Автоматизация управления производством: Рабочая программа. Задания на контрольную работу. Методические указания к выполнению контрольной работы

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Северо-Западный заочный политехнический институт Кафедра металлургии и литейного производства

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ

Рабочая программа Задания на контрольную работу Факультет технологии веществ и материалов Специальность 110400 - литейное производство чёрных и цветных металлов Специализации: 110401 - Литейное производство чёрных металлов и сплавов 110409 - Литейное производство и экономика металлургии

Санкт - Петербург 1999

2 Утверждено редакционно-издательским советом института УДК [621.52.011.56:681.51:621.74](035)

Автоматизация управления производством. Рабочая программа. Задания на контрольную работу. Методические указания к выполнению контрольной работы.- СПб. : СЗПИ, 1999. Курс "Автоматизация управления производством" охватывает проблемы основ теории и практические задачи автоматизации технологических процессов на различных участках литейных цехов и заводов. Рабочая программа разработана в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов Высшего профессионального образования по специальности 110400 -"Литейное производство чёрных и цветных металлов". Рассмотрено на заседании кафедры металлургии и литейного производства, протокол № 5 от 14 января 1999 г., одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов 14.05.1999 г. (протокол №11). Рецензенты: Кафедра металлургии и литейного производства СЗПИ (зав. кафедрой А.А.Яценко, канд. техн. наук, доц.), В.Г.Фёдоров, канд. техн. наук, доц. кафедры "Машины и технология литейного производства", СПб-института машиностроения.

Составители: Дембовский В.В., канд. техн. наук, проф., Зинин Ю.Н., канд. техн. наук, доц., Сенченко В.Т., канд. техн. наук, доц.

 В.В.Дембовский, Ю.Н.Зинин , В.Т.Сенченко, 1999

3

Предисловие Цель изучения настоящего курса заключается в приобретении знаний как основ общей теории управления, так и технических средств автоматизации отдельных литейных процессов и автоматического (автоматизированного) управления литейным производством в целом. Задачи изучаемой дисциплины состоят в овладении навыками построения и квалифицированного использования систем автоматизации литейных процессов различного уровня на участках и в цехах литейного производства. Для изучения этой дисциплины необходимо знание высшей и вычислительной математики, физики, электротехники и электроники, моделирования и оптимизации металлургических систем и процессов. Настоящая методическая разработка может быть использована также и студентами специализации 110401 - "Литейное производство чёрных металлов и сплавов" с учётом приведенных в тексте рабочей программы дополнительных рекомендаций.

1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объём курса 140 ч)

Введение ( 2 ч ) [ 1 ], c. 5...7; [ 2 ], c. 3...4 Повышение технико-экономической эффективности производства за счёт его автоматизации. Понятие о рациональном объёме автоматизации и общем подходе к решению задач курса.

1.1. Основные понятия, термины и определения (6 ч) [ 1 ], c. 8...27

Определение понятий "Технологический объект управления", "Процесс управления", "Цель управления", "Ручное и автоматическое управление", "Автоматическая (автоматизированная) система управления". Структурные схемы систем. Входные и выходные величины элементов. Соединения элементов в системах. Прямая и обратная связи. Возмущающие и управляющие воздействия на объект. Классификация систем автоматизации. Разомкнутые и замкнутые системы. Системы автоматического регулирования. Применение вычислительной техники в процессах управления (регулирования).

1.2. Статические и динамические характеристики элементов и систем автоматического управления (( 12 ч)[ 1 ], c. 46...95) Применение математических аппаратов алгебры и дифференциальных уравнений для описания свойств элементов (звеньев) систем. Передаточные функции и частотные характеристики. Временные функции. Типовые элементарные звенья. Определение статических и динамических свойств систем при различных способах соединения звеньев.

4

1.3. Общие свойства технологических объектов управления ( для специализации 110401 - 6 ч ; [ 1 ], c.95...102; для специализации 110409 - 2 ч - [ 2 ], с.64...68) Классификация объектов. Аналитические и экспериментальные способы определения статических и динамических характеристик объектов. Определение вида и параметров объекта по экспериментальной кривой его разгона.

1.4. Автоматические регуляторы и их свойства (( 4 ч ) [ 1 ], c. 102...110; [ 2 ], c. 70...72, 74...75)

Стандартные линейные законы (алгоритмы) регулирования. Релейные (позиционные) и линейные автоматические регуляторы. Выбор алгоритма регулирования по свойствам объекта. Параметры настроек регуляторов.

1.5. Устойчивость систем автоматического регулирования ((6 ч ) [ 1 ], c. 117...129) Устойчивость как основное требование, предъявляемое к системам автоматического регулирования. Способы анализа систем на устойчивость. Критерии устойчивости. Универсальный критерий устойчивости Найквиста-Михайлова.

1.6. Качество регулирования настройка регуляторов

и

оптимальная

(

для специализации 110409 - 6 ч; [ 1 ], c. 136...151; для специализации 110409 4 ч ; [ 2 ], с.69, 73) Показатели качества регулирования. Оптимальная настройка регуляторов в зависимости от свойств объекта и заданных показателей качества регулирования. Компьютерное моделирование переходных процессов в системах автоматического регулирования. 1.7. Технические средства автоматического управления ( для специализации 110409 - 6 ч; [ 2 ], с. 56...64, 75...101; для специализации 110409 - 4 ч) Командные порядково - временные устройства. Бесконтактные логические элементы. Устройства автоматического регулирования. Привод литейных машин и автоматических линий. Промышленные роботы и манипуляторы. Микропроцессорные управляющие устройства.

5

1.8. Автоматизированные системы управления ( АСУ ) в литейном производстве (( 14 ч ) [ 2 ], с. 101...133) Классификация АСУ. Принципы оптимального планирования и управления. Технические средства АСУ. Устройства связи ЭВМ с технологическим объектом управления. Аналого - цифровые и цифро - аналоговые преобразователи. Структура и целевые функции АСУ ТП литейного производства. Алгоритмы функционирования АСУ ТП. Автоматизированные системы управления литейным предприятием (АСУП). Связь АСУ с автоматизированными системами научных исследований (АСНИ) и проектирования (САПР).

1.9. Надёжность аппаратуры и систем автоматизации ( для специализации 110401 - 4 ч; [ 2 ], с. 134...138) Характеристики надёжности аппаратуры. Способы оценки надёжности систем по надёжности их элементов. Методы повышения надёжности систем.

1.10. Автоматизация процессов смесеприготовления (( 16 ч) [ 2 ], с. 138...161)

Технологические объекты управления на участках приготовления формовочных и стержневых смесей. Автоматическое дозирование сыпучих и жидких компонентов смесей. Автоматизация смесителей. АСУ ТП участков смесеприготовления.

1.11. Автоматизация процессов формообразования (( 8 ч ) [ 2 ], с. 161...184) Автоматический контроль процессов уплотнения материалов при формовке. Машины автоматы и автоматические линии для изготовления форм и стержней. Управление пескострельным автоматом с помощью бесконтактных логических элементов. Автоматические формовочные линии. Автоматизация установок для сушки форм и стержней. Комплексные автоматические линии литейного производства.

1.12. Автоматизация процессов шихтовки и плавки ((10 ч ) [ 2 ], с. 185...216) Управление процессами набора и подачи шихты в плавильные агрегаты. Системы автоматического дозирования шихтовых материалов плавки. Автоматизация процесса плавки в вагранке. Свойства вагранки как управляемого объекта. Автоматический контроль ваграночной плавки. АСУ ТП ваграночного процесса. Особенности управления плавкой в дуговых и индукционных печах. Автоматический контроль тепловых и технологических параметров. Локальные системы автоматического управления и АСУ ТП процессами электроплавки.

6

1.13. Автоматизация процесса заливки расплава в формы (( 4ч ) [ 2 ], с. 216...229) Автоматическое дозирование расплавов. Программное регулирование скорости заполнения формы расплавом. Автоматизация заполнения форм расплавом на конвейерах. Автоматическое управление установками литья под давлением. АСУ ТП заливки расплавов в формы. Автоматизация установок непрерывного литья.

1.14. Автоматизация процессов выбивки отливок и очистки их поверхности ((6 ч ) [ 2 ], с. 229...236) Характеристика объектов управления на завершающих операциях процесса производства отливок. Контролируемые параметры и системы управления. Комплексные автоматические линии выбивки отливок и их очистки.

1.15. Экономические аспекты автоматизации литейного производства ( для специализации 110409 - 18 ч; [ 2 ], с. 236...240)

Экономические критерии автоматизации. Источники повышения эффективности литейных процессов при их автоматизации. Показатели эффективности при решении частных задач автоматизации. Методы расчёта экономической эффективности автоматизации в литейном производстве.

1.16. Методы и средства автоматического контроля состояния окружающей среды в условиях литейного производства ( для специализации 110409 - 4 ч; [ 2 ], с. 241...247) Характеристика литейных процессов как источников вредных для человека и природы выделений. Методы и приборы автоматического контроля запылённости и состава воздуха, промышленных газов и сточных вод. Автоматический контроль концентраций вредных химических веществ в газообразных средах и воде.

1.17. Автоматизация управленческого труда ( для специализации 110409 - 12 ч; [ 3 ], с. 263...303; 344...347; [ 4 ], с. 214...234) Компьютерная автоматизация планирования рабочего времени и отслеживание хода его выполнения. Работа с расписанием. Организация встреч и собраний. Хранение

7 документов в электронной базе данных. Доступ к документам в локальных и внешних компьютерных сетях. Компьютерное моделирование задач управления.

Перечень тем лабораторных работ ( 16 ч ) №№

Тема

Кол.во ч

1

Экспериментальное снятие кривой разгона объекта и определение его динамических параметров

2

2

Исследование процесса двухпозиционного регулирования температуры

2

3

Экспериментальное снятие кривой разгона пропорционально интегрального регулятора непрерывно - импульсного действия и определение его параметров настройки

2

4

Исследование процесса пропорционально - интегрального регулирования расхода воздуха и соотношения расходов "топливо - воздух"

2

5

Исследование процесса программного регулирования температуры

2

6

Численный анализ устойчивости системы автоматического регулирования по критерию Найквиста - Михайлова

2

7

Численное моделирование переходных процессов в системах автоматического регулирования при различных свойствах объектов и разных алгоритмах регулирования

2

8

Численное моделирование переходных процессов в системах автоматической оптимизации

2

Литература Основная: 1. Глинков Г.М., Климовицкий М.Д. Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами. - М. : Металлургия, 1985. 2. Дембовский В.В. Автоматизация литейных процессов. - Л. : Машиностроение, 1989.

Дополнительная: 3.Применение персональных компьютеров в металлургии и литейном производстве/ Методические указания к практическим занятиям, курсовым , дипломным работам и НИРС/ Сост. В.В.Дембовский канд. техн. наук, проф.и др./ - СПб. : СЗПИ, 1998. 4.Колесников А. Пасько В. Microsoft для Windows 95 в бюро. - Киев. : BHV,1997. 5. Вершинин О.Е. Компьютер для менеджера. - М. : Высшая Школа, 1990.

8

Тематический план лекций для студентов очно - заочной формы обучения ( 24 ч ) № №

Тема

Кол.-во ч

1

Введение в предмет. Задачи курса и методология их решения

2

2

Классификация систем автоматического управления и их общие свойства

2

3

Свойства технологических объектов управления

2

4

Линейные алгоритмы (законы) регулирования и их свойства

2

5

Устойчивость систем автоматического регулирования и способы анализа устойчивости

2

6

Показатели качества регулирования. Основы выбора линейного регулятора по заданным свойствам объекта и показателям качества регулирования

2

7

Применение персональных компьютеров при анализе систем автоматического регулирования

2

8

Применение автоматических оптимизаторов (экстремальных регуляторов)

2

9

Автоматизация процессов смесеприготовления

2

10

Автоматизация процессов формообразования

2

11

Автоматизация процессов плавки

2

12

Автоматизация процессов литья и финишных операций

2

9

2. Задания на контрольную работу В процессе изучения настоящих дисциплин студенты выполняют одну контрольную работу, включающую 3 задачи. При подготовке к выполнению контрольной работы необходимо ознакомиться с соответствующими разделами рекомендованной литературы. Контрольную работу выполняют в тетради. Этапы работы следует сопровождать необходимыми пояснениями, приведением требуемых расчётных зависимостей и результатов вычислений. Эскизы необходимо изображать ОСТ 36-27--77, [ 2 ], с. 253...256.

в

условных

обозначениях

согласно

Выполненную контрольную работу сдают на рецензирование.

Вариант и значения исходных данных контрольной работы нужно приводить в каждой задаче.

2.1. Задача №1 Дана система автоматического регулирования (САР), содержащая объект с передаточной функцией

W0 ( p) =

k0 a3 p3 + a2 p2 + a1 p + 1

и пропорциональный ( П - ) регулятор, имеющий передаточную функцию

Wр ( p) = k р a i , i = 1, 2

выбираются по последней и предпоследней цифрам шифра согласно данным табл.1 и 2. При этом следует принять

Значения параметров:

a3 = 0,5; k0 =1. Определить : а) возможность обеспечения устойчивости САР;

10 б) допустимое по условиям устойчивости значение передаточного коэффициента регулятора kр. Таблица 1 Последняя цифра шифра

a1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Таблица 2 Предпоследняя цифра шифра

a2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Указания к решению задачи.

Для поиска решения может быть использован критерий Раусса - Гурвица [ 1 ], с.122, 123. Передаточная функция замкнутой САР по каналу возмущения со стороны входа

W0 ( p ) =

W0 ( p ) 1 + W 0 ( p )W p ( p )

Характеристический полином в операторной форме имеет вид

1 + W0 ( p )W р ( p ) = 0 , и после подстановки исходных данных и алгебраических преобразований

1+

k0k р a 3 p 3 + a 2 p 2 + a1 p + 1

=0,

или

a3 p3 + a2 p2 + a1 p + 1 + k0k р = 0 .

11 Здесь

1 + k 0 k р = a 0 - свободный член ; порядок системы n = 3 .

Из коэффициентов характеристического полинома составим квадратную матрицу, содержащую n столбцов и n строк:

a2 a3

a0 a1

0 0

0

a2

a0

По общим правилам, в левом верхнем углу матрицы записываем второй, считая слева, коэффициент характеристического полинома. Далее по диагонали слева направо вниз порядковые номера коэффициентов последовательно убывают, а по каждой вертикали сверху вниз - последовательно возрастают. Места отсутствующих коэффициентов заполняем нулями. Необходимым и достаточным условием устойчивости САР n - го порядка является положительность n - 1 определителей, выделенных из рассматриваемой матрицы по следующей схеме

∆2 =

a2

a0

a3

a1

a2 a0

>0

0

∆3 = a3 a1 0 > 0 0 a2 a0 При этом для системы чётного порядка можно ограничиться проверкой всех нечётных определителей, а для системы нечётного порядка - всех чётных определителей. В нашем случае ( n = 3 ), устойчивость САР обеспечивается при

∆ 2 = a2 a1 − a3a0 > 0

12

2.2. Задача №2 Дана САР в составе статического объекта первого порядка с чистым запаздыванием, имеющего передаточную функцию

k0 −τ 0 p W0 ( p) = e Tp + 1 и пропорционально - интегрального ( ПИ -) регулятора с передаточной функцией

Wр ( p) = k р (1 +

1 ) Tу p

Значения динамических параметров объекта: - передаточного коэффициента

k

0

,

- постоянной времени T,

- чистого запаздывания τ0, принять по данным табл. 3 и 4 в зависимости от последней и предпоследней цифр шифра. Таблица 3 Последняя цифра шифра 1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

k0

1

4

2

6

3

5

7

8

10

9

T

2

5

8

3

9

4

6

7

1

10

Найти настроечные параметры регулятора: передаточного коэффициента k р и времени удвоения

T у ,− для обеспечения переходного процесса с минимальной интегральной

квадратичной оценкой качества регулирования. Таблица 4 Предпоследняя цифра шифра 1

τ0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

3

4

5

6

7

8

9

10

13 Указания к решению задачи. Задача может быть решена по методике [ 2 ], с. 70...73.

2.3. Задача №3 Привести схему в условных обозначениях по ОСТ 36-27 —77 и описание одной из систем автоматического управления литейными процессами по варианту, соответствующему последней цифре шифра студента, согласно данным табл.5. Указания к выполнению задачи. Исходный материал содержится в [ 2 ], с. 138...257, соответственно заданному варианту. Таблица 5 Вариант

Тема

1

Весовой дозатор сыпучих компонентов формовочных смесей

2

Объёмный дозатор жидких компонентов формовочных смесей при напорном истечении

3

Система автоматического регулирования расхода жидких и сыпучих материалов при смесеприготовлении

4

Система регулирования непрерывного процесса смесеприготовления

5

Система автоматизации пескострельной стержневой машины

6

Система автоматизации встряхивающей формовочной машины

7

Система автоматического регулирования процесса сушки форм или стержней

8

Система автоматизации процесса тигельной плавки

9

Система автоматизации процесса заливки литейных форм

0

Система автоматизации процесса непрерывного литья

14

ЛР №

от

Редактор ____________________________________________________________ Подписано в печать . Формат 60x84 1/16. П.л. Б.л. РТП РИО СЗПИ. Заказ Б.кн.-журн. ____________________________________________________________ Редакционно-издательский отдел Северо-Западный заочный политехнический институт 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5

Тираж