Министерство образования Российской Федерации

Северо – Западный государственный заочный технический университет

Кафедра металлургии и литейного производства

АВТОМАТИЗАЦИЯ

УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ

Методические указания

к выполнению практических работ Факультет технологии веществ и материалов Специальность 110400 – литейное производство чёрных и цветных металлов Специализация 110409 – литейное производство и экономика металлургии

Санкт - Петербург , 2000

2

Утверждено редакционно – издательским советом СЗТУ УДК [658.52.011.56:681.51:621.74] (035) Автоматизация управления производством. Методические

указания к выполнению практических работ. – СПб.: СЗТУ, 2000 - 16 с. Библиогр. 2.

Приведены задачи компьютерного практикума и методика

их решения с помощью современных персональных компью-теров и специального их программного обеспечения в виде программ, разработанных в средах Turbo BASIC и Visual BASIC.

Рассмотрено на заседании кафедры металлургии и литей-

ного производства 19 июня 2000 г; одобрено методической ко-миссией факультета 1 июля 2000 г.

Рецензенты : кафедра металлургии и литейного производства ( зав. ка-

федрой А.А.Яценко , канд. техн. наук , доц .) , Хлямков Н.А., нач. отдела по расчётамТЭР ОАО «Ижорские заводы», канд. техн. наук

Составитель В.В.Дембовский, канд. техн. наук, проф.

Северо – Западный государственный заочный технический университет, 2000

3

Общие указания Познакомившись со схемно-конструктивными решениями и

аппаратурой автоматического управления технологическим процес-сом металлургического и литейного производств в лекционном кур-се и соответствующих лабораторных работах, студент должен ре-шить ряд задач компьютерного практикума. Методическая направ-ленность этих работ проявляется в том, чтобы расширить представ-ления студента о некоторых важных особенностях процессов авто-матического регулирования. Исследование таких особенностей на реальной аппаратуре трудоемко, не всегда может быть реализовано «в чистоте» и требует для своей реализации значительной затраты времени студента.

Студентам предлагается решить ряд задач по таким основопо-лагающим вопросам, как моделирование динамических процессов в системах автоматического управления с помощью персонального компьютера. Последний позволяет непосредственно наблюдать пе-реходные процессы в системах при различных параметрах их эле-ментов, выявлять границы устойчивости замкнутых систем и ка-чество процессов автоматического регулирования.

При этом важно отметить, что достаточно сложные задачи ре-шаются в наглядной форме и при минимальных затратах учебно-го времени студента.

Сводка программ для компьютерного практикума представле-на в таблице (табл.,с.4). Алгоритмы этих программ основаны на чис-ленных методах, с помощью которых созданы специальные модели систем и их элементов. Т.о., по существу, задачи решаются поста-новкой «вычислительного эксперимента».

Для реализации практикума необходимы IBM – совместимые персональные компьютеры. Для таких компьютеров разработаны программы практикума в двух вариантах (А и В, табл.,с.4). Предпоч-тителен вариант В, программы для которого написаны на современ-ном языке программирования Visual BASIC 5.0 . Эти программы ис-пользуются для компьютеров модели AT/486 и класса Pentium с ус-тановленной на них операционной системой не ниже Windows 95.

Некоторые версии Windows 95 не располагают необходимым для работы программ, написанных в среде Visual BASIC, файлом Msvbvm50.dll. Такой файл должен быть дополнительно установлен в состав Windows | System.

4

Таблица 1. Программа практикума

Вариант №

№ задач

Тема

A

B

1 2 3 4 1 Исследование процесса двухпозиционного

регулирования P2pos.exe P2posVB5.exe

2 Исследование устойчивости системы ав-томатического регулирования по критерию Найквиста – Михайлова

P02.exe P02VB5.exe

3 Исследование переходных процессов в ли-нейных системах автоматического регули-рования

P2.exe P2VB5.exe

4 Компьютерное моделирование процесса работы автоматического оптимизатора P2opt.exe P2optVB5.exe

Программы варианта A написаны на языке Turbo BASIC с

меньшими удобствами для пользователя и менее совершенной гра-фикой. Выбор того или иного варианта практикума определяется существующим техническим обеспечением компьютерного класса того подразделения университета, где проводятся эти занятия.

Как правило, практикум проводится в компьютерных классах под руководством представителя кафедры. Однако, с разрешения руководителя, студент может скопировать программы практикума на свои дискеты для углублённой проработки этих программ на до-ступном для студента рабочем месте вне СЗТУ, а для иногород-них студентов возможна пересылка программ по электронной почте. Запрос следует направлять по электронному адресу kaf_metal@nwpi.ru на имя проф. Дембовского В.В. с указанием электронного адреса отправителя.

Программы варианта А могут быть запущены из любой сер-висной программы типа файл - менеджера, или навигатора, напри-мер , Norton Commander, Norton Navigator и т.п. Для запуска нуж-ной программы достаточно отыскать её имя на винчестере или дискете , установить на это имя курсор , а затем нажать на кла-вишу [ Enter ] или сделать на имени программы двойной щел-чок левой клавиши [2Л] манипулятора типа « мышь» .

Все эти программы рассчитаны на диалоговый режим об-мена информацией между пользователем и компьютером. От студента требуется следовать появляющимся на экране монитора

5

сообщениям, вводить данные и выполнять другие действия, смысл которых объясняется вполне наглядно, и никаких допол-нительных указаний не требуется

Запуск программ варианта B доступен любым из стандартных действий [1Л] или [2Л], принятых в Windows 95 (98): из “Про-водника”, программы “Мой компьютер” и др. После запуска таких программ на экране монитора появляется ФОРМА с окнами для ввода исходных данных. Элементы ФОРМЫ снабжены поясняющи-ми надписями. Студенту остаётся в окна формы ввести данные, сделать один щелчок левой клавишей мыши [1Л] на кнопке [ПУСК] и получить искомый результат в виде чисел и графика.

По каждой работе необходимо оформить отчёт. В отчёт не-обходимо включить название работы, предложенный руководите-лем вариант исходных данных , результаты счёта и вытекающие из работы выводы.

В процессе выполнения практикума на персональных ком-пьютерах следует строго выполнять правила электро - и экологи-ческой безопасности.

Ниже следуют конкретные пояснения к рассматриваемым за-дачам компьютерного практикума.

Литература

1. Дембовский В.В. Автоматизация литейных процессов. –

Л.: Машиностроение, 1989. 2. Глинков Г.М., Климовицкий М.Д. Теоретические основы

автоматического управления металлургическими процес-сами. – М.: Металлургия, 1985.

Задача №1 Исследование процесса

двухпозиционного регулирования 1. Цель решения задачи Установление характера влияния динамических параметров

технологического объекта управления: его постоянной времени и чистого запаздывания на такие показатели качества регулирова-ния, как амплитуда автоколебаний и смещение среднего значе-ния выхода объекта относительно задания.

6

2. Краткое теоретическое содержание Двухпозиционное регулирование оказывается простейшим

способом автоматического управления режимом технологическо-го объекта. Характерным для этого способа являются незату-хающие колебания выхода объекта во времени, причём парамет-ры режима: амплитуда автоколебаний и смещение среднего зна-чения выхода относительно задания целиком определяются свойствами объекта, т.е. соотношением между его постоянной времени и чистым запаздывнием.

Несмотря на предельную физическую простоту реализации двухпозиционного способа регулирования, математический анализ переходных процессов в подобной нелинейной системе предста-вляет собой достаточно сложную задачу.

С целью избежать трудностей математического характера, представляется целесообразным решать её путём компьютерного моделирования с использованием соответствующей программы.

3. Постановка задачи. Дано : • объект первого порядка с чистым запаздыванием (статиче-

ский, астатический или статический с распределенными па-раметрами), конкретный тип которого определяется соглас-но индивидуальному заданию руководителя с учетом про-изводственного опыта студента;

• параметры объекта в виде значений передаточного коэффи-циента , постоянной времени (0K T T ), чистого запаздыва-ния τ и шага варьирования этих параметров, также зада-ваемые руководителем.

Найти: • амплитуду автоколебаний выхода объекта

Ay0 = ( Y0max – Y0max ) / 2 (1) в установившемся режиме;

• смещение среднего фактического значения выхода объекта Y0ср = ( Yomax + Y0min ) / 2 (2)

относительно задания 03YR = ср0ср0 YRY −=δ ; (3)

7

• форму зависимости и 0yA ср0Yδ от варьируемых параметров системы.

4. Методика решения задачи

a) запускают программу p2pos.exe или p2posVB5.exe; b) вводят исходные данные, согласованные с руководителем.

Этот ввод при использовании программного обеспечения по варианту A осуществляют в диалоговом режиме, а при работе по варианту B значения исходных данных заносят в соответствующие окна экранных форм, снабженных необ-ходимыми пояснениями;

c) считывают результат с экрана, который вместе с использо-ванными исходными данными заносят в таблицу отчета;

d) варьируют исходные данные согласно рекомендациям ру-ководителя, заносят их в отчет, где фиксируют новые ре-зультаты работы.

4. Структура и содержание отчёта В соответствии с общими требованиями (см. с. 5), исходные

данные и результаты счёта сводят в таблицу по форме

Ko T или T τ Ay0 δY0ср

По полученным данным в масштабе строят графики выявлен-

ных зависимостей, например

( )TfA 10y τ= ; ( )TfY 2ср0 τδ = (4)

и делают соответствующие выводы.

Литература: [1], с. 72 … 74.

8

Задача №2

Исследование устойчивости системы автоматического регулирования по критерию Найквиста - Михайлова

1. Цель решения задачи Практика применения критерия устойчивости САР при

компьютеризации большого количества трудоёмких вычислений. 2. Краткое теоретическое содержание Из теоретического курса известно, что критерий устойчиво-

сти Найквиста – Михайлова является универсальным критерием, пригодным для анализа любых систем, в том числе и содержа-щим звено чистого запаздывания. Для того чтобы сократить значительный объём вычислений, требующихся для реализации этого критерия, разработано специальное программное обеспече-ние персональных компьютеров. Оно позволяет после ввода ис-ходных динамических параметров системы в автоматическом режиме построить годограф амплитудно – фазовой характеристи-ки разомкнутой системы на комплексной плоскости и по распо-ложению его относительно “опасной” точки с координатами -1; i*0 судить об устойчивости той же системы в замкнутом состоянии. Кроме того, по параметрам входа годографа в круг единичного радиуса определяются запасы устойчивости системы по амплитуде ∆A и фазе ∆ϕ.

3. Постановка задачи Дано: • объект первого порядка с чистым запаздыванием (статиче-

ский или астатический), выбор которого осуществляют аналогично тому, как это рекомендовано в задаче №1;

• параметры объекта ( , 0K T или T , τ ); • пропорционально–интегрально-дифференциальный (ПИД)

регулятор непрерывного или непрерывно-импульсного дей-ствия;

9

• варьируемые параметры настройки регулятора (передаточ-ный коэффициент , условная постоянная времени интег-рирования

0K

ИT , условная постоянная времени дифференци-рования дT .

Найти: значения настроечных параметров регулятора, обеспечиваю-

щих как устойчивость системы автоматического регулирования (САР), так и необходимые запасы устойчивости по амплитуде

40,0..35,0A ≥∆ и фазе . 045..35≥ϕ∆ Выбор начальных значений исходных данных и шага после-

дующего их варьирования производится в соответствии с рекомен-дациями руководителя. При этом отдельные компоненты регулятора могут быть исключены. Например, задавая очень большое значение времени интегрирования Tи и тем самым искусственно замедляя работу интегрального компонента ПИД-регулятора получаем про-порционально-дифференциальный (ПД) регулятор, а дополнительно приняв время предварения Tп приходим к реализации пропорцио-нального (П) алгоритма регулирования. Значение периода следова-ния импульсов интегрального компонента Lc принимают равным единице, что соответствует непрерывному режиму работы регу-лятора.

4. Методика решения задачи №2

a) запускают программу P02.exe или P02VB5.exe; b) вводят исходные данные с учетом пояснений к задаче №1

или - представляемых непосредственно в окнах формы (вариант B);

c) наблюдают на экране за положением годографа разомкну-той САР относительно «опасной» точки с координатами

на комплексной плоскости. Как потеря устойчивости (охват годографом указанной точки), так и выявленные за-пасы устойчивости в процессе работы программы сообща-ются студенту на экране монитора. Эти результаты и соот-ветствующие исходные данные заносят в отчет о решении данной задачи;

0i,1 ⋅−

d) варьируют исходные данные, фиксируют их значения и со-ответствующие признаки состояния системы: устойчива

10

или неустойчива, значения запасов устойчивости до дости-жения заданных A∆ и ϕ∆ .

5. Структура и содержание отчёта В соответствии с общими указаниями ( см. с. 3) , исходные

данные и результаты счёта сводят в таблицу по форме Объект …………………………………………… Алгоритм регулирования……………………….

Ko T илиT τ Kp Tи Tд Lc ∆A ∆ϕ

По полученным данным в масштабе строят графики най-денных зависимостей величин ∆A и ∆ϕ от значений исследован-ных факторов. По результатам исследования делают выводы.

Литература:

[2], с. 125 …127.

Задача №3

Исследование переходных процессов в линейных системах автоматического регулирования

1. Цель решения задачи

Выявление характера влияния настроечных параметров ре-гулятора на качество регулирования.

2. Краткое теоретическое содержание

Настроечные параметры регулятора, такие как его переда-

точный коэффициент Кр , условные постоянные времени интег-рирования Ти и дифференцирования Тд оказывают существен-ное воздействие на форму кривой переходного процесса в сис-теме автоматического регулирования. При заданных свойствах технологического объекта управления в зависимости от установ-ленных настроек могут быть получены различные показатели

11

качества регулирования: время регулирования, перерегулирование, а также интегральный квадратичный критерий I качества регу-лирования, вычисляемый по формуле

(5) ,dtXI р∫∞

=0

2

где – время; – входной сигнал регулятора в виде от-клонения фактического значения выхода объекта Y от его заданно-го значения Y %.

t 003р YYX −=

100== R0

03

Обычно считают, что качество регулирования тем выше, чем меньше значение этого критерия.

Для решения задачи используют программное обеспечение, специально разработанное для этой цели (см. табл. на с. 4).

3. Постановка задачи Дано: • объект одного из типов, охарактеризованных в задачах №1

и №2, конкретный выбор предлагает руководитель; • ПИД (в общем случае) регулятор; • параметры объекта ( , 0K T или T , τ ); • начальные значения параметров настройки регулятора , рK

иT , дT , период следования импульсов интегрального компо-нента регулятора [1, с. 72] и шаг их варьирования, вид внешнего воздействия: возмущение

CLZ или изменение зада-

ния. При этом следует иметь в виду, что при («пус-той» ввод) осуществляется моделирование переходного процесса при выходе системы на задание , а ввод

(например,

0Z =

R=Y03

0Z ≠ 100Z = ) переводит программу в режим моделирования переходного процесса под действием воз-мущения. В обоих случаях принятие 1LC = позволяет моде-лировать работу непрерывно действующего регулятора, а при искусственно замедляется срабатывание инте-грального компонента для реализации больших значений

1C ≠L

ИT , что часто применяется в конструкциях промышленных регуляторов.

12

Найти: • оптимальные значения параметров настройки регулятора,

обеспечивающие минимум интегрального квадратичного критерия качества регулирования [1, с. 69 ]:

I → min (6)

4. Методика решения задачи №3

A. Запускают программу p2.exe или p2VB5.exe. B. Вводят исходные данные способами, аналогичными ис-

пользованным в задачах №1 и №2. C. Наблюдают переходный процесс в системе автоматическо-

го регулирования (САР) по кривой изменения выхода объ-екта во времени. При этом визуально оценивают форму пе-реходного процесса: апериодический или колебательный затухающий, а также – скорость затухания колебаний.

D. Отмечают сообщаемое компьютером значение критерия (5), который при определении численным методом обозначен символом . IS ≅

E. Результаты наблюдений фиксируют в форме таблицы в от-чете.

F. Варьируют значения параметров настройки регулятора с заданным шагом, перезапускают программу и наблюдают за влиянием этих параметров на качество регулирования до тех пор, пока не будет достигнуто минимальное значение интегрального квадратичного критерия (6).

Дополнительная рекомендация: с целью сокращения числа по-вторных запусков программы, направленный поиск минимума рас-сматриваемого критерия может быть реализован, например, с при-менением метода покоординатного спуска (Гаусса - Зейделя), из-вестного из курса «Моделирование и оптимизация металлургиче-ских систем и процессов».

6. Структура и содержание отчёта В таблицу по следующей форме Объект ………………………………………………. Параметры объекта ………………………………… Кр Ти Тд S ≈ I

13

заносят исходные данные и результаты вычислительного экспе-римента. По этим данным в масштабе строят график зависимо-сти критерия S (численно определённого значения интегрального квадратичного критерия качества регулирования) от варьируе-мого параметра настройки регулятора. В выводах отмечают ту настройку регулятора, которая обеспечивает оптимальное каче-ство регулирования.

Литература:

[1], с. 64 … 72.

Задача №4

Компьютерное моделирование процесса работы автоматического оптимизатора

1. Цель решения задачи Ознакомление студента с практикой применения автомати-

ческого оптимизатора, например, в системе оптимизации расхода воздуха (вход объекта) по максимуму температуры горения топ-лива (выход объекта).

2. Краткое теоретическое содержание Известно [ 1 ], что наиболее эффективное использование

топлива в металлургических печах имеет место при оптималь-ном расходе воздуха, исключающем как недожог топлива, так и разбавление высокотемпературных продуктов горения избыточ-ным, более холодным воздухом. В системах автоматического ре-гулирования поиск оптимального расхода воздуха при данном расходе топлива осуществляется методом проб и ошибок. Опти-мизатор воздействует на расход воздуха пробными его измене-ниями на определённый шаг δXo. Если в ответ на этот шаг температура возрастает, то следующий шаг совершается в том же направлении. В противном случае, т. е. при понижении темпе-ратуры относительно запоминаемого максимума за порог уста-новленной зоны нечувствительности ∆ оптимизатора, последний реверсирует направление дальнейшего движения исполнительно-го механизма, изменяющего расход воздуха.

14

3. Постановка задачи Дано: • объект первого порядка, обладающий статической характе-

ристикой с экстремумом - максимумом [1] ; • автоматический оптимизатор с непрерывным или шаговым

поиском максимума выхода объекта [1] ; • параметры объекта, начальная настройка оптимизатора и

шаг их варьирования – по рекомендациям руководителя. Найти: • амплитуду автоколебаний ( ) 2YYA min0max00y −= выхода объ-

екта в зависимости от настройки оптимизатора (его зоны нечувствительности ∆ и шага изменения входа объекта δXo);

• зависимость величины от запаздывания объекта τ при прочих одинаковых условиях.

0yA

4. Методика решения задачи №4

A. Запускают программу p2opt.exe или p2optVB5.exe. B. Вводят исходные данные и наблюдают за графиком пере-ходного процесса на экране монитора, производя необходи-мые отсчеты по масштабной сетке. C. Перезапускают программу с измененными исходными дан-ными и находят соответствующий отклик системы на эти воз-действия. 5 Структура и содержание отчёта Данные опытов заносят в таблицу отчета по форме Параметры объекта …………………………………………… Варьируемый параметр Амплитуда автоколебаний

15

По полученным данным в масштабе строят графики зависимо-стей ( )∆fA 0y = , Ay0 = f(δXo) и ( )τfA 0y = , на основании чего делают выводы о характере влияния варьируемых величин на качество оптимизации.

Литература:

[1], с. 74 … 75.

16

Содержание

Общие указания 3 Литература 5 Задача №1. Исследование процесса двух – позиционного регулирования 5 Задача №2. Исследование устойчивости системы автоматического регулирования по критерию Найквиста – Михайлова 8 Задача №3. Исследование переходных процессов в линейных системах автоматического регулирования 10 Задача №4. Компьютерное моделирование процесса работы автоматического оптимизатора 13

ЛР № 020308 от 14. 02. 97

Редактор В.В.Рачеева

Подписано в печать 28. 11. 2000. Формат 60 х 84 1/ 16. Б. кн. - журн. П.л. 1.0 Б.л. 0.5 РТП РИО СЗТУ. Заказ Тираж Редакционно – издательский отдел Северо – Западный государственный заочный технический универ-ситет 191186, Санкт - Петербург, ул. Миллионная, 5