Руководство к выполнению курсового проекта по дисциплине «Автоматизированные системы управления технологическими процессами». Методическое пособие для

мещении управления. Этот прямоугольник имеет слева заголовок «Приборы на щите».

На ФСА каждой схеме контроля и регулирования присваивается порядковый номер (арабскими цифрами), начиная слева по схеме начиная с номера 1, который записывается в нижней части графического изображения каждого из элементов этой схемы, в свою очередь каждому элементу схемы присваивается порядковый номер (арабскими цифрами) в направлении прохождения контролируемого сигнала от воспринимающего элемента до вторичного прибора или исполнительного устройства, например, при изображении регулятора давления

(см.рис.2.2).

Рис.2.2. ФСА регулятора давления

При изображении линий связи допускается:

-подводить их к условным обозначениям приборов с любой стороны – сверху, снизу, сбоку;

-наносить стрелки;

-разрывать их, нумеруя места разрыва одними и теми же арабскими цифрами и располагая эти номера в горизонталь-

10

ных рядах в возрастающем порядке слева направо.

При обозначении трубопроводов для жидкостей и газов применяют условные цифровые обозначения, например:

-1- – вода,

-2- – пар,

-3- – воздух, -4- – азот, -5- – кислород,

-27- – вакуум.

На рис.2.3 и 2.4 представлены функциональные схемы регуляторов расхода, температуры и уровня.

Р е г у л и р о в а н и е р а с х о д а . Обычно управление расходом – это дросселирование потока с помощью клапана, изменение напора за счет изменения частоты вращения насоса или отвода части потока через дополнительные каналы (см. рис.2.3). Заданный расход здесь устанавливается с помощью задатчика расхода 1-3, текущее значение расхода измеряется датчиком 1-1 с электрическим преобразователем измеряемой величины; сигнал управления, формируемый регулятором расхода 1-2, подается на электрический клапан 1-4.

Р е г у л и р о в а н и е т е м п е р а т у р ы . Температура - показатель термодинамического состояния системы. Динамические характеристики системы зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции термокамеры. Особенности таких систем – значительная инерционность объекта и нередко измерительного преобразователя. Типовая функциональная схема регулятора температуры показана на рис.2.3. Она включает датчик температуры 2-1, регулятор 2-2 с задатчиком температуры 2-3, преобразователь электрического сигнала в пневматический 2-4, пневмоклапан 2-5, изменяющий количество горячей воды, подаваемой в калорифер.

Р е г у л и р о в а н и е у р о в н я . Постоянство уровня свидетельствует о равенстве количества подаваемой и расходуемой жидкости. Это условие может быть обеспечено воздействием на подачу или расход жидкости. На рис. 2.4 показана функциональная схема регулирования уровня смеси воды и молока

11

всистеме приготовления колбасного фарша.

Вемкости I установлены пять измерительных преобразователей уровня 8-1, представляющих собой металлические стержни. Величина отмеренного объема смеси соответственно 20, 40, 60, 80, 100 л определяется длиной измерительных преобразователей уровня, которые соединены с регулятором

уровня 8-2. Сигнал на заполнение емкости I поступает на ре-

12

С правилами и примерами начертания ФСА можно также ознакомиться в работах [1,2].

3. Идентификация математических моделей САУ

Объектами управления (ОУ) в технологических процессах переработки молока и мяса являются пастеризаторы, реакторы, абсорберы, теплообменники и другие аппараты технологических установок. Исследование САУ возможно,

определяет единственный выходной сигнал по заданной совокупности входных сигналов.

Математическая модель должна с одной стороны достаточно точно (количественно и качественно) отражать свойства системы как ОУ, с другой – быть по возможности простой.

Математическая формализация ОУ позволяет

-применить для решения задач анализа и синтеза САУ все достижения математики, объединенные в теорию автоматического управления (ТАУ),

-существенно упросить исследование различных вариантов САУ методами математического моделирования с использованием ЭВМ.

И д е н т и ф и к а ц и е й называется процесс определения структуры и параметров ММ по результатам измерения входных и выходных сигналов.

Для решения задачи идентификации в настоящее время разработано большое количество методов: с помощью типовых сигналов, корреляционных функций, наименьших квадратов и др. Первые реализованные на практике методы идентификации были основаны на использовании частотных, ступенчатых и импульсных воздействий.

В связи с бурным развитием ЭВМ в настоящее время полу-

14

чили развитие многочисленные методы идентификации с их применением. Большинство из них основано на минимизации интегральных критериев качества.

И н т е г р а л ь н ы м к р и т е р и е м к а ч е с т в а (интегральной оценкой, ИО) переходного процесса называется определенный интеграл

Считается, чем меньше интегральный критерий качества, тем переходный процесс лучше. На практике получили широкое распространение интегральные квадратичные оценки вида:

При решении задачи идентификации с помощью ЭВМ и системы СИАМ используются численные методы минимизации ИО, сущность которых заключается в следующем:

1) Для идентифицируемой системы считаются известными

-графики изменения выходных сигналов, полученные экспериментально, при известных заданных входных сигналах

(часто, это переходные функции выходных сигналов hэi(t) при единичных ступенчатых входных сигналах);

-начальные значения входных и выходных сигналов: xэi(0) и

yэi(0);

- структура и часть параметров ММ (дифференциальных уравнений, передаточных функций и др.):

где k – коэффициент усиления, - неизвестный параметр (постоянная времени, коэффициент передачи, время запаздывания и др.).

15

Как правило, коэффициент усиления идентифицируемого объекта kэ сравнительно легко определяется из анализа экспериментального графика изменения выходного при известном входном сигнале. Поэтому в модели (3.3) задаются коэффициент усиления k = kэ и начальные условия x(0) = xэ(0), y(0) = yэ(0), это позволяет обеспечить выполнение условия абсолютно интегрируемости функции:

h( t ) h( t ) hэ( t ) : h( ) hэ( ) .

Задается начальное приближенное значение искомого параметра 0..

2) При оговоренных значениях параметров, входных сигналов и начальных условий из решения уравнения (3.3) определяется переходная функция искомой модели h(t) и ИО (3.2) – I0 . Далее дают приращение и при значении параметра 1 = 0 + снова решают уравнение (3.3) и рассчитывают ИО I1. Если I1 I0, то величина 1 принимается в качестве следующего приближения , если I1 > I0, то изменяют знак приращения и повторяют вычисления переходной функции. Математически процесс минимизации

Т.е. процесс параметрической оптимизации является итерационным. Уточнение заканчивается, когда

I( i i ) I( i ) .

Каждое вычисление целевой функции Ii достигается в результате прогона имитационной модели, поэтому время решения задачи оптимизации может быть весьма большим.

В рассматриваемой версии СИАМ реализованы следующие численные методы оптимизации: покоординатного спуска, прямого поиска, случайного поиска (Монте-Карло). Они различаются между собой способами задания приращения i и формулами расчета величины i+1.

Для решения задачи идентификации необходимо набрать модель идентификации (см. рис. 3.1) и войти в окно оптимиза-

16

ции, нажав клавишу F8-Опт. Для решения задачи идентификации необходимо последовательно нажать следующие клавиши: F2-Мет – выбрать метод параметрической оптимизации и диапазон неопределенности параметров; F5-Функ – выбрать блок, выходной сигнал которого при t = tK будет считаться значением интегральной оценки (целевой функции); F6-Пар

– выбрать идентифицируемые параметры, задать границы их изменения, F3-Счет – запустить процедуру идентификации.

Рис.3.1. Модель идентификации в СИАМ

Более подробно действия оператора при решении задачи идентификации рассмотрены работах [4,5].

4. Синтез систем автоматического управления методом стандартных коэффициентов

С и н т е з с и с т е м ы а в т о м а т и ч е с к о г о у п р а в л е - н и я ( С А У ) – это определение структуры, состава элементов, и значений параметров САУ, при которых она удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям. Данное определение характеризует общую задачу синтеза.

17

Задача определения типа, схемы и параметров закона управления (ЗУ) или корректирующих устройств (КУ) называется ч а с т н о й з а д а ч е й с и н т е з а С А У .

Разработано большое количество методов решения частной задачи синтеза САУ. В задачах синтеза САУ в настоящее время используются два метода: графоаналитический [1,2] и интегральных оценок [4]. Ниже для решения задачи синтеза САУ предлагается использовать метод стандартных коэффициентов [6]. В этом методе структура и параметры регулятора: k0 , k1, k2, … должны быть выбраны так, чтобы передаточная функция замкнутой САУ равнялась желаемой (стандартной передаточной функции, передаточной функции эталонной модели - ЭМ):

Для его решения обычно выписывают систему уравнений для коэффициентов при одинаковых степенях p. Эта система уравнений будет иметь решение, если структура замкнутой САУ и эталонной модели выбраны так, что число искомых параметров регулятора равно числу уравнений, получаемых из уравнения (4.1). Пример решения этой задачи приводится прил.1.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы :

1.Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Автоматика и автоматизация производственных процессов» / А.К. Алейников. – Саратов: СГАУ им. Н.И.Вавилова, 1995. – 32 с.

2.Автоматика и автоматизация производственных процессов мясной и молочной промышленности / В.В Митин., В.И. Усков, Н.Н. Смирнов. – М.: ВО «Агропромиздат», 1987. –240 с.

3.Исследование систем автоматического управления с помощью ПЭВМ. Учебное пособие / Е.П. Решетняк, А.К. Алейников А.К., В.А. Киселев В.А. – Саратов: СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2005. –136 с.

4.Лабораторный практикум по дисциплине «Автоматизированные системы управления технологическими процессами» / Е.П. Решетняк, А.К. Алейников. –Саратов: СГАУ им. Н.И.Вавилова, 2009.– 64 с.

5.Инженерные основы биотехнологии / под редакцией акад. Д.Г. Побе-

димского. – М.: МИТХ, 2004 . – 380 с.

6.Системы управления химико-технологическими процессами: учебное пособие / Е.П. Решетняк, А.К. Алейников. – Саратов: СВИБХЗ, 2008. – 416 с.

18

П р и л о ж е н и е 1 .

П Р И М Е Р В Ы П О Л Н Е Н И Я К У Р С О В О Г О П Р О Е К Т А

Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова

Факультет ТПП

Кафедра "Автоматизации и оборудования пищевых производств"

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Автоматизированные системы управления

технологическими процессами»

Тема: Автоматизация технологического процесса

изготовления кефира резервуарным способом

Работу выполнила студентка учебной группы ТМЛ - 401

Макеева С.В.

Руководитель:

д.т.н., профессор Решентяк Е.П.

Саратов 2010

19