Вавиловский В.И., Махалесова О.Е. Теоретические основы инженерного проектирования автоматических систем

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра электромеханики

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Методические указания к изучению дисциплины

«Автоматизация установок и комплексов»

Специальность 140601 − Электромеханика

Новокузнецк

2007

УДК 658.011.56:622.33(07)

Т 338

Рецензент

Профессор кафедры автоматизированного электропривода и

промышленной электроники Сибирского государственного

индустриального университета, к.т.н. Рыбаков Анатолий Иванович

Т 338 Теоретические основы инженерного проектирования авто-

матических систем: Метод. указ./Сост.: В.И. Вавиловский, О.Е.

Махалесова; СибГИУ. - Новокузнецк, 2007. − 43 с., ил.

Рассматриваются основные понятия и определения авто-

матизации производственных процессов, способы получения

математической модели объекта и инженерные методы выбора

алгоритма и параметров настройки регуляторов.

Предназначено для студентов специальности 140601 −

Электромеханика всех форм обучения.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………4

1 Горное предприятие как объект управления…………….…………7

2 Требования, предъявляемые к аппаратуре шахтной автоматики…7

3 Этапы автоматизации……………………………………………….. 8

4 Инженерные методы выбора алгоритма и параметров настрой-

ки регуляторов………………………………………………………

4.1 Способы получения математической модели объекта………….…9

4.2 Средства измерения……………………………………………….… 12

4.3 Методика проведения эксперимента………………………………. 13

4.4 Обработка результатов эксперимента………………………………15

4.5 Аппроксимация объекта типовыми звеньями……………………

…

4.6 Выбор математических моделей и значений параметров объекта

по результатам активного эксперимента………………………….. 21

4.7 Особенности определения математической модели и парамет-

ров объекта с относительно большой длительностью переход-

ного процесса……………………………………………………….. 25

4.8 Экспериментальное определение и выбор параметров тяговой

аккумуляторной батареи как объекта автоматического регулиро-

вания…………………………………………………………………. 26

5 Типовые регуляторы на базе операционных усилителей………… 33

6 Общие инженерные подходы к методам синтеза и анализа САУ.. 37

7 Контрольные вопросы…………………………………………….… 40

8 Библиографический список………………………………………… 42

ВВЕДЕНИЕ

Под автоматизацией понимают использование совокупности ме-

тодов и технических средств, обеспечивающих управление объектами

(машинами, механизмами, установками, аппаратами, процессами и

т.д.) без непосредственного участия человека

Управление – совокупность операций направленных на дости-

жение конечной цели. Система автоматического регулирования

(САР) выполняет операции запуска, нормального режима работы и

торможения. В неё входят все подсистемы и элементы, выполняющие

эти операции. Регулирующий орган – это устройство, регулирующее

параметры объекта.

Автоматизированный производственный процесс – это комплекс

операций, которые выполняются различными автоматическими уст-

ройствами: устройства автоматического регулирования и контроля,

производственной связи и сигнализации, автоматической защиты и

блокировки и т.д.

Автоматизация производства позволяет заменить функции чело-

века по управлению, регулированию и контролю технологического

процесса специальными устройствами. Автоматически действующие

устройства работают более надежно, исключают ошибки персонала, а

главное, при сокращении числа людей, занятых в процессе производ-

ства, обеспечивают рост производительности машин.

Комплексная автоматизация осуществляется на базе полной ме-

ханизации и совершенствования технологических процессов, ликви-

дации многооперационности, упрощения транспортной системы и на

основе модернизации и создания оборудования и систем управления

с учетом требований их работы в автоматическом режиме.

Современное горное предприятие – это сложнейший взаимосвя-

занный комплекс различных производственных процессов, функцио-

нирование которых основано на использовании высокопроизводи-

тельных автоматизированных машин. По существу автоматическим

управлением в той или иной степени в настоящее время охвачены все

основные и вспомогательные процессы: добыча, транспортировка и

подъем полезного ископаемого, проведение подготовительных выра-

боток, проветривание, водоотлив.

Непрерывная интенсификация подземных горных работ при по-

стоянном ухудшении горно-геологических условий ведет, как прави-

ло, к повышению сложности управления производственными процес-

сами горного предприятия. Развитие автоматизации производствен-

ных процессов на шахтах и рудниках страны тесно связано с этапами

механизации горных работ, с внедрением новой техники и техноло-

гии ведения очистных и проходческих работ.

Первые теоретические и практические работы по автоматизации

горных предприятий были выполнены в тридцатые годы. В 1930 г.

проф. Уманский В.Б. в журнале «Уголь и железо» опубликовал ста-

тью «Автоматизация рудничного подъема с приводом от асинхронно-

го двигателя». В 1939 г. коллектив специалистов под руководством

академика Терпигорева А.М. сформулировал основные принципы ав-

томатизации выемочных машин. Так же, тридцатые годы характерны

разработкой и испытанием первых очистных комбайнов.

В 1933-1934 гг. на ряде крупных шахт вводится диспетчерское

управление подземным транспортом. В 1934 г. на шахте им. ОГПУ в

Донбассе начались испытания аппаратуры и сигнализации, централи-

зации и блокировки (СЦБ) для автоматического управления подзем-

ным транспортом.

Начало широких работ по автоматизации в угольной промыш-

ленности относится к 1953 г. В первый период автоматизация носила

экспериментальный и поисковый характер, поскольку необходимо

было вырабатывать особые, отличные от общепромышленных сис-

тем, принципы и методы автоматического управления подземными

объектами, разработать требования к аппаратуре и наладить ее се-

рийный выпуск. Одновременно с экспериментальными работами

осуществлялось внедрение систем дистанционного и автоматическо-

го управления отдельными объектами (конвейерные линии, водоот-

ливные и вентиляторные установки и др.)

К началу шестидесятых годов был налажен выпуск широкой но-

менклатуры средств горной автоматики. Для производства различной

аппаратуры автоматизации для шахт и рудников были созданы спе-

циальные заводы шахтной автоматики: Днепропетровский (ДЗША),

Прокопьевский (ПЗША), Макеевский (МЗША) и др.

Существенный вклад в развитие автоматизации горных работ

внесли также ученые горных вузов страны Бырька В.Ф., Мелькумов

Л.Г., Волотковский С.А., Иванов А.А., Залесов О.А., Загороднюк

В.Т., Троп А.Е., Чермвлых В.М. и др.

В 1964-1968 гг. Ворошилоградским филиалом Гипроугле-

автоматизации (ВФГУА) разработаны и испытаны в промышленных

условиях автоматические регуляторы нагрузки очистных комбайнов.

В начале семидесятых годов в НПО «Автоматгормаш» создан авто-

матический регулятор для очистных комбайнов ИПИР, основные

принципы которого используются и в современной аппаратуре авто-

матизации.

Этим же объединением в конце шестидесятых годов разработана

аппаратура управления проходческими комбайнами семейства 4ПП2

с переносного пульта управления. По разработкам этого объединения

начат выпуск аппаратуры для программного управления проходче-

скими комбайнами ПК9рА и 4ПП2.

С середины 70-х годов, наряду с совершенствованием средств

горной автоматики и расширением области использования систем ав-

томатического регулирования отдельных машин, все более применя-

ется вычислительная техника как для построения оперативно-

диспетчерских систем, так и автоматизированных систем управления

технологическими процессами (АСУТП) шахт и рудников. Этот ка-

чественно новый уровень автоматизации технологических процессов

отличается и тем, что одновременно с использованием мощных ЭВМ

и специальных управляющих вычислительных комплексов на шахтах

во все возрастающем масштабе применяются мини-ЭВМ (типа СМ) и

различного типа микро-ЭВМ.

Микро-ЭВМ и микропроцессорная техника и является той осно-

вой, на которой начинает быстро развиваться роботизация подземно-

го производства. Применение роботов, обладающих значительными

функциональными возможностями и устройствами для выполнения

манипуляционных операций, а также средствами сбора информации

(визуальными, акустическими и другими сенсорами), должны создать

реальные условия для вывода человека из зоны непосредственного

ведения горных работ и перехода к более высокой ступени комплекс-

ной механизации и автоматизации подземных горных работ.

1 Горное предприятие как объект управления

Основная задача управления горным предприятием – обеспече-

ние добычи и переработки полезного ископаемого в требуемом коли-

честве, необходимого качества и с минимальными затратами трудо-

вых, материальных и энергетических ресурсов [3].

Горное предприятие как объект управления имеет ряд специ-

фических особенностей:

− непрерывное территориальное развитие производства, рас-

средоточеность и подвижность производственных объектов, неста-

ционарность рабочих мест;

− случайный характер влияния природных условий на все про-

изводственные процессы;

− необходимость обеспечения безопасного ведения работ в

подземных условиях в агрессивной и взрывоопасной среде;

− необходимость согласования работы различных по назначе-

нию объектов;

− случайный характер возмущающих воздействий на объекты;

− большие динамические нагрузки, удары на узлы забойных

механизмов и установок.

Перечисленные особенности являются причинами недостаточ-

ного внедрения автоматизации в горную промышленность.

2 Требования, предъявляемые к аппаратуре шахтной

автоматики

Основные требования к аппаратуре шахтной автоматики:

− экономическая эффективность;

− надежность и долговечность;

− безопасность эксплуатации.

Надежность обеспечивается: грамотным проектированием с

выбором наиболее надежных элементов; резервированием (поэле-

ментно, по отдельным узлам, смешанным резервированием); качест-

венным изготовлением аппаратуры автоматизации и эксплуатацией

ее с соблюдением инструкций и нормативных документов [3].

Дополнительные требования, обеспечивающие выполнение ос-

новных:

1. Простота устройств: минимальное количество элементов, ап-

паратов, входящих в систему; однотипность аппаратов.

2. Гибкость системы и удобство управления заключаются в бы-

стром переходе от автоматического к ручному управлению при нали-

чии местного и дистанционного управлений.

3. Контроль исправности и удобство нахождения повреждения

обеспечивается тем, что сложные механизмы и схемы секционируют-

ся, при этом отдельные секции имеют свои источники питания, а

также наличие сигнализации.

4. Четкость действия системы: обеспечение строгой последова-

тельности включения автоматов, исключающих ложные срабатыва-

ния.

5. Удобство монтажа, эксплуатации и ремонта: аппаратура

должна состоять из отдельных блоков, легко доступных для визуаль-

ного осмотра и проверки приборами, а также их компоновкой удоб-

ной для монтажа.

6. Стойкость к влаге, толчкам, вибрациям и взрывобезопасное

исполнение.

7. Минимальные габариты и вес.

3 Этапы автоматизации

1. Частичная автоматизация.

Это автоматизация отдельных объектов, не связанных единой

технологической линией

2. Комплексная автоматизация.

Это этап, при котором весь комплекс операций по добыче по-

лезного ископаемого, его транспортировке, а также вспомогательные

операции осуществляются системой автоматизированных машин и

установок по заранее разработанным программам и режимам с по-

мощью единой системы управления (АСУТП).

Функции оператора сводятся к наблюдению, анализу показате-

лей отдельных процессов и выбору режимов работы оборудования

как совокупности заданий автоматическим регуляторам и программ-

ным устройствам. Этот вид автоматизации осуществляется на базе

микропроцессорной техники [3].

3. Полная автоматизация.

Отличается от комплексной тем, что выбор режимов работы,

корректировка заданий регуляторов и программ осуществляется в ав-

томатическом режиме, т.е. самой управляющей системой.

4 Инженерные методы выбора алгоритма и параметров

настройки регуляторов

Для проектирования систем автоматического регулирования

необходимо знать следующее:

1. Возможные режимы работы объекта и особенности его рабо-

ты (знать сам объект).

2. Требования, предъявляемые к системам автоматического

управления (САУ) объектом. Показатели качества процесса регули-

рования (статическая, динамическая, точность, время регулирования,

величина перерегулирования σ% и количество колебаний µ).

3. Характер и величину возможных возмущающих воздействий.

4. Статические и динамические свойства объекта, в частности,

его математическую модель и ее параметры для различных режимов

его работы.

4.1 Способы получения математической модели объекта

Аналитический способ получения математической модели

применяется, когда объект хорошо изучен или существуют аналоги.

Экспериментальный способ применяется, когда объект недос-

таточно изучен или вообще не изучен. Методы эксперимента:

1. Метод активного эксперимента.

2. Метод пассивного эксперимента.

3. Метод активно-пассивного эксперимента.

Сущность метода активного эксперимента

заключается в том,

что непосредственно экспериментатором с помощь соответствующих

средств формируется управляющее или возмущающее типовые воз-

действия на объект (рисунок 4.1) [2].

а – ступенчатое воздействие; б – прямоугольное воздействие;

в – линейное воздействие; г – гармоническое воздействие.

Рисунок 4.1 – Типовые воздействия

xxx

000

ttt

вг

Первые три воздействия создать довольно просто. В результате

этих воздействий получают переходные процессы. При четвертом

воздействии получают АФХ. Ступенчатое воздействие – наиболее

тяжелый вид воздействия, согласно положению ТАУ.

Метод пассивного эксперимента

– когда фиксируются входные

и выходные данные объекта в реальных условиях его работы.

Как результат получаем ряд реализации случайных функций

(рисунок 4.2). Они обрабатываются с применением теории вероятно-

сти и математической статистики [2].

Этот метод требует большого объема экспериментального ма-

териала, обработка которого весьма трудоемка. Причем если объект

имеет местную обратную связь, то данный метод неприменим.

m – математическое ожидание;

x – высокочастотная составляющая

Рисунок 4.2 – Реализация случайной функции

Виды объектов САР:

Объект устойчивый – это статический объект, у которого при

ступенчатом воздействии входной величины, выходная величина по-

сле переходного процесса переходит из одного устойчивого состоя-

ния в другое (безинерционное звено, колебательное звено, апериоди-

ческие звенья Ι-го и ΙΙ-го порядков, звено общего вида Ι-го порядка)

[1].

Неустойчивый объект – это объект, при подаче на вход сту-

пенчатого воздействия, выходная величина стремится к бесконечно-

сти апериодически (рисунок 4.3) или совершает колебания с возрас-

тающей амплитудой (рисунок 4.4) [1].

Неустойчивое колебательное звено характеризуется расходя-

щимся колебательным процессом.

U, P, I