Исследование влияния настроек регулятора Смита на качество регулирования
В данной выпускной квалификационной работе будут рассмотрены примеры промышленных объектов управления с запаздыванием, методы управления объектов с запаздыванием. Будет произведено исследование влияния настроек регулятора Смита на качество регулирования. Реализация данного исследования будет проходить в программном продукте Matlab Simulink. Задача состоит в том, что как правильно настроить предиктор Смита для получения желаемых показателей качества САУ, когда объект управления является апериодическим звеном первого порядка и интегрирующим звеном. Будут наблюдаться переходные процессы в системе при изменении параметров модели объекта управления, а также проанализируем замкнутую систему с использованием предиктора Смита.
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 14
1 Примеры промышленных ОУ, имеющих запаздывание ……………………….. 17
1.1 Общие сведения о запаздываниях ……………………………………………… 17
1.2 Запаздывание в промышленных объектах управления ……………….. 18
1.3 Примеры объектов управления с запаздыванием………………………… 20
1.3.1 Вращающиеся печи …………………………………………………………… 22
1.3.2 Регулирование количеств угля на ленточных транспортерах 23
2 Обзор и анализ методов управления объектами с запаздыванием ………….. 25
2.1 Устойчивость систем с запаздыванием (критерий устойчивости
Найквиста)……………………………………………………………………………………………….. 27
2.2 Примеры оценки устойчивости САР с запаздыванием ……………….. 31
3 Результаты моделирования управления объектом в виде апериодического
звена первого порядка с запаздыванием ……………………………………………………. 35
3.1 Апериодическое звено первого порядка с запаздыванием ………….. 35
3.2 Инженерный метод настройки ПИД-регулятора…………………………. 37
3.3 Применение предиктора Смита для объектов управления в виде
апериодического звена первого порядка с запаздыванием ………………………… 40
4 Моделирование для объектов управления в виде интегрирующего звена с
запаздыванием …………………………………………………………………………………………. 56
4.1 Интегрирующее звено с запаздыванием …………………………………….. 56
4.2 Формульный метод определения настроек ПИД-регулятора ………. 60
4.3 Применение предиктора Смита для объектов управления в виде
интегрирующего звена с запаздыванием …………………………………………………… 61
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение .. 71
5.1 Предпроектный анализ ……………………………………………………………… 71
5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……. 71
5.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения …………………………………………… 72
5.2 Инициация проекта ……………………………………………………………………. 77
5.2.1 Информация о заинтересованных сторонах проекта, цели и
ожидаемые результаты НИР, функции исполнителей проекта …………………… 77
5.3 Планирование управления научно-техническим проектом …………. 79
5.4 Оценка экономической эффективности проекта …………………………. 87
5.4.1Оценка научно-технического уровня НИР ………………………….. 87
6 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 90
6.1 Производственная безопасность ………………………………………………… 90
6.1.1 Анализ выявленных вредных и опасных факторов при
разработке и эксплуатации проектируемого решения ……………………………….. 91
6.2 Экологическая безопасность………………………………………………………. 99
6.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………. 101
6.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности
………………………………………………………………………………………………………………. 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………….. 108
ПРИЛОЖЕНИЕ А ………………………………………………………………………………….. 113
В настоящее время проблема оптимального по быстродействию
управления объектами и процессами приобрела первостепенное значение.
Так как длительность переходного процесса при управлении является одним
из основных показателей качества работы автоматических систем.
Сокращение продолжительности переходных процессов при регулировании
многих технологических объектов повышает производительность агрегатов,
улучшает качество продукции, позволяет получить значительный
экономический эффект. Известно, что система, удовлетворяющая
требованиям максимального быстродействия, является наилучшим
показателем качества.
Стремительное увеличение требований к темпам развития
производства и к качеству продукции способствует улучшению
автоматизации производственных процессов. В результате увеличение
темпов, управляемые величины начали изменяться с большой скоростью во
времени. Время играет ключевую роль, которое имеет значение от начала
измерения сигнала регулируемой величины до принятия решения и выдачи
управляющего сигнала. Эффект запаздывания появляется в автоматическом
управлении большими системами при наличии обратной связи. Например,
системы с большими расстояниями, системы управления ракетами и
высокоскоростными летающими аппаратами.
Запаздывающая реакция приводит
к возникновению нарушения процесса в управляющей системе;
к автоколебаниям в замкнутой системе;
к полной потере устойчивости системы.
На данный момент ряд объектов химической технологии, биологии,
экономики, ряд областей науки и техники описываются дифференциальными
уравнениями с запаздывающим аргументом. Такие уравнения характеризуют
работу объектов, в которых один элемент или группа являются
запаздывающими звеньями. Явление временного запаздывания сигналов
связано с тем, что при изменении входного сигнала выходной сигнал
объекта управления (ОУ) начинает изменяться не сразу, а с некоторый
задержкой по времени.
В последнее время ужесточение требований к работе САУ привело к
необходимости учета даже незначительных запаздываний в каналах связи
объекта. Учет явления запаздывания, которое может отрицательно влиять на
процессы управления, позволит повысить качества СУ.
Запаздывания, встречающиеся в ОУ, негативно влияют на процессы
регулирования и могут проводить к потере устойчивости системы
управления и ухудшению качества процессов управления. Поэтому их так
важно учитывать при проектировании систем автоматики.
Однако практическое применение регуляторов для различного рода
технологических процессов часто затруднено вследствие возникающего при
данных процессах запаздывания. Будучи в общем случае постоянной,
переменной или случайной величиной, запаздывание является одним из
основных факторов, существенно снижающих динамические показатели
оптимальных по быстродействию СУ. Поэтому возникает необходимость
разработки и исследования методов синтеза оптимальных по
быстродействию регуляторов, обеспечивающих эффективную работу систем
управления в данных условиях.
При синтезе автоматических систем регулирования (САР) с
запаздыванием приходится не только учитывать влияние на динамику
процессов, протекающих в системе, но и обращаться к законам
регулирования, которые позволяют повысить качество регулирования даже
при существовании по величине запаздывания. Среди таких законов
наиболее известен предиктор Смита.
В данной выпускной квалификационной работе будут рассмотрены
примеры промышленных ОУ с запаздыванием и методы управления
объектов с запаздыванием. Будет произведено исследование влияния
настроек регулятора Смита на качество регулирования. Реализация данного
исследования будет проведена в программном продукте Matlab Simulink.
Задача состоит в том, как правильно настроить предиктор Смита для
получения желаемых показателей качества САУ, когда объект управления
является апериодическим звеном первого порядка и интегрирующим звеном.
Будут наблюдаться переходные процессы в системе при изменении
параметров модели объекта управления, а также проанализируем замкнутую
систему с использованием предиктора Смита.
В данной работе для настройки ПИ и ПИД-регулятора используется
«Инженерный метод» и «Формульный метод определения настроек
регулятора для статических объектов без самовыравнивания», который
предполагает расчет регулятора с последующим варьированием параметров
для получения «оптимального» процесса.
При выполнении данной выпускной квалификационной работы были
поставлены следующие цели:
исследовать САУ с объектами с запаздыванием;
рассмотреть примеры промышленных объектов управления
с запаздыванием;
провести анализ и классификацию методов управления
объектов с запаздыванием;
выяснить, насколько сильно можно ошибаться при задании
параметров объекта управления и как будут меняться показатели
переходного процесса при больших или меньших ошибках при задании
модели.
В процессе выполнения работы был произведен анализ систем
автоматического управления с запаздываниями, были рассмотрены основные
виды запаздываний. Приведены примеры промышленных объектов
управления с запаздыванием. Был произведен анализ возможных
технических предложений по применению регулятора Смита, а также были
рассмотрены основные примеры.
Реализация данного исследования проведена в ПП Matlab Simulink. Для
настройки ПИД-регулятора для объектов с запаздыванием используется
«Инженерный метод» и «Формульный метод определения настроек
регулятора для статических объектов без самовыравнивания». В ходе
исследования регулятора Смита, при рассмотрении полученных переходных
характеристик, было приведено сравнение показателей качества ПП при
изменении одного или нескольких параметров в объекте управления и
модели.
По результатам моделирования получены зависимости качества
переходных процессов от того, насколько велики ошибки в задании
параметров постоянного времени и запаздывания в модели объекта
управления.
Отклонение от рекомендуемых настроек приводит к колебательному
переходному процессу и даже к потере устойчивости при изменении
настроек. Произведено исследование алгоритмов управления объектами с
запаздыванием на примере апериодического звена первого порядка и
интегрирующего звена.
Таким образом, при использовании всех рассмотренных в работе
решений и предложений по устранению запаздываний может быть облегчено
проектирование систем. Исследования могут быть использованы в
дальнейших разработках и при исследованиях САУ с запаздыванием.
Предлагается следующая методика настройки предиктора Смита:
1. При определении модели объекта управления основное внимание
уделить определению времени запаздывания. Главное – не ошибиться в
большую сторону.
2. Найденная модель используется в предикторе Смита
3. Настройки собственно ПИ- или ПИД-регулятора могут быть
определены простым инженерным методом или формульным методом, на
основе значении , , модели объекта ( и для интегрирующего звена)
4. Данная методика может быть использована для объектов с
самовыравниванием (апериодическое звено) и без самовыравнивания
(интегрирующее звено)
5. Использование в структуре предиктора Смита ПИ- или ПИД-
регуляторов принципиально не отражается на качестве переходных
процессов.
В разделе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение» проведено планирование научной работы, а также
выявлен целевой рынок потребителей исследования.
В разделе «Социальная ответственность» рассмотрены вопросы
производственной и экологической безопасности, а также правовые вопросы
обеспечения безопасности труда.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (174 отзыва)
4.8 (37 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.5 (9 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
5 (428 отзывов)
5 (49 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
4.8 (1033 отзыва)
