САУ_лабораторные

УДК 681.51

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор кафедры естественнонаучных дисциплин, менеджмента и сервиса Магнитогорского филиала НОУ ВПО «Московский социально-психологический университет»

О.С. Логунова

Кандидат технических наук, директор

ООО Научно-производственный центр «УРАЛ»

У.Т. Ахметов

Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Рябчикова Е.С., Обухова Т.Г.

Интеллектуальные системы управления [Электронный ресурс]: Лабораторный практикум. Борис Николаевич Парсункин, Сергей Михайлович Андреев, Елена Сергеевна Рябчикова, Татьяна Геннадьевна Обухова; ФГБОУ ВПО «МГТУ». – Электрон. текстовые дан. (9 Мб). Магнитогорск: ФГБОУ ВПО МГТУ, 2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-R). – Систем. требования: IBM PC любой, более 1 GHz; 512 МБ RAM; 10 Мб HDD; МS Windows XP и выше; Adobe Reader 7.0 и выше; CD/DVD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с контейнера.

Электронный образовательный ресурс предназначен для изучения практических вопросов идентификации объектов управления на реальных физических стендах, имитирующих работу промышленных стабилизирующих контуров автоматического регулирования. Лабораторный практикум включает в себя семь лабораторных работ по идентификации динамических параметров объектов управления на основании экспериментальных динамических характеристик.

Образовательный ресурс предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 220400 – Управление в технических системах, 220200 – Автоматизация и управление, специальности 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств при изучении дисциплины: «Системы автоматизации и управления». Образовательный ресурс может быть полезным специалистам, работающим в области автоматизации и оптимизации управления технологическими процессами в промышленном производстве.

УДК 681.51

© Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Рябчикова Е.С., Обухова Т.Г. 2013.

© ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2013.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цикл лабораторного практикума по дисциплине «Системы автоматизации и управления» позволяет изучить практические вопросы идентификации объектов управления. Лабораторный практикум предназначен для студентов специальности 220301 и направлений 220200 и 220400. При изучении материала в качестве примеров используются реальные данные по режимам работы объектов и систем автоматического управления агрегатами промышленных производств.

Лабораторный практикум включает в себя семь работ по идентификации динамических параметров объектов управления на основании экспериментальных динамических характеристик, полученных на реальных физических стендах.

Для каждой лабораторной работы представлен необходимый для понимания процесса исследования теоретический материал и порядок выполнения работы, порядок оформления отчета, список вопросов для самостоятельной подготовки. Благодаря чему, подготовку к выполнению и защите лабораторных работ, оформление отчета можно выполнять самостоятельно и студентам заочного отделения.

Для более углубленного изучения материала приведены приложения, содержащие тексты программ, необходимых для выполнения работ.

4

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум предназначен для выполнения работ, когда учебная группа разбивается на бригады по 2-3 человека и на различных физических стендах выполняет работу по экспериментальному определению параметров объекта управления.

В практикуме изложены простые инженерные методы взаимного преобразования одного вида динамических характеристик в другой. Все излагаемые методы доведены до практической реализации в процессе выполнения лабораторного практикума на реальных объектах с использованием технических средств управления.

Применяемые методы обеспечены рабочими программами для ПЭВМ, что позволяет решать задачи определения динамических параметров управляемых процессов на современном уровне. Основной задачей практикума является получение устойчивых навыков в квалифицированном определении динамических параметров объекта и взаимном преобразовании различных видов динамических характеристик. Серьезное внимание уделено оценке погрешности используемых методов и проверке достоверности полученных экспериментальным путем результатов.

Используемая и рекомендуемая методика проведения лабораторного практикума на стендах, представляющих стабилизирующие контура автоматического управления, позволяет получить практические навыки исследования динамических свойств объектов управления.

Наличие теоретического вступления и компактное изложение материала не требует использования дополнительной литературы. Объем экспериментальной части по каждой теме рассчитан ориентировочно на 40-50 мин в соответствии с указанным порядком выполнения работы. За оставшиеся 40-50 мин студент должен занести полученные данные в таблицу наблюдений, произвести необходимые расчеты, построить требуемые зависимости и сделать соответствующие выводы.

Оформление отчета по каждой теме осуществляется индивидуально каждым обучаемым в процессе самостоятельной работы по полученным экспериментальным данным и в соответствии с указанными требованиями по представляемым материалам (пункт «Содержание отчета»).

Проверка усвоенного информационного объема знаний осуществляется в процессе «защиты» полученных результатов путем ответа на поставленные вопросы, примерный перечень которых приведен в конце каждой темы.

Предварительную подготовку к выполнению следующей темы лабораторного практикума студент осуществляет самостоятельно перед получением допуска к работе по теме.

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ КРИВОЙ РАЗГОНА

Цель работы: изучить устройство системы автоматического регулирования, изучить метод экстраполяции кривой разгона объекта управления.

1. Методика экстраполяции

Если на многоемкостном статическом объекте в процессе экспериментального определения кривой разгона по техническим условиям не было достигнуто установившееся состояние исследуемого параметра, то незафиксированную часть кривой разгона можно восстановить методом экстраполяции. Это возможно в том случае, если успели получить начальную часть траектории кривой разгона с прохождением зоны максимальной скорости изменения выходной величины, иначе говоря, скорость изменения выходной величины стала уменьшаться.

Экстраполяция подразумевает распространение полученных данных на оставшуюся часть кривой разгона, не подвергнутую наблюдению. Графический метод экстраполяции кривой разгона удобно выполнять по следующему алгоритму:

1) На экспериментально зафиксированном участке кривой разгона выбирают две произвольные точки А1 и А2, см. рис. 1. Затем для равных отрезков времени Δτ определяют соответствующие приращения выходного сигнала ΔY1 и Y2.

2)В точке максимальной скорости изменения выходной величины (это точка перегиба М) проводят касательную к траектории изменения Y(t).

3)Для имеющейся части кривой разгона определяют кажущееся значение постоянной

времени ТК, как интервал времени от пересечения касательной с осью абсцисс в точке К до максимального полученного значения по кривой разгона Ymax (абсцисса точки А3).

6

4)От точки К вдоль оси времени откладывают промежуток КЕ, равный (3…4)ТК. Продолжительность интервала КЕ в этом случае гарантирует установление равновесного состояния в объекте управления (ОУ).

5)Из точки Е проводят перпендикуляр к оси абсцисс и на эту линию проектируют ординаты точек А1 и А2.

6) На линии проекции А1В1 откладывают отрезок равный Y1, а на линии А2В2 отрезок равный Y2, получая соответственно точки С1 и С2.

7)Через точки С1 и С2 проводят линию DF до пересечения с линией ЕЕ΄. Отрезок ЕF определяет новое установившееся значение выходной величины Y2.

8)В соответствии с рис. 1 достраивают (пунктирная линия) кривую разгона и опреде-

ляют истинное значение постоянной времени ОУ ТО, как интервал времени от точки К до абсциссы точки N.

2. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой систему автоматического регулирования (САР) температуры. В качестве регулируемого параметра используется температура нагревательного элемента, представляющего собой фарфоровую трубку, на которую намотана нихромовая спираль.

Питание спирали нагревателя и всей установки в целом осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В. Нагревательная печь охлаждается потоком воздуха от пылесоса. Производительность пылесоса определяется напряжением питания, которое меняется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа). Движок ЛАТРа механически связан с валом двигателя исполнительного механизма (ИМ) типа МЭО 2/120.

Чем больше напряжение питания, тем выше производительность пылесоса и тем меньше температура внутри нагревательной печи. В качестве датчика температуры используется термоэлектрический преобразователь градуировки ХК, расположенный внутри фарфоровой трубки толщиной 1-1,5 мм.

Для улучшения качества регулирования шкала прибора расширена путем включения в цепь сигнала батареи, состоящей из двух термопар. В качестве вторичного прибора используется автоматический потенциометр КСП-3 с пределом измерений 1100 °С. Заданное значение температуры устанавливается с помощью реостатного задатчика, встроенного в КСП-3.

Сигнал, пропорциональный отклонению регулируемого параметра от задания, снимется с реостатного датчика. Датчик питается напряжением переменного тока от измерительного блока регулятора РПИБ. Регулирующий прибор РПИБ с помощью реверсивного магнитного пускателя МКР-0-62 управляет движением ИМ.

Положение выходного вала ИМ в процентах от максимального хода фиксируется милливольтметром, выполняющим роль дистанционного указателя положения (ДУП) вала ИМ. Сигнал на милливольтметр снимается с реостата обратной связи.

Питание реостата осуществляется от измерительного блока регулятора через выпрямитель, собранный по мостовой схеме. Выходной вал ИМ жестко соединен с движком автотрансформатора, питающего пылесос, с помощью которого изменяется расход вентилирующего воздуха.

Выбор способа управления ИМ «автоматический» – «дистанционный» («ручной») осуществляется с помощью универсального переключателя УП-1. Изменение направления движения ИМ «больше» – «меньше» при дистанционном управлении осуществляется с помощью переключателя УП-2.

7

3.Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с описанием лабораторной установки.

2.Установить универсальный переключатель УП-3 в положение «включено». О наличии напряжения питания в лабораторном стенде можно судить по сигнальной лампе.

3.Включить вентилятор подачи воздуха (включение производит лаборант или преподаватель). ПереключательУП-1 установить в положение «ручное». С помощью УП-2 установить ИМ в крайнее левое положение на 0% и дождаться установления показаний температуры на КСП-3.

4.Снять статическую характеристику ОУ. Переключателем УП-2 установить ИМ на 10% и дождаться установления показаний температуры, записать показания в журнал наблюдений (выдержка времени не менее 3-5 мин.). Повторить измерения для 20, 30, 40, …, 100% положения вала ИМ.

5.По полученным данным построить статическую характеристику ОУ в координатах:

Х– проценты хода вала ИМ, %; Y – температура нагревателя, °С.

6.Снять кривую разгона ОУ. Для этого положения вала ИМ установить на 50% открытия, дождаться установившихся показаний по КСП-3. Записать значения входной и выходной величины в журнал наблюдений. Быстро изменить угол поворота вала ИМ на 10-15% по ДУП. Записывать показания вторичного прибора через каждые 5-10с до момента установления нового значения температуры.

7.По полученным данным построить кривую разгона ОУ, определить параметры объ-

екта: коэффициент передачи KОБ, время запаздывания τЗ, постоянную времени ТО, см. л.р. №2.

8.Выбрать произвольно точку на кривой разгона за точкой перегиба и экстраполиро-

вать кривую разгона согласно приведенной выше инструкции, определить параметры объекта по экстраполированной кривой KОБ*, ТО*.

9.Сравнить параметры ОУ определенные по экспериментальной и экстраполированной кривым разгона. Оценить погрешность экстраполяции по абсолютной и относительной погрешности определения динамических параметров объекта. За истинные значения принять параметры, полученные по экспериментальной кривой разгона. Например:

4.Содержание отчета

1.Описание порядка экстраполяции экспериментальной кривой разгона.

2.Экспериментальные данные и график экспериментальной статической характеристики объекта.

3.Экспериментальные данные и график кривой разгона объекта.

4.График экстраполированной кривой разгона ОУ, для построения которого используется часть экспериментальной кривой.

5.Расчет и определение параметров ОУ по обоим кривым разгона.

6.Расчет величин абсолютной и относительной погрешности метода.

7.Выводы о точности используемого метода.

8

5.Вопросы для самостоятельной подготовки

1.Как экспериментально снять кривую разгона объекта?

2.Почему при экстраполяции кривой разгона предполагается, что переходный процесс закончится за время равное (3…4)ТО?

3.Как физически реализован объект управления?

4.Постройте кривую разгона ОУ со следующими параметрами ТО=10 с, τЗ=2 с.

5.В чем заключаются недостатки метода экстраполяции?

9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ

ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ КРИВОЙ РАЗГОНА ДЛЯ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ С САМОВЫРАВНИВАНИЕМ

Цель работы: экспериментальное исследование кривой разгона объекта и определение коэффициентов дифференциального уравнения ОУ по кривой разгона.

1. Обоснование метода

Поведение САУ или любого её звена в динамических режимах описывается уравнением динамики. В большинстве случаев уравнение динамики оказывается нелинейным. Для упрощения нелинейные уравнения заменяют линейными, которые приблизительно описывают динамические процессы в САУ вблизи номинальных значений входных и выходных величин. Получаемая при этом точность уравнений оказывается достаточной для решения задач управления. Процесс преобразования нелинейных уравнений в линейные называется линеаризацией уравнений динамики.

Исходными данными для составления дифференциальных уравнений являются математические выражения физических законов, определяющих неустановившийся процесс в ОУ или же статистические зависимости между выходными и входными величинами.

Если кривая разгона представляет собой экспоненту или близка к ней, то такие промышленные объекты можно рассматривать как объекты перового порядка. В этом случае переходные процессы в ОУ описываются дифференциальным уравнением I порядка:

Коэффициенты уравнения а0 и а1 могут быть определены по динамическим параметрам полученным из кривой разгона: коэффициенту передачи ОУ и постоянной времени ТО:

Уравнение объекта первого порядка обычно записывают в виде:

Если экспериментальная кривая разгона имеет S-образный вид (с точкой перегиба), то такие объекты можно представить дифференциальным уравнением II порядка:

10