Дипломная работа: Система управления роботизированным температурным зондом промышленной печи

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ (АССОЦИАЦИЯ)

«КИСЛОВОДСКИЙ ГУМАНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Факультет Инженерный

Кафедра Систем автоматического управления

Направление Управление в технических системах

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

на тему: «Система управления роботизированным температурным зондом промышленной печи»

Тамбиев Азнаур

Кисловодск

2018

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к выпускной квалификационной работе содержит 91 лист, 31 рисунок, 12 таблиц и список источников информации из 14 наименований. температурный зонд преобразователь управление

В выпускной квалификационной работе спроектирована система автоматического управления перемещением роботизированного температурного зонда, предназначенного для контроля температуры свода промышленной печи. Для решения задачи разработана модель зонда на основе математической модели перевернутого маятника. Аналитическим методом синтезировано устройство управления перемещением зонда. Качество системы исследовано методом компьютерного моделирования. Показано, что синтезированная система удовлетворяет требованиям технического задания. Выбраны элементы и микроконтроллер для цифрового устройства управления; разработан алгоритм функционирования микроконтроллера. Проведен анализ вопросов безопасности и экологичности, а также выполнено технико-экономическое обоснование.

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ СИНТЕЗА НЕЛИНЕЙНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ
• ГЛАВА 2. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЗОНД КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ
• 2.1 Математическая модель температурного зонда
• 2.2 Полиномиальный метод синтеза нелинейных систем управления
• 2.3 Синтез нелинейного управления температурным зондом
• 2.4 Синтез системы управления перемещением зонда
• ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМ
• 3.1 Модель замкнутой системы
• 3.2 Качество процессов управления
• 3.3 Описание программы моделирования
• 3.4 Исследование замкнутой системы
• ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ
• 4.1 Описание алгоритма вычисления управления
• 4.2 Выбор элементов устройства управления
• 4.3 Выбор датчика угла поворота зонда
• 4.5 Алгоритм работы устройства управления
• 4.6 Выбор микроконтроллера
• 4.7 Алгоритм работы микроконтроллера
• 4.8 Крепежные элементы для преобразователей
• Глава 5. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ
• 5.1 Анализ вредных факторов при работе с ПК
• 5.2 Меры защиты от вредных и опасных факторов
• 5.3 Пожарная безопасность при эксплуатации микроконтроллеров
• 5.4 Защита окружающей среды
• ГЛАВА 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
• 6.1 Оценка технического уровня изделия
• 6.2 Расчет расходов на разработку и проектирование
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
• ВВЕДЕНИЕ
• По оценкам экспертов ООН в самое ближайшее время нашу цивилизацию ожидает бум в развитии робототехники сродни тому, который имел место в 80-х - 90-х годах прошлого века в области компьютеров и компьютерных технологий. Уже начиная с 2002 года, японская фирма Honda приступила к серийному выпуску антропоморфных (человекоподобных) роботов, предназначенных для использования в социальных программах японского правительства. Бурными темпами развивается микро-робототехника (хирургические роботы, микро-роботы военного назначения и т.д.) и робототехника экстремальных сред (космические и подводные роботы, планетоходы и т.д.). От соревновательных программ в сторону реального производства движется развитие мобильных роботов. Укрепляют свои позиции манипуляционные роботы, как основной элемент гибких производственных систем. Другими словами, робототехника вторгается в новые области человеческой деятельности, заменяя человека в рутинных операциях, вредных и агрессивных средах, в военной сфере, в исследовании космического пространства и т.п.
• Бурный технологический процесс последних десятилетий не оставил в стороне и развитие конструкций тепловых агрегатов, являющихся важнейшим оборудованием современных металлургических и машиностроительных предприятий, заводов по производству строительных материалов. Производство чугуна, стали, проката невозможно без использования современных металлургических печей, как немыслимы без печей цветная металлургия, литейные, кузнечные и термические цехи машиностроительных заводов, заводы по производству огнеупорных и строительных материалов. Все большее значение приобретают вопросы автоматизации металлургического и машиностроительного производства [1].
• Тепловой режим работы печи характеризуется совокупностью различных переменных величин, таких, как температура и давление в рабочем пространстве печи, температура подогрева воздуха и топлива, температура уходящих газов, расход топлива и воздуха, калорийность топлива, химический состав продуктов горения и т.п. Все эти величины, имеющие различные наименования и размерности, называются параметрами [2].
• Процесс поддержания того или иного параметра постоянным во времени или изменяющимся по определенному закону называется регулированием.
• Регулирование может быть ручным, т.е. осуществляться при непосредственном участии человека, или автоматическим, когда задачу регулирования выполняет специальное устройство, называемое автоматическим регулятором.
• Необходимость автоматического регулирования вызвана тем, что установившийся режим работы печи постоянно нарушается каким-либо внешним воздействием - загрузкой или выгрузкой металла, изменением притока воздуха или топлива из-за колебания давления в трубопроводах, изменением теплофизических свойств металла в процессе нагрева и т.п. Для обследования состояния нагревательной печи изнутри не всегда применимо ручное регулирование. Таким образом, возникает проблема замены человека в различных звеньях управления производственными процессами [2].
• Для решения этой проблемы все шире применяются робототехнические комплексы и роботы. Их используют для перемещения деталей и заготовок, для установки заготовок на станках и снятия готовых деталей. Кроме того, роботы просто необходимы в тех случаях, когда выполнение работы вручную затруднено или опасно для человека.
• Робот - это своеобразное уподобление человеку при взаимодействии с окружающей средой, обладающий универсальностью, наличием элементов интеллекта, способностью обучаться, наличием памяти, способностью самостоятельно ориентироваться в окружающей среде и т.п. Робот -- это машина-автомат, предназначенная для воспроизведения двигательных и умственных функций человека, машина-автомат нового типа. Обычные автоматы предназначены для многократного выполнения одной и той же операции. Типичными примерами являются станки-автоматы, автоматы для размена монет, продажи билетов, газет и т.д. В отличие от них роботы -- универсальные системы многоцелевого назначения; они способны не только выполнять много разных операций, но и оперативно переобучаться с одной операции на другую [3].
• Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и, прежде всего, в машиностроении. Такие роботы называются промышленными.
• Уже накоплен определенный опыт эксплуатации промышленных роботов, позволяющий отметить следующие их достоинства.
• Повышение безопасности труда -- это одно из первоочередных назначений роботов. Известно, что большинство несчастных случаев в промышленности приходится на травмы рук, особенно при загрузочно-разгрузочных операциях. Применение роботов позволяет улучшить условия труда, потенциально опасного для здоровья людей: в литейных цехах, при наличии радиоактивных материалов, вредных химических веществ, при переработке хлопка, асбеста и т.п.
• При использовании роботов происходит интенсификация рабочего процесса, повышение производительности труда, стабилизация ее в течение смены, увеличение коэффициента сменности основного технологического оборудования, что улучшает технико-экономические показатели производства. Повышается качество продукции. Так, например, улучшается качество сварного шва в связи со строгим соблюдением технологического режима. Снижаются потери от брака, связанного с ошибками оператора. Возможна также экономия материалов. Например, при окраске автомобиля рабочим только 30 % краски попадает непосредственно на автомобиль, остальная часть уносится вентиляцией рабочего места. С применением роботов создаются принципиально новые производства и технологические процессы, максимально уменьшающие неблагоприятные воздействия на человека [3].
• Автоматические роботы, получившие распространение в промышленности, называются промышленными роботами (ПР). Промышленный робот -- это автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства для выполнения в производственном процессе двигательных или управляющих функций. Например, под действием автоматической системы управления робота его манипуляторы могут совершать движения рук человека в процессе его трудовой деятельности.

Классифицируются робототехнические системы на классы:

- манипуляционные робототехнические системы;

- мобильные (движущиеся) робототехнические системы;

- информационные и управляющие робототехнические системы.

Наибольшее развитие и практическое применение получили манипуляционные робототехнические системы различных типов в промышленности.

Мобильные робототехнические системы представляют собой некоторые платформы, перемещением которых управляет автоматика. При этом они кроме программы маршрута движения имеют запрограммированную автоматическую адресовку цели, могут автоматически нагружаться и разгружаться. На таких подвижных системах могут устанавливаться манипуляционные механизмы.

Информационные и управляющие робототехнические системы представляют собой некоторые комплексы измерительно - информационных и управляющих средств, автоматически производящих сбор, обработку и передачу информации, а также использование ее для формирования различных управляющих сигналов.

Манипуляционные робототехнические системы делят на виды:

· автоматически действующие роботы, автоматические манипуляторы и роботизированные технологические комплексы;

· дистанционно управляемые роботы, манипуляторы и технологические комплексы;

· ручные, непосредственно связанные с движением рук, а иногда и ног человека [3].

Целью данного дипломного проекта является разработка системы управления роботизированным температурным зондом промышленной печи. Роботизированный температурный зонд предназначен для контроля состояния покрытия свода промышленной печи. Он должен перемещаться вдоль сферической поверхности этого свода. Поверхность свода печи покрыта жаростойкой керамической плиткой. Эти плитки при перегреве могут растрескиваться и отлетать, поэтому необходимо контролировать температуру свода печи. Для этого и применяется зонд. Расположение зонда в печи представлено на рис. 1.

Рисунок 1 - САУ положением зонда

Отверстие в стенке печи не велико, поэтому зонд - 1 вводится в нагревательную печь в горизонтальном положении. У основания зонда на каретке установлен потенциометр - 5, который служит датчиком угла . Чтобы произвести контроль температуры свода печи, необходимо зонд подвести к исследуемой поверхности. Для этого он поворачивается приводом на некоторый угол относительно оси O, перпендикулярно плоскости чертежа. Зонд приводится в движение с помощью тяги - 4, которая в свою очередь управляется электроприводом, находящимся снаружи нагревательной печи.

Как только зонд произведет все нужные измерения, на робот подается сигнал . Привод отработает этот угол, и зонд будет снова приведен в горизонтальное положение. Затем он выводится из печи. Используемая конструкция наиболее удобная, т.к. не возникают проблемы при вводе зонда в нагревательную печь.

Тема выпускной квалификационной работы является актуальной и относится к современным методам повышения условий труда. Результаты разработки имеют широкое приложение в промышленности и народном хозяйстве, например, для автоматического контроля состояния нагревательных печей.

В выпускной квалификационной работе решаются следующие задачи:

- разработка математической модели системы;

- синтез системы управления полиномиальным методом;

- моделирование в среде Matlab;

- реализация управления зондом на микроконтроллере;

- анализ вопросов безопасности и экологичности;

- технико-экономическое обоснование.

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ СИНТЕЗА НЕЛИНЕЙНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ

В настоящее время высокие требования к качеству и эффективности систем управления делают обязательным учет нелинейных явлений в динамических объектах. Традиционно используемые методы линейного приближения практически всегда позволяют придать синтезируемой системе необходимые свойства, но лишь в малом. Однако мировой научно-технический прогресс приводит к значительному усложнению элементов систем автоматического управления (САУ) и условий их функционирования [5].

В современном мире возникает необходимость создания регуляторов, способных обеспечить работу объектов управления в условиях высоких температур, больших давлений, в критических и неустойчивых режимах при высоких скоростях и уровнях мощности. Как известно, для таких весьма интенсивных или даже предельных режимов работы характерны большие отклонения переменных, и, соответственно, адекватными могут быть только нелинейные модели объектов. Поэтому в большинстве случаев современные регуляторы и управляющие устройства реальных систем управления должны рассматриваться как нелинейные, то есть описываться нелинейными дифференциальными уравнениями. Таким образом, основные проблемы создания современных регуляторов и других элементов систем управления связаны с изучением, анализом и синтезом нелинейных моделей. Проблема синтеза нелинейных регуляторов систем управления нелинейными объектами в отличие от линейных несравненно более сложная. Среди множества требований к синтезируемым системам первостепенным и фундаментальным является свойство асимптотической устойчивости заданной траектории движения. В свою очередь, задача устойчивости непосредственно связана с решением такой важнейшей проблемы теории автоматического управления, как синтез закона управления, то есть регулятора системы управления.

В настоящее время разработано большое число методов синтеза нелинейных регуляторов и анализа нелинейных систем автоматического управления. Традиционными являются такие, как метод абсолютной устойчивости, гармонической линеаризации, оптимального управления. Современные подходы, как правило, развиты на основе метода функций Ляпунова, предоставляющего большие возможности для исследования нелинейных систем. В последние годы в работах, посвященных проблемам синтеза нелинейных регуляторов и систем управления, все чаще предлагаются аналитические методы анализа и синтеза на основе квазилинейного представления уравнений нелинейных систем. Например, полиномиальный метод синтеза, предложенный в [7] позволяет при определенных условиях придать заранее заданные значения коэффициентам характеристического полинома функциональной системной матрицы.

Использование квазилинейного представления уравнений нелинейной системы является весьма перспективным, так как позволяет решать задачу синтеза регуляторов и других элементов нелинейных систем управления по аналогии с методами синтеза линейных систем. Все существующие в настоящее время методы синтеза нелинейных регуляторов дают решение задачи лишь для объектов определенного класса. Учет влияния нелинейностей в любой системе автоматического управления встречает большие трудности, поскольку приходится сталкиваться с решением нелинейных дифференциальных уравнений высоких порядков. Выбор того или иного метода зависит от постановки задачи исследования, вида нелинейности и порядка дифференциального уравнения, описывающего систему [8].

Если система управления описывается дифференциальным уравнением первого, второго или третьего порядка, то для анализа и синтеза нелинейных систем применяются методы, основанные на изучении процессов в фазовом пространстве. Кроме того, в настоящее время разработано большое число приближенных методов исследования нелинейных систем автоматического управления. Дадим краткую характеристику тем из них, которые получили наибольшее распространение при решении практических задач.

Метод малых отклонений используется для исследования устойчивости систем по Ляпунову. При этом составляются уравнения для малых отклонений от состояния равновесия либо от установившегося движения, причем исследуется устойчивость данного состояния равновесия или данного движения. Если считать, что все отклонения достаточно малы, то можно пренебречь в первом приближении их высшими степенями и произведениями. Тогда получаются уравнения первого приближения, которые и могут быть подвергнуты исследованию на устойчивость при учете той или иной нелинейности [5]. Используя методы аппроксимации, решение уравнений находят, заменяя характеристику нелинейного элемента некоторой близкой к ней кривой, которая может быть записана в аналитической форме.

Методы малого параметра позволяют приближенно исследовать устойчивость нелинейной системы и находить значение амплитуды колебаний в неустойчивой системе. Метод возник в небесной механике в связи с решением задачи о трех телах. Основные исследования по этому методу принадлежат французскому математику Пуанкаре. В дальнейшем были разработаны различные варианты метода малого параметра, применяемые в радиотехнике и теории автоматического управления. Наиболее известными являются методы Ляпунова, Рэйля и Ван-дер-Поля.

Первый метод Ляпунова (метод первого приближения) связан с рассмотрением линеаризованных уравнений. Составляя уравнение для малых отклонений от состояния равновесия или установившегося движения, можно исследовать устойчивость данного состояния равновесия или данного движения. Для исследования устойчивости с помощью этого метода обычно используется понятие устойчивости по Ляпунову. Первый метод Ляпунова получил большое распространение в инженерной практике, так как очень прост и нагляден. К недостаткам этого метода можно отнести следующее. Метод не определяет область устойчивости, практически устойчивость гарантируется лишь в некоторой малой области отклонений от положений равновесия. Кроме того, для применения метода требуется дифференцируемость правых частей уравнений в отклонениях.

Исследование нелинейной системы с помощью численно-графических методов проводится путем интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений, например, интегрированием по разностному методу Адамса -- Штермера, способом приближенного интегрирования Чаплыгина, методом Эйлера, который является одним из наиболее простых методов. Он положен в основу почти всех графических способов, отличающихся друг от друга только по характеру геометрических построений.

Указанные методы являются весьма эффективным средством анализа и синтеза нелинейных систем, поскольку не требуют громоздких вычислений и графических построений, особенно в случае сложных нелинейных систем управления. Более строгие методы применительно к нелинейным системам высокого порядка обычно позволяют устанавливать лишь достаточные (но не необходимые) оценки определенных качественных показателей, в том числе устойчивости.

Достаточные, но не необходимые условия устойчивости дает простой и наглядный критерий абсолютной устойчивости систем автоматического управления, предложенный румынским математиком В.М. Поповым.[8] Этот метод гарантирует устойчивость в заданной области и имеет удобную для практики геометрическую интерпретацию. Критерий абсолютной устойчивости Попова применяется для исследования устойчивости нелинейных систем с нелинейностями, ограниченными сектором. Для анализа систем, включающих секторную нелинейность, может быть также применен круговой критерий А.А. Воронова, причем данный критерий, в отличие от критерия Попова, допускает бесконечное значение угловых коэффициентов прямых, ограничивающих сектор, в котором располагается нелинейности системы.