close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовая работа по ПМ01 МДК 01.03

код для вставкиСкачать
 ВВЕДЕНИЕ
Система автоматического управления (САУ) поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаев вспомогательные для САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.) также могут быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производственного или какого-либо другого комплекса.
История техники насчитывает много ранних примеров конструкций, обладающих всеми отличительными чертами САУ (регулирование потока зерна на мельнице с т. н. "потряском", уровня воды в паровом котле машины Ползунова, 1765, и т. д.). Первой замкнутой САУ, получившей широкое техническое применение, была система автоматического регулирования с центробежным регулятором в паровой машине Уатта (1784). По мере совершенствования паровых машин, турбин и двигателей внутреннего сгорания всё более широко использовались различные механические регулирующие системы и устройства, достигшие значительного развития в конце 19 - начале 20 вв. Новый этап в А. у. характеризуется внедрением в системы регулирования и управления электронных элементов и устройств автоматики и телемеханики. Это обусловило появление высокоточных систем слежения и наведения, телеуправления и телеизмерения, системы автоматического контроля и коррекции. 50-е гг. 20 в. ознаменовались появлением сложных систем управления производственными процессами и промышленными комплексами на базе электронных управляющих вычислительных машин.
САУ классифицируются в основном по цели управления, типу контура управления и способу передачи сигналов. Первоначально перед САУ ставились задачи поддержания определённых законов изменения во времени управляемых величин. В этом классе систем различают системы автоматического регулирования (CAP), в задачу которых входит сохранение постоянными значения управляемой величины; системы программного управления, где управляемая величина изменяется по заданной программе; следящие системы, для которых программа управления заранее неизвестна. В дальнейшем цель управления стала связываться непосредственно с определёнными комплексными показателями качества, характеризующими систему (её производительность, точность воспроизведения и т. п.). К показателю качества могут предъявляться требования достижения им предельных (наибольших или наименьших) значений, для чего были разработаны адаптивные, или самоприспосабливающиеся системы. Последние различаются по способу управления: в самонастраивающихся системах меняются параметры устройства управления, пока не будут достигнуты оптимальные или близкие к оптимальным значения управляемых величин. В самоорганизующихся системах с той же целью может меняться и её структура. Наиболее широки, в принципе, возможности самообучающихся систем, улучшающих алгоритмы своего функционирования на основе анализа опыта управления. Отыскание оптимального режима в адаптивных САУ может осуществляться как с помощью автоматического поиска, так и беспоисковым образом.
Способ компенсации возмущений связан с типом контура управления системы. В разомкнутых САУ на УУ не поступают сигналы, несущие информацию о текущем состоянии управляемого объекта, либо в них измеряются и компенсируются главные из возмущений, либо управление ведётся по жёсткой программе, без анализа каких-либо факторов в процессе работы. Основной тип САУ - замкнутые, в которых осуществляется регулирование по отклонению, а цепь прохождения сигналов образует замкнутый контур, включающий объект управления и УУ. Отклонения управляемой величины от желаемых значений компенсируются воздействием через обратную связь, вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Объединение принципов управления по отклонению и по возмущению приводит к комбинированным системам. 1 Основные понятия о системах автоматического регулирования и управления
Управление - процесс на входе объекта управления, обеспечивающий такое протекание процессов на выходе объекта управления, которое обеспечивают достижение заданной цели управления.
Объект управления - система, в которой происходит подлежащий управлению процесс.
Устройство управления - совокупность устройств, с помощью которых осуществляется управление входами объекта управления.
Регулятор - преобразует ошибку регулирования ε(t) в управляющее воздействие, поступающее на объект управления.
Регулирование - частный случай управления, цель которого заключается в поддержании на заданном уровне одного или нескольких выходов объекта управления.
Задающее воздействие - определяет требуемый закон регулирования выходной величины.
Возмущающее воздействие - процесс на входе объекта управления, являющийся помехой управлению.
Обратная связь - связь, при которой на вход регулятора подаётся действительное значение выходной переменной, а также заданное значение регулируемой переменной.
Система управления - систематизированный (строго определённый) набор средств сбора сведений о подконтрольном объекте и средств воздействия на его поведение, предназначенный для достижения определённых целей. Объектом системы управления могут быть как технические объекты, так и люди. Объект системы управления может состоять из других объектов, которые могут иметь постоянную структуру взаимосвязей.
Статическая характеристика - это зависимость выходного сигнала от входного в установившемся режиме.
Динамическая характеристика - это зависимость выходной величины от входной и от времени.
Передаточная функция - это отношение лопласового изображения выходной величины к лопласовому изображению входной величины при нулевых начальных условиях.
Временная характеристика элемента - это реакция объекта на типовой сигнал на входе, чаще всего в качестве сигнала используют ступенчатое воздействие.
Амплитудно - фазочастотная характеристика - это отношение векторов выходной величины к векторам входной величины, при изменении круговой частоты от 0 до +∞.
Годограф - это график описывающий вектор, передаточной функции в комплексной плоскости.
Типовое элементарное звено - это устройство динамические свойства которого описываются дифференциальным уравнением, не выше второго порядка.
Аккумулирующая способность - это свойство объекта накапливать вещество или энергию в процессе работы.
2 Исходные данные для моделирования САР
2.1 Описание САР и ее функциональная схема
Схема, показанная на рисунке 1, представляет САР температуры в помещении. Объектом регулирования (ОР) в данной системе является помещение, регулируемая величина которого - температура внутри помещения , регулирующее (управляющее) воздействие - температура воздуха , поступающего из калорифера и возмущающее воздействие - изменения внешних факторов f (в общем случае изменение температуры атмосферного воздуха, его влажности, скорости ветра). При исследовании системы в качестве основного возмущения следует рассматривать изменение температуры окружающего воздуха.
Рисунок 1 Схема САР температуры: 1 - помещение; 2 -теплообменник (калорифер); 3 - измерительная мостовая схема; 4 - двухфазный исполнительный двигатель; 5 - дифференциальный магнитный усилитель; 6 - клапан (заслонка)
Воспринимающим органом ВО (датчиком, чувствительным элементом) в данной САР является терморезистор Rд, включенный в мостовую схему, обеспечивающую с помощью резистора R0 задание необходимого значения температуры в помещении и выполняющей также функции сравнивающего органа - СО (элемента сравнения). Усиление сигнала разбаланса (сигнала рассогласования) измерительной мостовой схемы обеспечивается посредством усилителя. Усиленный сигнал U обеспечивает вращение двухфазного исполнительного двигателя, который изменяет величину перемещения клапана (заслонки) на трубопроводе подачи пара в калорифер, чем достигается изменение температуры воздуха на выходе калорифера - регулирующего воздействия на объекте регулирования.
Значения параметров элементов САР по вариантам даны в таблице 1. Заданное значение температуры в помещении = 20±1 °С
На основе анализа работы отдельных элементов САР в целом составляется ее функциональная схема (рисунок 2) Рисунок 2 Функциональная схема САР: ЗО - задающий орган(резистор R0); ЭС - элемент сравнения(измерительный мост); УО - усилительный орган(диф. магнитный усилитель); П01, П02 - преобразующие органы 1, 2(двухфазный двигатель и калорифер); РО - регулирующий орган(клапан); ИО - исполнительный орган; ОР - объект регулирования(помещение); ВО - воспринимающий орган(терморезистор Rд)
2.2 Передаточные функции объекта, элементов САР и ее структурная схема
Динамические свойства объекта регулирования и элементов системы описываются следующими уравнениями:
Объект регулирования:
(1)
где Т0 - постоянная времени, (500с);
- значение температуры воздуха в помещении, (20±1 °С); - значение температуры воздуха на выходе калорифера, °С; k - коэффициенты передачи(0,2);
- возмущающее воздействие на объекте регулирования, (-5°С);
Датчик:
(2)
где - падение напряжения на термодатчике, В;
k1 - коэффициент передачи(0,2 В/°С);
- значение температуры воздуха в помещении, (20±1 °С);
Двигатель совместно с клапаном:
(3)
где Т2 - постоянная времени, (0,100с);
- линейное перемещение клапана, см;
k2 - коэффициент передачи(0,002см/(В*с));
U - усиленный сигнал; Калорифер:
(4)
где Т3 - постоянная времени, с;
- значение температуры воздуха на выходе калорифера, °С;
k3 - коэффициент передачи(°С/см);
- линейное перемещение клапана, см;
Сравнивающий орган:
(5)
где - напряжение на выходе мостовой схемы (сигнал рассогласования), В;
- задающий сигнал, В;
- падение напряжения на термодатчике, В;
Магнитный усилитель:
(6)
где Т4 - постоянная времени, с;
U - усиленный сигнал;
k4 - коэффициент передачи(9);
- напряжение на выходе мостовой схемы (сигнал рассогласования), В.
Передаточные функции объекта регулирования и элементов системы определяются с использованием преобразований Лапласа на основе уравнений (1), (2), (3), (4), (5), (6).
Объект регулирования имеет две входные величины и одну выходную, следовательно, он будет иметь передаточные функции по каждому каналу: по регулирующему и по возмущающему воздействию Передаточная функция по регулирующему воздействию определяется без учета возмущений.
Передаточная функция объекта регулирования по возмущению определяется при отсутствии регулирующих воздействий. Рисунок 3 Структурная схема объекта регулирования.
Аналогично определяются передаточные функции всех элементов системы.
Датчик:
Рисунок 4 Структурная схема датчика.
Двигатель совместно с клапаном:
Рисунок 5 Структурная схема двигателя совместно с клапаном
Калорифер:
Рисунок 6 Структурная схема калорифера.
Магнитный усилитель:
Рисунок 6 Структурная схема магнитного усилителя.
На основе функциональной схемы САР (рисунок 2) и найденных передаточных функций путем замены функциональных обозначений элементов их структурными обозначениями строится структурная схема системы. Рисунок 7 Структурная схема САР температуры в помещении.
3 Определение параметров заданного типового закона регулирования
3.1 Моделирование исходного варианта САР, реализующей П - закон регулирования
Моделирование системы автоматического регулирования температуры в помещении, выполняется в среде программного комплекса ПК "МВТУ", в которой используется метод структурного моделирования, базирующийся на математических моделях в виде структурных схем.
В первую очередь необходимо на основе структурной схемы исходной системы составить структурную схему моделирования, заменяя звенья системы соответствующими блоками из общей технологической библиотеки ПК "МВТУ".
Для формирования задающего воздействия используется блок "константа", а для создания возмущающего воздействия, используется блок "ступенчатое воздействие".
Рисунок 8 Структурная схема моделирования системы автоматического регулирования температуры в помещении в ПК "МВТУ"
Параметры передаточных функций исходной структурной схемы: В результате моделирования САР, в соответствии с данными таблицы 1 получен график переходного процесса.
Таблица 1 Значение параметров блоков структурной схемы
БлокПараметрЗначениеЗадающее воздействиеЗадающий сигнал20Сравнивающее устройствоОтрицательная обратная связь1 - 1Усилительный
органКоэффициент усиления0,05Постоянная времени0,5Вектор начальных условий0Исполнительный органКоэффициент усиления0,002Постоянная времени0,1Начальные условия Y(0),Y'(0)0 0Преобразующий
органКоэффициент усиления10Постоянная времени20Вектор начальных условий0Объект регулирования
(регулирование)Коэффициент усиления1Постоянная времени500Вектор начальных условий0Сравнивающее устройствоОтрицательная обратная связь1 - 1Возмущающее воздействиеВремя, OY,YK6000 0 15Объект Регулирования
(возмущение)Коэффициент усиления0,2Постоянная времени500Вектор начальных условий0Воспринимающий
органКоэффициент усиления1 Руководствуясь методикой подготовки исходных данных, выбирая метод, и задаются параметры интегрирования:
- метод интегрирования "Рунге-Кутта классический 45";
- исходя из наибольшей постоянной времени принимается первоначальное время интегрирования 10000;
- исходя из наименьшей постоянной времени , принимается первоначальное значение шага интегрирования: максимальное 0,01; минимальное 0,001;
- точность интегрирования 0,001с. Рисунок 9 График переходного процесса без учета возмущений
Рисунок 10 График переходного процесса с учетом возмущений
3.2 Расчет параметров ПИД - закона регулирования
Структурная схема принятого для коррекции САР ПИД - закона регулирования показана на рисунке 8 параметры , , , которого являются варьируемыми (настраиваемыми). Изменяя их можно добиться желаемого (заданного) процесса регулирования.
Рациональное значение данных параметров определяется с помощью эмпирического метода Циглера - Никольса.
Рисунок 11 Структурная схема ПИД - закона регулирования
Для расчета параметров ПИД - закона регулирования исходной САР и период незатухающих гармонических колебаний который определяется непосредственно по графику.
Значение этих параметров согласно результатов моделирования исходного варианта следующие: .
Для расчета параметров , , , используются формулы Циглера - Никольса применительно к ПИД - закону регулирования.
(13)
(14)
(15)
3.3 Моделирование САР, реализующей ПИД - закон регулирования
Схема моделирования ПИД - закона показана на рисунке 12
Рисунок 12 Схема моделирования ПИД - закона
В результате моделирования получен график переходного процесса ПИД - закона.
Рисунок 13 График переходного процесса ПИД - закона 3.4 Расчет показателей качества
Показатели качества определяем исходя из графика переходного процесса, показанном на рисунке 9.
График переходного процесса представляет собой колебательную кривую.
Статистическая ошибка - это разность между текущим и заданным значением выходной величины.
(16)
Динамическая ошибка - это разность между максимальным и заданным значением выходной величины.
(17)
Время регулирования - это время за которое определяется длительность переходного процесса.
Коэффициент перерегулирования - это коэффициент, характеризующий максимальное отклонение регулируемой величины.
(18)
Число колебаний.
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовом проекте решены следующие вопросы, и получены следующие результаты:
• составлена функциональная схема САР;
• определены передаточные функции объекта регулирования и элементов системы;
• составлена структурная схема исходной САР
• произведено моделирование исходной САР в среде ПК "МВТУ", в результате чего получена структурная схема системы автоматического регулирования температуры в помещении в ПК "МВТУ"
• в результате моделирования САР в ПК "МВТУ", получен график переходного процесса
• произведена оценка качества процесса регулирования и получены следующие показатели качества: статистическая ошибка ; динамическая ошибка ; время регулирования ; перерегулирование ; число колебаний Система автоматического регулирования температуры в помещении обладает хорошими показателями качества, за исключением времени регулирования , что обусловлено большим объемом объекта регулирования. ЛИТЕРАТУРА
1. Анхимюк В. Л. "Теория автоматического управления". - Мп. "Дизайн ПРО". 2002 - 352 стр. 2. Горошков Б. И. "Автоматическое управление". - М.: Издательский центр "Академия", 2003. - 304 стр. 3. Душин С. Е. "Теория автоматического управления". - М.: "Высшая школа". 2003 - 567 стр. 4. Ерофеев А. А. "Теория автоматического управления". - СПБ.: "Политехника". 2002 - 302 стр. 5. Загинайлов В. П. "Основы автоматики". - М.: "Колос". 2001 - 200 стр. 6. Карташов Б. А. "Руководство к практическим и лабораторным работам по дисциплине "Автоматическое управление"". Зерноград. 2008 - 200 стр.
7. Карташов Б. А., Привалов А. С., Самойленко В. В., Татамиров Н. И. "Компьютерные технологии и микропроцессорные средства в автоматическом управлении". - Ростов-н/Д: "Феникс", 2013 - 540 стр.
8. Шишмарев В. Ю. "Автоматика". - М.: "Академия". 2010 - 288 стр.
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
1 915
Размер файла
630 Кб
Теги
мдк, работа, курсовая, пм01
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа