Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВПО
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
А. Н. ГАВРИЛОВ, Ю. В. ПЯТАКОВ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
Ч. 1
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ВОРОНЕЖ
2014
1
УДК 35:66.02
ГБезобъявл
.
ББК Л 10-5-05 я7
Г12
Научный редактор профессор А. А. ХВОСТОВ
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра информационных технологий моделирования и управления
Московского гуманитарно-экономического института
(Воронежский филиал);
д-р техн. наук М.Г. МАТВЕЕВ
(Воронежский государственный университет)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Гаврилов, А. Н.
Г12 Системы управления химико-технологическими процессами. В 2 ч.
Ч. 1 [Текст] : учеб. пособие / А. Н. Гаврилов, Ю. В. Пятаков; Воронеж.
гос. ун-т инж. технол. - Воронеж : ВГУИТ, 2014. -220 с.
ISBN 978-5-00032-042-6
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВПО подготовки выпускников по направлению 220700.62 – «Автоматизация технологических процессов и производств» (профиль – «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)»)
и предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплин цикла Б3. В пособии изложены теоретические сведения построения систем управления, основные методы и средства измерения технологических параметров, используемых в пищевой и химической промышленности, даны основные аспекты проектирования, создания и эксплуатации современных АСУ ТП.
0605010201-11
ОК2(03)-2014
35.66.02 УДК
я7 05-5-10 ЛББК
ISBN 978-5-00032-042-6 Гаврилов А.Н., Пятаков Ю.В.,
2014
© ФГБОУ ВПО «Воронеж. гос. ун-т
инж. технол.», 2014
Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского госу-
дарственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение)
любым способом без согласия университета запрещается.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
6.1. Разомкнутое управл
е
ние…..……………………....
.........
6.2. Принцип управления по возмущ
е
н
ию…
...
….…
…….
....
6.3. Принцип управления по отклон
е
нию
…
……
…….
.…....
6.4. Комбинированное управл
е
ние………………
…….
…….
8.1. Понятие математической мод
е
ли…
...
……
….
……
…….
8.2. Основные способы математического описания
8.2.1. Статические характерист
и
ки………
...
…………………...
8.2.2
. Динамические характерист
и
ки…………………………...
8.2.3. Частотные характерист
и
ки………………………………..
8.2.4. Дифференциальные уравн
е
ния…………………………...
8.2.5. Передаточные фун
к
ции…………………………………...
8.3. Типовые звенья
САР…...
………
.
……………
……….
…
8.3.1. Усилительное зв
е
но…
...
…….
.
……
.
……………………...
8.3.2. Интегрирующее зв
е
но…
...…..
……
.
……………………...
8.3.3
.
Дифференцирующее
звено….……
.
……………………...
8.3.4.
Апериодическое
звено
1-го поря
дка
…
...
………………...
8.3.5. Форсирующее зв
е
но..………..…….……………………...
8.3.6. Колебательное зв
е
но...…….....…….……………………...
Предисловие.……………………………………………….. 6
1. Понятие системы управления……………………...… 8
2. Исторические предпосылки создания современных
систем управления…...………………………………... 10
3. Базовые понятия и определения..….………………….. 14
4. Структурная схема АСР……...………………………... 17
5. Понятие и виды обратной связи…...………………….. 19
6. Основные принципы управления………...………….... 21
21
22
24
26
7. Классификация систем автоматического управления.. 28
8. Математическое описание элементов и систем
управления……...………………………………………. 38
38
систем автоматического управления………….……... 47
47
49
54
57
64
66
67
68
69
70
71
71
3
8.
3.7. Звено запаздыв
а
ния....…….....…….……………………...
73
8.4. Соединения звен
ь
е
в.…………….…………………
…….
8.4.1. Последовательное соедин
е
ние…
…
……………………...
8.4.2. Параллельное соедин
е
ние……...….……………………...
8.4.3. Соедин
ение с обратной св
я
зью...………………………...
9.1.
Свойства объектов управл
е
ния...
………………
…….
….
9.2. Математические модели объектов управл
е
ния
……..
….
9.2.1. Аналитический метод полу
чения математического
описания объект
а
управл
е
ния…
.
………………………..
9.2.2. Экспериментальный метод получения передаточной
функции объекта управления по переходной кр
и
вой….
10.1. Позиционные законы регулиров
а
ния…………
….…
….
10.2. Пропорциональное регулиров
а
ние…………
…….
…….
10.3.
Интегральное
регулиров
а
ние……
…….
……
…....
….….
10.4. Дифференциальное регулиров
а
ние……...……
…….
….
10.5.
Изодромное регулирование (ПИ
-
закон). Регули
ровани
е
с использованием Д
-
закона……
...
……
………………..
.
13.1.1. Корневой крит
е
рий…
...
………………………………….
13.1.2. Алгебраические критерии устойчив
о
сти……………….
13.1.3. Частотные кри
терии устойчив
о
сти……
...
..…………….
13.2.1. Прямые показатели качес
т
ва…
...
……………………….
13.2.2. Косвенные показатели качес
т
ва…
...
...………………….
13.2.3. Робас
т
ность
…
...
……………….……...………………….
74
74
75
76
9. Промышленные объекты управления………………… 79
82
84
88
90
10. Основные законы регулирования……...……………… 95
96
98
99
100
101
11. Алгоритмы цифровых систем управления……....…… 103
12. Определение оптимальных настроек регуляторов…... 105
13. Анализ систем управления…………………….….…… 109
13.1. Устойчивость САУ…………......………………..…. 110
114
115
117
13.2. Качество АСУ………………......……..……………. 122
123
125
130
4
14. Основные понятия об измерениях и средствах
17.1.1.
Температурные шк
а
лы…
...
……..
……………………….
17.1.2. Классифика
ция термоме
т
ров…...……………………….
17.1.3. Термометры расшир
е
ния…..…...……………………….
17.1.4. Манометрические термометры …………………………
17.1.5. Термометры сопротивл
е
ния…..……………………...…
17.1.6. Термоэлектр
ические термоме
т
ры…
…
.……………...…
17.1.7. Пирометрические термоме
т
ры…….…….…………...…
17.1.8. Диэлектрические измерители темпер
а
тур…………...…
17.2. Методы
и приборы измерения давления и
17.2.1. Жидкостные маноме
т
ры………..……………………….
17.2.2. Деформационные маноме
т
ры……..…………………….
17.2.3. Поршневые маноме
т
ры……
...
...…..…………………….
17.2.
4
.
Электрические
маноме
т
ры……
….
..……
……………….
измерения. Погрешность измерений………………….. 132
15. Государственная система приборов…...……………… 141
16. Первичные преобразователи……...…………………… 146
17. Методы и приборы измерения основных физических
величин химико-технологических процессов…...…… 150
17.1. Методы и приборы измерения температуры…...……. 150
151
155
155
160
162
173
185
193
разряжения……………………………………..…… 194
197
201
205
207
Вопросы для самоконтроля..……………………………….. 214
Приложение…..……………………………………………... 217
Библиографический список………………………………... 218
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие разработано с целью оказания помощи студентам очной и заочной форм обучения при изучении дисциплины «Автоматизация технологических процессов и производств».
Изучение данной дисциплины направлено на формирование
следующих компетенций:
- готовности применять способы рационального использования
сырьевых, энергетических и других видов ресурсов, современные методы разработки малоотходных, энергосберегающих и экологически
чистых технологий (ПК-5);
- способности участвовать в разработке обобщенных вариантов
решения проблем, связанных с автоматизацией производства, выбирать на основе анализа вариантов оптимальный, прогнозировать последствия решений (ПК-7);
- способности участвовать в разработке проектов по автоматизации производственных и технологических процессов, технических
средств и систем автоматизации, контроля, диагностики, испытаний,
управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством (ПК-19);
- способности к практическому освоению и совершенствованию
систем автоматизации производственных и технологических процессов,
контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным
циклом продукции и ее качеством (ПК-20);
- способности выполнять работы по автоматизации технологических процессов и производства, их обеспечению средствами автоматизации и управления, использовать современные методы и средства автоматизации, контроля, диагностики, испытаний и управления процессами ( ПК-21).
В учебном пособии изложены теоретические основы построения современных систем управления, базовые методы и средства измерения наиболее распространенных технологических параметров,
используемых в пищевой и химической промышленности, даны основные аспекты создания и эксплуатации современных АСУ ТП,
опирающиеся на современные государственные стандарты, требова-
6
ния к проектированию автоматизированных систем управления технологическими процессами.
Пособие написано с использованием ряда сведений из курсов:
«Математика» (аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений), «Теория управления» (структурные преобразования, критерии управления, устойчивость, качество), «Математическое
моделирование в расчетах на ЭВМ» (методы обработки результатов
эксперимента), «Моделирование систем» (модели технологических
процессов), «Технологические процессы и производства» (динамические характеристики процессов, способы их получения и анализ) и др.
дисциплин. Материал иллюстрируется необходимыми поясняющими
схемами с подробным описанием принципа действия технических устройств. Приведены примеры создания функциональных схем автоматизированных систем управления.
Предложенное учебное пособие содержит необходимый теоретический и справочный материал для самостоятельной творческой
работы студентов над изучением методов измерения, управления,
проектирования и эксплуатации современных систем автоматического управления технологическими процессами.
7
1. ПОНЯТИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Понятие элемент происходит от латинского слова
«elementarius» и означает: начальный, простой, простейший, конеч-
ный, неделимый, лежащий в основе чего-либо.
Совокупность (соединение) взаимосвязанных и взаимодейст-
вующих элементов, объединенных с определенной целью называется
системой.
Понятие система происходит от греческого слова «systema», оз-
начающего целое, составленное из отдельных частей.
Каждый элемент в системе при необходимости можно рассматривать в качестве самостоятельных систем. Элементы внутри системы связаны между собой, а через внешнюю среду и с другими системами, прямой и обратной связью.
Системы разделяются на простые и сложные. Разница между
ними заключается в том, что в состав сложной системы входят компоненты, которые сами являются системами. Их называют подсистемами. Каждый компонент подсистемы, в свою очередь, может быть
системой. Совокупность компонентов подсистемы называют микросистемой. Любая система может быть подсистемой другой системы,
которая по отношению к ней является надсистемой или макросистемой.
Системы значительно отличаются между собой как по составу,
так и по главным целям. Каждая система характеризуется целью,
структурой, входными и выходными параметрами, ограничениями,
законом функционирования и критерием управления.
Системой может считаться множество программ для решения
конкретных задач управления технологическим процессом с использованием специализированных управляющих вычислительных машин и ЭВМ.
В данном курсе понятие "система" используется применительно к набору технических средств и устройств, комплексу программных средств, необходимых для нормального функционирования и
протекания химико-технологических процессов в аппаратах.
8
Современные химико-технологические процессы характеризуются большим количеством технологических параметров, (число их
может достигать нескольких тысяч), которые необходимо контролировать, поддерживать постоянными или изменять по определенному
закону. Соблюдение регламента технологического процесса определяет качество и объем выпускаемой продукции.
Для обеспечения выполнения данного технологического процесса необходимо организовать тот или иной процесс управления.
Обычно под управлением понимается целенаправленное воздействие
на технологический аппарат с целью обеспечения выполнения его
требуемого режима работы.
Задача управления заключается в том, чтобы объект управления
в условиях реальной эксплуатации обеспечивал выполнение требуемых функций.
Процесс управления может быть реализован "ручным" способом или с помощью совокупности технических средств. В зависимости от способа управления различают системы ручного, автоматизированного и автоматического управления.
Система, в которой все операции управления химикотехнологическим процессом выполняет человек (оператор) называется ручной.
Система, в которой все операции управления химикотехнологическим процессом выполняют технические устройства без
непосредственного участия человека, называется автоматической.
Система, в которой часть операций управления химикотехнологическим процессом выполняют технические устройства, а
часть (наиболее ответственная) сохраняется за человеком, называется
автоматизированной (САУ).
В общем случае под системой управления понимается система,
обеспечивающая автоматизированный сбор, передачу, обработку,
хранение информации, выдачу управляющих воздействий, необходимых для оптимального управления и ведения заданным технологическим процессом.
Под оптимизацией управления понимается выбор управления,
при котором достигается минимальное или максимальное значение
некоторого критерия управления.
9
2. ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ
СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Идея создания устройств, которые бы работали без участия человека, возникла еще в глубокой древности. Однако широкого практического значения первые автоматические устройства наших предков не имели. Их использовали исключительно для развлекательных
или религиозных целей. Так, известно, что Архит Тарентский (VI-V
вв. до н. э.) изготовил механического «летающего голубя», а Дмитрий Фалерский (III в. до н. э.) - «ползающую улитку», но эти изобретения так и остались занимательными игрушками.
В Древней Греции появилось слово аутоматос (самодействующий), от которого произошло название области науки и техники об
автоматических (самодействующих) устройствах — автоматика.
Древнегреческий математик и механик Герон Александрийский
(I в. до н. э.) оставил описание устройства, которое использовали
жрецы для «чуда», автоматического распахивания дверей храма.
Другой древнегреческий математик и механик Архимед (287 г.
до н. э. - 212 г. до н. э.) изобрел полиспаст (систему блоков для поднятия крупнотоннажных грузов), оборонительные и метательные
машины и др.
В древности автоматы придумывали изобретатели-одиночки, и,
как правило, в единственных экземплярах. Причем в основном построение устройств основывалось не на строгой теоретической базе, а
на методе проб и ошибок, а также на интуитивных догадках автора.
Автоматы тогда носило характер скорее произведения искусства, нежели практически применимой вещи. При этом авторы не раскрывали всех секретов построения данных машин.
Особый след в истории развития технических устройств оставил итальянский художник и изобретатель Леонардо ди сер Пьеро да
Винчи (1452-1519). Леонардо да Винчи вел дневник, в котором приведено множество чертежей и рисунков придуманных им механизмов
и аппаратов. Сконструировав по чертежам «машины» Леонардо да
Винчи, исследователи доказали, что именно ему принадлежат «авторские права» на парашют, вертолет, акваланг, пулемет, автомобиль
и массу других механизмов, без которых невозможно представить
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]