Диплом / !Доклад2

ДОКЛАД

Уважаемые члены Государственной Аттестационной Комиссии, Вашему вниманию представляется дипломный проект «Адаптивная система автоматического регулирования с перестраиваемой структурой».

В дипломном проекте предлагается решение одного из вариантов задачи автоматизации доменной печи №4 КУЗНЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА.

Доменная печь — агрегат для восстановительно-тепловой обработки оксидов металлов, представленных в виде различных природных руд и отходов производства. Продуктами доменной плавки являются чугун или ферросплавы, шлак, газ, колошниковая пыль.

Основной технологической задачей доменной плавки является восстановление железных руд и получение чугуна заданного состава и температуры.

Каждая ошибка, допущенная при управлении такими агрегатами, приводит к значительным потерям металла или топлива. Поэтому автоматизация управления этими агрегатами имеет особо важное значение.

=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-

(ФЮРА…С2.1)

=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-

Системы контроля и управления работой доменных печей постепенно усложнялись – от простейших систем стабилизации отдельных параметров до локальных систем управления отдельными режимами работы печи и, наконец, до комплексных систем управления всем доменным процессом.

В проекте рассмотрена система автоматического регулирования температуры горячего дутья доменной печи.

Техническая структура рассматриваемой АСР представлена на листе (ФЮРА…ДМ.1). В ее состав вход Объект Управления (ОУ), Датчик (Д), Задатчик (ЗД), Устройство Управления (УУ), Блок Ручного Управления (БРУ), Исполнительный Механизм (ИМ), Регулирующий Орган (РО) и Индикатор Положения (ИП).

Данная техническая структура может быть преобразована к следующей структурной схеме (струк. схема АСР).

По экспериментальной кривой разгона объекта (представленной на графике пунктирной линией) определены параметры его передаточной функции и построена аппроксимирующая кривая, как видно она достаточна близка к экспериментальной.

Рассмотрены основные методы расчета оптимальных параметров настройки регуляторов. Выбран метод РАФЧХ. Расчет ОПН данной АСР сводится к определению параметров настроек ПИ-регулятора.

С помощью разработанной программы в среде многофункциональной интегрированной системы автоматизации математических и научно-технических расчетов MATLAB 5.3.1 и пакета ее расширения Control System Toolbox, рассчитаны параметры настройки автоматической системы регулирования температуры горячего дутья доменной печи. Результаты косвенных оценок качества переходного процесса, удовлетворяющих заданным требованиям, позволили перейти к построению переходного процесса замкнутой системы. Произведены прямые оценки качества регулирования, на основе которых можно сделать вывод, что выбранный вариант структуры АСР является эффективным; рассчитанные параметры регулятора – близки к оптимальным.

=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-

ФЮРА…ДМ.2…ДМ.3

=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-

Общепринятый порядок синтеза систем управления состоит в следующем:

– задается математическая модель объекта (обычно экспериментальная переходная характеристика объекта);

– принимается критерий оптимальности системы управления;

– по модели объекта определяются структура и чис­ленные значения параметров алгоритма функциониро­вания контроллера (регулятора), удовлетворяющие принятому критерию оптимальности.

Считается, что если модель достаточно близка к ре­альному объекту, а выбранный метод синтеза и сами расчеты выполнены безукоризненно, то спроектирован­ная система заработает без какой-либо существенной доводки при пуске. Однако опыт свидетельствует о том, что такой оптимистический прогноз, как правило, не оправдывается.

Объясняется это двумя причинами:

– системным характером задачи получения математи­ческой модели объекта; это значит, что для формули­ровки критерия приближения последней необходимо располагать алгоритмом функционирования контрол­лера, для определения которого собственно и нужна эта модель;

– практической невозможностью учета отклонения принимаемой в расчетах динамической модели кон­троллера от реальной (наличия широтно-импульсного преобразования сигнала на выходе контроллера, зоны нечувствительности, люфтов в механических сочлене­ниях исполнительного механизма и т. п.).

Выход из сложившейся ситуации состоит в том, что системы управления даже относительно стабильными объектами должны проектироваться как адаптивные (с автоматизированной настройкой).

Обобщенную структуру адаптивной системы управления можно представить в следующем виде (струк. адаптивн. сист). К контуру регулирования, состоящему из объекта Об и регулятора Рег, подсоединяются адаптирующее устройство Ад, на вход которого подаются входной (t) и выходной y(t) сигналы объекта. В идентифицирующем устройстве Ид по этим сигналам оценивается модель объекта, а в вычислительном устройстве ВУ рассчитываются оптимальные параметры настройки регулятора, которые затем устанавливаются с помощью адаптирующего воздействия a(t).

Процесс адаптации должен сопровождаться идентификацией объектов, что в большинстве случаев принципиально невозможно осуществить по условиям нормальной эксплуатации. Поэтому приходится использовать активный эксперимент, сопровождаемый подачей на объект специальных идентифицирующих воздействий.

Чаще всего автоматическая настройка осуществляется путем включения в канал сигнала ошибки двухпозиционного реле с малым выходным сигналом. Далее по параметрам автоколебаний, возникающих в замкнутой системе, определяются требуемые настройки ПИД-регулятора. В то же время при таком способе самонастройки происходит прекращение процесса регулирования объекта на время настройки, наблюдается высокая чувствительность к шумам в канале измерения, возникает опасность срыва автоколебаний при действии возмущений.

Существует алгоритм настройки ПИД-регулятора в замкнутом контуре путем подачи на вход системы пробного синусоидального сигнала. Однако для этого алгоритма требуется достаточно большое время настройки (около восьми, десяти периодов колебаний на резонансной частоте замкнутой системы).

В данной работе используется метод Циглера - Никольса с частотным разделением каналов управления и самонастройки, что достигается включением двух заграждающих цифровых фильтров в обратную связь контура регулирования.

Для повышения быстродействия процесса самонастройки предлагается работать на первом, начальном этапе самонастройки на двух частотах пробного сигнала, одна из которых больше критической частоты объекта управления. Возможность работы блока адаптации на частотах, больших критической частоты, объясняется тем, что для объектов с запазды­ванием увеличение частоты пробных колебаний сопровождается значительно меньшим снижением амплитуды выходной гармоники по сравнению с объектами без запаздывания.

=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=

ФЮРА…ДМ.4

=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=

Большие дополнительные возможности улучшения процессов регулирования дает нелинейное управление работой объекта путем изменения структуры управляющего устройства в зависимости от размеров и знаков входных величин, поступающих в управляющее устройство от измерительного устройства.

При этом могут использоваться комбинации линейных законов регулирования (их достоинства, обходя недостатки). Например, если известно, что при одном законе регулирования получается быстрое начальное изменение регулируемой величины, но с большими последующими колебаниями (И закон), а при другом линейном законе регулирования – медленное изменение, но плавный подход к новому установившемуся режиму (П закон), то можно, включив сначала первый закон, переключить затем систему на второй закон в некоторой точке A, когда отклонение x достигнет определенного значения x_A. В результате процесс регулирования изобразится кривой, объединяющей оба качества – быстроту и плавность процесса.

Выбор структуры системы осуществлялся исходя из предположения, что совокупность функциональных элементов и характер связей между ними остаются раз и навсегда неизменными.

Рассмотрим си­стему с перестраиваемой структурой. В дальнейшем под системами с перестраиваемой структурой (СПС) будем понимать системы, в которых связи между функциональными элементами меняются тем или иным образом в зависимости от состояния системы.

На рис. представлена схема автоматического регулирования температуры горячего дутья с перестраиваемой структурой. В схему входит блок измерения (ИзУ), который производит непрерывную оценку регулируемой величины и вычисляет величину сигнала рассогласования, который подает на блок формирователя функции переключения, осуществляющий анализ и переключение сигнала отклонения регулируемой величины (t) на необходимый закон регулирования (блок коммутируемых коэффициентов).

В системах с перестраиваемой структурой существует 3 вида движения:

1. режим работы с движением по вырожденным траекториям.

2. режим переключений.

3. скользящий режим.

=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-

ФЮРА…С2.2

=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-

Затраты максимально короткого времени на процесс перестраивания и быстрое выполнение алгоритмов управления очень важны в таких системах. Для реализации этих задач в дипломном проекте предлагается использовать элементы теории многофункциональных автоматов, т.е. многофункциональный логический модуль, представленный на рис..

Уже первые результаты применения теории многофункциональных автоматов при разработке элементной базы для всевозможных устройств управления и компьютеров показали неоспоримые преимущества данного направления: сокращение типового состава элементной базы; расширение функциональных возможностей элементной базы; уменьшение сложности цифровых систем; сокращение объема резервных комплектов; повышение надежности; возможность создания адаптивных систем.

Согласно проведенных в мире исследований, основную долю реализуемых в устройствах управления булевых формул, составляют бесповторные – от 93 до 99,7%.

Разработанный МЛМ ориентирован на вычисление бесповторных упорядоченных булевых функций.

Многофункциональный логический модуль, в зависимости от поданных на него настроечных кодов, может реализовывать следующие виды структур (рис.) и соответствующие им системы формул.

Применение данного модуля показало значительные положительные результаты.

На рис. приведены фазовые портреты, получаемые в линейных структурах системы с переменной структурой. Из них видно, что эти две системы имеют явный колебательный характер. Применение принципов СПС позволяет добиться движения системы, представленной на рис. и рис (переходный процесс). Из оценки качества переходного процесса можно увидеть, что данный подход, по сравнению с ранее рассмотренными системами, в значительной мере сокращает время регулирования.

Разработанная модель адаптивного регулятора и созданный на ее базе адаптивный регулятор с успехом может применяться в любом технологическом процессе и в частности в теплоэнерегетических процессах для регулирования температуры перегретого пара котлоагрегата.

Спасибо за внимание!!!

===================================

Заключительное слово!!

Хочу выразить слова благодарности аттестационной комиссии и всем присутствующим за оказанное внимание.

Особую и искреннюю признательность хотелось бы выразить всему коллективу кафедры АТП за доброжелательную атмосферу студенческого периода пребывания на кафедре и полученные знания в период обучения.

7