МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ 

     ДОНБАССКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

     Кафедра электронных систем

 
 
 
 
 
 
 

     Курсовая работа 

     по  дисциплине: «Автоматизация технологических  процессов»

на тему: «Автоматизация методической печи.

Разработка автоматической системы регулирования

     соотношения топливо-воздух сварочной зоны» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил: ст. гр. ЭС-06-2

     Ткачев  К. О.

     Руководитель: ст. преп. Михайлюк Г.Д. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Алчевск, 2009

 

      РЕФЕРАТ

                 

       Пояснительная записка 20 с., 8 рис., 5 табл., 4 источника.

     Объект  разработки - автоматическая система  регулирования соотношения топливо-воздух в сварочной зоне методической печи.

     Цель  работы - обеспечение требуемого качества регулирования соотношения топливо-воздух в сварочной зоне методической печи.

     Выбрана структура автоматической системы  регулирования, разработана математическая модель объекта регулирования, выполнен синтез АСР (Кр₁=2.987, Ти₁=0.632 с), которая обеспечивает минимум среднеквадратичной ошибки при показателе колебательности  М=1.4(запас устойчивости по модулю Н=0.81 а по фазе φ=55 град.). Автоматическая система регулирования обеспечивает приемлемое качество регулирования при отработке задания (время регулирования t_p=0.98 c; перерегулирование σ=7.14%; статическая ошибка ξ=0) и подавлении возмущений (время регулирования    t_p=1 c;  статическая ошибка ξ=0; максимальное динамическое отклонение умакс.=0.26) . 
 

       ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ  МОДЕЛЬ, ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ,  ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ,  АСР, ПАРАМЕТРЫ НАСТРОЙКИ, СИНТЕЗ, АНАЛИЗ.

 

      СОДЕРЖАНИЕ 

     Введение………………………………………………………………………...4

     1 Характеристика объекта автоматизации  и выбор

       структуры управления ……………………………………………............…...5

     2 Разработка математической модели  объекта

       регулирования ………………………………………………………………...7

     3 Синтез АСР ……………………………………….………………………….10

     4 Анализ качества работы АСР.……………………………………………….12

     Заключение……………………………………………………………………..19

     Перечень  ссылок…………………………………………………………..…...20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Современное производство характеризуется повышением мощности и производительности агрегатов, интенсификацией технологических процессов, их механизацией и автоматизацией.

     В связи с этим существенно возросла роль и ответственность автоматического управления и регулирования, так как каждый процент экономии материальных и энергетических ресурсов приносит существенный эффект, а каждая, даже небольшая ошибка управления приводит к большим абсолютным потерям материалов, топлива, электроэнергии, снижает производительность агрегатов и качество производимой продукции.

     Основной  задачей управления технологическим  агрегатом является создание в нем наиболее благоприятных условий для протекания технологических и теплоэнергетических процессов.

     С этой целью применяют автоматические системы регулирования (АСР), предназначенные для стабилизации технологических параметров на заданном уровне.

     В промышленных АСР  наиболее широкое  распространение получили стандартные ПИ- и ПИД – законы регулирования. Для качественного функционирования АСР все динамические параметры входящих в их состав автоматических регуляторов должны быть оптимально настроены. Решению этой задачи посвящена данная курсовая работа, в котором разработана АСР соотношения топливо-воздух сварочной зоны методической печи. Курсовая работа оформленна в соответствии с методическими указаниями.[1] 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА  АВТОМАТИЗАЦИИ И  ВЫБОР СТРУКТУРЫ  УПРАВЛЕНИЯ 

     Одной из основных отраслей тяжелой промышленности является черная металлургия. Значительная часть выплавляемой на металлургических заводах стали разливается в изложницы. Полученные слитки перед дальнейшей обработкой поступают в нагревательные колодцы.

      Методические  печи служат для нагрева заготовок  после блюминга или слябинга для  дальнейшей прокатки. Они представляют собой  печи проходного типа, имеющие несколько зон [2].

      Методические  печи являются агрегатами непрерывного действия с распределенными параметрами  по длине и постоянными во времени температурным и тепловым режимами. Эти агрегаты работают в условиях изменяющихся параметров загружаемого металла: температуры, размеров, марки. Задачей нагрева является получение допустимого перепада температуры по сечению заготовки при заданной конечной температуре поверхности.

      Задача  управления процессом нагрева металла  в методических печах заключается в выборе и поддержании режима работы, обеспечивающего получение металла заданного качества с минимально возможным удельным расходом топлива в условиях переменной производительности агрегата.

      Работа  печи оценивается по таким основным параметрам: температуре нагрева металла, температуре подогретого воздуха, экономичности сжигания топлива, давлению в рабочем пространстве, равномерности прогрева заготовки, которая оценивается косвенно по усилиям, возникающим при прокатке.

        Основными управляющими воздействиями таких печей являются: температура в зонах, которая обеспечивается расходом топлива; расход воздуха к горелкам; изменение тяги дымовой трубы [3].

      На  методической печи предусмотрено автоматическое регулирование параметров:

      -   температура в томильной и сварочных зонах;

      -   соотношение топливо-воздух в  тех же зонах;

      -   давление в рабочем пространстве.

      В данном курсовом проекте разработана  АСР соотношения топливо-воздух в сварочной зоне методической печи, обеспечивающая экономичное сжигание топлива и высокий коэффициент полезного действия агрегата.

      Необходимое качество регулирования соотношения  достигается в одноконтурной АСР, структура которой приведена на рисунке 1.1

    

     

 
 
 
 

     Рисунок 1.1 – Структурная схема АСР соотношения топливо-воздух 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Разработка математической модели

     объекта регулирования 

     Для получения математической модели объекта  регулирования, необходимой для  синтеза АСР и анализа ее работы, чаще всего используют активный метод и в ходе эксперимента снимают переходную характеристику, подавая на вход объекта одноступенчатое воздействие. Проведя эксперимент и обработав его результаты, строят математическую модель объекта регулирования в виде передаточной функции, при этом видом передаточной функции задаются.

     Передаточная функция обычно выбирается вида 

     

. 

     Требования  к точности математической модели сводятся к совпадению экспериментальной  переходной характеристики с полученной переходной характеристикой объекта в трех точках: в начале координат, в точке перегиба и в установившемся режиме, а также совпадении первой производной переходной функции объекта и аппроксимирующей кривой в точке перегиба [3].

     Аппроксимация произведена в соответствии с  методом, изложенным в литературе [2]. По исходной переходной характеристике объекта,  приведенной на  рисунке 2.1 определены h_y=1, Т₀=1.073 с, h_п=0.3, t_п=0.5 с для n=2.

     Определен вспомогательный коэффициент 

     

, 

     

. 

     По  рисунку 3.23 [3] определены отношения 

     Т₁/Т₀=0.42,     Т₂/Т₁=0.45,  tп.а/Т1=1.7. 

     Тогда Т₁=0.451с;  Т₂=0.208 с;  tп.а=0.76 с.

     Поскольку расчетная величина tп.а не совпадает со значением tп, взятым из графика, следовательно в аппроксимирующую характеристику следует ввести запаздывание, определяемое по формуле 

     

 

     

, с 

     Передаточная функция объекта имеет вид 

      .                                      (2.1) 

     Для проверки точности аппроксимации рассчитана на ЭВМ при помощи прикладной программы MathCad переходная характеристика по передаточной функции (2.1). Так как эта характеристика не удовлетворяла условию точности, коэффициенты передаточной функции были скорректированы: Т_а1 = 0.7, Т_а2 = 0.085. Передаточная функция приобрела вид 

      .                                         (2.2) 

       Вид аппроксимирующей характеристики  приведен на рисунке 2.1. [1]. 
 
 

     

       
 

     1 — исходная переходная характеристика;

     2 — аппроксимирующая переходная характеристика. 

     Рисунок 2.1 — Переходные характеристики объекта  регулирования 

     Аппроксимирующая  характеристика удовлетворяет изложенным выше критериям. Следовательно, точность аппроксимации удовлетворительна  и передаточная функция (2.2) будет использована при синтезе АСР. 
 
 
 

 

      3 Синтез АСР 

     3.1 Обоснование методики  синтеза 

     В промышленных АСР для управления объектами с самовыравниванием, независимо от их динамических характеристик, как правило, применяют регуляторы, реализующие стандартный ПИ-алгоритм. Это обеспечивает приемлемое качество регулирования и большую устойчивость к воздействию внешних возмущений, чем в случае использования более сложных алгоритмов, особенно содержащих дифференциальные составляющие.

     Поэтому для разрабатываемой АСР выбран ПИ-закон регулирования, настройки  которого должны обеспечить минимум  среднеквадратичных отклонений при  допустимом запасе устойчивости.