Реферат по предмету "Теория систем управления"

Узнать цену реферата по вашей теме


Анализ и синтез одноконтурной системы автоматического регулирования

Содержание:
Содержание
2
Введение
3
1.
Общая часть
1.1.
Основные понятия
6
1.2.
Описание исходной схемы автоматического регулирования
9
1.3. Разработка функциональной схемы САР
13
2.
Расчетная часть
2.1.
Параметрический синтез и анализ одноконтурной САР
14
2.1.1.
Оценка возможности статического регулирования
15
2.1.2.
Оценка возможности астатического регулирования
20
2.1.3.
Исследование качества одноконтурной САР
22
3.
Разработка контура регулирования заданным параметром
25
Заключение
27
Список используемой литературы
28

Введение
Современнаятеория автоматического регулирования является основной частью теорииуправления. Система автоматического регулирования состоит из регулируемогообъекта и элементов управления, которые воздействуют на объект при измененииодной или нескольких регулируемых переменных. Под влиянием входных сигналов(управления или возмущения), изменяются регулируемые  переменные. Цель  же  регулирования заключается  в формировании таких законов, при которыхвыходные регулируемые переменные мало отличались бы от требуемых значений.Решение данной задачи во многих случаях осложняется наличием случайныхвозмущений (помех). При этом необходимо выбирать такой закон регулирования, прикотором сигналы управления проходили бы через систему с малыми искажениями, асигналы шума практически не пропускались.
Теорияавтоматического регулирования прошла значительный путь своего развития. Наначальном этапе были созданы методы анализа устойчивости, качества и точностирегулирования непрерывных линейных систем. Затем получили развитие методы анализадискретных и дискретно-непрерывных систем. Можно отметить, что способы расчетанепрерывных систем базируются на частотных методах, а расчета дискретных и дискретно-непрерывных— на методах z-преобразования.
Внастоящее время развиваются методы анализа нелинейных систем автоматическогорегулирования. Нарушение принципа суперпозиции в не­линейных системах, наличиецелого ряда чередующихся (в зависимости от воздействия) режимов устойчивого, неустойчивогодвижений и автоколебаний затрудняют их анализ. Еще с большими трудностямивстречается проектировщик при расчете экстремальных и самонастраивающихсясистем регулирования.
Кактеория автоматического регулирования, так и теория управления входят в наукупод общим названием «техническая кибернетика», которая в настоящее время получилазначительное развитие. Техническая кибернетика изучает общие закономерностисложных динамических систем управления технологическими и производственными процессами.Техническая кибернетика, автоматическое управление и автоматическое регулированиеразвиваются по двум основным направлениям: первое связано с постояннымпрогрессом и совершенствованием конструкции элементов и технологии ихизготовления; второе — с наиболее рациональным использованием этих элементовили их групп, что составляет задачу проектирования систем.
Проектированиесистем автоматического регулирования можно вести двумя путями: методом анализа,когда при заранее выбранной структуре системы (расчетным путем илимоделированием) определяют ее параметры;
методомсинтеза, когда по требованиям, к системе сразу же выбирают
наилучшуюее структуру и параметры. Оба эти способа получили широкое практическоеприменение и поэтому достаточно полно освещены в настоящей книге.
Определение параметров системы, когда известна ее структура итребо­вания на всю систему в целом, относится к задаче синтеза. Решение этойзадачи при линейном объекте регулирования можно найти, используя, например, частотныеметоды, способ корневого годографа или изучая траектории корней характеристическогоуравнения замкнутой системы. Выбор корректирующего устройства методом синтеза вклассе дробно-рациональных функций комплексного переменного можно выполнить спомощью графоаналитических методов. Эти же методы позволяют синтезироватькорректирующие устройства, подавляющие автоколебательные и неустойчивыепериодические режимы в нелинейных системах.
Дальнейшееразвитие методы синтеза получили на основе принципов максимума и динамическогопрограммирования, когда определяется опти­мальный с точки зрения заданногокритерия качества закон регулирования, обеспечивающий верхний предел качествасистемы, к которому необходимо стремиться при ее проектировании. Однако решениеэтой задачи практически не всегда возможно из-за сложности математического описанияфизических процессов в системе, невозможности решения самой задачи оптимизациии трудностей технической реализации найденного нелинейного закона регулирования. Необходимо отметить, что реализациясложных законов регулирования возможна лишь при включении цифровойвычислительной машины в контур системы. Создание экстремальных и самонастраивающихсясистем также связано с применением аналоговых или цифровых вычисли­тельныхмашин.
Формированиесистем автоматического регулирования, как правило, выполняют на основеаналитических методов анализа или синтеза. На этом этапе проектирования системрегулирования на основе принятые допущений составляют математическую модель системыи выбирают предварительную ее структуру. В зависимости от типа модели (линейнаяили нелинейная) выбирают метод расчета для определения параметров, обеспечивающихзаданные показатели устойчивости, точности и качества. После этого уточняютматематическую модель и с использованием средств математического моделированияопределяют динамические процессы в системе. При действии различных входныхсигналов снимают частотные характеристики и сравнивают с расчетными. Затемокончательно устанавливают запасы устойчивости системы по фазе и модулю инаходят основные показатели качества.
Далее,задавая на модель типовые управляющие воздействия; снимают характеристикиточности. На основании математического моделирования составляют техническиетребования на аппаратуру системы. Из изготовленной аппаратуры собирают регулятори передают его на полунатурное моделирование, при котором объект регулированиянабирают в виде математической модели.
По полученным в результатеполунатурного моделирования характе­ристикам принимают решение о пригодностиработы регулятора с реальным объектом регулирования. Окончательный выборпараметров регулятора и его настройка выполняют в натурных условиях при опытнойотработке системы регулирования.
Развитие теорииавтоматического регулирования на основе уравнений состояния и z-преобразований,принципа максимума и метода динамического программирования   совершенствует   методику  проектирования   систем регулированияи позволяет создавать высокоэффективные автоматические системы для самыхразличных отраслей народного хозяйства. Полученные таким образом системыавтоматического регулирования обеспечивают высокое качество выпускаемойпродукции, снижают ее себестоимость и увеличивают производительность труда.

1. Общаячасть.
1.1. Основныепонятия
Преобразованиевходного сигнала системы (управляющеговоздействия) в выходной сигнал (регулируемуювеличину) определяет закон изменения регулируемой величины. Реализацияжелаемого закона осуществляется в результатеформирования управляющих переменных,которые воздействуют на регулируемую систему. Законы изменения регулируемойвеличины во времени могут быть различными; математически они описываются оператором системы. Этот оператор можетреализовать пропорциональную зависимость выходного сигнала от входного, связь в виде производной или интеграла ит. д. В более общем случае, этот оператор может быть и нелинейным.
Необходимоотметить, что законы изменения регулируемых величин в машинах и агрегатахнарушаются под влиянием внешних, а иногда ивнутренних воздействий, называемых возмущениями (или возмущающими воздействиями).Из определения этих воздействийвидно, что система автоматического регулирования должна как можно точнее воспроизводитьуправляющее воздействие и возможно меньше реагировать на возмущающее воздействие.
Существуеттри различных принципа построения систем регулирования, обеспечивающихреализацию требуемого закона изменения регулируемой величины: по разомкнутому циклу, по замкнутому циклу,по комбинированному циклу регулирования (замкнуто-разомкнутый). Принципразомкнутого цикла заключается в обеспечении требуемого закона изменениярегулируемой величины непосредственно путем преобразования управляющеговоздействия. Принцип замкнутого цикла характеризуется сравнением управляющеговоздействия с действительным изменением регулируемой величины за счет примененияобратной связи и элемента сравнения.Образующийся в результате сравнения сигнал ошибки не должен превышать некоторойзаданно величины. За счет этого и обеспечивается в замкнутых системах требуемыйзакон изменения регулируемой величины.Комбинированный принцип заключается в сочетании замкнутого иразомкнутого циклов в одной системе.
Автоматическим управлениемназываетсяпроцесс, при котором
операциивыполняются посредством системы, функционирующей без вмешательства человека всоответствии с заранее заданным алгоритмом.
Автоматическаясистема с замкнутой цепью воздействия, в которой управляющее (регулирующее)воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значенияуправляемой (регулируемой) величины с заданным (предписанным) ее значением, называется АСР.
Производственный процесс—совокупность взаимосвязанных трудовых и технологических процессов, приреализации которых исходные материалы и полуфабрикаты превращаются в готовыеизделия.
Автоматическими  называются устройства,  которые управляютразличными процессами и контролируют их без непосредственного участия человека.
Предметили процесс, подлежащий изучению, называется объектом, а все окружающие предметы взаимодействующие с ними — внешней средой.
Система — совокупность элементов или устройств, находящихся в отношениях и связях междусобой и образующих определенную целостность (единство).
Объектуправления — совокупность технологических устройств (машин, орудийтруда, средств механизации), выполняющих данный процесс с точки зрения управления.
Операция управления — обеспечивает в нужныемоменты начало, порядок следования и прекращения рабочих операций, выделяетнеобходимые для их выполнения ресурсы.
Под   управлением   понимают  процесс   организации   такого целенаправленного воздействия наобъект управления, в результате, которого последний переходит в требуемое(целенаправленное) состояние.
Параметры  производственного  технологического   процесса   или технологического      процесса или технологического объект,который необходимо поддерживать постоянно или изменять по определенному законуназывается управляемой величиной.
Значениеуправляемой величины, которое согласно заданию должно быть в данный моментвремени, называют заданным значениемуправляемой величины (управляемого параметра).
Схемуизображающую последовательность процессов внутри устройства или системы,называется структурной схемой.
Звено — элемент,входящий в САУ в котором определенным образом преобразуется входной параметр ввыходной (схематически изображается в виде блока, но не отражает особенностиего конструкции).
Информациявсегда связана с материальным носителем какой-либо физической величины. Втехнических системах такие носители называют носителями сигналов (например, электрические напряжения и ток,давление, механическое перемещение и др.), которые можно изменять всоответствии с передаваемой информацией.

1.2. Описание исходной схемы автоматического регулирования.
Посколькуобъект регулирования является элементом или звеном АСР, то свойства АСР зависятпрежде всего от свойств объекта регулирования. Поэтому для создания работоспособнойАСР обеспечивающей требуемое качество регулирования, необходимо прежде всего,знать свойства объекта регулирования (спастические и динамические).
Объектрегулирования лабораторного стенда представляет собой объект с распределеннымипараметрами, т.к. регулируемая величина (температура) неодинакова в различныхточках объекта как в равновесном состоянии, так и переходном режиме.
Для увеличения инерционности объекта, котораядолжна быть в десять раз больше измеряемого в этом объекте датчиком,предусмотрен металлический стакан, наполненный стружкой, а котором расположендатчик температуры. Это поз.воляет увеличить теплообъем объекта.
Требуемаятемпература (эталонная) задается устройством на входе регулятора-задатчиком (tэ).


                                               Возмущение

ИУ
О
Тф

                                               Dt                    -

Р                                               


                       Регулятор

тЭ

Рис. 1. Схема регулирования.
Фактическаятемпература преобразуется в сигнал устройством tф. Обозначая сигналы на выходе этих устройстваналогичными им буквами, выразим отклонение фактическое от требуемого в видесигнала: ∆t= tэ– tф ; называемого отклонением или рассогласованием.Регулятор преобразует ∆tпоопределенному закону управления и включает исполнительное устройство. В нашемслучае задача регулятора – ликвидность отклонения ∆t, вызванные действием возмущений В, т.е. различныхнагрузок на объекты управления (изменение окружающей температуры, изменениеположения шибера и т.д.).
Можетвозникнуть еще ошибка ∆tза счетизменения tэ, но,поскольку является известной заранее функцией, ошибка также может бытьрассчитана заранее и скомпенсирована. Подобная система называется системойпрограммного регулирования или просто САР.
Встенде предусмотрено двухпозиционное регулирование. При этом необходимо открытьзаслонку, чтобы электронагревательный элемент постоянно обдувался воздухом.Регулирование температуры происходит за счет включения или выключения релейнымэлементом нагревательного элемента.
Дляопределения динамических свойств объекта в стенде установлен самопишущийприбор, который регистрирует изменения температуры в объекте и фиксирует их надиаграммной ленте.
 Любой технологический агрегат, являющийсяобъектом регулирования ОР, работает в установившемся режиме, если в немполностью соблюдается материальный и энергетический баланс. Основной параметр,характеризующий условия протекания технологического процесса (в нашем объектеэто температура) в установившемся состоянии остается неизменной.
Зависимостьвыходной величины от входной величины в установившемся режиме называетсястатической характеристикой ОР. Статические характеристики могут быть каклинейными, с различными коэффициентами наклона, так и нелинейными, при чем большинствореальных объектов в целом имеют нелинейные.

Рис 1.1. Статические характеристики ОР.
Этихарактеристики ОР дают возможность оценить степень связи между различнымивходными и выходными величинами объекта.
Статическиехарактеристики определяют расчетным или экспериментальным путем.
Динамической характеристикой объекта регулированияназываетсязависимость выходной величины от входной величины в переходном режиме.
Посколькуимения выходной величины ОР при различных возмущениях могут происходитьпо-разному, для исследования динамических характеристик объекта обычно используюттиповые внешние воздействия.
Криваяразгона САР температуры (рис.1.2.) указывает динамические свойства ОР.

Рис 1.2. Кривая разгона
Порисунку видно, что объект обладает способностью постепенно приостанавливатьотклонение выходной величины от первоначального значения и вновьвосстанавливается равновесное состояние, т.е. объект обладает  свойством самовыравнивания. Такие объектыназываются статическими.
Объектобладает запаздыванием Тоб, и т.к. оно не значительно, в дальнейшемим будем пренебрегать.
Постояннаявремени объекта Тоб – это условное время, в течение котороговыходная величина изменилась бы от начального до нового установившегося значения,если бы это изменение происходило со скоростью, постоянной и максимальной дляданного переходного процесса. Постоянная времени характеризует инерционностьобъекта, под которой понимают его способность замедленно накапливать ирасходовать вещество и энергию, что становится возможным благодаря наличию всоставе ОР сопротивлений и емкостей, препятствующих их поступлению и выходу.
Коэффициентпередачи Коб ОР, представляет собой изменение выходной величиныобъекта при переходе из начального в новое в установившееся состояние,отнесенное к единичному возмущению на входе.
Единичнымвозмущением считают однопроцентное изменение входной величины объекта(перемещение регулирующего органа).
Такимобразом:

гдеХо – значение выходнойвеличины в начальном установившемся состоянии; Х(∞) – тоже, но для нового установившегося состояния; ∆Хвх – величинавносимого возмущения; % хода регулирующего органа.

1.3. Разработка функциональной схемы САР.

Рис2. Контур трехпозиционного регулирования.
Объектрегулирования по своим особенностям статический с самовыравниванием спередаточным запаздыванием, что способствовало в выборе пропорционально-интегральногорегулятора.
Всхему входит измерение температуры теплоносителя и сравнивая с заданием, регуляторчерез HS– блок ручного управления,включает контактными «больше» или «меньше» бесконтактный пускатель NS, который в свою очередь управляет исполнительныммеханизмом, т.е. подачу на теплоноситель воздуха.
Придвухпозиционном регулировании релейным элементом регулируется включениетеплоносителя.

Рис 3. Контур двухпозиционного регулирования.
При достижении определенной температуры, пускательвыключает подачу напряжения на электронагревательный элемент. Измерение ирегулирование температуры осуществляется динамометрическим датчиком – реле температуры.
2. Расчетная часть.
2.1. Параметрический синтез и анализ одноконтурной САР.
Анализ САУ с элементамиэлектроавтоматики осуществляется с помощью алгебраических критериев Гаусса иГурвица, критерия Ляпунова, частотных критериев Михайлова, Найквиста –Михайлова и др.
При анализе САУ изучаютвопросы устойчивости и другие качественные показатели разомкнутых и замкнутыхСАУ находятся запасы устойчивости по модулю и фазе, определяются астатизмзамкнутых систем, коэффициенты ошибок для следящих систем и т.д.
К основным качественнымпоказателям систем, которые определяются после нахождения так называемых h-функций, относятся следующие:
1.    Время переходного процесса tр, по истечении которого, управляемая величина будетоставаться близкой к установившемуся значению;
2.    Установившееся значение регулируемой величины h¥=limh(t)=hy;
3.    Максимальное перерегулирование y=(hmax-hy)/hy(здесь hmax-значение первого максимума);
4.    Частота колебаний w=2p/Т (здесьТ-период колебаний);
5.    Число колебаний переходного процесса n;
6.    Время достижения первого максимума tmax;
7.    Декремент затухания s=(hmax-hy)/ (hmax-hy);
Важным показателем качестваСАУ является их надежность. Качественные показатели определяются путем решениядифференциальных уравнений, которыми описываются уже известные структуры САУ.
Синтез САУ заключается внахождении структур и параметров ее, которые бы отвечали заданным показателямкачества. Синтез является более трудной задачей по сравнению с анализом.Основными методами используемыми при синтезе САУ является аналитический, графоаналитическийи машинный (с помощью вычислительных машин).

2.1.1. Оценка возможностистатического регулирования.
При выборе регуляторанеобходимо знать численные динамические сведения об объекте регулирования, т.е.К0; Тоб;t0, которыеопределим по разгонной характеристике.

Рис 4. Кривая разгона САР температуры лабораторного стенда.
Тип регулятораориентировочно выбирают по отношению t/Tоб;
Наименование регулятора по роду действия
Критерий
Импульсный
t/Tоб>0,5-1,0
Релейный
0t/TобНепрерывный
t/Tоб>0
Критерии выбора регуляторовпо роду действия.
Для исследования и расчетаструктурную схему АСР путем эквивалентных преобразований следует привести кпростейшему стандартному виду объект-регулятор. Это необходимо, во-первых, длятого чтобы определить ее передаточные функции, а следовательно, иматематические зависимости, которыми определяются переходные процессы всистеме, и во-вторых, как правило, все инженерные методы расчета и определенияпараметров настройки регуляторов применено для такой стандартной структуры.
Так исходная структурнаясхема САР температуры по типовой функциональной схеме (см. чертежи) может бытьпредставлена в виде изображенном на рисунке.
Где WP(р), WИМ(р), WPO(р), WOP(р), WИУ(р), — соответственно передаточные функции регулятора, исполнительного механизма,регулирующего органа, объекта регулирования и измерительного устройство.
На структурной схеме всевоздействия (сигнала) следует указывать в преобразованном по Лапласу виде.

Рис 5. Преобразованная структурная схема САР (t).
Все звенья, определяющиединамические свойства узлов сопряжения (соединения, взаимосвязи) объекта срегулятором (например регулирующие органы, линии связи, измерительныеустройства, датчики т.п.), целесообразно, как правило, относить к объекту регулирования.
Если в системенепосредственно регулятор и исполнительный механизм реализуют законрегулирования, то передаточная функция регулятора
WP(р)=Wу(р) WИМ(р)
Статическое регулированиехарактеризуется наличием П – регулятора, тогда
WP(р)=Крег
При оптимизации значений, поэкспериментальным данным целесообразно К – коэффициент регулятора приниматьК=10
WP(р)=10
Передаточная функция объектарегулирования с учетом отнесенных к собственно объекту звеньев, имеет вид:
Wоб(р)= WPO(р)WOP(р)WИУ(р)
В общем случае любаяодномерная АСР с главной обратной связью путем постепенного укрепления звеньевможет быть приведена к простейшему виду, передаточная функция разомкнутойсистемы, которой
W(p)=WP(p)*WОБ(p)
Кривая разгона САРтемпературы показывает, что объект инерционный, статический и имеетзапаздывание, так как запаздывание незначительно. В дальнейшем исследовании имможно пренебречь. Тогда передаточная функция объекта будет иметь следующий вид:
Wоб(р)=Коб/(Тобр+1)
Передаточнаяфункция разомкнутой системы
W(p)=WP(p)*WОБ(p)
  — при статическомрегулировании.

Рис6. ЛАЧХ и ЛФЧХ для объекта.

Рис7. АФХ для объекта.
Найдем передаточную функциюзамкнутой системы:

Т.к. величина постоянныхвремени определяется конструктивными особенностями элементов системы, тонастройка системы регулирования осуществляется только изменением ее коэффициентаК путем воздействия на коэффициент передачи Кр регулятора.
Для определения устойчивостисистемы строим амплитудно-частотную, фазо-частотную характеристики влогарифмическом масштабе и по замкнутой системе строим годограф.

Рис 8. ЛАХЧ и ЛФЧХ при статическом регулировании.

Рис 9. Амплитудно-фазовая характеристика замкнутой системы.
По графикам видим, что прикоэффициенте регулятора К­р=10 запас устойчивости выполняется, т.к.на частоте среза wсрфазаменьше 180°, чтохарактеризует устойчивость системы при статическом регулировании, значитвозможно использование П-регулятора для САР температуры.

2.1.2. Оценка возможности астатического регулирования.
Одним из признаковастатического звена (или системы в целом) является наличие комплексногопеременного Р в качестве множителя в знаменателе передаточной функции, т.е.наличие интегрирующей составляющей.
Рассмотрим возможностьПИ-закона регулирования САР температуры. Для этого построим структурную схему,в которую включим ПИ-регулятор.

Рис 10. Структурная схема САР температуры.
Передаточная функцияПИ-регулятора имеет вид
WP(р)=К+1/Тр;(К=20; Ти=25 сек.)
Найдем передаточную функциюразомкнутой системы
Wраз(р)=Wр(р)Wоб(р)

Найдем передаточную функциюзамкнутой системы


По передаточной функцииразомкнутой системы строим ЛАЧХ и ЛФЧХ, а по функции замкнутой системы строимАФХ.

Рис 11. Амплитудно-фазовая характеристика замкнутой системы.

Рис 12. ЛАЧХ и ЛФЧХ при астатическом регулировании.
Частотные характеристикипоказывают, что система имеет запас устойчивости, как по амплитуде, так и пофазе, т.к. на частоте среза wсрфаза °значитвозможно использовать ПИ регулятор для САР температуры.

2.1.3. Исследование качества одноконтурной САР.
К автоматическим системамрегулирования предъявляются требования не только в отношении ее устойчивости.Для работоспособности системы не менее необходимо, что бы процессавтоматического регулирования при определенных качественных показателей.
Требования к качествупроцесса регулирования в каждом случае могут быть самыми разнообразными, однакоиз всех качественных показателей можно выделить несколько наиболеесущественных, которые с достаточной полнотой определяют качество почти всехАСР.
Качество процессарегулирования системы, как правило, оценивают по ее переходной функции.
Основными показателямикачества является: — время регулирования tр– называется время, в течении которого, начиная смомента приложения воздействия на систему отклонения регулируемой величины Dh(t) от ееустановившегося значения h0=h(¥) будут меньшена пред заданной величины Е. Обычно принимают, что по истечении времени регулированияотклонении регулируемой величины от установившегося значения должно быть неболее Е=5%. Таким образом, время регулирования определяет длительность (быстродействие)переходного процесса.
-  перерегулированием sназывается максимальное отклонение Dhmaxрегулируемой величины от установившегося значения,выраженное в процентах от h0=h(


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Доработать Узнать цену написания по вашей теме
Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме:

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Операционные системы, сети и оболочки
Реферат Построение сети передачи данных
Реферат Computer Engineer Essay Research Paper A computer
Реферат Принципы работы сети Ethernet
Реферат Разработка контроллера для мониторинга и оценки качества обслуживания сети пользователей
Реферат Разработка корпоративного сайта Интернет компании
Реферат Разработка локальной вычислительной сети
Реферат Специфика уроков естествознания на примере изучения темы “Природа. Природа живая и неживая”
Реферат Преступления в сети Internet
Реферат Происхождение интернета
Реферат Разработка компьютерного клуба
Реферат Принцип действия боевых номеронабирателей и сканеров
Реферат Развитие Интернета сегодня и завтра
Реферат Система широкополосного беспроводного доступа Wi- Fi
Реферат Реализация сетевых компьютерных технологий в системе международного маркетинга (Интнрнет-Маркетинг)