Расчет основных элементов системы управления

Содержание

Введение

1.     Общие исходные требования к проекту

2.      Функциональная схема САУ

.        Построение статических характеристик устройств системы управления

.        Определение общей результирующей характеристики ДРИМ

.        Построение рабочей точки

.        Расчет динамического коэффициента

.        Определение координат рабочей точки аналитическим способом

.        Расчет динамических параметров системы

.        Определение временной функции переходного процесса

.        Определение устойчивости системы методом Ляпунова

.        Определение устойчивости методом Рауса-Гурвица

.        Исследование характеристик элементов системы управления с помощью виртуального стенда VisSim

Список литературы

Приложение

Введение

Актуальность данной курсовой работы заключается в необходимости более подробного изучения вопроса об уменьшении рабочей силы на производстве и создания нового автоматического программного обеспечения. Это становится особенно необходимо в эпоху информационных технологий для инновационного развития России. И таким образом можно сделать вывод о том, что автоматизация производства должна являться одним из приоритетных направлений модернизации нашей страны.

Автоматическая система управления - совокупность человеческих возможностей и механических средств, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом в соответствии с заданной целью.

При управлении всегда происходит преобразование одного вида энергии в другой или изменение потока энергии к объекту. При этом на самоуправление расходуется лишь незначительная часть от потока энергии, участвующей в технологическом процессе.

Развитие вычислительной техники привело к созданию больших автоматических систем для управления сложными производственными процессами и целыми отраслями промышленности.

Автоматизация производительных процессов - одно из основных направлений технологического прогресса, основа повышения производительности труда, так как позволяет увеличивать производительность технологического оборудования и работоспособность обслуживающего персонала, улучшает качество продукции, повышает безопасность работы, а так же позволяет осуществлять новые высокоинтенсивные процессы, не допустимые при ручном управлении.

Автоматизация производственных процессов развивалась по пути замены тяжелого физического труда человека работой механизмов. Механизация ручных операций на производственных предприятиях создала предпосылки для передачи технологическим регуляторам операций по управлению производственными процессами.

Автоматизация является качественно новым этапом в совершенствовании производства. Основные обязанности человека в этом случае - наблюдение за параметрами процесса и выполнение нештатных операций. Применение средств автоматизации позволяет увеличить число агрегатов и механизмов, обслуживаемых одним человеком. Основные операции, которые выполняет человек в этом процессе, включение и отключение агрегатов, а в случае возникновения нештатных ситуаций отключение регуляторов и принятие на себя функций регулирования. Для этого он пользуется средствами операционного управления механизированными приводами различных регулирующих органов, применение средств технологической защиты, блокировки и автоматического включения резервных механизмов позволяет автоматизировать и сам процесс ликвидации аварийных положений.

При автоматизации одной области промышленности возникает потребность в перестройке технологии, аппаратуры и организации в смежной области. Автоматизация приносит наибольший эффект тех случаях, когда технологии, аппаратуры и организации в смежной области.

Проведение анализа модели, т е изучение свойств и характеристик системы, определение ее работоспособности и быстродействия. Данный этап проводится с целью выявления вопроса о способности системы решать поставленную задачу. Синтез системы управления - это процесс теоретического контролирования на данном этапе оптимизируются параметры и структуры системы управления для того что бы обеспечить требуемые качества управления.

1. Общие исходные требования к проекту

Цель проекта

Закрепление знаний по курсу «автоматическое управление» и приобретение навыков по расчету основных элементов системы. Создаваемая система должна состоять из объекта управления, датчика, регулятора и исполнительного механизма. Элементы системы заданны статическими и передаточными функциями. Из предложенного набора датчиков, регуляторов, и исполнительных механизмов студент должен выбрать те, которые смогут обеспечить стабильную рабочую точку системы в статическом режиме. Для обеспечения работы системы в динамическом режиме студент должен выбрать такое дополнительное корректирующее звено, чтобы оно обеспечивало основные параметры переходного процесса в следующих пределах:

перерегулирование - 20%

затухание - 0%

колебательность - 2…3%

Общие исходные требования к проекту

В курсовом проекте должны быть выполнены следующие знания:

построить статические характеристики устройств системы управления;

определить графическим методом общую статическую характеристику цепи обратной связи - ДРИМ;

построить статические характеристики объекта регулирования и системы управления;

определить на графиках рабочую точку и угол между статическими характеристиками;

рассчитать динамический коэффициент регулирования  и определить коэффициент  для цепи обратной связи с целью выравнивания масштабов;

определить аналитическое выражение регулирующей системы ДРИМ;

по аналитическому выражению построить график статической характеристики - ДРИМ;

найти аналитическим способом рабочую точку пересечения статических характеристик ДРИМ и объекта;

выбрать передаточные функции элементов;

определить передаточную функцию системы;

найти временную функцию переходного процесса;

определить основные параметры переходного процесса;

определить два коэффициента качества системы регулирования;

построить частотные характеристики устройств: Объекта регулирования, датчика, регулятора, исполнительного механизма, ДРИМ, всей системы;

определить параметры устойчивости системы.

статический управление динамический устойчивость ляпунов

2. Функциональная схема САУ

Регулятор - предназначен для изменения величины проходов проходящих через него.

Объект управления - Это совокупность технологических устройств выполняющих данный процесс с точки зрения управления.

Корректирующие звено - это звено обеспечивает повышенное качество управления.

Датчик - это первичный преобразователь, который обеспечивает передачу информации о фактическом состоянии управления.

Исполнительный механизм - обеспечивает и преобразовывает сигнал.

3. Построение статической характеристики устройств системы управления

В соответствии с заданием курсового проекта имеем статическую характеристику объекта управления, которая описывается уравнением:

, где N=8

Статическая характеристика датчика. Она описывается следующим уравнением:

, где N=8

Статическая характеристика регулятора. Она описывается следующим уравнением:

, где N=8

Статическая характеристика исполнительного механизма.Она описывается следующим уравнением:

, где N=8

4. Определение общей результирующей характеристики ДРИМ

Для определения общей статической характеристики цепи обратной связи ДРИМ изобразим статические характеристики этих звеньев на общей плоскости (см. приложение рис.1). В первом квадранте находится статическая характеристика датчика, во втором - регулятора, в третьем - исполнительного механизма.

Для определения результирующей статической характеристики разбиваем ось Xд на равные отрезки: 0-1, 1-2, 2-3,и т.д. Из точек 3 и 4 проводим перпендикуляры до пересечения с линейной статической характеристикой датчика. Получаем точки А1,В1. Из этих точек проводим горизонтали до пересечения с линейной статической характеристикой регулятора в точках А2, В2 и т.д. Из этих точек опускаем перпендикуляры горизонтальное положение оси Хр меняем на вертикальное. Из новых точек проводятся горизонтали до пересечения с соответствующими перпендикулярами в точках А3,В3 и т.д.Соединяя эти точки, получим результирующую статическую характеристику обратной связи - ДРИМ.

(3;1,9) B1 (4;0,9)(1,9;1,6) B2 (0,9;3)(1,6;0,2) B3 (3;0,4)р (3;0,2) Bр (4;0,4)

5. Построение рабочей точки

Для определения взаимосвязи между статическими характеристиками объекта и ДРИМ изображаю их в одной системе координат. В результате эти две статические характеристики пересекаются в точке А (рис.2). Эта точка называется рабочей. Угол пересечения этих двух статических характеристик равен 32 градуса.

Из теории автоматического управления известно, что если угол при пересечении этих двух статических характеристик равен 90 градусам или близок к нему, то система имеет максимальную стабильность.

Если угол находиться в пределах от 60 до 90 градусов, то стабильность считается хорошей и применяется на практике.

Если в пределах от 30 до 60 градусов, то система с удовлетворительной стабильностью. Если от 0 до 30 градусов - плохая стабильность и на практике не применяется.

Координаты рабочей точки А(3,2; 0,22)

6. Расчет динамического коэффициента

Для расчёта динамического коэффициента регулирования нужно обратиться к рис. 2. На этом рисунке по одной из характеристик определяется возможный диапазон изменений входного параметра. Фиксируем две точки этого диапазона. Далее эти две точки переносятся на вторую статическую характеристику, и с помощью этой характеристики определяем диапазон изменения выходного параметра. В результате по статической характеристики ДРИМ 3.5 , по статической характеристики объекта 0.28

Подставляем эти значения в выражение =0.28/3.5=0.08

К=12.5 12.5*0.08=1

7. Определение координат рабочей точки аналитическим способом

Исходные данные:

 - уравнение для объекта управления;

 - уравнение для датчика;

 - уравнение для регулятора;

 - уравнение для исполнительного механизма.

Подставим уравнение датчика в уравнение для регулятора. Регулирующее уравнение подставим в уравнение для исполнительного механизма.

Yдрим=0.32/4.9-x

Yоу=0.07x

.32/4.9-x=0.07x

x=3.42

y=0.22

Координаты рабочей точки: А(3,42;0.22)

8. Расчет динамических параметров системы

Исходные данные:

 - передаточная функция объекта управления;

 - передаточная функция датчика;

 - передаточная функция регулятора;

 - передаточная функция исполнительного механизма;

Для определения передаточной функции обратной связи необходимо воспользоваться формулой:

Wо.c.=Wд(p)Wр(p)Wи.м.(p)

Для определения передаточной функции системы воспользуемся выражением:

9. Определение временной функции переходного процесса

Для нахождения временной функции переходного процесса необходимо упростить выражение:

Целесообразно исключить из выражения передаточной функции в числителе

 , а в знаменателе  . Для дальнейших исследований функция будет иметь вид:

Находим корни уравнения

Сократим выражение

P1= -0.43= -0.03

Для определения переходной функции представим общее выражение в виде двух слагаемых: , где P1 и P2 - значение корней характеристического уравнения.

B= -104.7

A= 178.6

Для определения функции времени необходимо воспользоваться обратным преобразованием Лапласа:

Преобразуем это выражение к виду:

(t)=178.6exp(0.43) - 104.7exp(0.03)=73.9exp(0.46)

10. Определение устойчивости системы методом Ляпунова

Устойчивость системы можно определить двумя способами:

По положению корней характеристического уравнения P1 и P2 из уравнения

= -0.43= -0.03

По критерию Ляпунова, если два значения находятся в отрицательной плоскости относительно оси Im, система устойчива.

Следовательно, система устойчива.

11. Определение устойчивости методом Рауса-Гурвица

Для определения воспользуемся выражением передаточной функции всей системы:

Т.к. 76.4>0 то исследуемая система является устойчивой.

12. Исследование характеристик элементов системы управления с помощью виртуального стенда VisSim

Данный этап курсового проекта позволяет определить свойства и характеристики проектируемой системы управления.

Виртуальная модель системы позволяет с помощью графического интерфейса программы получить график переходного процесса каждого звена и всей системы в комплексе. Для решения вопроса по исследованию звеньев буду использовать следующие виды генераторов:

Генератор постоянного сигнала;

генератор ступенчатого сигнала;

генератор линейно растущего сигнала;

генератор синусоидального сигнала.

В качестве преобразователя на схеме будет звено САУ заданного в курсовом проекте. Преобразователь имеет вход для поступления сигнала и один выход, который обеспечивает передачу сигнала в цепь. Третьим элементом виртуального стенда в курсовом проекте является индикатор, который отображает сигнал в форме удобной для исследователя.

Исследование корректирующего звена при различных видах сигналов на входе.

Исследование датчика при различных видах сигналов на входе.

Исследование регулятора при различных видах сигналов на входе.

Исследование исполнительного механизма при различных видах сигналов на входе.

Исследование объекта управления при различных видах сигналов на входе.

Исследование САУ

Список литературы

1. Горшков Б.И. «Автоматическое управление». М.: Издательский центр «Академия», 2003г.

. Соломенцев Ю.М. «Теория автоматического управления», М.: машиностроение,2001 г.

. Практикум по теории управления в среде MATLAB, учебное пособие, Москва 2001 г.

. Б.В. Шандаров, А.А. Шапарин, А.Д. Чудаков. Автоматизация производства (металлообработка). М. Учебник.

. А.П. Белоусов, А.И. Дащенко «Основы автоматизации производства в машиностроении». Издательство «Высшая школа».

. В.С. Терган, И.Н. Андреев, Б.С. Либерман «Основы автоматизации производства». Москва «Машиностроение».

. Н.Н. Иващенко. Автоматическое регулирование.

. В.В. Черенков. Промышленные приборы и средства автоматизации.

. С.Н. Головенков, С.В. Сироткин. Основы автоматики и автоматического регулирования. М.Машиностроение 1987г.

Приложение

Справочные данные элементов системы

Регуляторы

Датчики

Исполнительные механизмы