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

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.