Реферат: Управление техническими системами (лекции)

          Не требуют построения переходных кривых, поскольку определяются по корням характеристического полинома. Для этого корни полинома откладываются на комплексной плоскости и по ним определяются:

Степень устойчивости h определяется как граница, правее которой корней нет, т.е.

h = min,

где Re(si) - действительная часть корня si.

Степень колебательности m рассчитывается через угол g: m = tg g. Для определения g проводятся два луча, которые ограничивают все корни на комплексной плоскости. g - угол между этими лучами и мнимой осью. Степень колебательности может быть определена также по формуле:

m = min .

          3.2.3 Частотные показатели качества.

          Для определения частотных показателей качества требуется построение АФХ разомкнутой системы и АЧХ замкнутой системы.

По АФХ определяются запасы: DA - по амплитуде, Dj - по фазе.

   Запас DA определяется по точке пересечения АФХ с отрицательной действительной полуосью.

   Для определения Dj строится окружность единичного радиуса с центром в начале координат. Запас Dj определяется по точке пересечения с этой окружностью.

   По АЧХ замкнутой системы определяются показатели колебательности по заданию М и ошибке МЕ как максимумы соответственно АЧХ по заданию и АЧХ по ошибке.

          3.2.4 Связи между показателями качества.

          Описанные выше показатели качества связаны между собой определенными соотношениями:

;         tp = ;                  ;         M = .

          4. Настройка регуляторов.

          4.1. Типы регуляторов.

          Для регулирования объектами управления, как правило, используют типовые регуляторы, названия которых соответствуют названиям типовых звеньев:

1) П-регулятор (пропорциональный регулятор)

WП(s) = K1.

          Принцип действия заключается в том, что он вырабатывает управляющее воздействие на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка е, тем больше управляющее воздействие u).

2) И-регулятор (интегрирующий регулятор)

WИ(s) = .

          Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки.

3) Д-регулятор (дифференцирующий регулятор)

WД(s) = K2 s.

          Генерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой веричины:

u = K2.

          На практике данные простейшие регуляторы комбинируются в регуляторы вида:

4) ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный регулятор)

WПИ(s) = K1 + .

5) ПД-регулятор (пропорционально-дифференциальный регулятор)

WПД(s) = K1 + K2 s.

6) ПИД-регулятор.

WПИД(s) = K1 +  + K2 s.

          Наиболее часто используется ПИД-регулятор, поскольку он сочетает в себе достоинства всех трех типовых регуляторов.

          4.2. Определение оптимальных настроек регуляторов.

          Регулятор, включенный в АСР, может иметь несколько настроек, каждая из которых может изменяться в достаточно широких пределах. При этом при определенных значениях настроек система будет управлять объектом в соответствии с технологическими требованиями, при других может привести к неустойчивому состоянию.

          Поэтому стоит задача определить настройки, соответствующие устойчивой системе, но и выбрать из них оптимальные.

          Оптимальными настройками регулятора называются настройки, которые соответствуют минимуму (или максимуму) какого-либо показателя качества. Требования к показателям качества устанавливаются непосредственно, исходя из технологических. Чаще всего накладываются требования на время регулирования (минимум) и степень затухания (Y ³ Yзад).

          Однако, изменяя настройки таким образом, чтобы увеличить степень затухания, мы можем прийти к слишком большому времени регулирования, что нецелесообразно. И наоборот, стремясь уменьшить время регулирования, мы получаем более колебательные процессы с большим значением Y.

            Зависимость Y от tp в общем случае имеет вид, изображенный на графике (см. рис. 1.42).

            Поэтому для определения оптимальных настроек разработан ряд математических методов, среди которых метод D-разбиения.

          Кривой D-разбиения называется кривая в плоскости настроек регулятора, которая соответствует определенному значению какого-либо показателя качества.

          Например, требуется обеспечить степень затухания Y ³ Yзад. Имеется формула, связывающая Y со степенью колебательности m: . Далее строится кривая D-разбиения равной степени колебательности m. Последовательность построения:

1) Определяется ХПЗС Dз(s) с неизвестными настройками.

2) Делается подстановка s = jw - mw и разделение Dз(jw - mw) = Re(w) + Im(w).

3) Полученное выражение приравнивается к нулю и получается система

Re(w) = 0

Im(w) = 0

          Данная система имеет несколько неизвестных: w и настройки регулятора.

4) Далее, изменяя w от 0 до ¥ эта система решается относительно настроек регулятора.

5) По полученным данным строится кривая, по которой определяются оптимальные настройки.

   Например, для ПИ-регулятора кривая D-разбиения может иметь вид представленный на рисунке 1.43.

   Оптимальные настройки соответствуют максимальному значению K0 (для ПИ- и ПИД-регуляторов) или K1 (для ПД-регулятора).

          Часть 2. Средства автоматизации и управления.

          1. Измерения технологических параметров.

          1.1. Государственная система приборов (ГСП).

          ГСП объединяет в себе все средства контроля и регулирования технологических процессов. Характерной особенностью ГСП является:

1) блочно-модульный принцип, лежащий в основе конструкций устройств;

2) унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания.

          Содержит три ветви:

1) гидравлическую,

2) пневматическую,

3) электрическую.

          Блочно-модульный принцип характеризуется наличием отдельных модулей или блоков, выполняющих достаточно простую функцию. Этот принцип позволяет уменьшить номенклатуру средств автоматизации, упрощает ремонт и замену, уменьшает стоимость, позволяет реализовать принцип взаимозаменяемости.

          Унифицированные сигналы:

1) Пневматические - сигналы давления сжатого воздуха

          диапазон изменения сигнала:          0,2 - 1  или 0,02 - 0,1 МПа;

          сигнал питания:                      1,4 ;

          расстояние передачи сигнала:        до 300 м.

2) Электрические сигналы имеют много диапазонов, которые можно разделить на две группы:

          а) токовые (сигналы постоянного тока), например:

                    0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА и др.;

          б) сигналы напряжения постоянного тока, например: 0 - 1 В, 0 - 10 В и др.

          Первичные приборы (датчики) могут преобразовывать измеряемый параметр в какой-либо унифицированный сигнал. Если же датчик выдает неунифицированный сигнал, то для приведения его к стандартному диапазону должен быть установлен соответствующий преобразователь.

          1.2. Точность преобразования информации.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми, прямым измерениям.

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний.

Показания средства измерений – измерение величины, определяемое по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины.

Градуировочная характеристика средства измерений – зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы.

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечны и начальным значениями шкалы.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений.

Предел измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений.

Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на  выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.

          Любые измерения сопровождаются погрешностями:

1) случайные погрешности - имеют случайную природу и причина их неизвестна;

2) промахи - вызваны неправильными отсчетами по прибору;

3) систематические - обусловлены несовершенством методов определения, конструкции прибора.

          Виды погрешностей:

1) абсолютные:  DХ = Х - Х0,

          где Х - измеренное значение параметра, Х0 - истинное значение;

Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.

2) относительные:  (выраженные в %-ах);

Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины. Относительная погрешность может быть выражена в процентах.

3) приведенные: ,

          где Хmin и Хmax - минимальное и максимальное значения измеряемой величины.

          Максимальная приведенная погрешность называется классом точности:

.

          В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные (образцовые) и рабочие.

          1.3. Классификация КИП.

          На нефтеперерабатывающих и химических производствах наиболее часто измеряемыми величинами являются температура, давление, расход и уровень. На них приходится около 80 % всех измерений. Остальную часть занимают электрические, оптические и др. измерения.

          При измерениях используются различные измерительные приборы, которые классифицируются по ряду признаков. Общей градацией является разделение их на приборы для измерения: механических, электрических, магнитных, тепловых и других физических величин.

          Классификация по роду измеряемой величины указывает, какую физическую величину измеряет прибор (давление Р, температуру Т, расход F, уровень L, количество вещества Q и т.д.).

          Исходя из признака преобразования измеряемой величины, измерительные приборы разделяют на приборы:

                   а) непосредственной оценки;

                   б) сравнения.

          По характеру измерения: стационарные и переносные.

          По способу отсчета измеряемой величины: показывающие, регистрирующие, суммирующие.

          1.4. Виды первичных преобразователей.

          Первичные приборы или первичные преобразователи предназначены для непосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для измерения или использования. Различают генераторные, параметрические и механические преобразователи:

1) Генераторные осуществляют преобразование различных видов энергии в электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию (термоэлектрические, пьезоэлектрические, электрокинетические, гальванические и др. датчики).

2) К параметрическим относятся реостатные, тензодатчики, термосопротивления и т.п. Им для работы необходим источник энергии.

3) Выходным сигналом механических первичных преобразователей  (мембранных, манометров, дифманометров, ротаметров и др.) является усилие, развиваемое чувствительным элементом под действием измеряемой величины.

          1.5. Методы и приборы для измерения температуры.

          1.5.1 Классификация термометров.

          Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел.

          Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению.

          По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры, можно выделить следующие типы термометров:

·     термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения жидких тел;

·     термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения твердых тел;

·     термометры газовые манометрические;

·     термометры жидкостные манометрические;

·     конденсационные;

·     электрические;

·     термометры сопротивления;

·     оптические монохроматические пирометры;

·     оптические цветовые пирометры;

·     радиационные пирометры.

          1.5.2 Термометры расширения. Жидкостные стеклянные.

          Тепловое расширение жидкости характеризуется сравнительным коэффициентом объемного расширения, значение которого определяется как

, 1/град,

где V0, Vt1, Vt2 - объемы жидкости при 0 °С, температурах t1 и t2 соответственно.

          Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/°С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/°С).

          Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в металлической оправе, а нижняя погружная часть закрывается металлической гильзой.

          1.5.3 Термометры, основанные на расширении твердых тел.

          К этой группе приборов  относятся дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры.

1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическими коэффициентами линейного расширения:

, 1/град,

где l0, lt1, lt2 - линейные размеры тела при 0 °С, температурах t1 и t2 соответственно.

          В силу того, что Db мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры.

2) Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали. Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры.

          Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1 - 1,5 %.

          1.5.4 Газовые манометрические термометры.

          В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость между температурой и давлением  термометрического (рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагревании.

          Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема заполняется рабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне измеряемой температуры, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора.

          Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и давления газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме.

          Достоинства: шкала прибора практически равномерна.

          Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона.

          1.5.5 Жидкостные манометрические термометры.

          В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется метиловый спирт , ксилол, толуол, ртуть и т.д.

          Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу.

          1.5.6 Конденсационные манометрические термометры.

          Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем газовые  жидкостные.

          1.5.7 Электрические термометры.

        Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости  термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры.

        В термоэлектрической цепи, состоящей из двух проводников А и В (см. рис. 2.1) возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В, ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В. Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t0:

EAB(t t0) = eAB(t) + eBA(t0),

где eBA и eAB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур концов А и В.

          ТЭДС EAB(t t0) является функцией от температуры горячего спая t при условии постоянства температуры холодного спая t0.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7