Разработка регулятора для лабораторного стенда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра Автоматизации Технологических Процессов и Производств

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Автоматизация технологических процессов»

Тема: «Разработка регулятора для лабораторного стенда»

Пермь 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

• Постановка задачи на проектирование
• Программирование контроллера
• Снятие характеристик и получение модели объекта
• Расчет настроек ПИ и ПИД регулятора методом Циглера -Никольса
• Расчет настроек ПИ и ПИД регулятора методом CHR и Ротача В.Я.
• Моделирование системы в программном пакете Matlab
• Выбор настроек регулятора
• Отклики объекта
• Заключение
• Приложение


Постановка задачи на проектирование

В качестве объекта управления примем контур учебного стенда “FESTO”, по которому транспортируется жидкость от одной ёмкости к другой, центробежный насос с приводом от асинхронного двигателя, уровнемер, контролер Siemens Simatik S300. Параметром, характеризующим выполнение задачи, поставленной перед установкой, служит уровень жидкости в емкости B402.

Процесс необходимо проводить таким образом, чтобы поддерживать определённое, чаще всего постоянное, значение уровня L. Это и будет целью управления данного контура.

Рис.1 Лабораторный стенд Festo «Станция розлива»:

1 - ЖК дисплей; 2 - конвейер; 3 - емкость В401; 4 - клемная колодка; 5 - поплавковый контактор 4В10; 6 - ультразвуковой уровнемер 4В1; 7 - емкость В402; 8 - пневматический клапан V304; 9 - насос Р401; 10 - пневматический механизм 4М4.

Программирование контроллера

Контроллер программировался на языке Step7

SIMATIC STEP 7 -- программное обеспечение фирмы Siemens AG для разработки систем автоматизации на основе программируемых логических контроллеров SIMATIC S7-300/S7-400/M7/C7 и WinAC. Программное обеспечение выпускается с интерфейсом на английском, немецком, французском, итальянском и испанском языках. Специальные версии обеспечивают работу на японском и китайском языках.Предшественником данного ПО является более ранняя версия SIMATIC STEP 5, работающая в ОС DOS или в DOS окне ОС Windows. Различают следующие версии:

· SIMATIC STEP 7

· SIMATIC STEP 7 Professional

· SIMATIC STEP 7 Lite

С помощью этой программы выполняется комплекс работ по созданию и обслуживанию систем автоматизации на основе программируемых логических контроллеров SIMATIC S7-300 и SIMATIC S7-400 фирмы Siemens. В первую очередь это работы по программированию контроллеров. Программируемый логический контроллер, ПЛК -- это микропроцессорное устройство, предназначенное для управления технологическими процессами в промышленности. Принцип работы ПЛК заключается в обработке по прикладной программе пользователя данных с модулей входов (например, сигналов от подключенных датчиков) и последующей выдачей управляющих сигналов, посредством модулей выходов и модулей связи, обеспечивающих подключение исполнительных устройств. В основе работы лежит концепция проекта, под которым понимается комплексное решение задачи автоматизации, включая несколько взаимосвязанных контроллеров на базе физических микроконтроллеров, соединяющие их сети и системы человеко-машинного интерфейса. Работу с проектом в целом обеспечивает главная утилита STEP 7 -- SIMATIC Manager. STEP 7 позволяет производить конфигурирование программируемых логических контроллеров и сетей (утилиты HWConfig и NetPro). В процессе конфигурирования определяется состав оборудования в целом, разбиение на модули, способы подключения, используемые сети, выбираются настройки для используемых модулей. Система проверяет правильность использования и подключения отдельных компонент. Завершается конфигурирование загрузкой выбранной конфигурации в оборудование, что по сущности является настройкой оборудования. Утилиты конфигурирования позволяют осуществлять диагностику оборудования, обнаруживать аппаратные ошибки или неправильный монтаж оборудования. Программирование контроллеров производится редактором программ, обеспечивающим написание программ на трех языках:

· LAD -- язык релейно-контактной логики;

· FBD -- язык функциональных блочных диаграмм;

· STL -- язык списка инструкций.

В дополнение к трем основным языкам могут быть добавлены четыре дополнительные языка, поставляемые отдельно:

· SCL -- структурированный язык управления, по синтаксису близкий к Pascal;

· GRAPH 7 -- язык управления последовательными технологическими процессами;

· HiGraph 7 -- язык управления на основе графа состояний системы;

· CFC -- постоянные функциональные схемы.

Возможность наблюдения за текущим состоянием программы, доступное при использовании любого языка программирования, обеспечивает не только отладку программного обеспечения, но и поиск неисправностей в подключаемом оборудовании, даже если оно не имеет средств диагностики.

Интегрированная разработка систем автоматизации на основе STEP 7

В семействе программных продуктов компании Siemens для решения комплексных задач автоматизации STEP 7 выполняет интеграционные функции. В проект STEP 7 могут быть, например, включены системы человеко-машинного интерфейса, например, операторские панели, конфигурируемые с помощью производимого Siemens программного обеспечения ProTool или WinCC Flexible, или персональный компьютер с программным обеспечением WinCC. Интеграция проектов для ЧМИ в проект STEP 7 облегчает автоматическое связывание проектов для контроллера и операторского интерфейса, ускоряет проектирование и позволяет избежать ошибок, связанных с раздельным использованием программ. В полной мере эти преимущества проявляются при использовании системы проектирования PCS7, в основе которой также используется STEP 7. Аналогично в STEP 7 интегрируется программное обеспечение для настройки и управления сложными измерительными или исполнительными устройствами автоматизации, например, частотными приводами. STEP7 также позволяет спроектировать сетевые настройки. соединения и передачу данных между устройствами автоматизации, например, системы Master-Slave при обмене данных по шине Profibus с использованием протокола DP.

Листинг программы приведен в приложении.

Снятие характеристик и получение модели объекта

Для расчёта настроек регулятора снимаем разгонную характеристику объекта. (приведены только несколько значений)

Получение математической модели объекта

Модель объекта получена в программе Linreg .

Расчет настроек ПИ и ПИД регулятора методом Циглера -Никольса

Циглер и Никольс предложили два метода настройки ПИД регуляторов. Один из них основан на параметрах отклика объекта на единичный скачок, второй - на частотных характеристиках объекта управления.

Для расчёта параметров ПИД регулятора по первому методу Циглера-Никольса используются всего два параметра: a и L.

Формулы для расчёта коэффициентов ПИД регулятора сведены в табл. 1.

Таблица 1

Разгонная характеристика:

T,с

a=0,17 L=7

Параметры регулятора рассчитанные по таблице 1:

Расчет настроек ПИ и ПИД регулятора методом CHR и Ротача В.Я.

В отличие от Циглера и Никольса, которые использовали в качестве критерия качества настройки декремент затухания, равный 4, Chien, Hrones и Reswick (CHR) использовали критерий максимальной скорости нарастания при отсутствии перерегулирования или при наличии не более чем 20%-ного перерегулирования. Такой критерий позволяет получить больший запас устойчивости, чем в методе Циглера-Никольса.

CHR метод дает две разные системы параметров регулятора. Одна из них получена при наблюдении отклика на изменение уставки (табл 2) , вторая - при наблюдении отклика на внешние возмущения. Какую систему параметров выбирать - зависит от того, что важнее для конкретного регулятора: качество регулирования при изменении уставки, или ослабление внешних воздействий.

контроллер автоматизация модель регулятор

Таблица 2

Воспользуемся таблицей 2 для расчёта настроек регулятора. Данные берутся из метода Циглера -Никольса(a=0,17 L=7)

Рассчитываем настройки ПИ и ПИД регулятора в программе Linreg

Методом Ротача В.Я.

Моделирование системы в программном пакете Matlab

Выбор настроек регулятора

Сведём в таблицу основные характеристики настроек регуляторов взятых с графиков. Графики в приложении.

Наилучшим вариантом для данного объекта будет ПИ-регулятор рассчитанный по методу Ротача В.Я.

Отклики объекта

Отклик на изменение задания(ПИ-регулятор, метод Ротача В.Я.)

Отклик на возмущение(ПИ-регулятор, метод Ротача В.Я.)

Заключение

В данной курсовой работе рассчитан регулятор для контура учебного стенда “FESTO”, по которому транспортируется жидкость. В качестве оптимальных настроек выбран ПИ-регулятор, рассчитанный по методу Ротача В.Я. Он имеет минимальный выброс и быстрее остальных выходит на заданный режим.

Настройки этого ПИ-регулятора проверены непосредственно на самом объекте управления.

Размещено на Allbest.ru