Рабочая программа дисциплины Интегрированные системы проектирования и управления

5. Образовательные технологии В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки «Информатика и вычислительная техника» с целью реализации компетентностного подхода предусматривается использование в учебном процессе компьютерное управление реальным объектом управления – процессом нагрева. В рамках учебного курса предусмотрены встречи с представителями российских компаний и посещение предприятий ТАГМЕТ, ТАГАЗ, ОАО «Красный котельщик». 6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Предусматривается дискуссионный форум по проблемно-ориентированной тематике, сформулированной преподавателем, а именно, обсуждение рефератов по указанным ниже темам. Рефераты: Автоматизированные информационно-управляющие системы и комплексы. Примеры Подсистемы автоматизированных информационно-управляющих систем и комплексов. КСР проводится в виде консультаций и проверки домашних заданий с последующим разбором типичных ошибок. Для проверки текущих навыков и знаний студентам предлагаются следующие вопросы. Контрольные вопросы для проведения текущего контроля и обсуждения тематики лекций, практических занятий и лабораторных работ. Интегрированная автоматизированная система управления промышленным предприятием. Иерархическая функциональная система ИСПиУ. Три уровня управления предприятием. Отличие САУ от АСУ Характеристики технологического процесса как объекта контроля и управления Разновидности структур АСУТП. Примеры Этапы проектирования АСУТП. Функции АСУТП как последовательность отдельных процессов Изучение объекта управления Укрупненная структурная схема 2-х уровневой АСУ процесса нагрева. Задачи, реализуемые на учебном стенде АСУ процесса нагрева. Структурная и принципиальная (выдается) схемы учебного стенда. Методы идентификации объекта управления. Расчет параметров ПИ закона управления для ОУ без запаздывания. Расчет параметров ПИ закона управления для ОУ с запаздыванием. Расчет параметров ПИД закона управления для ОУ с запаздыванием. Механизм OPC для связи аппаратных модулей с каналами узлов проекта в SCADA системе. Получение алгоритма ПИД закона управления в разностной форме. ПИД закон управления в разностной форме при использовании ШИМ. Временная диаграмма сигнала с времяимпульсной модуляцией (см. справку Trace Mode). Модель ЦАС. Зависимость показателей качества ЦАС от шага квантования по времени. Модель ЦАС. Зависимость показателей качества ЦАС от величины кванта по уровню. Структура АСУТП. Подсистема сбора и первичной обработки информации. КТС подсистемы сбора и первичной обработки информации. Пример. Выбор датчиков подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов. Выбор модулей ввода/вывода подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов. Оценка аппаратной погрешности на входе микроконтроллера. Блок-схема подпрограммы ввода аналоговых сигналов с опросом датчиков по методу последовательной таблицы. Алгоритмическое обеспечение подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов. Пересчет в технические единицы. Алгоритмическое обеспечение подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов. Проверка на технологические границы. Проверка на достоверность для математического ожидания технологической переменной, не изменяемого во времени. Проверка на достоверность для математического ожидания технологической переменной, изменяющегося во времени с постоянной скоростью. Алгоритм скользящего среднего или скользящего окна. Алгоритм экспоненциального сглаживания. Вариант блок-схемы программы сбора и первичной обработки аналоговой информации. Ввод и обработка дискретных сигналов. Подсистема управления. Организация управления аналоговым объектом. Управление мотором методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Преобразователь код/временной интервал Характеристики многорежимных ТП. Оценка погрешностей округления и метода программных модулей. Оценка трансформированной погрешности программного модуля. Оценка трансформированной погрешности при последовательном исполнении программных модулей. Методика выбора комплекса технических средств (модулей ввода/вывода, микропроцессора) исходя из требуемых точности и быстродействия. Предпроектная подготовка при разработке информационно-управляющих систем. Функциональная схема автоматизации ТП. Изображения некоторых средств измерения и автоматизации. Примеры обозначений. Примеры простейших функциональных схем автоматизации и контроля. Проектная документация. Заполнение таблиц. Чтение функциональных схем на примере УПН. Домашние задания. Домашнее задание 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ ЦИФРОАНАЛОГОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Исследовать цифроаналоговую систему (ЦАС) с различными типами цифровых регуляторов. Выяснить влияние шага дискретности по времени, разрядности АЦП на качество процесса управления. 1. Краткие теоретические сведения 1.1. Структура локальной системы управления На рис. 1 представлена замкнутая локальная система нижнего уровня иерархической структуры управления некоторым производственным процессом. Рис. 1. Структура локальной системы управления На этом рисунке введены следующие обозначения: ИМ – исполнительный механизм, РО – регулирующий орган, Д – датчик регулируемой переменной, ТП – технологический процесс, УУ – управляющее устройство, вырабатывающее сигнал управления в соответствии с заданным или выбранным алгоритмом. РО, ТП и Д объединены в объект управления ОУ. Передаточная функция ОУ очень часто может быть представлена в виде (1) при . Наличие транспортного запаздывания в (1) объясняется тем, что оно присутствует во многих ТП таких, как процессы нагрева, сушки, абсорбции и т.п. Входным управляющим воздействием указанных ТП является расход того или иного вида топлива, вещества, сырья или их компонент, которые подаются на объект через регулирующие органы РО (клапаны, заслонки) с помощью исполнительных механизмов ИМ. Для измерения регулируемой переменной используют датчики Д, состоящие из чувствительного (измерительного) элемента и преобразователя измеряемой величины в ток, напряжение и т.п. Параметры передаточной функции (1) такие, как коэффициент передачи объекта управления , постоянная времени и величина транспортного запаздывания , в большинстве случаев определяются известными методами идентификации на основе экспериментальных данных [1], величины и определяются по паспортным данным этих устройств. Вид передаточной функции управляющего устройства УУ определяется алгоритмом его работы. В современных производственных системах широко используются программные методы управления технологическими объектами с применением развитой сети контроллеров и персональных компьютеров (ПК). В частности, в системах локальной автоматики применение контроллеров для целей стабилизации даёт возможность использовать алгоритмы управления повышенной сложности. Поэтому далее будет рассматриваться именно этот вариант построения устройства управления, т.е. цифровое устройство управления (ЦУУ). 1.2. Законы управления Данные, обрабатываемые цифровым управляющим устройством (рис. 2), предварительно квантуются по времени с шагом и преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Оцифрованные входные данные обрабатываются по запрограммированным в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) ЦУУ алгоритмам, в результате чего формируется цифровой код . Если исполнительный механизм имеет аналоговый вход, то код управления поступает в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), на выходе которого имеется фиксатор – Ф (экстраполятор нулевого или первого порядка). Поскольку АЛУ, АЦП и ЦАП имеют разрядные сетки ограниченной длины, то все сигналы оказываются квантованными не только по времени, но и по уровню. Квантование по уровню можно учесть как дополнительную шумовую погрешность (t). Рис. 2. Структура замкнутого контура ЦАС с учетом процедур квантования На рис. 2, помимо указанных выше обозначений, введены также: – ключ, отражающий процессы квантования по времени в ЦУУ, – цифровые коды задания, управления и выходной координаты соответственно. Задержка на шаг переменной на входе АЛУ связана с конечным временем преобразований в АЦП, ЦАП и вычислений в АЛУ (см. рис. 2). Этим запаздыванием можно пренебречь, если в передаточной функции ОУ присутствует существенное транспортное запаздывание , причем – целое положительное число. Поскольку вычисление производных и интегралов в цифровых устройствах осуществляется численными методами, то код управления на выходе АЛУ (см. рис. 2) можно представить в виде некоторой решетчатой функции. При этом вычисление первой производной рекомендуется [4] выполнять с помощью ряда , (2) где … (3) Если в выражении (2) использовать одно слагаемое, то получим широко распространенную формулу нахождения производной по первой конечной разности: . Однако во время переходных процессов, когда в регулируемой переменной ОУ присутствуют старшие производные, целесообразно брать большее количество слагаемых ряда (2). В частности, в системах управления ТП с медленно изменяющимися переменными можно брать 2 первых слагаемых ряда (2). Тогда после подстановки (3) в (2) формула вычисления первой производной будет иметь вид . (4) Вычисление интеграла в АЛУ обычно выполняется по формулам численного интегрирования либо нулевого порядка (по формуле прямоугольников): (5) или , (6) либо первого порядка (по формуле трапеций): . (7) Формулы (5) и (6) используются обычно при незначительных изменениях переменных и малом шаге дискретности . Поскольку в переходных процессах, как уже было сказано, скорости изменения переменных могут быть существенными, то рекомендуется вычисление интеграла производить с использованием формулы трапеций (7). С учетом сказанного, алгоритм вычисления кода управляющего воздействия по наиболее распространенному пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону управления можно представить в виде системы приведённых ниже разностных уравнений (8). Если в этой системе положить равными нулю отдельные параметры настройки, то можно получить: пропорциональный (П) закон управления при , , ; интегральный (И) закон управления при , , ; пропорционально-интегральный (ПИ) закон управления при , , ; пропорционально-дифференциальный (ПД) закон управления при , , и т.д. (8) где – параметры настройки, – шаг квантования по времени (шаг дискретности). В табл. 1 приведены формулы для расчета параметров настройки регуляторов с указанными типами непрерывных законов управления, взятые из источника [1]. Таблица 1 Применяемый регулятор Предполагаемый переходный процесс Апериодический c перерегулированием ≈ 20 % П-регулятор ПИ-регулятор ПИД-регулятор , , В системе разностных уравнений (8) не учитывается квантование по уровню, так как при достаточной длине разрядной сетки цифровых устройств им можно пренебречь. Дискретность же сигналов по времени приводит к тому, что некоторые коэффициенты зависят от значения шага дискретности по времени T0. По этой причине при определенных значениях T0 ЦАС может стать неустойчивой. 1.3. Выбор значения шага дискретности по времени Указанную задачу можно решить несколькими способами: по одному из алгебраических критериев, по частотным критериям устойчивости или в процессе моделирования замкнутой ЦАС в пакете Simulink for Windows системы MATLAB. Однако в связи с наличием в ОУ транспортного запаздывания решение задачи первыми двумя путями оказывается очень громоздким из-за высокого порядка характеристического уравнения замкнутой ЦАС. Поэтому в работе предлагается выбирать необходимый шаг дискретности путем моделирования. В качестве эталона, к которому следует стремиться, выбирая значение , рекомендуется использовать процессы в модели непрерывной системы управления заданным объектом, структурная схема которой представлена на рис. 3. Рис. 3. Структурная схема непрерывной системы управления с аналоговым ПИД-регулятором 2. Задание 1. В соответствии с данными табл. 2 для своего варианта выполнить расчет параметров настройки непрерывного управляющего устройства: 1) Получить в пакете Simulink системы MATLAB графики таких переменных эталонной модели (рис. 3), как сигнал рассогласования управляющее воздействие и регулируемая переменная . Таблица 2 Объекты управления Вариант ОУ и канал регулирования Значение Значение , с Значение , с Закон регулирования 1 Парогенератор: Расход воды на впрыск –температура перегретого пара 1,46 120 20 ПИД 2 ПИ 3 Теплица: Расход воды на обогрев – температура воздуха 20 1000 60 ПИ 4 ПИД 5 Теплица: Расход воды на распыление – влажность воздуха 60 800 20 ПИ 6 ПИД 7 Турбина: Положение регулирующего клапана – частота вращения 4,5 110 17 ПИД 8 ПИ 9 Смеситель 1: Расход потока F1 – концентрация выходного потока С0 1,25 50 5 ПИ 10 ПИД 11 Смеситель 2: Расход холодной воды – температура смеси 4 100 12 ПИ 12 ПИД 13 Генератор переменного тока:Напряжение на выходе – ток возбуждения 10 0,15 0,03 ПИ 14 ПИД 15 Сушка: Температура на выходе топки – расход топлива 20 10 3 ПИ 16 ПИД 17 Сушка: Влажность сухого жома – расход топлива 40 750 50 ПИД 18 ПИ 19 Парогенератор: Расход топлива – давление перегретого пара 2,5 400 120 ПИД 20 ПИ 2) Определить длительность переходного процесса, перерегулирование, а также ошибки отработки скачка и линейного сигнала для значений , , взятых из табл. 3. Результаты представить в виде таблицы и графиков. Примечание. Сигнал g2(t) можно моделировать с помощью последовательного соединения блоков «Step» и «Integrator», установив на первом блоке значение «final», равное , или же блоком «Ramp». Таблица 3 Значения параметров Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 8 6 5 3 9 7 2 4 10 1 0,25 0,9 0,4 0,2 0,7 0,8 0,5 0,6 0,3 0,1 2. Изменяя параметры настройки ЦУУ в модели, уменьшить перерегулирование до 5 %. Записать полученные значения и сравнить с расчётными. Представить графики , и . В выводах по этому эксперименту объяснить, как влияет каждый из параметров на длительность переходного процесса, величину перерегулирования и точность отработки заданных воздействий. 3. Получить дискретную передаточную функцию процедуры вычисления дифференциальной составляющей кода управляющего воздействия с использованием трех членов ряда (2). При этом необходимо применить следующее свойство Z-преобразования: , где – Z-преобразование функции f i. 4. Собрать в пакете Simulink системы MATLAB схему модели цифровой автоматической системы. Для набора модели ЦУУ использовать, помимо известных Вам по лабораторным работам, следующие блоки из раздела Discrete: «Discrete-Time Integrator» – дискретный интегратор, «Discrete Transfer Fnc» – дискретная передаточная функция, используемая для набора модели Z-преобразования разностного уравнения (9), «Zero-Order Hold» – модель фиксатора нулевого порядка ЦАП, «Quantizer» – модель АЦП (из раздела Discontinuities). При этом для исследования и сравнения результатов экспериментов можно получить схемы моделей непрерывной и цифровой систем, показанные на рис. 4. Рис. 4. Схемы моделей аналоговых и цифровых систем На рис. 4 показаны дополнительные блоки «Display», которые рекомендуется использовать для регистрации значений измеряемых координат. Значения измеряемых величин на блоках «Display» будут соответствовать времени t, равном времени наблюдения, которое устанавливается при настройке параметров процесса моделирования. Примечание. Для настройки модели необходимо: а) В дискретном интеграторе установить метод интегрирования (Integrator method) – Trapezoidal. б) Шаг дискретности, первоначальное значение которого определяется из соотношения , необходимо устанавливать во всех блоках ЦУУ в позиции «Sample time». в) Разрядность в АЦП изменять, меняя величину кванта (цену младшего разряда). Величину кванта рассчитывать, исходя из максимального значения координаты y(t), поступающей на вход АЦП, и желаемой величины разрядности : . г) Оценку влияния шага дискретности ЦАП на качество процесса регулирования выполнить, меняя значение «Sample time» только в блоке Zero-Order Hold. В остальных блоках ЦУУ значение установить равным . д) Для оценки точности различных систем измерять отклонение системы при t = tpn, где tpn – длительность переходного процесса в непрерывной системе (см. рис. 4). 5. Оценить влияние шага дискретности (чем это отличается от пункта 4.г) на устойчивость и точность отработки заданных сигналов (табл. 3) замкнутой ЦАС, выбрав 7 его значений в диапазоне (0.02 – 5). Определить критическое значение , при котором ЦАС становится неустойчивой. Результаты отразить графиками и сводной таблицей, в которой указать не только величину ошибки, но и длительность переходного процесса. Эксперимент завершить выводами по его результатам. 6. Выбрав значение , проверить влияние метода численного интегрирования, который определяется формулами (5) или (6) на качество процесса управления, для чего в блоке «Discrete-Time Integrator» установить соответствующий тип метода интегрирования (Integrator method). АЦП можно исключить, полагая величину кванта по уровню бесконечно малой. Оценку производить после окончания переходного процесса в увеличенном масштабе. Эксперимент завершить выводами по его результатам. 7. Оценить, как влияет изменение частоты квантования (шага дискретности Т0) ЦАП на работу ЦАС – её точность и устойчивость. Значение во всех остальных блоках ЦУУ. При этом блок АЦП исключить из ЦАС, полагая шаг квантования по уровню бесконечно малой величиной. Результаты отразить графиками и сводной таблицей. Эксперимент завершить выводами по его результатам. 8. Определить влияние разрядности АЦП (диапазон изменения величины разрядов (2 – 16)) при отработке заданных сигналов (табл. 3), установив значение во всех блоках ЦУУ. Результаты отразить графиками и сводной таблицей. Эксперимент завершить выводами по его результатам. Результаты представить в виде отчета, который должен содержать: Цель домашнего задания Структурную схему непрерывной системы управления. Расчеты параметров настройки УУ и графики переменных и при скачке и линейном сигнале. Значения параметров непрерывного УУ при переходном процессе с 5 %-ным перерегулированием и графики переменных и при скачке и при линейном сигнале. Вывод о влиянии каждого из параметров настройки закона управления на длительность переходного процесса, величину перерегулирования и точность отработки заданных воздействий. Дискретную передаточную функцию процедуры вычисления дифференциальной составляющей кода управляющего воздействия по трем слагаемым ряда (2). Результаты оценки влияния шага дискретности на устойчивость замкнутой ЦАС (структурная схема модели ЦАС, графики и таблицы, выводы). Результаты оценки влияния шага дискретности на точность отработки заданных сигналов (табл. 3) замкнутой ЦАС (графики и таблицы, выводы). Результаты оценки влияния метода численного интегрирования на качество процесса управления (графики и таблицы, выводы). Результаты оценки влияния частоты квантования в ЦАП и величины разрядности АЦП на работу ЦАС (графики и таблицы, выводы). Контрольные вопросы В чём состоит особенность цифрового управления? Как получить дискретную передаточную функцию процедур вычисления интеграла по формулам (5) и (6)? Как получить дискретную передаточную функцию процедур вычисления интеграла по формуле трапеций (6)? Как влияет на устойчивость САУ звено транспортного запаздывания? Каковы его частотные характеристики? Почему при наличии транспортного запаздывания существенно повышается порядок характеристического уравнения ЦАС? Как сказывается на устойчивость и точность САУ величина Т0? Какое влияние на работу ЦАС оказывает число разрядов ЦАП и АЦП? Литература Пьявченко Т.А. Конспект лекций по дисциплине “Интегрированные системы проектирования и управления”. Сайт кафедры САУ: http://sau.favt.tsure/ru/forstudent/library Курсовое и дипломное проектирование по автоматизации производственных процессов: Учебное пособие / Под ред. И. К. Петрова. – М.: Высшая школа, 1986. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.

Похожие:

	Рабочая программа учебной дисциплины «интегрированные системы технической... Задачи дисциплины освоение методов проектирования и исследования интегрированных систем управления и проектирования; сформировать...		Рабочая программа дисциплины Интегрированные системы проектирования и управления Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	«Учебно-методический комплекс дисциплины «Интегрированные системы проектирования и управления»		Программа учебной дисциплины «интегрированные системы проектирования и управления» Автоматизация технологических процессов и производств в металлургической промышленности
	Рабочая программа учебной дисциплины Интегрированные системы управления... Рабочая программа по дисциплине "Интегрированные системы управления" включена в учебный план для специальности 230105 в цикл "Специальные...		А. И. Ермаченко исследование систем управления учебное пособие Многофункциональные интегрированные системы процессно-ориентированного управления для организаций
	Программа дисциплины "Теория автоматического управления" Цели и задачи дисциплины: Дисциплина обеспечивает теоретическими знаниями в области проектирования систем управления		Рабочая программа учебной дисциплины «основы автоматизированного проектирования» Профиль подготовки: Компьютерные технологии управления в робототехнике и мехатронике
	Программа одобрена на заседании каф. «Системы автоматизированного проектирования» Для студентов специальностей 22. 03. 00 Системы автоматизированного проектирования, 35. 15. 00 Математическое обеспечение и		Рабочая программа дисциплины Электроэнергетические системы и сети Целью изучения дисциплины является получение необходимых зна‐ ний в области проектирования электроэнергетических систем и сетей и...
	Рабочая программа составлена на основе фгос впо и учебного плана... Изучаются основные стандарты и методология проектирования, построения профилей открытых информационных систем (ИС), методология управления...		Программа дисциплины Системный анализ в области ит для направления... Современное определение ит. Организационно-технические системы. Подсистемы – участники управления предприятием. Общая схема управления....
	Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное... Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, и студентов направления 230100. 62 «Информатика и вычислительная...		Методические рекомендации дисциплины в. 1 Информационные системы... Целями и задачами освоения дисциплины (модуля) в. 1 Информационные системы управления производственной компанией являются
	Рабочая программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем»... «Автоматизированные системы обработки информации и управления» (по отраслям) и 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: теория управления, автоматизированные системы управления, исследование...