МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Севастопольский национальный технический университет

Кафедра технической кибернетики

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Системы автоматики»

На тему: «Синтез закона управления и настройка промышленного регулятора для стабилизации температуры в условиях возмущений»

(альбом документов)

Выполнил: студент группы А-42д

Севастополь

2006

ОПИСЬ АЛЬБОМА

Отчет по курсовому проектированию на тему «Синтез закона управления и настройка промышленного регулятора для стабилизации температуры в условиях возмущений» содержит документы:

- Техническое задание, где обозначены цель проекта, технические требования, основные этапы работы и график их выполнения (на 2-х листах);

- Пояснительная записка (22 листа);

- Приложения (4 листа), включающие в себя таблицы экспериментальных данных и листинг m-файла.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Севастопольский национальный технический университет

Кафедра технической кибернетики

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Системы автоматики»

На тему: «Синтез закона управления и настройка промышленного регулятора для стабилизации температуры в условиях возмущений»

(техническое задание)

Выполнил: студент группы А-42д

Севастополь

2006

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Цель проекта

Целью курсового проекта является разработка синтез закона управления и настройка промышленного регулятора для стабилизации температуры в условиях возмущений.

Общие требования к выполнению курсового проекта

К установленному сроку студент должен предоставить к защите расчетно-пояснительную записку и графический материал проекта, выполненные аккуратно и в соответствии с требованиями следующих стандартов ЕСКД:

ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Севастопольский национальный технический университет

Кафедра технической кибернетики

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Системы автоматики»

На тему: «Синтез закона управления и настройка промышленного регулятора для стабилизации температуры в условиях возмущений»

(пояснительная записка)

Выполнил: студент группы А-42д

Севастополь

2006

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ8

1 ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕТРОПЕЧИ

2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Методы математического описания объектов управления

2.2 Экспериментальные данные

2.3 Нахождение коэффициента усиления

2.4 Построение математической модели звена первого порядка геометрическим методом

2.5 Построение модели звена второго порядка методом площадей

2.6 Построение математической модели звена второго порядка методом Ротача

2.7 Выбор наилучшей аппроксимирующей модели

3 СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРА

3.1 Синтез регулятора методом ЛАЧХ

3.2 Переходная характеристика замкнутой системы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А (ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ)

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ)

ПРИЛОЖЕНИЕ В (РЕКОМЕНДУЕМОЕ)

ВВЕДЕНИЕ

Современная теория автоматического управления содержит результаты, применимые для различных классов общих многомерных систем, включая системы, задаваемые:

1. линейными дифференциальными уравнениями с переменными коэффициентами;

2. нелинейными дифференциальными уравнениями;

3. дифференциально-разностными и другими уравнениями с последействием;

4. уравнениями с частными производными и интегральными уравнениями.

Современная теория управления включает так называемую теорию оптимального управления, с помощью которой можно разрабатывать оптимальные системы, то есть системы, при функционировании которых минимизируется или максимизируется некоторый выбранный заранее критерий качества.

Автоматическое регулирование широко применяется в электротермии, в электрических печах сопротивления, также применяется автоматическое управление работой различных механизмов печного аппарата.

В индукционных печах и устройствах автоматически регулируется напряжение источников питания и коэффициент мощности установки, длительность отдельных процессов нагрева и их тепловой режим. В дуговых и рудно-термических печах применяют автоматические регуляторы, стабилизирующие их режим и обеспечивающие поддержание их мощности на заданном уровне.

Некоторые из электротермических процессов вообще не могут быть осуществлены в промышленных масштабах без их автоматизации. В других случаях автоматизация снижает брак, улучшает качество изделий, повышает производительность труда, улучшает качество технологических показателей производства, высвобождение обслуживающего персонала и облегчает условия его труда.

В электрических печах сопротивления осуществляется нагрев различных материалов до заданной температуры.

Во многих случаях после нагрева следует период выдержки, необходимый для выравнивания температуры в нагреваемых изделиях или для прохождения в цепях процессов, требующих времени. В связи с этим, основная задача устройств автоматического регулирования температуры состоит в обеспечении нагрева изделий до заданной температуры и в поддержании на заданном уровне с точностью, соответствующей требованиям технического процесса. Эти требования могут изменяться в широких пределах.

Различные электронные печи получили широкое распространение. Их существенные особенности:

1. Возможность компенсации большого количества энергии в весьма малых объектах и получение высоких скоростей нагрева и любой необходимой температуры;

2. возможность обеспечения высокой равномерности нагрева изделий;

3. легкость регулирования подводимой мощности, а также, следовательно, температуры, легкость автоматизации регулирования температурного режима.

В данном курсовом проекте осуществляется исследование системы автоматического регулирования температуры на базе промышленного регулятора Р-111.

В процессе исследований необходимо получить математическую модель объекта управления в виде передаточной функции.

Осуществить выбор параметров настройки регулятора, при которых система удовлетворяет заданным требованиям по точности и качеству.

1 ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕТРОПЕЧИ ВРТ-3

Автоматическое регулирование температурного режима осуществляется системами управления с обратной связью, вырабатывающими управляющие воздействия в зависимости от величины знака отклонения регулируемой величины от заданного значения.

В качестве объекта исследования рассмотрим промышленную электрическую печь СУОП-015.20/12М-43 в системе автоматической стабилизации температуры, выполненной на базе высокочастотного регулятора температуры ВРТ-3.

Система автоматической стабилизации температуры электропечи выполнена на промышленных приборах государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) аналоговой электрической ветви. Ее функциональная схема представлена на рис.1.1.

Рисунок 1.1 – Функциональная схема системы стабилизации температуры на основе высокочастотного регулятора температуры ВРТ-3

На рис. 1.1 приняты следующие обозначения:

– И-102 - измерительный блок;

– Р-111 - регулятор;

– У-252 - усилитель мощности;

– ЭП - электрическая печь (объект управления);

– ДТ - датчик температуры.

Сигнал с датчика температуры ДТ поступает на вход измерительного блока И102. В приборе И-102 формируется сигнал рассогласования, равный разности сигнала задатчика (задатчик входит в состав И-102) и сигнала температуры.

Усиленный сигнал ошибки поступает на вход регулирующего аналогового прибора Р-111, в котором могут быть сформированы П, ПИ, ПИД законы регулирования.

Реализация типовых законов регулирования осуществляется на базе операционного усилителя с использованием специально подключённых сопротивлений и емкостей на вход исполнительного устройства, которым является тиристорный усилитель мощности У-252.

Усиленный сигнал в виде напряжения подаётся в цепи нагрева электропечи.

В качестве возмущений используется два вида воздействий. Возмущения, вызванные изменением внутренних параметров электропечи, имитируются введением в активную зону печи металлических трубок из различных материалов (железо, алюминий, латунь) с различной теплоемкостью. Возмущение, вызванное внешней средой, создаётся вентилятором, т.е. принудительным воздушным охлаждением электропечи.

Система ВРТ-3 предназначена для прецизионного регулирования температуры и может применяться в электротехнической, электронной, теплоэнергетической и других отраслях промышленности.

Система ВРТ-3 состоит из трёх приборов:

– измерительного блока И-102;

– регулирующего устройства Р-111;

– усилителя мощности У-252.

Опишем основные блоки:

Измерительный блок И-102 представляет собой помехозащищенный усилитель с задатчиком. В блоке происходит компенсация ЭДС термопары и задатчика. В комплекте с термопарой и регулирующим устройством Р-111 блок применяется в системах высокоточного регулирования температуры.

В блоке И-102 сигнал термопары компенсируется сигналом от встроенного задатчика, и разница этих сигналов усиливается предварительным усилителем.

С выхода блока И-102 усиленный сигнал рассогласования поступает на вход устройства Р-111. Устройство формирует закон регулирования и преобразует входной сигнал в унифицированный сигнал постоянного тока 0-5 мА, который затем может быть использован в блоках питания (тиристорных, магнитных) или других устройствах управления нагревом.

Р-111 имеет индикаторы, по которым можно контролировать величину рассогласования и выходной ток, органы динамической настройки, а также переключатель управления, позволяющий перейти на ручное управление объектом и обеспечивающий "безударное" переключение.

Система ВРТ-2 в комплекте с тиристорным усилителем У-252 образует систему ВРТ-3.

Р-111 является аналоговым регулирующим прибором, осуществляющим пропорциональный (П), пропорционально-дифференциальный (ПД), пропорционально-интегральный (ПИ) или пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) законы регулирования.

Прибор работает в комплекте с измерительным блоком типа И-102, а так же может работать непосредственно с датчиками унифицированного сигнала 0-5мА или 0-20мА постоянного тока. В качестве исполнительного механизма для прибора Р-111 используются пропорциональные усилители мощности или электрические позиционеры.

Р-111 выпускается в 3-х модификациях, отличающихся величинами диапазонов времени интегрирования и времени дифференцирования.

Основные технические данные системы ВРТ-3

Выходной сигнал	0-5 мА постоянного тока
Сопротивление нагрузки	0-3 кОм
Минимальная цена деления задатчика	1 мкВ
Законы регулирования	П, ПИ, ПИД
Коэффициент пропорциональности Кп	0,3-50
Время интегрирования в ПИ- и ПИД-законах регулирования, Ти	2-75 с
Отношение времени дифференцирования ко времени интегрирования в ПИД-законе регулирования, Тд/Ти	0-0,9
Система ВРТ-3 обеспечивает помехозащищенность от продольной помехи величиной до 220 В 50 Гц и поперечной помехи величиной до 1 кВ 50 Гц
Питание системы	Промышленная сеть 220 В 50 Гц, не связанная с силовой сетью
Габаритные размеры каждого блока:
Ширина	160 мм
Высота	80 мм
Глубина	535 мм
Напряженность внешнего магнитного поля в месте установки ВРТ-3 не должна превышать:
Для И-102	40 А/м
Для Р-111	400 А/м

2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Методы математического описания объектов управления

Для построения высокоэффективной системы управления необходимо иметь описание объекта управления в виде математической модели.