Исследование систем автоматического управления

                                                                                                                                    

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

НОЯБРЬСКИЙ ИНСТИТУТ НЕФТИ И  ГАЗА (филиал) ТюмГНГУ

 

 

 

 

 

  КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

«Исследование систем автоматического управления»

 

 

НИНГ(филиал)ТюмГНГУ.220301.02.АТПт10(9)1.ПЗ

 

 

 

 

Разработал	Студент группы АТПт-10-(9)-1 Шмыгля Сергей “ ___ “ _________ 2013 г.
Руководитель курсового  проекта	Преподаватель НИНГ ____________Замотай А.В. “ ___ “ _________ 2013 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2013

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

НОЯБРЬСКИЙ ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

(филиал)

ФЕДЕРАЛЬНОГО  ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО

УЧРЕЖДЕНИЯВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(Филиал ТюмГНГУ  в г.Ноябрьске)

 

СОГЛАСОВАНО                            

Председатель П(Ц)К                            

_________(Фаренюк С.Н)                  

«____»__________2013г.                   

 

ЗАДАНИЕ

 для курсового  проектирования по дисциплине

«Автоматическое управление»

 

Студента            III                  курса, группы                АТПт10-(9)-1

 

Шмыгля Сергея Сергеевича

 

Тема: Исследование системы автоматического управления

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

Структурная схема

Элементарные  звенья

1 Колебательное звено 

2 Интегрирующее звено

3 Пропорциональное звено

4 Инерционное звено

Значения  параметров

№ звена	k	Т
1	5	0,02
2	-	0,2
3	15	-
4	5	0,3

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Введение

____________________________________________________________________________________________________________________________________

 

1 Анализ исходных  данных

____________________________________________________________________________________________________________________________________

2 Расчетный раздел

2.1 Определение  передаточной функции САУ

2.2 Оценка устойчивости  исследуемой САУ

2.2.1 Определение  устойчивости системы  по критерию  Михайлова

2.2.2 Определение  устойчивости системы  по критерию  Найквиста

2.2.3 Определение  запасов устойчивости системы  по модулю и по фазе

2.3 Определение  степени астатизма

2.4 Построение  частотных характеристик

2.5 Построение  кривых переходного процесса

2.6 Определение  прямых показателей качества  процесса регулирования по переходному  процессу

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3 Графический  раздел

Лист1_______________________________________________________________________________________________________________________________Лист2_______________________________________________________________________________________________________________________________

Заключение

Список используемых источников

 

 

Дата выдачи работы                                                                « » января  2013г.

Срок окончания работы                                                           « » апреля   2013г.

 

 

Руководитель курсовой работы                                     _________ Замотай А.В

 

 

 

 

 

 

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

НОЯБРЬСКИЙ ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

(филиал)

ФЕДЕРАЛЬНОГО  ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО

УЧРЕЖДЕНИЯВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(Филиал ТюмГНГУ  в г.Ноябрьске)

 

ОТЗЫВ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

 

Студент Шмыгля Сергей Сергеевич

Тема Исследование системы автоматического управления

Специальность и  группа 220301.51 «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)» АТПт 10-(9)-1

Курсовая работа состоит из:

35 страниц записки

2 листов чертежей

1. Соответствие  курсовой работы заданию, его объем - курсовая работа соответствует заданию, выполнена в полном объёме.

2. Характеристика  выполнения общей части (положительные и отрицательные стороны) В анализе исходных данных рассмотрены вопросы  касающиеся рассматриваемой системы управления, а так же составляющих её элементарных звеньев. Отрицательных сторон нет, раздел раскрыт полностью

3. Характеристика  специальной части (положительные и отрицательные стороны) В расчётной части рассмотрены все вопросы касающиеся: нахождения передаточной функции, расчёта устойчивости системы, а так же расчёт различных частотных характеристик и переходных процессов. Отрицательных сторон нет, раздел раскрыт полностью.

4. Проявленная  студентом самостоятельность при  разборе работы. Плановость и дисциплина в работе. Умение пользоваться технической литературой. Индивидуальные особенности студента. При работе над курсовой работой, студентом была проявлена самостоятельность, плановость и дисциплина в работе, показан высокий уровень знаний по дисциплине, а так же умение пользоваться программами: Microsoft Word, Advanced Grapher.

5. Предлагаемая общая  оценка работы______________________________

 

Руководитель______________________________________________________

«___»___________20__г.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

1 АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

2 РАСЧЁТНЫЙ РАЗДЕЛ 

2.1 Определение  передаточной функции САУ                      

2.2 Оценка  устойчивости исследуемой САУ 

2.2.1 Определение устойчивости  системы  по критерию Михайлова 

2.2.2 Определение устойчивости  системы  по критерию Найквиста 

2.2.3 Определение  запасов устойчивости системы  по модулю и по фазе 

2.3 Определение степени  астатизма 

2.4 Построение частотных  характеристик  

2.5 Построение кривых переходного  процесса 

2.6 Определение прямых  показателей качества процесса  регулирования по переходному  процессу 

Лист 1

Лист 2 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

Список использованной литературы  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Первые попытки автоматизации  начались 1951-1952 гг. (нефтегазовой промышленности).

В конце 50-х годов - второй период автоматизации. Этот период связан с переходом комплексной автоматизации  в производственную. Создаётся специализированная радиотехническая промышленность, которая  серийно начинает выпускать средства автоматизации. Важным мероприятием этого  периода явилось перевод автоматизации  промыслов на путь капитального строительства. Практически 50-е гг. явились периодом, когда А. п. начала внедряться во все  имеющие значительный удельный вес  отрасли народного хозяйства  СССР. В машиностроении - производстве тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин - были пущены автоматические линии; начал работать автоматизированный завод по производству поршней для  автомобильных двигателей. Закончен перевод на автоматическое управление агрегатов ГЭС, многие из них были полностью автоматизированы. На ряде крупнейших ТЭЦ были автоматизированы котельные цехи. В металлургической промышленности около 95% чугуна и 90% стали  выплавлялось в автоматизированных печах; были введены в эксплуатацию первые автоматизированные прокатные  станы. Пущены автоматические установки  на нефтеперерабатывающих предприятиях. Осуществлено телемеханическое управление газопроводами. Автоматизированы многие системы водоснабжения. Начали действовать  автоматические бетонные заводы. Лёгкая и пищевая промышленность стала  широко оснащаться автоматами и полуавтоматами для расфасовки, дозировки и упаковки продукции и автоматическими  линиями по производству продуктов. Парк автоматизированного оборудования в 1953 вырос в 10 раз по сравнению  с 1940. В металлообрабатывающей промышленности появились станки с программным  управлением. Для производства массовой продукции были применены роторные автоматические линии. Во взрывоопасных  химических производствах получило широкое распространение телемеханическое управление процессами.

С 60-х гг. 19 в., в связи  с быстрым развитием железных дорог, стала очевидна необходимость  автоматизации железнодорожного транспорта и прежде всего создания автоматических приборов контроля скорости для обеспечения  безопасности движения поездов. В России одними из первых изобретений в этом направлении были автоматический указатель  скорости инженера-механика С. Прауса (1868) и прибор для автоматической регистрации скорости движения поезда, время его прибытия, продолжительности  остановки, времени отправления  и местонахождения поезда, созданный  инженером В. Зальманом и механиком  О. Графтио (1878). О степени распространения  автоматических устройств в практике железнодорожного транспорта свидетельствует  то, что на Московско-Брестской железной дороге уже в 1892 существовал отдел "механического контроля поездов".

Учение об автоматических устройствах до 19 в. замыкалось в  рамки классической прикладной механики, рассматривавшей их как обособленные механизмы. Основы науки об автоматическом управлении по существу впервые были изложены в статье английского физика Дж. К. Максвелла "О регулировании" (1868) и труде русского учёного  И. А. Вышнеградского "О регуляторах  прямого действия" (1877), в котором  впервые регулятор и машина рассматривались  как единая система. А. Стодола, Я. И. Грдина и Н. Е. Жуковский, развивая эти  работы, дали систематическое изложение  теории автоматического регулирования.

В 70-е годы на первый план начали выдвигаться задачи оптимального управления технологическим процессом. С целью выбора таких технологических  режимов, при которых обеспечивается наибольшая эффективность добычи и  транспорта нефти и газа с наилучшим  использованием энергетических ресурсов.

АСУТП нефтяной и газовой  промышленности создаётся союз нефтеавтоматики  и всесоюзная организация союз газоавтоматики, которые стали главными организациями  в области телемеханики и автоматики, разработки и внедрения АСУТП  с обеспечением законченного цикла, проведения исследований и конструктивных разработок до освоения серийного производства монтажа, наладки и сдачи в  эксплуатацию.

Методы автоматизации  производства и научные основы автоматизации  развиваются главным образом  по 3 направлениям.

Во-первых, разрабатывают  методы эффективного изучения закономерностей  объектов управления, их динамики, устойчивости, зависимости поведения от воздействия  внешних факторов. Эти задачи решаются исследователями, конструкторами и  технологами-специалистами конкретных областей науки и производства. Сложные  процессы и объекты изучают методами физического и математического  моделирования, исследования операций с использованием аналоговых и цифровых вычислительных машин.

Во-вторых, определяют экономически целесообразные методы управления, тщательно  обосновывают цель и оценочную функцию  управления, выбор наиболее эффективной  зависимости между измеряемыми  и управляющими параметрами процесса. На этой основе устанавливают правила  принятия решений по управлению и  выбирают стратегию поведения руководителей  производства с учётом результатов  экономических исследований, направленных на выявление рациональных закономерностей  системы управления. Конкретные цели управления зависят от технико-экономических, социальных и других условий. Они  состоят в достижении максимальной производительности процесса, стабилизации высокого качества выпускаемой продукции, наибольшего коэффициента использования топлива, сырья и оборудования, максимального объёма реализованной продукции и снижении затрат на единицу изделия и др.

В-третьих, ставится задача создания инженерных методов наиболее простого, надёжного и эффективного воплощения структуры и конструкции  средств автоматизации, осуществляющих заданные функции измерения, обработки  полученных результатов и управления. При разработке рациональных структур управления и технических средств  их осуществления применяют теорию алгоритмов, автоматов, математическую логику и теорию релейных устройств. С помощью вычислительной техники  автоматизируют многие процессы расчёта, проектирования и проверки устройств  управления. Выбор оптимальных решений  по сбору, передаче и обработке данных основывается на методах теории информации. При необходимости многоцелевого  использования больших потоков  информации применяются централизованные (интегральные) методы её обработки.

Структура управления, оптимально выбранная для выполнения заданных целей, в сочетании с комплексом технических средств (измерительных, регулирующих, исполнительных, по сбору  и обработке информации всех видов  и т. д.), во взаимодействии с объектом управления и человеком (оператором, диспетчером, контролёром, руководителем  участка) на основе рационально построенных  форм и потоков информации образует автоматизированную систему управления (АСУ). В СССР системный подход к  построению и использованию комплекса  средств автоматизации измерения  и управления, широкое агрегатирование  этих средств в рамках государственной  системы промышленных приборов и  средств автоматизации (ГСП) стал основой  государственной политики в области  А. п.

В современную АСУ входят устройства для первичного формирования, автоматического извлечения и передачи, логической и математической обработки  информации, устройства для представления  полученных результатов человеку, выработки  управляющих воздействий и исполнительные устройства. В ГСП все они группируются по функциональному, информационному  и конструктивно-технологическому признакам, образуя на унифицированной  элементной базе блочные наборы, из которых составляются необходимые  агрегатные комплексы средств автоматизации.

Итак, автоматизация в  современном нефтегазовом производстве является основополагающим средством контроля за всеми технологическими процессами. Ведь объёмы добычи нефтяного сырья не позволили бы осуществить это без внедрения средств автоматизации.

 

 

 

 

 

 

1 АНАЛИЗ  ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Рисунок 1.1-Структурная схема системы  автоматического управления.

 

Таблица 1.1-Исходные данные системы  автоматического управления

 

№ звена	Элементарные звенья	k	Т	Передаточная функция
1	Колебательное	5	0,02
2	Интегрирующее	-	0,2
3	Пропорциональное	15	-
4	Инерционное	5	0,3

 

Структурной схемой системы  по каналу задающего воздействия называют структурную схему АСР, у которой за входную величину принято задающее воздействие U(t), а за выходную величину — регулируемая величина x(t).

При работе системы на объект регулирования поступают раз  личные возмущающие воздействия  f(t). Если при поступлении возмущающего воздействия задающее воздействие не изменяется и его значение в отклонениях от заданного принимается за нулевое, т. е. g(t) =const = 0.

Структурной схемой системы  по каналу возмущающего воздействия называют, структурную схему АСР, у которой за входную величину принято возмущающее воздействие f(t), а за выходную величину - регулируемая величина x(t),

 

         Виды связи в данной АСР

 

В исследуемой структурной  схеме звенья соединены: параллельно (1-3 звенья), встречно-параллельно (2-4 звенья), последовательно (1,3-2,4)

Последовательное соединение звеньев. При последовательном соединении звеньев выходная величина предыдущего звена является входной величиной последующего. Так, для трех последовательно соединенных звеньев, имеем х_1вых = х_2вх; х_2вых = х_3вых. Входной величиной х_вх всего соединения служит входная величина первого звена. Выходной величиной х_вых соединения является выходная величина последнего звена.

 

   (1.1)

 

Таким образом, передаточная функция системы последовательно соединенных звеньев равна произведению передаточных функций отдельных звеньев.

Параллельное соединение звеньев. Входная величина системы, состоящей из параллельно соединённых  звеньев, одновременно подаётся на входы  всех звеньев, а её выходная величина равна сумме выходных величин  отдельных звеньев.

 

   (1.2)

 

Таким образом, передаточная функция системы, состоящей из параллельно  соединённых звеньев, равна сумме  передаточных функций этих звеньев.

Встречно-параллельное соединение звеньев или соединение с обратной связью. При встречно-параллельном соединении звеньев одновременно с входной величиной системы на вход подается ее выходная величина, прошедшая через звено обратной связи с передаточной функцией .

При отрицательной (наиболее распространенной обратной связи) ее величина вычитается из входной величины. При  положительной обратной связи ее величина суммируется с входной  величиной.

 Передаточная функция  системы в этом случае имеет  вид 

 

    (1.3)

 

Если выход системы  подать в качестве отрицательной  обратной связи, не пропуская ни через  какое звено, прямо на вход  системы, то

 

     (1.4)

 

Связь структурной схемы  АСР, образуемую основной цепью воздействия  между участками этой цепи, называют основной связью. Связь структурной схемы АСР, образующую путь передачи воздействий в дополнение к основной цепи воздействий или какому-либо участку, называют дополнительной связью.

Дополнительную связь  структурной схемы АСР, направленную от выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называют дополнительной обратной связью (или кратко обратной связью). Обратная связь может быть отрицательной или положительной.

С точки зрения теории автоматического  регулирования представляет собой  интерес функциональная структурная  схема автоматической системы. В  целях сокращения наименования схемы  в дальнейшем под термином «структурная схема» подразумевается именно функциональная структурная схема.

В моей структурной схеме  АСР присутствуют следующие виды звеньев.

 

Колебательное звено

 

Передаточная функция колебательного звена

 

    (1.5)

 

Характер переходного процесса звена или соединения, определяемого  дифференциальным уравнением, зависит  от расположения корней его характеристического  уравнения .

Передаточная функция и переходные процессы колебательного звена при  различных значениях отношения  постоянных времени.

 

Рисунок 1.2 – Передаточная функция и переходные процессы колебательного звена при различных значениях отношения постоянной времени

 

Рисунок  1.3 - Комплексные частотные характеристики колебательного звена

 

Рисунок 1.4 - Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики колебательного звена.

 

Интегрирующее звено

 

Выходная величина интегрирующего звена пропорциональна интегралу  входной величины, т. е.

Дифференциальное уравнение интегрирующего звена имеет вид

Коэффициент называют коэффициентом усиления звена по скорости. Он численно равен скорости изменения выходной величины при единичном значении входной величины.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.5 – Передаточная функция и временная характеристика интегрирующего звена

 

Преобразовав дифференциальное уравнение  звена по Лапласу, получим , откуда находим передаточную функцию звена:

 

      (1.5)

 

Если входная и выходная величины имеют одинаковую размерность, то следует, что коэффициент имеет размерность . В этом случае дифференциальное уравнение удобнее представить в виде , где

 

 

Рисунок 1.6 – Частотные характеристики интегрирующего звена

 

При этом передаточная функция звена  примет вид

 

     (1.6)

 

Величину Т называют  постоянной времени интегрирующего звена.

На рисунке 1.6 представлен характер изменения выходной величины интегрирующего звена при подаче на его вход постоянной входной величины х₀вх.

 

Усилительное (пропорциональное) звено

 

В усилительном звене выходная величина в каждый момент времени пропорциональна  входной величине, т.е. . Здесь и в дальнейшем для сокращения записи выражения х_вых(t) и х_вх(t) представляем как х_вых и х_вх. Переходные процессы рассматриваются при нулевых начальных условиях. Коэффициент пропорциональности k называют коэффициентом усиления или коэффициентом передачи звена. Уравнение усилительного звена алгебраическое. Это свидетельствует о том, что усилительное звено передает сигнал мгновенно, без динамических переходных процессов и искажений.

На рисунке представлен характер изменения по времени выходной величины усилительного звена при подаче на его вход постоянной входной величины.

 

Рисунок 1.7 - Передаточная функция и временная характеристика усилительного звена

 

Передаточная функция звена  имеет вид

 

      (1.7)

 

Примерами усилительных звеньев могут  служить механические передачи, потенциометрические  датчики, безинерционные усилители (например, электронные) и т.п.

Таким образом, КЧХ усилительного  звена представляет вектор, совпадающий  с положительным направлением оси  абсцисс, модуль которого не зависит  от частоты и равен коэффициенту передачи звена.

Воздействия любой частоты, поступающие  на вход этого звена, усиливаются  в одинаковой степени без фазового сдвига. Усилительное (безинерционные, пропорциональное): механические передачи, потенциометрические датчики, электрические усилители, делитель напряжения, трансформатор.

 

Апериодическое (инерционное) звено.

 

Апериодическому  звену   соответствует дифференциальное уравнение

Tdx_Bых/dt + xвых=kx_BX

Перейдя к изображениям, имеем ТрХ_вых(р) +Х_вых(р) =kX_BX(p). Передаточная функция звена

 

W(p)=K/(Tp+1)                                       (1.8)

 

Кривые переходных процессов  имеют вид экспонент, т. е. время, необходимое для того, чтобы выходная величина х_вых достигла установившегося значения х_0вых, теоретически бесконечно велико. В связи с этим апериодическое звено часто называют инерционным звеном первого порядка.

Величина Т имеет размерность времени и называется постоянной времени звена. Постоянная времени определяет динамические свойства звена. Чем она больше, тем медленнее протекает переходный процесс в звене, и наоборот. В частности, при Т=0 процесс протекает в звене мгновенно и инерционное звено превращается в безынерционные усилительное. Следует отметить также, что при t=T значение выходной величины составляет 63% нового установившегося значения.

Графическое определение  постоянной времени апериодического  звена.

                                                                                    

Рисунок 1.8 – Частотные характеристики апериодического звена

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.9 – Графическое определение постоянной времени апериодического звена                           

 

 

2 РАСЧЁТНЫЙ РАЗДЕЛ

 

2.1 Определение передаточной функции  САУ

 

Передаточной функцией называется отношение изображения выходной величины элемента системы к изображению  его входной величины при нулевых  начальных условиях. Так как передаточная функция системы полностью определяет  ее динамические свойства, то  первоначальная задача расчета АСР сводится к  определению ее передаточной функции. Именно для этого я произвожу  в курсовом проекте расчеты передаточной функции для разомкнутых и  замкнутых систем.

 

Рисунок 2.1- Структурная схема

 

1. Колебательное звено                   W(p)=K/T²₂р²+T₁p+1

2. Интегрирующее звено                 W(p)=1/Tp

3. Пропорциональное звено           W(p)=К

4. Инерционное звено                      W(p)=К/(Tp+1)

 

 

Звенья 3 и 4 соединены последовательно:

 

W_3,4(p)=W₃(p)W₄(p)=                                

 

 

Звенья 2 и 3,4 соединены встречно параллельно:

 

 

       W_2,3,4(p)=

 

Звенья 1 и 2,3,4 соединены последовательно:

W_1,2,3,4(p)=(W₁(p)*W_2,3,4(p))= - разомкнутая система.                              

Определим передаточную функцию  системы в замкнутом состоянии:

 

       (p)=₌

 

         2.2 Оценка устойчивости исследуемой САУ

 

Если после окончания  переходного процесса система снова  приходит в первоначальное или другое равновесное состояние, то такую  систему называют устойчивой.

Если при тех же условиях в системе или возникают колебания  со всё возрастающей амплитудой, или  происходит монотонное увеличение отклонения регулируемой величины от её заданного  равновесного значения, то систему  называют неустойчивой.

Для того чтобы определить, устойчива или неустойчива система, необходимо изучить её поведение  при малых отклонениях от равновесного состояния. Если при этом система  стремится вернуться к равновесному состоянию, то она устойчива. Если в  системе возникают силы, которые  стремятся увеличить отклонение системы от равновесного состояния, система неустойчива.

Системы, в которых одной  и той же входной величине (воздействию, выводящему систему из равновесного состояния) соответствует бесконечное  множество значений выходной величины, называют нейтрально устойчивыми.