Лекции по курсу Управление процессами термической и химико-термической обработки - файл (1)Vvedenie.doc

Лекции по курсу Управление процессами термической и химико-термической обработки
скачать (1702.4 kb.)

Доступные файлы (9):

(1)Vvedenie.doc	320kb.	03.12.2008 02:15	скачать
(2_1)Harakteristiki_TP.doc	75kb.	03.12.2008 02:15	скачать
(2)Izmerenie_temperatury.doc	737kb.	03.12.2008 02:15	скачать
(3)Regulirovanie_temperatury.doc	506kb.	03.12.2008 02:16	скачать
(4)Izmerenie_davleniq_i_rashoda.doc	766kb.	03.12.2008 02:16	скачать
(5)Regulirovanie_davleniq_i_rashoda.doc	768kb.	03.12.2008 02:16	скачать
(6)Izmerenie_koncentracii.doc	381kb.	03.12.2008 02:16	скачать
(7)Upravlenie_potencialom_atmosfery.doc	298kb.	03.12.2008 02:16	скачать
(8)ASU_TP_i_privod.doc	441kb.	03.12.2008 02:16	скачать

содержание

---

Смотрите также:
• Математическое моделирование диффузионных процессов при химико-термической обработке [ реферат ]
• по материаловедению + тест [ лекция ]
• Белоручев Л.В. Техника безопасности при термической и химико-термической обработке. Диафильм [ документ ]
• Проектирование приспособления для заданной операции фрезерования [ лабораторная работа ]
• Ассонов А.Д. Технология термической обработки деталей машин [ документ ]
• ОСТ 1 00021-78 Термическая и химико-термическая обработка деталей. Группы контроля [ документ ]
• Термическая и химико - термическая обработка металлов [ лабораторная работа ]
• Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов [ документ ]
• по технологии термической обработки [ лекция ]
• Дипломная работа - Разработка технологического процесса термической обработки детали [ дипломная работа ]
• РГР - Химико-термическая обработка деталей [ расчетно-графическая работа ]
• Бернст Р. и др. Технология термической обработки стали [ документ ]

(1)Vvedenie.doc

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ «АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ»

Для студентов 5 курса специальности 120800 «Материаловедение в машиностроении»

МОСКВА

16 Ноябрь 2011 г.

Список рекомендованной литературы

1. 
   Промышленные приборы и средства автоматизации: Справ. / Под общ. ред. В.В. Черенкова.   Л.: Машиностроение, 1987.   847 с.
   
2. 
   Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справ. / Пер. с нем.   М.: Металлургия, 1980.   544 с.
   
3. 
   Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.   М.: Энергия, 1978.   704 с.
   
4. 
   Автоматизация процессов термической обработки. В кн. Термическая обработка в машиностроении: Справ. / Под. ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта.   М.: Машиностроение, 1980.   С. 424-447.
   
5. 
   Основы теории и элементы систем автоматического регулирования / В.Ю. Каганов, Г.М. Глинков, М.Д. Климовицкий и др.   М.: Металлургия, 1987.   270 с.
   
6. 
   Глинков Г.М., Климовицкий М.Д. Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами.   М.: Металлургия, 1985.   304 с.
   
7. 
   Смирнов А.Е. Контроль и управление в термическом производстве: Учебно-методическое пособие по курсу «Автоматизация и управление процессами термической обработки».   М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996.   67 с.
   
8. 
   Рыжов Н.М., Смирнов А.Е. Система компьютерного управления насыщенностью диффузионного слоя при ионной цементации: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Управление процессами тепловой обработки».   М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 16 с.
   

Введение

^

Термины и определения

Управление – определение текущего состояния объекта и целенаправленное воздействие, осуществляемое для изменения состояния объекта в соответствии с алгоритмом функционирования. Сущность управления можно пояснить схемой (пояснить на примере печи и автомобиля).

Автоматизация в термическом производстве – способ организации производства, при котором функции управления и контроля переданы автоматическим (функционирующим без участия человека) устройствам.

Объектом управления в термическом производстве является печь или агрегат, в котором осуществляется технологический процесс термической обработки (ТО) или химико-термической обработки (ХТО).

Состояние объекта управления принято оценивать технологическими параметрами – физическими величинами, от значений которых существенно зависит результат технологического процесса, т.е. качество обработки: их обозначают . В термическом производстве качество обработки определяют такие технологические параметры, как температура, давление, расход и состав атмосферы, а также время выдержки.

Кроме технологических параметров, состояние объекта можно оценить величинами, которые незначительно влияют на качество обработки. Их называют вспомогательными параметрами и обозначают . Часто вспомогательными параметрами являются технологические параметры, которые не влияют (слабо влияют) на результат обработки. Обычно это давление и расход. Например, при термической обработке в однокомпонентной атмосфере (отжиг в азоте) результат обработки практически не зависит от давления и расхода азота.

Состояние объекта управления зависит от ряда входных величин. Принято выделять возмущающие и управляющие воздействия . Первые действуют случайным образом и отклоняют объект от заданного состояния, вторые изменяют состояние объекта целенаправленно и, тем самым, возвращают объект в заданное состояние. В качестве примеров можно привести давление газа во входной магистрали, напряжение электрической сети и т.п.

Цель управления в термическом производстве – достижение экстремального или оптимального значения параметра функционирования объекта (например, максимальной скорости нагрева или максимальной производительности агрегата). Любое управление – поиск экстремума (примеры: температура равна заданному значению, следовательно – отклонение равно нулю; добраться на автомобиле из А в Б за минимальное время с минимальными потерями).

Для описания результата управления введем произвольный показатель качества П_к,:

П_к = F(,)  F().

Тогда цель управления можно сформулировать следующим образом: обеспечить такие значения , при которых П_к имеет экстремальное значение (т.е. dП_к = 0).

Экстремальное управление осуществляют таким образом, что и могут принимать любые физически возможные значения. Применение такого управления допустимо в том случае, когда возможные значения параметров объекта управления имеют естественные ограничения и не могут вызвать нежелательных последствий.

Оптимальное управление осуществляют с учетом дополнительно вводимых ограничений (x_min  x_i  x_max; v_min  v_j  v_max). При этом dП_к = min.

Пример оптимального (экстремального) управления при ионной ХТО.

Скорость насыщения (при постоянной температуре) зависит от мощности тлеющего разряда. Чем больше мощность, тем выше скорость насыщения. Однако увеличение мощности приводит к перегреву поверхности и ухудшению качества обработки. Также растет ток разряда, что способствует переходу его в дуговой. Таким образом, управление мощностью разряда с учетом названных ограничений (допустимый перегрев поверхности, допустимая частота срабатывания дугогасящего устройства) является оптимальным. Управление без учета ограничений – экстремальное.

Регулирование есть управление при наиболее простых целях. Таковыми являются, например, поддержание значения параметра на заданном постоянном или изменяющемся уровне (это также экстремальная или оптимальная задача).
^

Составные части автоматизации и управления в термическом производстве

Автоматизация и управление невозможны без контроля и измерения технологических параметров и характеристик оборудования.

Измерение – экспериментальное определение с известной степенью точности значения физической величины (технологического параметра). Контроль – оценка значения величины или параметра.

Для осуществления непрерывных технологических циклов используют автоматическое включение и отключение оборудования. Для реализации таких циклов необходимы контроль перемещения и положения в пространстве элементов системы транспортирования обрабатываемых деталей и целенаправленное изменение ее состояния в целом.
^

Цели и задачи автоматизации и управления в термическом производстве

Управление и автоматизация в термическом производстве направлены на достижение следующих целей:

• 
  освободить человека от непосредственного участия в процессах ТО и ХТО;
  
• 
  повышение производительности и улучшение условий труда;
  
• 
  повышение качества производимой продукции;
  
• 
  обеспечение безопасной работы оборудования;
  
• 
  оптимальное использование ресурсов.
  

Достижение поставленных целей требует решения ряда задач.

1. 
   Для объективной оценки состояния технологического процесса необходимо внедрение контрольно-измерительной аппаратуры.
   
2. 
   При использовании дистанционного управления технологическим процессом (агрегатом) можно вывести обслуживающий персонал из «горячей зоны».
   
3. 
   Для повышения эффективности управления необходима централизация контрольно-измерительной аппаратуры и дистанционного управления.
   
4. 
   Безопасную работу оборудования и повышение качества обработки обеспечивает использование разомкнутых (работающих по жесткой программе) и замкнутых (с обратной связью) систем управления отдельных технологических параметров.
   
5. 
   При разработке и внедрении комплексных систем управления можно учесть взаимное влияние технологических параметров.
   
6. 
   Разработка и внедрение систем управления на основе управляющих вычислительных машин, микропроцессоров или промышленных компьютеров для создания
   

• 
  оптимальных (самонастраивающихся) систем управления;
  
• 
  автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), что дает возможность организовать единую систему ТО и ХТО, включая управление вспомогательными операциями (транспортирование, документирование, диагностика);
  
• 
  интегрированных АСУ, в которых алгоритм и программа функционирования АСУ ТП определяются задачами управления производством.
  

^

Элементы систем управления

При рассмотрении любого элемента можно выделить ряд входных и выходных величин. Входные величины (x_вхi или в векторной форме –) воздействуют на элемент. ^ Выходные величины (x_выхj или ) характеризуют результаты внутренних процессов, происходящих в элементе. В простейшем случае элемент системы управления является одномерным, т.е. имеет одну выходную величину.

Основными элементами системы управления являются объект регулирования (ОР) и регулятор.

На вход объекта поступают входные величины , которые включают в себя вектор управляющих (регулирующих) воздействий и вектор возмущающих воздействий . Возмущающие воздействия отклоняют объект от заданного состояния. Регулирующие воздействия восстанавливают это состояние. Выходные величины , которые характеризуют состояние объекта, можно разделить на вектор управляемых или регулируемых величин и вектор вспомогательных параметров .

Регулятор имеет одну выходную величину – управляющее воздействие y и две входные – регулируемую величину x и ее заданное значение x₀. Обычно x и x₀ вводят в регулятор через сравнивающий элемент. В этом случае на вход регулятора будет поступать одна входная величина  = x₀–x. Ее называют отклонением регулируемой величины от заданного значения. ОР может быть многомерным, регулятор всегда одномерен.

Рассмотренные элементы образуют замкнутую систему автоматического регулирования (САР).

Рассмотрим схему САР для случая регулирования одной величины.

Состояние объекта регулирования можно описать следующим образом:

х(τ) = h_об · y(τ),

где h_об – передаточная функция объекта регулирования.

Для регулятора можно записать:

y(τ) = h_рег·ε(τ) = h_рег[х₀ - х(τ)],

где h_рег – передаточная функция регулятора.

Регулятор в замкнутой схеме САР выполняет функцию обратной связи, поэтому передаточную функцию регулятора можно назвать функцией обратной связи: h_рег =h_ос.

Замкнутая САР функционирует следующим образом.

Текущее значение регулируемой величины х(τ) поступает на один из входов элемента сравнения. На другой вход элемента сравнения подается сигнал х₀, соответствующий заданному значению. Элемент сравнения вырабатывает сигнал отклонения ε(τ) = х₀ – х(τ), равный разности заданного и текущего значений.

Сигнал отклонения ε(τ) является входным для регулятора и преобразуется в последнем в управляющее воздействие y(τ). Управляющее воздействие y(τ) поступает на вход объекта регулирования и приводит к изменению текущего значения регулируемой величины х(τ).

Алгоритм функционирования такой замкнутой системы может быть выражен системой уравнений:

х(τ) = h_об · y(τ);

y(τ) = h_ос · ε(τ);

ε(τ) = х₀ – х(τ)min.

Цель функционирования замкнутой САР может быть выражена следующим образом: обеспечить такой закон изменения во времени управляющего воздействия y(τ), при котором отклонение ε(τ) минимально. Вырабатываемое регулятором управляющее воздействие y(τ) должно иметь такое значение, которое направлено на поддержание заданного значения х₀ регулируемой величины х(τ). При этом ε(τ)min.

Решение системы уравнений означает: найти такое y(τ), при котором х(τ) = х₀ ± δх, где δх – максимально допустимое значение отклонения ε. Поскольку в замкнутой САР объект регулирования является неизменяемой частью системы, то для достижения поставленной цели следует подобрать функцию обратной связи h_ос, или настроить регулятор (настроить обратную связь).
^

Особенности термического оборудования как объекта автоматизации

1. 
   СВОЙСТВА
   

1. 
   Неизменяемая часть системы регулирования.
   

Объект управления является неизменяемой частью системы автоматического управления, так как его характеристики определяются конструктивными и технологическими особенностями конкретного агрегата или процесса (пояснить на примере замка и ключа).

2. 
   Емкость объекта – количество регулирующей среды (вещества или энергии, используемой для изменения управляемых величин), накопленное в ОР. Чем больше емкость объекта, тем меньше скорость изменения управляемой величины при одинаковом воздействии на ОР. В объектах с малой емкостью управляемая величина подвержена значительным колебаниям, что усложняет процесс управления.
   

В термическом производстве в качестве емкости объекта часто выступает его теплоемкость. Например, теплоемкость вакуумной печи с экранной теплоизоляцией имеет сравнительно небольшое значение, поэтому управление таким объектом затруднено.

2. 
   ^ СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
   

1. 
   Статические и астатические ОР.
   

По реакции на входное воздействие ОР принято подразделять на статические и астатические объекты. В статических объектах нарушение равновесия самоустраняется, – объект переходит в новое установившееся состояние. В астатических – наличие входного воздействия приводит к неограниченному изменению управляемой величины. Статические объекты также называют объектами с самовыравниванием. Наличие самовыравнивания упрощает управление объектом. Большинство объектов термического производства – статические объекты.

Типичным примером такого объекта является термическая печь. В этом случае каждому значению входной величины y_i (мощности на нагревателях для электрической печи или расхода топливовоздушной смеси для пламенной печи) соответствует определенное установившееся значение выходной величины x_i, в данном случае – температуры в рабочем пространстве печи.

2. 
   Статическая характеристика объекта с самовыравниванием – зависимость выходной величины от входной величины в установившемся режиме, т.е. x=F(y). Обычно статическая характеристика нелинейная (например, для термической печи – из-за тепловых потерь).
   

Для объекта без самовыравнивания (астатического объекта) под статической характеристикой следует понимать зависимость скорости изменения выходной величины от входной величины в установившемся режиме.

3. 
   Коэффициент передачи ОР – производная статической характеристики:
   

k_об = .

Коэффициент передачи определяет чувствительность ОР к входному воздействию, т.е. чем больше коэффициент передачи k_об, тем больше изменение управляемой величины при одинаковом входном воздействии.

3. 
   ^ ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
   

(дать пример с толстым задумчивым студентом и преподавателем)

1. 
   Инерционность – способность к замедленному изменению состояния объекта (его выходных величин) при изменении входных величин. Из-за инерционности скорость изменения выходной величины всегда меньше скорости изменения входной величины. Инерционность объекта зависит от его емкости. Чем она больше, тем устойчивее состояние объекта управления (что лучше..?).
   

Для идеального апериодического звена 1-го порядка инерционность можно характеризовать постоянной времени объекта T_об, которая представлена проекцией на ось времени отрезка касательной, отсекаемого линиями прежнего x_min и нового установившегося x_max значений управляемой величины.

2. 
   Запаздывание – задержка начала изменения состояния объекта относительно момента изменения входных величин.
   

Промежуток времени между моментом изменения входной величины y и моментом изменения выходной величины x характеризует время запаздывания _об идеального звена чистого запаздывания.

Чем больше время запаздывания, тем сложнее управление объектом.

4. 
   ^ СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
   

• 
  взаимное влияние процессов, происходящих при ТО и ХТО (например, изменение температуры на 10 С вызывает изменение углеродного потенциала в агрегате газовой цементации на 0,07 %С, а изменение давления газовой атмосферы на 1300 Па изменяет потенциал на 0,02 %С);
  
• 
  для некоторых объектов управления невозможно получение непрерывной и достоверной информации (например, при ионно-плазменной обработке сложно измерить температуру деталей, имеющих высокий потенциал катода, или определить химический состав газов в катодной области тлеющего разряда);
  
• 
  точное математическое описание реального объекта управления затруднено такими причинами, как многоступенчатость и нелинейность протекающих в объекте процессов.
  

^

Измерительные преобразователи (датчики) и приборы в термическом производстве

Измерительный преобразователь преобразует физическую величину в сигнал, удобный для дальнейшего использования – передачи, обработки или регистрации (кроме визуального наблюдения). Измерительный прибор преобразует физическую величину в форму, дающую возможность визуального наблюдения ее значения.

Измерительные преобразователи (ИП) работают на различных физических принципах. Принято выделять следующие типы ИП: механические, резистивные, электромагнитные, пьезоэлектрические, тепловые, оптические, электрохимические и т.д.

В термическом производстве в основном применяют следующие типы ИП (датчиков):

• 
  для измерения температуры – тепловые и оптические;
  
• 
  для измерения давления и расхода технологической атмосферы – механические и тепловые;
  
• 
  для определения химического состава атмосферы – электрохимические и оптические;
  
• 
  для контроля перемещения и положения в пространстве – механические, электромагнитные и оптические.
  

---

Скачать файл (1702.4 kb.)

Поиск по сайту:  

---