Система автоматического управления

1 Введение                                                                                                                         5

2 Актуальность выбранной темы                                                                                 7

3 Характеристика объекта управления                                                                      8

4 Разработка функциональной схемы  объекта управления                                12

5 Разработка структурной схемы системы                                                               14

6 Определение передаточной функции  элементов САУ                                      17

7 Определение законов регулирования                                                                   18

7.1 Рассчитать АФЧХ для разомкнутой и замкнутой САУ                                      18

7.2 Рассчитать ЛФЧХ для разомкнутой и замкнутой системы                             20

8 Выполнить анализ устойчивости системы по критериям Гурвица и          Найквиста. Определить запасы устойчивости                                                         22

9 Проанализировать зависимость статической ошибки от изменения управляющего воздействия на систему. Сделать вывод о характере этой                зависимости                                                                                                                       24

10 Оценить качества управления по переходным функциям                              25

11 Заключение                                                                                                                  28

12 Список используемой литературы

 

1. Введение

 

Автоматика, отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления, действующих без непосредственного участия человека; в узком смысле — совокупность методов и технических средств, исключающих участие человека при выполнении операций конкретного процесса.  
  История Автоматики как отрасли техники тесно связана с развитием автоматов, автоматических устройств и автоматизированных комплексов. В стадии становления автоматики опиралась на теоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи, связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и частоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС, устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства автоматики в этот период разрабатывались и использовались применительно к системам автоматического регулирования. Интенсивное развитие всех отраслей науки и техники в конце 1-й половины 20 в. вызвало также быстрый рост техники автоматического управления, применение которой становится всеобщим.

 
  2-я половина 20 в. ознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических средств автоматики и широким, хотя и неравномерным для разных отраслей народного хозяйства, распространением автоматических управляющих устройств с переходом к более сложным автоматическим системам, в частности в промышленности — от автоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов. Существенной чертой является использование автоматики на объектах, территориально расположенных на больших расстояниях друг от друга, например крупные промышленные и энергетические комплексы, системы управления космическими летательными аппаратами и т. д. Для связи между отдельными устройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместно с устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматические системы.

Большое значение при этом приобретают технические (в т. ч. телемеханические) средства сбора и автоматической обработки информации, т. к. многие задачи в сложных системах автоматического управления могут быть решены только с помощью вычислительной техники.

 

 

Наконец, теория автоматического регулирования уступает место обобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретические аспекты автоматики и составляющей основу общей теории управления.  

Система автоматического управления (САУ) позволит поддержать или улучшить функционирование управляемого объекта. В ряде случаев вспомогательные для САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.) также могут быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производственного или какого-либо другого комплекса.

 

Система автоматического регулирования  отслеживает все параметры текущих процессов, реализуемых водогрейными и паровыми котлами, и управляет технологическим оборудованием, обеспечивая нормальное и безаварийное функционирование котельной установки. Кроме того, система контролирует исправность оборудования и при возникновении поломок и аварийных ситуаций сигнализирует об этом и при необходимости персонал может перевести работу САУ в ручной режим для устранения неполадок.

 

 

 

2. Актуальность выбранной темы

В данный момент на мировом рынке  имеется полное разнообразие, в частности микроконтроллеров для промышленной автоматизации, предназначенных для продолжительной работы в различных условиях, а также развитые компьютерные технологии позволяют создавать системы управления процессами, способные функционировать в автономном режиме. Внедрение систем автоматизированного управления паровыми и водогрейными котлами, построенных на основе программируемых контроллеров, позволяет автоматизировать процесс производства тепловой энергии в котлах и значительно упростить контроль и управление этим процессом. Система автоматического регулирования повышает эффективность функционирования котлоагрегата за счет снижения потребления энергоресурсов, рационального сжигания топлива, использования технологического оборудования, оперативного управления оборудованием и технологическим процессом. Кроме того, внедрение таких систем позволяет снизить влияние человеческого фактора в производственном процессе и вероятность возникновения аварийных режимов функционирования котла. Повышение экологических характеристик котельной и культуру производственного процесса. Благодаря программному управлению система автоматически отслеживает все параметры текущих процессов, реализуемых водогрейными и паровыми котлами, и управляет технологическим оборудованием, обеспечивая нормальное и безаварийное функционирование котельной установки.

Кроме того, система контролирует исправность оборудования и при  возникновении поломок и аварийных  ситуаций сигнализирует об этом обслуживающему персоналу.

Преимущества САУ заключаются в относительной универсальности, лёгкости перестройки программы и высокой точности. 

3. Характеристика объекта управления

 

В данном курсовом проекте рассмотрен объект управления – паровой котел

Принцип действия парового котла

Сгорание топлива, поступающего через горелки происходит в топочной камере. К горелкам подводится также воздух по воздуховоду с помощью дутьевого вентилятора. Для устойчивого и интенсивного горения воздух нагревается. Забор воздуха в воздуховод производится зимой из окружающей среды, а летом из помещения. Тепло, выделившееся при сгорании топлива, передаётся воде, через поверхности нагрева котла (экранные трубы) излучением в топке и конвекцией от нагретых газообразных продуктов сгорания в газоходах котла (пароперегревателе). Исходная вода сначала поступает в ХВО, затем в деаэратор, который служит для удаления из воды кислорода и активных газов. Туда же подаётся добавочная химически очищенная вода из ХВО. Поступающая в котёл вода называется питательной, сначала подогревается в подогревателе высокого давления, в водяном экономайзере, где за счёт тепла уходящих газов подогревается. Из экономайзера по отводящим трубам питательная вода подаётся в барабан котла. Из барабана по опускным трубам вода поступает в нижние коллекторы, откуда раздаётся по подъёмным трубам топочных экранов. Барабан котла вместе с системой не обогреваемых опускных труб, выходящих из него, и подъёмных (экранных) труб внутри топочной камеры образует замкнутый, циркуляционный контур, в котором при горении топлива в топке организуется движение воды (опускные трубы) и пароводяной смеси (подъёмные трубы). Циркуляционный контур заполнен до уровня, расположенного на 15…20 см ниже диаметральной плоскости барабана котла, водой, которую называют котловой. Объём барабана, заполненного водой, называют водяным, а занятым паром - паровым. Поверхность, разделяющую водяной и паровой объёмы, называют зеркалом испарения.

 

При подводе теплоты к обогреваемым трубам вода в них закипает, и они заполняются пароводяной смесью. Поступившая вода превращается в пар лишь после многократного прохождения через циркуляционный контур.

За один цикл вода в контуре испаряется на 3…20%. Количество движущейся в контуре воды в несколько раз больше образующегося пара. Сухой насыщенный пар из барабана котла поступает на перегрев в пароперегреватель, после чего перегретый пар направляется к паровой турбине. Для регулирования температуры перегретого пара в системе предусмотрен впрыскивающий пароохладитель. Пар с параметрами подводится к турбине из парового котла. В турбине происходит адиабатное расширение пара до конечного давления в процессе которого совершается работа, передаваемая электрическому генератору. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор, где он отдаёт охлаждающей воде теплоту и конденсируется при постоянной температуре и давлении. Из конденсатора конденсат поступает в питательный насос, где его давление повышается.

Продукты сгорания топлива, пройдя экономайзер и воздухоподогреватель отдают им тепло. Продукты сгорания после воздухоподогревателя называются уходящими газами, их температура составляет от 120 до 160єС. При помощи дымососной установки выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

И так, процесс получения перегретого пара состоит из трёх этапов: подогрева питательной воды до температуры кипения; образования насыщенного пара из воды; перегрева сухого насыщенного пара до необходимой температуры.

Характеристики котла:

Паропроизводительность котла 50 т/час.

Aбсолютное давление перегретого пара 3,9 МПа.

Температура перегретого пара 440°C.

Давление в барабане 4,4 МПа.

Давление в выходном коллекторе пароперегревателя 3,9 МПа.

Температура питательной воды 145°C.

 

 

 

 

 

Для наглядности котёл и его  оборудование разделяют на несколько  частей:

• система подачи топлива;
• система подачи воздуха;
• горелочные устройства;
• топка;
• система подачи воды;
• барабан котла.

Рисунок 1. Функциональная схема котла

Котёл имеет следующие  режимы функционирования:

• розжиг;
• основной режим;
• остановка.

Наиболее сложным с точки  зрения управления является основной режим с динамически изменяющимися  нагрузками и исправность котла  во многом зависит от уровня давления пара и количества воды в барабане котла. Рассмотрим, к чему может привести превышение предельных значений параметров котла. При нормальном течении процесса уровень воды в барабане котла уравновешивается давлением подпитки котловой воды и давлением пара.

 

 

При этом он находится выше среза  экранных труб, стенки которых охлаждаются  циркулирующей в них водой. В следствии создания чрезмерного высокого давления в барабане котла уровень воды может снизиться ниже допустимого предела, при котором не обеспечивается циркуляция воды. В результате нарушения циркуляции воды в экранных трубах происходит чрезмерное повышение температуры и пережог их стенок. Также опасно и резкое снижения давления пара, что увеличивает опасность возможного заброса воды в пароперегреватель и выведение котла из строя.

Кроме того, частые и резкие изменения  подачи воды в котел могут вызвать  значительные температурные напряжения в металле экономайзера, и качество поддержания уровня также определяется равномерностью подачи воды. Наряду с этим создание необходимого давления пара в котле и его поддержание на заданном уровне обеспечивается созданием соответствующих температурных режимов, достигающихся сжиганием некоторого количества топлива. Итак, регулирование давления пара в барабане котла и питания котельных агрегатов главным образом сводиться к поддержанию материального баланса между отводами пара и подачи воды. Рассмотрев котёл как объект автоматизации затронув в большей части процессы проходящие в барабане котла, увидели, что нормальное протекание процесса, реализуемого паровым котлом, требует выполнения множества условий, а не соблюдение хотя бы одного из них может вызвать аварийную ситуацию и выход из строя дорогостоящего оборудования.

Всё это обуславливает необходимость  постоянного слежения за параметрами и не медленного реагирования на отклонение их от нормы.

 

 

4. Разработка функциональной схемы объекта управления

Объектом    управления    рассматриваемой в заданном курсовом проекте  САУ    является котел. Регулируемой   величиной   является  температура   воды   в   котле.   Целью управления является поддержание температуры на постоянном заданном уровне. Управляющее воздействие на объект - угол открытия задвижки газа. Основное возмущающее воздействие - изменение интенсивности подачи газа (Е, клк) от расчетного номинального значения.

Датчиком (Д) является термометр  сопротивления. Входной сигнал для  него температура в воды ы котле, выходной - напряжение преобразователя, который преобразует величину сопротивления датчика температуры в электрическое напряжение.

Задатчиком (3) является делитель напряжения. Задающий сигнал -величина напряжения, которая в определенном масштабе соответствует заданному значению температуры.

Сравнивающее устройство (СУ) выполнено на дифференциальном усилителе. Входной сигнал - из, Uh, Uo.c. Выходной сигнал - разность напряжений, подаваемая на усилитель (ДУ).

Дифференциальный усилитель (ДУ) выполняет функцию устройства сравнения входных сигналов и усиления их разности. На вход усилителя подается напряжение задатчика U3, датчика Uд, устройства местной обратной связи Uo.c. Выходной сигнал усилителя - напряжение Uy, подаваемое на двигатель.