полученного переходного процесса.

Курсовой проект относится к самостоятельному виду работ, выпол-

няемых студентами во внеаудиторное время. В целях успешного выполнения работы студенты обязаны представлять руководителю проекта промежуточные результаты во время консультаций, назначаемых преподавателем. Рекомендуемое время выполнения проекта – 4 недели со следующим графиком выполнения:

1 неделя – подбор и изучение необходимой литературы; 2 неделя – исследование заданной САУ в частотной области и выбор наи-

более подходящего регулятора; 3 неделя – исследование разработанной САУ во временной области; вы-

полнение графической части проекта; 4 неделя – оформление курсового проекта.

После завершения работы студент защищает выполненный курсовой про-

ект.

Оформленный курсовой проект состоит из пояснительной записки с необходимыми графическими материалами, выполненными с использованием средств моделирования динамических процессов (Mathlab, Mathcad, Classik и т.д.). Общий объем пояснительной записки – 25-30 стр. на листах формата А4. Общими требованиями к материалу пояснительной записки являются:

-четкость и логическая последовательность изложения материала;

-конкретность изложения;

-обоснованность выводов.

Пояснительная записка к курсовому проекту должна содержать:

-титульный лист;

-задание на курсовой проект;

-содержание;

-введение;

-основную часть;

-заключение;

-список использованных источников.

Оформление курсового проекта (правила оформления титульного листа, содержания, поля текста пояснительной записки, порядок нумерации разделов и подразделов основной части, правила оформления списка использованных источников и т.п.) осуществляется в соответствии с ГОСТ 7.32-2001.

5

Вуказанных разделах курсового проекта должны быть отражено следующее. В задании (ориентировочный объем – 1 стр.) приводится название темы, структурная схема САУ и полученные от руководителя исходные данные для проведения расчетов. Во введении (ориентировочный объем – 1 стр.) формулируется цель курсового проекта и перечень необходимых для ее достижения частных задач исследований. Основная часть (ориентировочный объем – 20-25 стр.) должна включать:

- результаты анализа и выбора необходимых методов исследования (расчета) САУ в частотной и временной областях и краткое описание существа использованных в работе методов;

- результаты анализа САУ с различными типами регуляторов (приводятся математические модели САУ в виде структурной схемы и выражений для частотных характеристик, а также результаты моделирования в графической форме с необходимыми пояснениями);

- алгоритм и результаты сравнительной оценки вариантов САУ с регуляторами различных типов и выбора наиболее подходящего регулятора;

- результаты анализа разработанной САУ во временной области (приводятся динамическая математическая модель САУ в виде системы дифференциальных уравнений, алгоритм или программа ее решения на ЭВМ и результат решения в виде графика переходного процесса).

Взаключении (ориентировочный объем – 1 стр.) приводятся выводы по проделанной работе.

Пояснительная записка оформляется на листах формата А4 и представляется на проверку в сброшюрованном виде.

При выполнении курсового проекта студенты пользуются учебной и на- учно-технической литературой рекомендуемой в библиографическом списке.

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

2.1. Теоретические основы методики

Данная методика базируется на основных положениях теории автоматического управления (регулирования), заключающихся в следующем:

- САУ устойчива, если модуль комплексной АЧХ W ( ) разомкнутой САУ при изменении частоты пересекает уровень W ( ) 1 при меньшем

значении , чем ФЧХ F ( ) пересекает уровень F( ) 1800 ( ) ;

- динамические свойства САУ определяются главным образом участками АЧХ и ФЧХ вблизи частоты среза с - частоты, на которой АЧХ W ( ) дости-

гает значения W ( с ) 1;

6

- с ростом частоты с увеличивается быстродействие САУ (уменьшается время регулирования T). Значения с и T связаны приближенным соотношением

T(2 4) / c ;

-в правильно спроектированной САУ АЧХ W ( ) должна убывать в зави-

симости от вблизи частоты с обратно пропорционально первой степени

частоты

W ( ) 1/ ,

или то же самое, со скоростью -20дБ/дек. Протяженность интервала изменения , для которого выполняется данное условие, должна быть не менее одной декады;

- для обеспечения величины перерегулирования D (10 30)% необхо-

димо иметь запас по фазе F0 на частоте

с

не менее

(30 50)0 , а также запас

 

 

 

по амплитуде не менее 20дБ.

 

 

 

2.2. Порядок исследования САУ с регуляторами различных типов

В задании на курсовой проект приведены:

-требуемая точность в статистическом режиме (допустимая величина статистической ошибки) S в относительных единицах;

-допустимая величина перерегулирования (динамического выброса) D в процентах;

-требуемое быстродействие (допустимая продолжительность переходного процесса) T в секундах.

Определение данных величин наглядно представлено на рис. 1 и 2.

7

Оценка параметров качества САУ с различными типами регуляторов осуществляется следующим образом. В структурную схему заданной САУ включается оцениваемый регулятор (П, ПД, ПИ или ПИД). Оценивается запас по фазе F0, необходимый для обеспечения перерегулирования, не превосходящего заданного значения D. Для САУ с активной обратной связью величину F0 рассчитывают по эмпирической формуле

F0 0,82 (82 D) ,

а для САУ с комплексной обратной связью по формуле

F0 0,535 (126 D) ,

где F0 в градусах, а D в процентах.

Далее находится частота среза с как частота, на которой запас по фазе равен F0. Для этого надо решить относительно уравнение

F( ) F0 1800 .

В общем случае решение данного уравнения можно выполнить графически. Для этого необходимо построить графики W ( ) и F ( ) (рис.3).

W( )

W( с )

 

b

 

 

1

c

 

 

 

0

с

 

 

F0-180

0

a

 

 

-1800

Рис. 3. Графическое решение задачи определения с и k1

Далее, откладывая по оси ординат графика F ( ) угол, равный F0 1800 , находим точку "а" на графике F ( ) . Абсцисса , соответствующая этой точке, и есть частота среза с , необходимая для обеспечения запаса по фазе F0 и,

следовательно, для обеспечения допустимого перерегулирования D.

Затем находится точка "b" на графике W ( ) и по шкале оси ординат графика W ( ) находится фактическое значение коэффициента передачи W ( с ) разомкнутой САУ на найденной частоте среза с . Последовательность графи-

8

ческого решения показана на рис.3 стрелками. Требуемое значение коэффициента передачи регулятора k1 рассчитывается по формуле

k1 1/W ( c ) .

С учетом k1 график АЧХ САУ с регулятором пройдет, как показано на рис.3., пунктиром (через точку "с").

После нахождения с и k1 выполняется оценка параметров качества ре-

гулирования.

Если САУ астатическая, статическая ошибка Sф=0 и условие Sф S вы-

полняется автоматически. Если САУ статическая, то Sф рассчитывается по формуле

m

Sф 1/(1 ki ) , i 1

где m – число звеньев в структурной схеме САУ, включая регулятор.

Для того чтобы регулятор рассматриваемого типа удовлетворял требованиям задания по точности регулирования, необходимо выполнение условия -

Sф S .

Фактическое значение времени регулирования Tф рассчитывается по

формуле

Tф 2 / c .

Регулятор рассматриваемого типа считается удовлетворяющим требованиям задания по быстродействию, если выполняется условие Tф T .

Фактическое значение перерегулирования Dф не проверяется; считается, что неравенство Dф D выполняется, если запас по фазе выбран по вышепри-

веденным формулам. Результаты расчетов для САУ с регуляторами всех типов сводятся в общую таблицу (в качестве примера приведена табл.). На основе ее анализа делается выбор типа регулятора. Если заданным требованиям удовлетворяют регуляторы нескольких типов, то предпочтение по критерию "эффек- тивность-стоимость" отдается более простому регулятору, являющемуся более дешевым и надежным в эксплуатации.

Таблица 1 Результаты расчета САУ с регуляторами различных типов

 

Состав АСР

S

T

D

1

САУ с П-регулятором

0,072

2,3

15

2

САУ с ПД-регулятором

0,028

0,15

15

3

САУ с ПИ-регулятором

0

3,2

15

4

САУ с ПИД-регулятором

0

0,45

15

 

Задано

0,03

0,6

15

9

Выбор постоянных времени регуляторов, более сложных, чем простейший регулятор П-типа, преследует цель улучшить параметры качества регулирования, обеспечиваемые САУ. Для увеличения быстродействия САУ в случаях использования ПД - и ПИ-регуляторов используют следующие методы выбора постоянной времени регулятора T1:

1)

T

 

T 2

, где Tj – постоянные времени всех динамических звеньев

 

1

 

j

 

 

 

 

j

 

САУ, за исключением регулятора;

2)

T1

max T j

(T1 выбирают равной максимальной постоянной времени в

 

 

 

j

 

САУ).

Для ПИД-регулятора необходимо выбрать две постоянные времени – T1 и T3. Значительного улучшения быстродействия САУ можно добиться, если выбрать в качестве их значений наибольшие значения постоянных времени заданной САУ. При этом T1 T3 .

2.3.Математические модели разомкнутых САУ

срегуляторами различных типов

Вп.2.1, 2.2 показано, что о свойствах САУ с регуляторами различных типов можно судить по их амплитудно-частотным W ( ) и фазо-частотным F ( )

характеристикам. В рамках курсового проекта для построения графиков W ( ) и F ( ) целесообразно воспользоваться следующими математическими моде-

лями регуляторов:

- передаточная функция П-регулятора имеет вид

W ( p) K1;

- передаточная функция ПД-регулятора имеет вид

W ( p) K1 1 pT1 ;

- передаточная функция ПИ-регулятора имеет вид

W ( p) K1 1 pT1 ; p

- передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид

W ( p) K1 1 pT1 1 pT3 . p

Выражения для АЧХ и ФЧХ получают из выражения для передаточной функции разомкнутой САУ. Для САУ, структурная схема которой приведена на рис.4, выражение для передаточной функции разомкнутой САУ получают, перемножая передаточные функции всех динамических звеньев, образующих контур регулирования:

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]