Автоматизация управления производством: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО – ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра металлургии и литейного производства

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ

Рабочая программа Задание на контрольную работу Методические указания к выполнению контрольной работы Факультет технологии веществ и материалов Направление подготовки дипломированного специалиста 150100 «Металлургия» Специальность 150104.65 - Литейное производство чёрных и цветных металлов Специализация 150104.62- Литейное производство и экономика металлургии

Санкт - Петербург 2006

2 Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК [621.52.011.56:681.51:621.74](035) Автоматизация управления производством: Рабочая программа. Задание на контрольную работу. Методические указания к выполнению контрольной работы.- СПб. : СЗТУ, 2006. Рабочая программа разработана в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта Высшего профессионального образования по специальности 150104.65 - "Литейное производство чёрных и цветных металлов". Дисциплина "Автоматизация управления производством" охватывает проблемы основ теории и практические задачи автоматизации технологических процессов на различных участках литейных цехов и заводов. Рассмотрено на заседании кафедры металлургии и литейного производства, протокол № 9 от 11 мая 2006 г., одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов 13 января 2006 г. (протокол № 6). Рецензенты: Кафедра металлургии и литейного производства СЗТУ (зав. кафедрой М.А.Иоффе, д - р техн. наук, проф.); Б.А.Шеверда, Генеральный директор ООО «Литьё сервис», канд. техн. наук. Составители: Дембовский В.В., канд. техн. наук, проф., Зинин Ю.Н., канд. техн. наук, доц.

© Северо – Западный государственный заочный технический университет

Предисловие Цель настоящей дисциплины, изучаемой студентами очно – заочной формы обучения в первом семестре шестого курса, а очно – заочной ускоренной формы – во втором семестре четвёртого курса, заключается в приобретении знаний как основ общей теории управления,

3 так и технических средств автоматизации отдельных литейных процессов и автоматического (автоматизированного) управления литейным производством в целом. Задачи данной 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. Усвоив основные положения изучаемой дисциплины, студент должен знать теоретические основы автоматики, принципы действия средств автоматического управления и уметь применить эти знания в своей практической деятельности. Для контроля уровня своей подготовки студенту настоятельно рекомендуется воспользоваться вопросами для самопроверки, в том числе перед выполнением контрольной работы и при подготовке к сдаче экзамена, приведенными в основном учебном пособии [1], с.76 …78 по каждому разделу дисциплины.

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объём дисциплины 160 ч)

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

1.1.1. Основные понятия, термины и определения (6 ч) [ 1 ], c. 4 ... 9

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).

1.1.2. Общие свойства технологических объектов управления (6 ч) [ 1 ], c. 9 ... 20; [ 2 ], с.64 ... 68

4 Классификация объектов. Аналитические и экспериментальные способы определения статических и динамических характеристик объектов. Определение вида и параметров объекта по экспериментальной кривой его разгона и статистическими методами.

1.1.3. Статические и динамические характеристики элементов и систем автоматического управления (14 ч) [ 1 ], c. 26 ... 35

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.

1.1.4. Автоматические регуляторы и их свойства (6 ч) [ 1 ], c. 20...26; [ 2 ], c. 70 ... 72, 74 ... 75

Двух – и трёхпозиционные регуляторы. Стандартные линейные законы (алгоритмы) регулирования. Релейные (позиционные) и линейные автоматические регуляторы. Выбор алгоритма регулирования по свойствам объекта и заданным показателям качества регулирования. Параметры настроек регуляторов.

1.1.5. Устойчивость систем автоматического регулирования (8 ч) [ 1 ], c. 35 ... 42

Устойчивость как основное требование, предъявляемое к системам автоматического регулирования. Способы анализа систем на устойчивость. Критерии устойчивости. Универсальный критерий устойчивости Найквиста-Михайлова.

1.1.6. Качество регулирования и оптимальная настройка регуляторов (6 ч) [1], с. 42 … 44; [ 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.

1.1.7. Технические средства автоматического управления (6 ч) [1], с. 46 … 51; [ 2 ], с. 56...64, 75...101 Командные порядково - временные устройства. Бесконтактные логические элементы. Устройства автоматического регулирования. Привод литейных машин и автоматических

5 линий. Промышленные роботы и манипуляторы. Микро-процессорные управляющие устройства.

1.1.8. Автоматизированные системы управления ( АСУ ) в литейном производстве (14 ч) [1], с. 51 … 71; [ 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 и критерии функционирования АСУ ТП. Автоматизированные системы управления литейным предприятием (АСУП). Связь АСУ с автоматизиро-ванными системами научных исследований (АСНИ) и проектирования (САПР). Примечание. Студенты, специализирующиеся в области производства алюминия могут воспользоваться материалами [1], с. 71 … 74.

1.1.9. Надёжность элементов и систем автоматизации (4 ч) [ 2 ], с. 134 ... 138

Характеристики надёжности аппаратуры. Способы оценки надёжности си-стем по надёжности их элементов. Методы повышения надёжности систем.

1.1.10. 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 смесе -приготовления.

1.1.11. 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.

1.1.12. Автоматизация процессов шихтовки и плавки (14 ч) [ 2 ], с. 185 ... 216 Управление процессами набора и подачи шихты в плавильные агрегаты. Системы автоматического дозирования шихтовых материалов плавки. Автоматизация процесса плавки

6 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.

1.1.13. Автоматизация процесса заливки расплава в формы (4 ч) [ 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.

1.1.14. 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.

1.1.15. Экономические аспекты автоматизации литейного производства (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.

1.1.16. Методы и средства автоматического контроля состояния окружающей среды в условиях литейного производства (12 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,

7 промышленных газов и сточных вод. Автоматический контроль концентраций вредных химических веществ в газообразных средах и воде.

1.2.Тематический план лекций для студентов очно - заочной формы обучения ( 24 ч ) Таблица 1 6

Показатели качества регулирования. Основы выбора линейного регулятора по заданным свойствам объекта и показателям качества регулирования Применение персональных компьютеров при анализе систем автоматического регулирования

2

8

Применение автоматических оптимизаторов (экстремальных регуляторов)

2

9

Автоматизация процессов смесеприготовления

2

7

2

10 Автоматизация процессов формообразования

2

11 Автоматизация процессов шихтовки и плавки

2

12 Автоматизация процессов литья и финишных операций

2

Устойчивость систем автоматическогоТема регулирования и способы анализа устойчивости

8

1.3. Примерный перечень тем лабораторных работ ( 16 ч ) Таблица 2 №№

Тема

Кол.во ч

1

Экспериментальное снятие кривой разгона объекта и определение его динамических параметров

2

2

Исследование процесса работы двухпозиционного регулятора температуры Исследование процесса пропорционально - интегрального регулирования расхода воздуха и соотношения расходов "топливо- - воздух"

2

3

4

Исследование процесса программного регулирования температуры

2

2

Продолжение табл.2 5

Численное моделирование процесса двухпозиционного регулирования

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

2.Библиографический список 1. Дембовский В.В.Автоматизация управления производством: учебное пособие. – СПб. : СЗТУ, 2005.

9 2. Дембовский В.В. Автоматизация литейных процессов. - Л. : Машиностроение, 1989. Примечание. В литературе [2] приведен список вопросов для самопроверки, которым студенту настоятельно рекомендуется пользоваться для проверки уровня своей подготовки перед экзаменом.

3. Задание на контрольную работу В процессе изучения настоящей дисциплины студенты выполняют одну контрольную работу, включающую 3 задачи. Номер варианта работы выбирается по последней цифре шифра студента. 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 в условных обозначениях согласно принятым в [ 2 ], с. 253...256. 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 ( имеющий передаточную функцию

П

-

)

регулятор,

Wp ( p ) = kp . Значения параметров выбираются по последней и предпоследней цифре шифра согласно данным табл.3 и 4. При этом следует принять

a3 = 0,5; k0 =1.

10 Определить : а) возможность обеспечения устойчивости САР; б) допустимое по условиям устойчивости значение передаточного коэффициента регулятора

kр. Таблица 3 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 4 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, сущность которого заключается в следующем. 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+

k0 k р a3 p + a2 p + a1 p + 1 3

2

= 0,

11 или

a3 p3 + a2 p 2 + a1 p + 1 + k0 kр = 0 . Здесь 1 + k0 k р = a0 - свободный член ; порядок системы n = 3 . Из коэффициентов характеристического полинома составим квадратную матрицу, содержащую n столбцов и n строк

a2

a0

0

a3

a1

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 2.2. Задача №2

12 Дана САР в составе статического объекта первого порядка с чистым запаздыванием, имеющего передаточную функцию

W0 ( p) =

k0 −τ 0 p e , Tp + 1

и пропорционально - интегрального ( ПИ -) регулятора с передаточной функцией

Wр ( p) = kр (1 +

1 ). Tу p

Значения динамических параметров объекта: - передаточного коэффициента

k0 ,

- постоянной времени T, - чистого запаздывания τ0 , принять по данным табл. 5 и 6 в зависимости от последней и предпоследней цифр шифра. Таблица 5 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 и времени удвоения Tу , − для обеспечения переходного процесса с минимальной интегральной квадратичной оценкой качества регулирования.

kр

Таблица 6 Предпоследняя цифра шифра 1

3

4

5

6

7

8

9

0

13 1

τ0

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Примечание. Задача №2 может быть решена как аналитическим путём, так и компьютерным моделированием при выполнении лабораторного практикума.

2.3. Задача №3 Привести схему в стандартных условных обозначениях [2] и описание одной из систем автоматического управления литейными процессами по варианту, соответствующему последней цифре шифра студента, согласно данным табл.7. Указания к выполнению задачи. Исходный материал содержится в [ 2 ], с. 138...257, соответственно заданному варианту.

Таблица 7 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

14 9

Система автоматизации процесса заливки литейных форм

0

Система автоматизации процесса непрерывного литья

15

Содержание №№

Тема

с.

Предисловие

3

Содержание дисциплины

3

1.1.

Рабочая программа

3

1.2.

Тематический план лекций для студентов очно – заочной формы обучения

7

1.3.

Примерный перечень тем лабораторных работ

8

2.

Библиографический список

9

3.

Задание на контрольную работу

10

1

16

Редактор И.Н.Садчикова Сводный темплан 2006 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97

Санитарно – эпидемиологическое заключение № 78.01.97.953.П.0056641.11.03 от 21.11.2003 г. ________________________________________________________ Подписано в печать Формат 60x84 1/16. Б.кн.-журн. П.л. Б.л. Издательство СЗТУ Тираж Заказ ____________________________________________________________ Редакционно-издательский отдел Северо-Западный государственный заочный технический университет 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5