Разработка регулятора для лабораторного стенда
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… Читать ещё >
Разработка регулятора для лабораторного стенда (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Кафедра Автоматизации Технологических Процессов и Производств КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Автоматизация технологических процессов»
Тема: «Разработка регулятора для лабораторного стенда»
Пермь 2011
- Постановка задачи на проектирование
- Программирование контроллера
- Снятие характеристик и получение модели объекта
- Расчет настроек ПИ и ПИД регулятора методом ЦиглераНикольса
- 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)
Т | L (T) | |
35,42 | 0,470 | |
63,48 | 0,492 | |
78,43 | 0,698 | |
93,38 | 0,851 | |
108,33 | 0,962 | |
123,28 | 1,028 | |
138,23 | 1,076 | |
153,41 | 1,113 | |
168,13 | 1,140 | |
183,08 | 1,162 | |
198,03 | 1,173 | |
212,98 | 1,183 | |
227,93 | 1,194 | |
242,88 | 1,201 | |
257,83 | 1,205 | |
272,78 | 1,212 | |
287,73 | 1,216 | |
302,68 | 1,223 | |
317,63 | 1,232 | |
332,58 | 1,232 | |
347,53 | 1,232 | |
Получение математической модели объекта Модель объекта получена в программе Linreg .
Расчет настроек ПИ и ПИД регулятора методом ЦиглераНикольса 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:
ПИ | ПИД | ||
Кп | 2,33 | 3,82 | |
Ти | 4,52 | 2,32 | |
Тд | 0,52 | ||
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 ЦиглераНикольса (a=0,17 L=7)
ПИ | ПИД | ||
Кп | 2,06 | 3,53 | |
Ти | 4,08 | 1,98 | |
Тд | 0,99 | ||
Рассчитываем настройки ПИ и ПИД регулятора в программе Linreg
Методом Ротача В.Я.
ПИ | ПИД | ||
Кп | 5,61 | 6,74 | |
Ти | 3,86 | 2,66 | |
Тд | 0,645 | ||
Моделирование системы в программном пакете Matlab
ПИД | ПИ | ||||||
Ротач В.Я. | Циглер-Никольс | CHR | Ротач В.Я. | Циглер-Никольс | CHR | ||
Попадание в 5% зону (с) | |||||||
max выброс % | |||||||
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.