ТЕМА 1. Система автоматического регулирования температуры   

Методические указания

к курсовому проекту по дисциплине

²ЛОКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ²

 

Санкт-Петербург

2002

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой дисциплины "Локальные системы управления" учебного плана специальности 210100 “Управление и информатика в технических системах” для студентов дневной и вечерней форм обучения.

Целью курсового проектирования является приобретение практических навыков расчета и компьютерного моделирования типовых локальных систем автоматического управления (САУ). В качестве примеров использованы системы промышленной автоматики с типовыми регуляторами, следящие системы воспроизведения углового перемещения и управления скоростью вращения вала электродвигателя, цифровая система программного управления, автоматическая система регулирования скорости электропривода, комбинированная следящая система − всего 10 тем.

Курсовой проект выполняется в два этапа.

На первом этапе (1-5 недели) на практических занятиях и самостоятельно выполняется предварительный расчет САУ, включающий в себя:  

− составление в соответствии с предлагаемыми темами (см. ПРИЛО-ЖЕНИЕ) структурных схем объекта и замкнутой САУ и предварительный расчет параметров настройки САУ по заданным показателям качества с использованием рекомендованной методики расчета;  

− составление программной модели исследуемой системы с примене-нием элементов SIMULINK пакета программ MATLAB^®. В качестве начальных условий и параметров модели используются данные предварительного расчета.

На втором этапе (6-12 недели) выполняется компьютерное моделирование локальной системы, исследуются ее динамические свойства при входных управляющих и возмущающих воздействиях, оценивается влияние малых изменений параметров объекта регулирования относительно расчетных значений и уточняются параметры настроек регулятора или корректирующего устройства ( “вторичная” оптимизация ЛСУ).

 

   

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

К ПРЕДВАРИТЕЛЬНОМУ РАСЧЕТУ

 

В заданиях на расчет приводятся функциональные схемы объектов и систем регулирования. Для элементов, образующих замкнутый контур регулирования, заданы передаточные функции (ПФ) и примерные диапазоны значений параметров ПФ.

Предварительный расчет локальной САУ включает в себя:

а) составление расчетной структурной схемы объекта регулирования (ОР) с включением в нее регулирующего органа (РО), датчика, измерительного преобразователя, модели возмущения и с учетом нелинейной статической характеристики одного из устройств системы;  

б) расчет параметров ПФ изменяемой части ЛСУ, к которой относятся: типовой регулятор в темах 1- 5; регулятор скорости и тока в теме 9; электронный усилитель (ЭУ) с корректирующей RC- цепью в следящей системе (СС) (тема 6); усилитель постоянного тока (УПТ) и корректирующее устройство (КУ) в местной отрицательной обратной связи в следящей системе (тема 7); компенсирующий контур комбинированной следящей системы (тема 10); регулятор положения (РП) и скорости (РС) в цифровой системе программного управления (тема 8).

Предварительный расчет выполняется по усмотрению студента с применением любой из методик  теория управления.

          

Исходные данные для расчета

 

1. В темах 1-5 принять передаточную функцию ОУ по возмущению           

где

2. В структурных схемах САУ в темах 6,7 и 10 предусмотреть звено  отражающее влияние изменения момента  (возмущения) на регулируемую величину скорость .При расчете и моделировании принять в темах 6,7 и 10:

                    

где постоянная времени якорной цепи ИД; электромеханичес-кая постоянная времени ИД, величина которой пропорциональна моменту инерции на валу двигателя с учетом моментов инерции двигателя и нагрузки с редуктором. Значения постоянных времени  и выбирать из диапазонов: 0,01  [c]; 0,05 [c] при / .

3. При расчете и моделировании СС принять изменение от 0 (отсутствие нагрузки) до 1 (номинальная нагрузка), т.е. возмущение  соответствует единичной ступенчатой функции.  

 4. Допустимое значение ошибки воспроизведения входного воздейст-                                                                                               

вия ограничить значением .

5. При моделировании СС в теме 7 с корректирующим звеном принять коэффициент связи . Коэффициент связи учитывает связь тока якорной цепи ИД с напряжением  на сопротивлении  функциональной схемы СС управления скоростью.

6. При моделировании ЛСУ с учетом нелинейности одного из ее устройств принять статическую характеристику НЭ в виде характеристики усилителя с зоной нечувствительности , насыщением и коэффициентом усиления в зоне линейности  k = 1. Значение  где максимальное значение сигнала на входе ЭМУ.

7. При составлении структурной схемы цифровой системы в теме 8 необходимо использовать эквивалентное представление внешне го цифрового контура (главная отрицательная обратная связь системы) непрерывными (аналоговыми) звеньями. Поэтому цифровые устройства на функциональной схеме в задании: импульсный реверсивный датчик положения (ДОС), логическая схема формирования им пульсов отработки (СФИО) углового перемещения  (выход системы), схема синхронизации (СС) и реверсивный счетчик (РСч), образующие элемент сравнения системы и преобразователь кода (последовательности импульсов ) в аналоговый сигнал (напряжение постоянного тока ) представляются непрерывными звеньями главной обратной связи с передаточными функциями соответственно  (ДОС вместе с СФИО); . Элемент сравнения, образованный соединением СС и РСч, имеет коэффициент передачи, равный единице.         

8. В задании темы 9 тиристорный преобразователь (ТП) описан непрерывной передаточной функцией, как и вся система в целом. При моделировании необходимо учесть влияние ограничения сигнала на выходе регулятора скорости.

9. Расчет параметров настроек типовых регуляторов в темах 1- 5 проводится с использованием прямых показателей качества:  и метода логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ). Предварительный расчет САУ сводится к выбору параметров ЛЧХ регулятора для известных ЛЧХ остальных звеньев с тем, чтобы обеспечить принятые показатели качества.    

 10. Для расчета СС в теме 6  рекомендуется использовать метод эквивалентного гармонического воздействия . В этом случае значение максимальной ошибки воспроизведения углового перемещения , максимальные значения производных (скорости и ускорения)  выбрать из диапазонов:

 Максимальное значение углового перемещения  принять при расчете

11. В теме 7 принять при расчете низкочастотной части ЛАЧХ: 10 1500 [об/мин]; ошибку стабилизации  [об/мин]; относительную ошибку стабилизации без регулятора , с регу-лятором

12. Расчет параметров регуляторов электроприводов (темы 8,9) реко-мендуется осуществлять по методу настройки на оптимум по модулю (ОМ).

13. Для расчета структуры и параметров компенсирующего канала ком-бинированной следящей системы (тема 10) целесообразно использовать ме-

тод эквивалентной передаточной функции и расчет параметров ЭПФ провести по ЛЧХ из условий точности в установившемся и переходном режимах.

 Результатом предварительного расчета считается полная структур-ная схема системы с передаточными функциями и их параметрами, включая звено, моделирующее нелинейность одного из устройств системы, и звено передачи эквивалентного возмущения f(t) с передаточной функцией

   

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

К КОМПЬЮТЕРНОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ

Основными задачами моделирования являются:

 

1.Определение основных характеристик линейной САУ (без учета НЭ) по задающему g(t) и возмущающему f(t) воздействиям: переходных функций h(t); переходных ошибок по заданию и возмущению ); косвенных показателей качества; чувствительности системы к изменениям параметров ОР.

2. Оптимизация параметров настраиваемых элементов САУ.

3. Оценка влияния нелинейности одного из устройств моделируемой системы и ее параметров на показатели качества.                                                

4. Анализ результатов расчета и моделирования с представлением письменного отчета.

          

Содержание программы моделирования     

 

1. Составление полной программной модели исследуемой системы.

2. Редактирование программы, выявление ошибок и корректировка.

3. Моделирование линейной модели системы (в модели НЭ заменяется на линейное усилительное звено с коэффициентом передачи  k = 1):

 а) запуск системы по входному воздействию (ступенчатое, линейно нарастающее), просмотр переходных процессов , y(t), сигнала  на входе НЭ и определение максимальных уровней  анализ результатов на соответствие расчетному режиму работы и выявление причины несоответствия, если таковые наблюдаются;                           

б) изменение настраиваемых параметров относительно расчетных значений с просмотром прямых показателей качества переходных процессов, в результате чего выбрать лучший вариант параметров настройки и зафиксировать значения

в) качественная оценка чувствительности системы по п. б к скачкообразным изменениям параметров ОУ относительно расчетных значений на  Изменения производить последовательно для параметров во время переходных процессов. Проанализировать результаты оценки чувствительности;     

г) моделирование системы по п. б) при возбуждении ее ступенчатым возмущающим воздействием и оценка показателей качества.

4. Моделирование системы с учетом НЭ предусматривает:     

а) введение в моделируемую линейную систему взамен линейного звена с k =1 нелинейного звена типа "насыщение" с величиной зоны нечувствительности и величиной сигнала на входе, вызывающего насыщение

б) оценку влияния НЭ на переходные процессы по входному и воз-мущающему воздействиям в сравнении с линейной системой.

 Примечание. В процессе моделирования зафиксировать графики и параметры переходных процессов. 

        

Список рекомендованной литературы для выполнения

предварительного расчета

    

1. Расчет автоматических систем: Учеб. пособие для вузов//Под ред. А.В.Фатеева. М.: Высш. шк., 1973. Гл. 3,4,7.     

2.Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электро-приводами:Учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоиздат, 1982. П. 1.3, 2.2, 7.4.     

3.Основы проектирования следящих систем // Под ред. Н.А. Лакоты. М.: Машиностроение, 1978. Гл.6.

4. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник // В.Я. Баранов, Т.Х. Безновская, В.А. Бек и др.; Под общ. ред. В.В. Черенкова. Л.: Машиностроение, 1987. 847 с.

5. Коновалов Л.И., Петелин Д.П. Элементы и устройства электроавтоматики. Изд. 2-е. М.: Высш. школа, 1985. 216 с. 

                                                                                               

    

ПРИЛОЖЕНИЕ

                           Темы заданий

ТЕМА 1. Система автоматического регулирования температуры   

             воды на выходе теплообменника в тепломагистрали

Описание системы.

 

Регулируемая величина y: температура воды ,°C. Регулирующее воздействие: расход холодной воды Q [м³/с]. Информация о температуре воды на выходе теплообменника ТО (поз. a на рис. П.1.1) поступает от термопары ТТ. Изменение расхода воды  осуществляется регулирующим вентилем РВ (регулирующий орган (РО)) и электропневматическим серводвигателем EPS (исполнительное устройство (ИУ)).

                                              

                                         Рис. П.1.1.

 

Требуется рассчитать устройство регулирования с индикацией регулируемой рис. П.1.1 величины y (на рис. П.1.1 обозначение TIC).

 Функциональная схема системы регулирования с индикацией  изображена на рис.П.1.1, поз. б. Сигнал от термопары 001 через измерительный компенсационный мост 002 и измерительный преобразователь 010, где слабый сигнал от 001 преобразуется в унифицированный токовый сигнал , поступает на вход регулятора 050 и на показывающий прибор (индикатор) 031. Регулятор формирует сигнал управления U  и через серводвигатель 060 и регулирующий вентиль 070 изменяет расход Q холодной воды. Преобразователь 010 и регулятор 050 питаются от трансформатора 011.

    

Исходные данные для расчета системы приведены в табл.П.1.1

          

Таблица П.1.1.

 

	000	Теплообменник  (ОР)		2 ,5 £ £ 10,0 ]  [c]  [c]
	001	Термопара (ТП)		[мВ/ ]  [c]
	002	Измерительный мост
	010	Измерительный преобразователь
	050	Регулятор	ПИ-регулятор ПИД-регулятор	[c]
	060	Электропнев- матический серводвигатель		[ мм/мА ]
	070	Регулирующий вентиль (РВ)		[ мм ]