Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
___________________
ФГБОУ ВО
И. А. ХАУСТОВ, Н. В. СУХАНОВА
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ВОРОНЕЖ
2018
1
2
УДК 65.011.56 (075.8)
ББК Л80-5я7 + Л10-5я7
Х55
Научный редактор профессор В. С. КУДРЯШОВ
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра информационных технологий управления
Воронежского государственного университета;
канд. техн. наук Н. Р. БОБРОВНИКОВ
(ООО ИФ “МИАС”)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Хаустов, И. А.
Х55
Системы управления технологическими процессами [Текст]:
учеб. пособие / И. А. Хаустов, Н. В. Суханова; Воронеж. гос.
ун-т инж. технол. - Воронеж: ВГУИТ, 2018. - 139 с.
ISBN 978-5-00032-372-4
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС
ВО подготовки выпускников по направлениям 15.03.02 – «Технологические
машины и оборудование», 19.03.02 - «Продукты питания из растительного
сырья». Оно предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплин блока Б1 «Дисциплины». Пособие содержит материал, необходимый при
изучении теории автоматического регулирования, технических средств автоматизации, измерительных приборов и др. Приведены сведения, требуемые
для изучения основ теории управления и методов проектирования, создания и
эксплуатации систем автоматического регулирования. Пособие может быть
использовано в качестве вспомогательного материала при курсовом и дипломном проектировании.
2402000000 – 37
Х
Без объявл.
УДК 65.011. 56 (075.8)
ББК Л80-5я7+Л10-5я7
ОК2 (03) – 2018
ISBN 978-5-00032-372-4 ©©Хаустов И. А., Суханова Н. В., 2018
ФГБОУ ВО «Воронеж. гос.
ун-т инж. технол.», 2018
Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОТ АВТОРОВ……………………………………………….……………….......5
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ……
1.1. История развития и примеры автоматических систем и устройств. Технические процессы. Механизация и автоматизация.
Предпосылки автоматизации…………......................................... .
1.2. Классификация систем и принципы управления.............................
1.3. Общие сведения о системах управления........................……...
1.4. Основные законы управления системами........................…......
6
6
10
14
18
1.5. Пути создания АСР. Пример математического описания
процесса…………………………..............................…………..
1.6. Использование дифференциальных уравнений для исследо-
вания динамики объектов управления..............................……
1.7. Объекты регулирования и их свойства......................…………
1.8. Показатели качества регулирования..........................…………
1.9. Использование преобразования Лапласа для исследования дина-
мики систем регулирования..........…………………………………
1.10. Понятие о частотной характеристике системы.......…………
1.11. Динамические звенья автоматических систем регулирования ........
1.12. Соединение динамических звеньев....................…… ………..
1.13. Устойчивость АСР………….......……………………………..
1.14. Алгебраические критерии устойчивости......................……...
1.15. Частотные критерии устойчивости..................……………....
ГЛАВА 2. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ..............................................
2.1. Технологические измерения и приборы. Основные понятия
метрологии.....................................................…………………..
2.2. Преобразователи и системы передачи сигнала... ... .. ... ... ... ... ... .. . .... ... ..
2.3. Измерение давления...........…………………………………….
2.4. Измерение температуры..........………………………………...
21
22
23
27
29
30
32
39
43
44
45
47
49
47
50
52
57
4
2.5. Измерение расхода...........……………………………………..............
65
2.6. Измерение количества твердых и сыпучих материалов...........……..
2.7. Измерение уровня.........……..…………………………………………
2.8. Измерение плотности...........……..……………………………………
2.9. Измерение вязкости..........……………..………………………………
2.10. Измерение влажности............………………………………...............
2.11. Измерение кислотности растворов.....................……………………
2.12. Измерение химического состава жидкостей и газов.........................
2.13. Исполнительные механизмы и регулирующие органы....................
2.14. Усилители.......………………………………………………...............
2.15. Автоматические регуляторы.................……………………...............
ГЛАВА 3. СОСТАВЛЕНИЕ И ЧТЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
СХЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ……………………………..………………..
3.1. Проектирование принципиальных средств автоматизации....
3.2. Выбор параметров контроля и управления процессом..........
3.3. Выбор приборов контроля, регуляторов и средств автоматизации
71
74
81
84
90
94
96
98
102
103
106
106
107
107
3.4. Описание схем контроля, регулирования, сигнализации.…..
3.5. Функциональная схема автоматизации (ФСА)………………..
110
110
ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………..…122
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………….………..…………...137
5
ОТ АВТОРОВ
Автоматизация является важнейшим фактором повышения
производительности труда, эффективности общественного производства. Дальнейшее развитие пищевой и химической промышленности
требует создания как автоматизированного оборудования, автоматизированных линий и технологических процессов, так и автоматизации управления производством. Для решения этих задач нужны высококвалифицированные специалисты в области управления и автоматизации. Поэтому в настоящее время в вузах большое значение
придаётся изучению дисциплин «Системы управления технологическими процессами» и «Управление техническими системами».
Данное пособие предназначено в помощь обучающимся, изучающим указанные и близкие дисциплины. Оно содержит материал,
необходимый при изучении теории автоматического управления,
технических средств автоматизации и измерительных приборов.
В основу пособия положен материал общеобразовательных
лекций, читаемых авторами в течение многих лет. Оно написано с
использованием минимума сведений из курса высшей математики,
механики, гидравлики, физики и др. дисциплин. Общие концепции
теории управления приводятся без доказательств. Изложение материала ведётся с постепенным возрастанием уровня сложности, что
обеспечивает его доступность для восприятия. Пособие состоит из 3
глав, в которых рассматриваются основные понятия, определения
автоматизации, информатизации и теории автоматического управления, алгоритмы функционирования автоматических систем, основы
проектирования САУ, системы управления типовыми объектами в
производстве продуктов питания, основные методы и приборы автоматического контроля наиболее важных химико-технологических
параметров. Приведены примеры функциональных схем автоматизации технологическими процессами. Пособие предназначено для обучающихся пищевого и химического профиля.
6
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО
1
11
УПРАВЛЕНИЯ
1.1.История развития и примеры автоматических
систем и устройств. Технические процессы. Механизация
и автоматизация. Предпосылки автоматизации
Термин «автоматизация» (от греч. «aut omatos») означает самодействующий. Автоматизация производства - процесс в развитии
машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Первые автоматические устройства и
системы появились за 300 лет до н. э. К самым древним относится
система автоматического открытия дверей храма (рис. 1. 1), сифон,
автоматически действующие орудия, системы регулирования уровня
(рис. 1.2) и т. п.
2
0.0
3
7
7 5 4
8 6
9
10
12
Рис.1.1. Система автоматического открытия и закрытия двери храма: 1 дверь; 2 - жертвенник для сжигания сала (мяса); 3 - серебряный стержень; 4 - шаровая ёмкость; 5 - сифонная трубка; 6 - ёмкость; 7 - блоки;
8 - ворот; 9 - груз, 10 - подпятник; 11 - огонь
7
Q1, P
M
t1t2 t1t
1
L
0 t
Q
Q2, P
2
2
2
0 t
Рис. 1.2. Система двухпозиционного регулирования уровня жидкости
и её дозирования при розливе в тару
Условно технические процессы подразделяют на: технологические, энергетические и транспортные. Помимо технических
процессов можно выделить информационные.
В каждом процессе можно выделить рабочие операции и операции управления. Рабочая операция - операция, требующая основной энергии, с помощью которой реализуется изменение показателей материала. Операции управления - операции, сопряжённые с це-
ленаправленным воздействием на процесс, информационный, энергетический поток или поток массы и т. п. для достижения заданных
целей. Для операции управления в первую очередь необходимы информация и интеллектуальный потенциал человека - управленца.
В понятие управление входит планирование, учёт, контроль (анализ), регулирование, защита при аварийных ситуациях, перевод процесса
с режима на режим и т. п. Если управление осуществляется без участия
8
человека, то оно называется автоматическим. Основными функциями
управления являются: контроль за показателями процесса, анализ информации и принятие решения, реализация решения, воздействующего на
процесс.
Механизация - процесс замены труда человека в рабочих
операциях.
Автоматизация - процесс замены человека в операциях
управления.
Для автоматизации технологического процесса и создания
системы управления им необходима в первую очередь механизация.
Кроме того, необходимы средства автоматизации (измерительные
устройства, устройства автоматической сигнализации, усилители,
исполнительные механизмы, преобразователи сигнала) и знание
алгоритма управления. Автоматизация производства - этап машинного производства, позволяющий полностью или частично освободить человека от непосредственного участия в управлении и передачи этой функции к управляющим устройствам и системам. В автоматизированном производстве человек переключается на творческую работу: анализ результатов управления, составление программ, заданий, наладку и т. п.
Автоматическое производство - производство, полностью
исключающее участие в нём человека (автоматические линии, цеха автоматы, заводы - автоматы). Роль человека здесь заключается в
усовершенствовании производства, наладке в аварийных ситуациях,
вызванных стихийными бедствиями. Автоматическое управление
выше по уровню, но автоматизированное эффективнее.
Целью автоматизации является повышение качества продукции, безаварийность работы, исключение травм, сокращение
брака, отходов, уменьшение затрат на электроэнергию, затрат на
сырье (и, соответственно, затрат на производство), повышение
производительности труда и рост объёма производства, уменьшение численности основных рабочих, улучшение экологичности
производства, улучшение условий труда, повышение культуры
производства, снижение затрат на строительство зданий, снижение сроков межремонтного пробега оборудования.
Различают 2 этапа автоматизации: частичный и комплексный. Частичный, когда каждый технологический параметр в пре-
9
делах участка, цеха автоматизируется отдельно, независимо от
хвхх
вых
других. Комплексный, когда управление всеми аппаратами,
транспортёрами и силовыми двигателями, технологическими па-
раметрами происходит одновременно.
Теоретическая основа автоматизации на базе вычислительной техники - кибернетика.
Кибернетика - наука о наиболее общих законах управления.
Автоматика - отрасль науки и техники, изучающая мето-
ды, способы и технические средства управления технологическими процессами.
Технологический процесс - совокупность технологических
операций, проводимых над исходным сырьём в одном или нескольких аппаратах, целью которых является получение продукта, обладающего заданными свойствами. Технологический процесс характеризуется технологическими параметрами. Параметры - физические величины, определяющие ход технологического
процесса (температура, расход и т. п.). Различают входные, выходные и возмущающие воздействия (параметры, рис. 1.3).
f
ОУ
Рис. 1.3. Виды воздействий на объект управления (ОУ)
Выходные параметры (Х
) - наиболее полно характери-
вых
зуют интенсивность протекания процесса.
Входные Х
(управляющие) - параметры, изменением ко-
вх
торых можно воздействовать на выходные (изменение расхода,
концентрации компонента и т. д.)
Возмущающие параметры (f) - параметры, изменение ко-
торых приводит к отклонению выходных параметров от заданных
значений, т. е. это воздействия в процессе работы, которым подвергается объект, мешающие правильному протеканию процесса.
10
Контроль - наблюдение за технологическими параметрами
y
x
х
с целью информационного обеспечения правильности управляющих воздействий.
Сигнализация предполагает контроль за производством и
технологическими режимами с целью обеспечения качества продукции и безаварийности работы оборудования.
Регулирование (частный случай управления) - поддержание
параметров относительно заданных значений (стабилизация) или
изменение их по определённому закону.
Основные предпосылки автоматизации:
1. Технические (предполагают механизацию, наличие техни-
ческих средств автоматизации, наличие алгоритма управления).
2. Организационно - экономические (вызваны необходимо-
стью сокращения числа работающих во вредных условиях производства, затрат на производство, необходимостью повышенной
точности выполнения отдельных операций т. п.)
3. Социальные (отсутствие работников определённой ква-
лификации, недостаток рабочей силы).
1.2. Классификация систем и принципы управления
Система управления (СУ) - совокупность автоматического
управляющего устройства и объекта управления, взаимодействующих между собой (рис. 1. 4). Системы управления классифицируют:
1. По виду математической модели. Они могут быть линейными и нелинейными в зависимости от вида уравнений, связывающих входные и выходные параметры системы.
СУ
Рис. 1.4. Пример системы управления (СУ)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]