Примеры построения имитационных моделей подсистем

Методические указания

к выполнению курсовой работы по курсу

«Моделирование систем управления»

 

 

для студентов специализации 21.02.01

«Автоматизация химико-технологических процессов»

 

Уфа 2003

 

 

Составители:                                Пручай В.С., канд. техн. наук, доцент

 

                                                  Ахмадеев М.Г., канд. техн. наук, профессор

 

                                                  Куликов Е.М., студент гр. АТ 99-02

 

 

Рецензент:                                    Кирюшин О.В., канд. техн. наук, доцент

 

                                                                ã Уфимский государственный нефтяной

                                                                                технический университет, 2003

   

 

 

ЦЕЛЬ И СТРУКТУРА КУРСОВОЙ РАБОТЫ

    Курсовая работа (КР) выполняется студентами потоков АТ и АТЗ на 3-м курсе и имеет целью закрепление теоретических знаний по дисциплине “Моделирование систем управления“, приобретение навыков решения инженерных задач, возникающих при разработке АСУТП, а также позволяет создать научно-практический задел для выполнения экспериментальной части дипломного проекта.

    Работа выполняется на белой бумаге формата А4 в виде Пояснительной записки (ПЗ) с рисунками. Объем ПЗ без приложения составляет около 30-40 страниц машинописного текста ( 38-45 строк на странице) с полями: верх и низ по 20мм., слева - 30, справа - 10мм.

    Пояснительная записка включает следующие части:

- титульный лист ( Приложение А );

- задание к КР ( Приложение Б ) ;

- содержание КР;

- реферат и основные сокращения, используемые в ПЗ;

- введение (формулируется цель, основные задачи, методология выполнения, и полученные результаты). 

 

Дальнейшие разделы и их нумерация носят рекомендательный характер и могут изменяться в соответствии с конкретным заданием на КР.       

 

 

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА (ОБЪЕКТА)

 

1.1. Назначение процесса ( объекта ).

1.2. Технологическая схема с параметрами рабочего режима.

1.3. Материальные и тепловые потоки процесса.

1.4. Критерии качества управления процессом.

1.5. Система управления процессом.   

 

 

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

 

2.1. Математический (аналитический) метод моделирования.

2.2. Физический (экспериментальный) метод моделирования.

2.3. Комбинированный метод моделирования.

2.4. Имитационное моделирование.

 

 

3. ЦЕЛЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

 

3.1. Описание поведения системы.

3.2. Подбор теории или гипотезы, объясняющей поведение системы.

3.3. Разработка системы управления процессом (объектом).

3.4. Предсказание поведения системы при возмущающих воздействиях.

 

4. ЭТАПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

 

4.1. Выделение границ подсистем технологического процесса.

4.2. Построение граф подсистем.

4.3 Разработка имитационной модели.

4.4. Проверка адекватности модели.

 

5. РАСЧЕТНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

 

5.1. Схема и материальные потоки процесса.

5.2. Построение топологических структурных схем (Приложение В).

5.3. Выбор имитационных моделей подсистем.

5.4. Описание передаточных функций подсистем (Приложение Г).

5.5. Коррекция параметров моделей подсистем по кривым переходного процесса.

       5.6. Уточнение параметров моделей подсистем по возмущающим воздействиям.

5.7. Разработка модели системы управления процессом.

       5.8. Моделирование работы системы управления при подаче возмущающих воздействий.

 

6.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

 

6.1. Рассчитать показатели регулирования по заданным параметрам.

6.2. Представить результаты в виде таблицы.

6.3. Выполнить анализ работы системы.

 

7. ВЫВОДЫ

 

7.1. Дать оценку работы системы управления.

7.2. Указать каналы наибольшего влияния входных параметров.

7.3. Обосновать необходимость установки регуляторов.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

Рекомендуемая литература дана в Приложении Д.

 

 

                                                                       ПРИЛОЖЕНИЕ А

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра автоматизации химико-технологических процессов

 

 

Курсовая работа

по курсу “Моделирование систем управления”

 

На тему «Моделирование системы управления ректификационной колонны

                         К-1 вторичной перегонки бензинов»

 

 

Выполнил: студ. гр. АТ-XX-0Х <подпись, дата>              И.О. Фамилия

 

Проверил: к.т.н., доцент            <подпись, дата>    В.С. Пручай

         

 

 

УФА 2003

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра автоматизации химико-технологических процессов

 

Задание

на курсовую работу

по курсу “Моделирование систем управления”

 

студенту группы АТ–XX–0X                                        И.О. Фамилия                  

 

 

Тема работы: Моделирование системы управления ректификационной колонны К-1 вторичной перегонки бензинов

 

      Дата выдачи                                                Дата сдачи на проверку

............................ 2003 года                                 ……….. ............ ...2003 года          

 

Утверждаю:                                                           зав. кафедры АХТП,

                                                                                проф. Веревкин А.П.

Руководитель:                                                        доц. Пручай В.С.

 

Задание принял к исполнению:                          ................................

 

Состав курсовой работы:

Введение.

1. Описание технологического процесса объекта моделирования.

2. Литературный обзор методов моделирования.

3. Цель моделирования АСУ.

4. Этапы имитационного моделирования объекта в VisSim 3. 0

5. Расчетно-исследовательская часть.

5.1. Схема и материальные потоки технологического процесса.

5.2. Построение топологических структурных схем подсистем.

5.3. Инструкция пользователя программой VisSim по курсовой работе.

5.4. Построение имитационных моделей подсистем с передаточными функциями.

5.5. Уточнение параметров моделей подсистем по кривым переходных процессов.

5.6. Коррекция параметров моделей подсистем по отклонениям режимных показателей в пределах 5-10%.

5.7. Построение имитационной модели всей системы управления с учетом связей входных и выходных параметров подсистем исходя из физической сущности процесса.

5.8. Моделирование работы системы управления при подаче возмущающего воздействия по расходу сырья, абсорбента, растворителя, орошения или отбору дистиллята.

6. Анализ результатов работы системы управления.

7. Выводы.

Список литературы.

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Примеры построения имитационных моделей подсистем

Пример №1. Ёмкость.

Имеется ёмкость для жидкости (рисунок 1), входными величинами которой являются приход F_пр и расход F_р жидкости, а выходной – уровень жидкости L.

Рисунок 1 – Схема емкости (а) и ее динамических каналов (б)

Необходимо подобрать переходные характеристики системы управления объектом, используя пакет программ динамического моделирования Vis Sim.

 

Решение. Емкость, как объект с одной выходной величиной, будет относится к одномерным объектам и описывается одним уравнением статики L=f(F_пр,F_р) и одним уравнением динамики L=f(F_пр,F_р,t).

Составляем топологическую структурную схему объекта с его передаточными функциями (W) в соответствии с теорией графов (рисунок 2).

Рисунок 2 - Топологическая схема объекта

В реальных условиях емкость может работать по двум вариантам: с откачкой жидкости насосом или самостоятельным стоком жидкости.

1. При откачке жидкости насосом емкость является нейтральным объектом так как входные параметры F_пр и F_р влияют на выходную величину L, а уровень не влияет на расход жидкости – внутренняя обратная связь отсутствует. Поэтому передаточную функцию объекта W_об описываем интегрирующим звеном, дифференциальное уравнение которого в относительных единицах имеет вид

, где

T_e – время разгона объекта,

y – регулируемая величина,

z – возмущающее воздействие,

x – управляющее (регулирующее) воздействие.

Структурная схема нейтрального объекта по каналам связи приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная схема: а) по управляющему воздействию; б) по возмущающему воздействию

Затем используем стандартные блоки пакета программ динамического моделирования VisSim 3.0 и строим имитационную модель емкости (рисунок 4), которую дополняем звеном запаздывания и включаем регулятор, например, ПИ-регулятор.

Рисунок 4 - Имитационная модель емкости

Начальные значения параметров модели объекта и регулятора задаются преподавателем. Студент должен подобрать коэффициенты регулятора исходя из условий, что кривая переходного процесса имеет:

- величину перерегулирования, не более 20%;

- минимальное время регулирования, 15-20 мин.;

- число полуколебаний, не более 2-3;

- степень затухания, не менее 0,75.

 

Примечание: Если время регулирования превышает 20 мин. то показать кривые переходного процесса преподавателю, или заменить ПИ – регулятор на П – регулятор и продолжить работу.

Варианты передаточных функций для динамических каналов емкости приведены в таблице 1 Приложения Г.

 

2. При стоке жидкости под действием гидростатического напора столба жидкости в емкости, что обеспечивает внутреннюю связь между уровнем и входной величиной F_р, емкость будет относится к устойчивым объектам. Интегрирующее звено с обратной связью эквивалентно апериодическому звену. Поэтому в имитационной модели емкости (Рисунок 4) W_об=1/S заменяем на W_об=1/(Ts+1), отключаем регулятор и выполняем подбор переходной кривой с заданными параметрами, изменяя значение k₂. Параметры передаточных функций смотри в таблице 2 Приложения Г.