Автоматизированное проектирование системы управления технологическим процессом производства цемента

Содержание
1 Описание технологического процесса
1.1 Обоснование целесообразности и необходимости автоматизации технологического процесса…………………………………………………………………………..7
1.2 Описание технологического процесса и производственного оборудования…………………………………………………………………………………………………..8
1.3 Требования к системе автоматизации технологического процесса…………………………………………………………………………………………………………..12
2 Идентификация объекта автоматизации
2.1 Особенности построения моделей технологических объектов управления……………………………………………………………………………………………………..13
2.2 Виды моделей линейных стационарных динамических объектов………………………………………………………………………………………………………..16
2.3 Виды моделей пакета System Identification Toolbox…………………………………………………………………………………………………………..20
2.4 Основные операторы и функции пакета System Identification Toolbox…………………………………………………………………………………………………………..23
2.5 Пример использования пакета System Identification Toolbox для идентификации технологических объектов управления………………………………………………………………………………………….………….25
2.6 Обработка данных при построении модели объекта управления………………………………………………………………………………………………..…….29
2.7 Оценивание статистических и частотных характеристик исходных данных……………………………………………………………………………………………………………..33
2.8 Параметрическое оценивание данных……………………………………….……38
2.9 Функции преобразование моделей……………………………………………………42
2.10 Проверка адекватности модели………………………………………….………….49
2.11 Анализ модели технического объекта управления……………….…..56
2.12 Основные результаты идентификации технического объекта идентификации……………………………………………………………………………………………..71
3 Построение системы управления технологическим процессом
3.1 Задание структуры системы автоматического управления, проверка системы управления на устойчивость…………………………………………………..74
3.2 Построение структуры системы автоматического регулирования установки обжига клинкера………………………………………………………………………76
4 Оптимизация параметров моделируемой системы ………………….80
5 Анализ качества системы управления …………………………………….….85

ВВЕДЕНИЕ
Характерной особенностью современного этапа автоматизации производства состоит в том, что он опирается на революцию в вычислительной технике, на самое широкое использование микропроцессоров и контроллеров, а также на быстрое развитие робототехники, гибких производственных систем, интегрированных систем проектирования и управления, SCADA-систем разработки программного обеспечения.
Целью автоматизации является снижение объёма ручного труда, обеспечение стабильности характеристик технологического процесса, обеспечение возможности наблюдения, анализа и управления параметрами технологического процесса человеком. Результатом этого процесса является получение автоматизированной системы. Автоматизация производства позволяет повысить качество и снизить себестоимость продукции.
Автоматизированная система - это совокупность управляемого объекта и автоматизированных управляющих устройств, в которой часть функций управления выполняет человек. Автоматизированная система получает информацию от объекта управления, передаёт, преобразует и обрабатывает её, формирует управляющие команды и выполняет их на управляемом объекте. Человек определяет цели и критерии управления, корректирует их, если изменяются условия.
Применение средств и систем автоматизации позволяет решать следующие задачи:
· вести процесс с производительностью, максимально достижимой для данных производительных сил, автоматически учитывая непрерывные изменения технологических параметров, свойств исходных материалов, изменений в окружающей среде, ошибки операторов;
· управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственного плана для номенклатуры выпускаемой продукции путем оперативной перестройки режимов технологического оборудования, перераспределения работ на однотипном оборудовании и т. п.;
· автоматически управлять процессами в условиях вредных или опасных для человека.
Решение поставленных задач предусматривает целый комплекс вопросов по проектированию и модернизации существующих и вновь разрабатываемых систем автоматизации технологических процессов и производств. Использование автоматизированной системы управления повышает надежность работы устройств и улучшает технико-экономические показатели за счет следующих усовершенствований:
· реализации системы на базе средств, отвечающих современному уровню
развития техники управления технологическими процессами;
· реализации более сложных законов автоматического регулирования, точнее и полнее учитывающих специфику протекающих технологических процессов;
· внедрения системы безопасного управления объектами повышенной опасности (розжиг, плановый и аварийный останов, опрессовка и т.д.);
· создания комфортных условий работы для оперативного персонала, снижающих нагрузку оператора, облегчающих принятие им решений по управлению. Приближения решений к оптимальным, благодаря лучшему информационному обеспечению (представление данных в требуемом объеме, в удобном для восприятия виде в реальном времени);
· повышения меры ответственности персонала за счет наличия в системе функций слежения и протоколирования действий персонала по управлению системой;
· повышения безаварийности функционирования системы, облегчения эксплуатационного обслуживания и сокращения времени на поиск и устранение дефектов;
· выдачи технико-экономических показателей и объективной информации о технологическом процессе, которая может быть использована неоперативным инженерно-техническим и административным персоналом для решения производственных и организационно-экономических задач.
В данном учебном пособии на конкретном примере одного из видов технологического процесса производства рассматривается методика анализа и синтеза системы автоматизации. Изложение материала базируется на использование возможностей современной интегрированной системы компьютерной математики MATLAB и её приложений. Рассмотренные в учебном пособии вопросы должны найти отражение в курсовом и дипломном проектировании по автоматизации технологических процессов и производств.
Целью курсового проектирования по дисциплине "Автоматизация проектирования систем и средств управления" является закрепление знаний, выработка навыков проектирования систем с использованием элементов автоматизации проектных процедур, работы с технической литературой и данными Интернета: государственными и отраслевыми стандартами, каталогами заводов-изготовителей, справочной литературой, базами данных сайтов заводов-изготовителей.
ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
1. 1. Обоснование целесообразности и необходимости автоматизации технологического процесса
В этом разделе приводится информация об области применения производимой продукции, а также информация об ее назначении (например: керамические изделия). Перечисляются этапы технологического процесса (например: производство керамических изделий состоит из нескольких этапов):
- процесс приготовления шихты;
- сушка керамического порошка;
- формовка и прессование керамических изделий;
- обжиг керамических изделий).
Описываются методы изготовления продукта и исходные материалы производства (например: пластичное формование керамических изделий, или другой метод, который применяют для формования изделий сложной формы, - метод шликерного литья).
Исходные материалы (например: глинистые и тонкомолотые материалы, каолин, глины, отощающие компоненты и плавни).
Перечисляются контролируемые параметры и допустимые пределы отклонения значений параметров (например: влажность массы для пластического формования должна быть в пределах 18-25%; влажность литейного шликера - в пределах 31-35%; отклонение влажности пластической массы от заданной средней величины не должна превышать ± 0,5%, шликера - соответственно ± 0,8%).
Делается вывод о необходимости применения автоматизированной системы контроля и управления технологическим процессом (по показателям экономичности, точности функционирования, быстродействия, инерционности, безопасности и др).
Выбирается этап технологического процесса производства, подлежащий автоматизации, обеспечивающей устойчивую работу технологического оборудования и осуществляющей управляющие воздействия для компенсации изменений в технологическом процессе (например: автоматизация процесса сушки исходного материала). Контроль влажности изделий позволяет корректировать режим сушки и поддерживать влажность керамической массы в заданных пределах).
1. 2. Описание технологического процесса и производственного оборудования
Рассматриваются различные современные устройства, используемые для реализации выбранного процесса производства. Приводится их структура и описание этапов функционирования.
Приводится мнемоническая схема автоматического регулирования процесса производства (например: для рассматриваемого примера сушки исходного материала используются распылительные сушилки). Распылительные сушилки применяют для снижения влажности массы до 7- 9% перед ее прессованием.
Математическое описание звеньев системы автоматизации следует начинать с ТОУ. В технической литературе тепловые объекты автоматизации (например, распылительная сушилка) с достаточной степенью точности описываются последовательным соединением звена чистого запаздывания и апериодического звена первого порядка. Значения постоянных времени и времени запаздывания определяются по переходным характеристикам.
Однако в ряде случаев, когда невозможно получить переходную характеристику при составлении математической модели ТОУ следует использовать статистические данные по их характеристикам, полученные экспериментально в ходе штатной работы установки методом пассивного эксперимента, когда через определенные промежутки времени фиксируются значения входной и выходной величины ТОУ. Такой путь называется идентификацией объектов автоматизации.
1. 3. Требования к системе автоматизации технологического процесса
Анализ технологического процесса позволяет построить структуру системы автоматизации и сформулировать требования, предъявляемые к системе автоматизации технологического процесса. В приведенном выше примере применение автоматического регулирования влажности шликера по температуре отходящих газов позволяет:
- сократить расход газа;
- уменьшить среднеквадратическое отклонение влажности шликера;
- увеличить качество керамических изделий;
- уменьшить брак при прессовании.
Для обеспечения положительного эффекта использования системы автоматизации, к ней предъявляются следующие требования:
- статическая ошибка: не более ± 5 %;
- перерегулирование: не более 10 %;
- время переходного процесса: от 0, 1 до 0, 2 с;
- запас устойчивости по амплитуде: не менее 20 дБ;
- запас устойчивости по фазе: от 20 до 80 градусов.
ГЛАВА 2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
2. 1. Особенности построения моделей технологических объектов управления
Сложность идентификации технологических процессов во многом зависит от наличия априорной информации о технологических объектах управления, их статических и динамических характеристик. Определение характеристик объекта управления выполняется различными способами, например, могут быть рассмотрены методы, связанные с проведением физического эксперимента над ТОУ, в результате которого будет получен массив экспериментальных данных [ui , yi ], где ui – входные переменные, yi – выходные переменные ТОУ, i – номер опыта. На основе массива экспериментальных данных [ui , yi ] в дальнейшем строится аналитическая модель посредством полиномиальной аппроксимации (например, с использованием метода наименьших квадратов или сплайнов).
В самом общем случае, связь между входным и «теоретическим» выходным сигналами может быть задана в виде некоторого оператора Ψ. При этом наблюдаемый выходной сигнал объекта может быть описан на основе соотношения:
y ( t ) = Ψ[u ( t ) ] + e ( t ).
Принцип суперпозиции позволяет объединить все действующие помехи в одну общую e ( t ) и приложить ее к выходу линейной модели. При рассмотрении задач идентификации все помехи считают статически независимыми, что позволяет моделировать их в виде гауссовского процесса (шума).
Перед началом экспериментальных исследований проводят априорный анализ перечня входных переменных с целью отбора и включения в состав модели информативных параметров, т. е. оказывающих наиболее сильное воздействие на выходные переменные y ( t ) . В первую очередь в их состав включают управляющие входные переменные, с помощью которых осуществляется регулирующее воздействие на ТОУ.
Если в процессе идентификации структура модели не меняется, то выполняется только оценивание параметров модели (идентификация в узком смысле). Однако можно менять и структуру модели, подбирая наиболее адекватную описываемому процессу. При этом вид модели, ее структура выводится из физических представлений о сути процессов в ТОУ. Например, простейший сглаживающий фильтр (RC-цепь) описывается известными законами электротехники, для него можно записать:
u(t) = RCdy(t)/dt + y(t),
где Uin (t) = u(t), Uout (t) = y(t).
Если такая структура (с точностью до вектора коэффициентов β ) известна, то при известном входном сигнале u ( t ) описание объекта можно представить в виде:
y ( t ) = F ( β , t ) + e ( t ),
где F – функция известного вида, зависящая от β и времени t .
Последнее уравнение позволяет после проведения эксперимента, заключающегося в фиксации входного и выходного сигналов на каком-то интервале времени, провести обработку экспериментальных данных и каким-либо методом (например, методом наименьших квадратов) найти оценку вектора параметров β . Отметим, что при экспериментальном определении параметров модели необходимо обеспечить:
● подбор адекватной структуры модели;
● выбор такого входного сигнала, чтобы по результатам эксперимента можно было найти оценки всех параметров модели.
Наиболее просто задача определения параметров решается для линейных объектов, для которых выполняется принцип суперпозиции. В задачах идентификации под линейными объектами чаще понимаются объекты, линейные по входному воздействию.
Как правило, идентификация – многоэтапная процедура, состоящая из этапов:
1. Структурная идентификация, включающая определение структуры математической модели на основании теоретических соображений.
2. Параметрическая идентификация включает в себя процедуру оценивания параметров модели по экспериментальным данным.
3. Проверка адекватности – проверка качества модели в смысле выбранного критерия близости выходов модели и объекта.
Следует отметить, что в связи с многообразием объектов и различных подходов к их моделированию существует множество вариантов решения задачи идентификации.
2. 2. Виды моделей линейных стационарных динамических объектов
Линейные непрерывные стационарные динамические объекты могут быть представлены (без учета действия шума e ( t ) ) в виде:
Дифференциального уравнения . Наиболее универсальная модель, имеющая форму
где na – порядок модели (na > nb ); ai и bj – постоянные коэффициенты (параметры модели); u ( j ) ( t ) и y ( i ) ( t ) – производные, соответственно, входного и выходного сигналов.
Передаточной функции. Модель определяется как отношение преобразования Лапласа выходного сигнала к преобразованию Лапласа входного сигнала
,
где L {●} – символ преобразования Лапласа, р – переменная (оператор Лапласа).
Импульсной характеристики w ( t ) и переходной функции h ( t ) . Импульсная характеристика определяется как реакция объекта на входной сигнал в виде δ-функции. Переходная функция h(t) определяется как реакция объекта на входной сигнал в виде единичного скачка. Соотношения между этими характеристиками имеют следующий вид:
L { w ( t )}= W ( p ), w ( t )= h ’ ( t ) , L { h ( t )}= W ( p )/ p
При нулевых начальных условиях связь между выходными и входными сигналами описывается интегралом свертки:
,
или в операторной форме:
Y ( p ) = W ( p )* U ( p ) .
Частотной характеристики. Частотные характеристики объекта определяются его комплексным коэффициентом передачи W ( jω ) . Модуль комплексного коэффициента передачи │W ( jω ) │= A ( ω ) представляет собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) объекта с передаточной функцией W ( p ) , а аргумент arg(W ( jω ))= φ ( ω ) – фазочастотную характеристику (ФЧХ). Графическое представление W ( jω ) , на комплексной плоскости при изменении ω от 0 до ∞, то есть график амплитудно-фазовой характеристики (АФХ) в полярных координатах в отечественной литературе называется годографом, а в англоязычной – диаграммой Найквиста. В теории автоматического управления часто используется логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ), равная 20 lg │W ( jω ) │.
В 70-е годы 20 века Розенброком был создан метод «размытых» частотных характеристик, предназначенный для автоматизированного проектирования систем с несколькими входами и выходами, ориентированный на использовании средств вычислительной техники и названный в последствие методом переменных состояния (МПС). В основе этого метода лежит представление дифференциальных уравнений в нормальной форме Коши, которое дополняется алгебраическими уравнениями, связывающими выходные переменные с переменными состояния:
x ’ = Ax + Bu
y = Cx ,
где u – вектор входных воздействий; y – вектор выходных воздействий; x – вектор переменных состояния; A, B, C – матрицы коэффициентов размерности n x n , n x m , r x n соответственно; n – число переменных состояния или максимальная степень производной исходного дифференциального уравнения; m – число входов; r – число выходов.
Математическим аппаратом метода переменных состояния являются матричное исчисление и вычислительные методы линейной алгебры. Метод переменных состояния содействовал значительному развитию теории управления. На языке МПС выполнена большая часть работ по оптимальному управлению, фильтрации и оцениванию.
Для систем с одним входом и одним выходом уравнения переменных состояния можно сформулировать следующим образом. При выборе n координат системы (объекта) в качестве переменных ее состояния (такими координатами, например, могут быть выходной сигнал y ( t ) и n -1 его производных) принимаем xi , i = 1,2,…, n и данную систему можно описать следующими уравнениями для переменных состояния:
х ′ (t ) = A х ( t ) + Bu ( t ),
y ( t ) = C х ( t ) + Du ( t ),
где х ( t ) = [x 1 ( t ), x 2 ( t ),…, xn ( t ) ]t – вектор-столбец переменных состояния; A , B , C , и D при скалярных u ( t ) и y ( t ) – соответственно матрица размера n n , векторы размера n 1 и 1 n и скаляр (при векторных u ( t ) и y ( t ) – матрицы соответствующих размеров).
Для дискретных объектов, функционирование которых представляется дискретным временем tk = kT (T – интервал дискретизации), наиболее общим видом описания является разностное уравнение (аналог дифференциального):
yk +a1 yk-1 + ... +ana yk – na = b1 uk + b2 uk – 1 + b3 uk - 2 + ... + bnb uk – nb + 1 ,
где yk – i = y [(k – i )T ] , uk – j = u [(k – j )T ] .
Связь между входом и выходом может быть отражена следующими соотношениями:
• через дискретную свертку:
,
где ω – ординаты решетчатой весовой функции объекта, или, с использованием аппарата Z – преобразования:
, где z = e pT
• через дискретную передаточную функцию:
,
которая определяется на основании разностного уравнения после применения к обеим частям этого уравнения Z – преобразования:
На практике в большинстве случаев измерение непрерывных сигналов производится в дискретные моменты времени, что представляет определенное удобство при последующей обработке данных на ЭВМ. Поэтому представление непрерывных объектов дискретными моделями является актуальной задачей. Хотя такое представление может быть осуществлено с некоторой степенью приближенности.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать полную версию