Синтез и моделирование промышленной системы автоматического управления

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  «МАМИ» 
 
 
 
 

Факультет «Автоматизация и управление»

Кафедра «Автоматика  и процессы управления» 
 
 
 
 
 

Курсовой  проект

по теме

«Синтез и моделирование промышленной системы автоматического управления» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

МОСКВА-2011

Индивидуальное  задание по курсовому  проектированию

«Синтез и моделирование  САУ».

 

Рис1. Блок – схема системы автоматического регулирования уровня. 

      Провести  синтез промышленной  системы автоматического  управления (рис 1), обеспечивающей время  регулирования tр, ориентировочно соответствующее наибольшему значению динамической константы объекта управления при статической ошибке  dст=0 и монотонности переходной функции по каналу управления  (xmax =0);  Метод синтеза – на основе Логарифмических Амплитудно – Фазовых Частотных Характеристик (ЛАФЧХ).

САУ реализовать на основе  современных средствах  КИП и А.

Результаты синтеза  САУ подтвердить моделированием в среде Simulink (МАТLAB). 

1.Обьект управления  – бак напорный.

 Передаточная функция  объекта по каналам вход –  поступающий расход  воды  уровень воды в напорном баке имеет вид

,

Где площадь сечения цилиндрического бака напорного ( -диаметр бака напорного)

       - номинальный режим по уровню  воды.

       - номинальное значение поступающего  расхода при . 
 
 
 

№ 

      

8 4.5 1000     0.5            60с.

    где – номинальный режим по уровню воды.

    Q_п0 – номинальное значение поступающего расхода при .

    D – диаметр напорного бака. 

       Расчеты:

       - номинальный поступающий расход

       -коэффициент передачи

       -постоянная времени 

       Следовательно:

       -передаточная функция 
 

  Система управления 

    Структура системы автоматического управления /САУ/ представлена на (рис.2):

    

 

Рис. 2. Структурная  схема САУ 

Где:   - коэффициент передачи  регулирующего органа /РО/ поступающего расхода Q_ПО;

                 задание системы автоматического  управления  на регулирование  заданного значения уровня  , выраженное в терминах пропорционального уровню унифицированного ((4-20) ) входного  сигнала   автоматического регулятора;

             - выходное для системы значение уровня , выраженное в терминах пропорционального уровню унифицированного ((4-20) ) выходного сигнала датчика уровня;

             - коэффициент передачи датчика  уровня h;

             -  передаточная функция автоматического  регулятора. 
 
 
 

    Расчет  коэффициента  передачи регулирующего органа

    поступающего  расхода 

      Для того, чтобы осуществить возможность регулирования поступающего потока, выбираем двойное значение поступающего расхода Q_п0 (рис. 3). 
 

    

 

Рис. 3. Зависимость  поступающего потока от

 степени  открытия ( в «%») регулирующего органа 

    Коэффициент передачи РО определяется как отношение  приращения расхода  изменению степени открытия регулирующего органа. В терминах 

    «% открытия РО» от  полного его (100%) открытия  имеем

    

. 

    Оценка  коэффициента передачи  датчика уровня 

    Коэффициент передачи датчика уровня определяется как отношения приращения выходного  параметра датчика уровня к входному параметру как

    

 

      Максимальная высота уровня жидкости, которую должен измерять датчик  уровня, соответствует 10 [м], а токовый  унифицированный выходной сигнал  датчика уровня соответствует (4…20) [мА]. Тогда 
 
 
 

    Необходимо  учитывать необходимость фильтрации сигнала, пропорционального уровню от высокочастотных помех, вызываемых, в частности, колебаниями уровня при наливе рабочей среды.  Общепромышленные датчики уровня имеют встроенную функцию сглаживания выходного  сигнала инерционным фильтром- звеном первого порядка с устанавливаемой постоянной времени Т_ф в диапазоне от единиц до десятков секунд. Выберем постоянную времени фильтра

    Т_ф = 10с. 
 

    Тогда передаточная функция датчика уровня равна:  
 

    а структура  системы управления принимает  вид: 

         

Рис. 4. Структура системы управления  

Из (рис.4) следует структура (рис.5) 

 

Рис. 5. Структура  системы управления для дальнейших расчетов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛАФЧХ  неизменяемой части  системы 

Рассмотрим логарифмические  амплитудно-фазовые частотные характеристики разомкнутой системы с передаточной функцией:

ЛАФЧХ неизменяемой части  САУ строятся  приближенным методом, состоящим в том, что для звена  с  передаточной функцией  

в логарифмической  сетке координат до частоты ,где Т=6400-постоянная времени, ЛАЧХ имеет вид прямой на уровне

20lgК=20lg0,32=-10дб - коэффициент передачи, а для частот, больших

 , ЛАЧХ имеет вид прямой линии с наклоном – 20дб/дек до сопрягающей частоты , (Т_ф=10), где наклон ЛАЧХ изменяется дополнительно на -20дб/дек и составляет -40дб/дек.  

Выбор регулирующего органа совместно

с исполнительным механизмом для поступающего расхода

    Произведем  выбор регулирующего органа на основании ,где - условная пропускная способность. 

    Вычисление  ведется по международному стандарту DIN EN 60534: 

    

    где Q – расход [м³/ч], ρ – плотность жидкостей [кг/м³], Δp – разность давлений [бар] перед клапаном (Р1[бар]) и за клапаном (Р2[бар]) по направлению потока.

    Тогда для регулирующего органа расхода  Q_п0 согласно исходным данным

    

    Для возможности изменения расхода  Q_п в процессе автоматического управления относительно его номинального значения Q_п0 максимальное значение Q_п принимаем в 2 раза больше номинального.  Следовательно,  значение C_v = 2 
 
 

    

 
 

Зависимость пропускной способности от степени  открытия клапана 

    Выбираем  запорно-регулирующий клапан односедельный  фланцевый клапан типа «25с947нж» с  DN = 25, С_v = 2 в комплекте с электрическим исполнительным механизмом постоянной скорости (ЭИМ). Клапан предназначен для использования на центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЦТП и ИТП), вентиляционных системах тепличных хозяйств и в других областях народного хозяйства для автоматического регулирования технологических процессов. 

    Выбор датчика степени  открытия регулирующего  органа. 

    Выбираем  тип датчика степени перемещения  штока (степени открытия регулирующего  органа в диапазоне (0-100)%) - в виде реостатного датчика с сопротивлением R=100 Ом. 

Выбор регулирующего органа совместно

  с исполнительным  механизмом для  отходящего расхода 

    Перепад давления на РО отходящего расхода  определяется давлением высоты столба жидкости на уровне позиции РО. В  данном случае максимальное значение уровня жидкости (воды)  составляет =9[м]. Следовательно, перепад давления на клапане =0,88 [бар]

    Рассчитаем  величину условной пропускной способности  для регулирующего органа расхода  Q₀ в установившемся режиме Q_по=Q_o согласно стандарту DIN EN 60534: 

    Расход  Q₀ принимаем в 2 раза больше номинального, поэтому выбираем клапан с С_v=2,14 

    Выбираем  запорно-регулирующий клапан односедельный  фланцевый клапан типа «25с947нж» с  DN = 25 мм, K_v = 2,5 в комплекте с электрическим исполнительным механизмом постоянной скорости с параметром времени хода ЭИМ Т_х = 80с.

    Выбираем  тип датчика степени перемещения  штока т.е – степени открытия регулирующего органа ( в диапазоне (0-100)% - в виде реостатного датчика с сопротивлением R=100ом).

     Степень  открытия РО также будем индицировать  при помощи ДУП(дистанционный указатель положения) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Основные  характеристики запорно-регулирующего  клапана с электрическим  исполнительным механизмом (ЭИМ) 25с947нж 

    Назначение:  
Клапан типа 25с947нж предназначен для использования на центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЦТП и ИТП), вентиляционных системах тепличных хозяйств и в других областях народного хозяйства  с целью непрерывного регулирования расхода и других параметров рабочей среды, так и в качестве запорного устройства. 

Регулирующий орган  с исполнительным механизмом постоянной скорости типа 25с947нж: 

1. Корпус

2. Крышка

3. Плунжер

4. ЭИМ

5. Комплект монтажных частей 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Достоинства:

•   Клапан «25с947нж» является регулирующим и запорным органом одновременно, что исключает необходимость установки запорных устройств до и после регулирующей арматуры в технологических линиях.

•   Клапаны выпускаются с линейной и равнопроцентной пропускной характеристикой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Клапан  комплектуется ЭИМ согласно Таблицы применяемости ЭИМ Обозначение изделия DN, мм Номинальное усилие (момент) на штоке, Н (Н·м) Ход штока, мм Скорость (время) перемещения штока, мм/мин (с) Тип привода 25с947нж  25нж947нж  25нж947нж1 25 4500 20 10 ST 0-4500-16-10;  МЭПК 6300/50-30У-IIВТ4* 50 65 10000 30 (110)  32  (110) МРП-10-110-30;  ST -0,1-6300-30-32 80 100 МРП-10-110-30 125 25000 50 (150) МРП-25-150-50