Автоматическая система регулирования температуры (стр. 1 из 4)
Министерство образования РФ
Владимирский государственный университет
Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Моделирование систем управления»
Автоматическая система регулирования температуры
Выполнил:
ст. гр. УИ-106
Дмитерчук С.Б.
Принял: Малафеев С.И.
Владимир 2009
Содержание:
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ СХЕМЫ СИСТЕМЫ:
1.1 Описание функциональной схемы устройств
1.2 Описание структурной схемы
1.3 Описание объекта управления. Его статические и динамические характеристики
1.4 Принцип действия измерительного устройства
1.5 Характеристики регулирующего устройства
1.6 Принцип действия и характеристики исполнительного устройства
2. ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ:
2.1 Нелинейности автоматической системы, их статические характеристики
2.2 Линеаризация системы в рабочей точке
2.3 Передаточные функции линеаризованной системы
2.4 Характеристическое уравнение системы
2.5 Анализ устойчивости линейной модели системы
2.6 Определение показателя колебательности. Построение области устойчивости системы в плоскости параметров регулирующего устройства (Кр, Тр)
2.7 Корневой годограф системы
2.8 Импульсные и переходные характеристики разомкнутой системы относительно задающего и возмущающего воздействий
2.9 Аналитический расчет переходных процессов в замкнутой системе
2.10 Моделирование линеаризованной системы с помощью Matlab
2.11 Выполнить оптимизацию линеаризованной системы с помощью моделирования
2.12 Определить характеристики оптимизированной системы
2.13 Исследовать процессы в системе (для выходного сигнала и ошибки) при действии различных сигналов
2.14 Оценка точности системы. Основные составляющие ошибки
3. ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ:
3.1 Переходные процессы в системе при различных отклонениях от параметров рабочей точки задающего и возмущающего воздействий
3.2 Исследование процессов для выходной переменной и ошибки системы при действии на входе сигналов задания, содержащих гармоническую составляющую
3.3 Статические характеристики нелинейной системы
4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МДЕЛИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ:
4.1 Составление программы для имитационного моделирования, используя структурную схему нелинейной автоматической системы
4.2 Используя составленную программу, определить переходные процессы в системе для выходной переменной и ошибки при изменении задающего и возмущающего воздействий для различных рабочих точек
4.3 Статические характеристики системы
4.5 Сравнение результатов моделирования с помощью составленной программы и с помощью типовых программных средств
5. ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ:
5.1 Влияние напряжения питающей сети на процессы регулирования температуры
5.2 Изменение свойств системы при использовании вместо ПИ регулятора П-, ПД- и ПИД-регулятора
5.3 Работа системы при использовании релейного двухпозиционного регулятора
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ СХЕМЫ СИСТЕМЫ
1.1 Описание функциональной схемы устройства
Рис. 1. Функциональная схема автоматической системы регулирования температуры
Общий принцип действия системы автоматического регулирования температуры состоит в том, чтобы поддерживать на требуемом уровне температуру объекта (в нашем случае – печи). Происходит это следующим образом – с датчика температуры (ДТ), который находится в печи (П), текущее значение температуры поступает на регулирующее устройство (РУ), которое на основании полученной информации вырабатывает управляющее воздействие. Это воздействие формируется по алгоритму управления, заложенному в регулятор.
Далее сигнал с РУ поступает на исполнительное устройство, а именно – на тиристорный регулятор напряжения (ТРН), управляемый ФСУ. Задача фазосдвигающего устройства – в соответствии с сигналом регулятора формировать такие углы включения тиристоров, чтобы напряжение, подаваемое на нагреватель, поддерживало температуру на нужном уровне. Установка требуемой температуры осуществляется с помощью задатчика (З).
1.2 Описание структурной схемы
Рис. 2. Структурная схема автоматической системы регулирования температуры
Входным сигналом системы является напряжение Uз, оно сравнивается с напряжением Uд ≈ Θ, которое действует на выходе датчика. Если Uз ≠ Uд, то появляется ошибка ε = Uз – Uд.
Допустим, что Uз > Uд, тогда ε > 0. Далее эта ошибка поступает на вход РУ, где она усиливается. РУ имеет передаточную функцию (ПФ)
Uр увеличивается, а углы включения тиристоров уменьшаются, т. к.
Следовательно Uн увеличивается.
Рн также увеличивается:
следовательно, температура в печи растет.
Если ε < 0, то температура в печи уменьшается за счет теплообмена.
Как правило, в реальных системах сложно точно разграничить объект управления и исполнительные механизмы, потому что структурная схема является упрощенной моделью устройств и может либо объединять несколько реальных объектов в один блок, либо наоборот разбивать объекты на несколько блоков.
В предложенной схеме можно принять, что:
1) Объектом управления является печь с нагревателем.
2) Исполнительным устройством, которое вырабатывает регулирующее воздействие Uн является тиристорный регулятор напряжения.
3)Измерительное устройство – датчик, который также является элементом главной ОС, вырабатывающим сигнал, находящийся в определенной функциональной зависимости от регулируемой переменной.
1.3 Описание объекта управления. Его статические и динамические характеристики
Объект управления представляет собой печь с нагревательным элементом, управление которым осуществляет тиристорный выпрямитель. Тепловое сопротивление изоляции печи осуществляется с помощью бока усиления с коэффициентом γ и сумматоров. С – теплоемкость печи. Ниже представлены характеристики печи, полученные с помощью САПР Matlab.
1.4 Принцип действия измерительного устройства
Передаточная функция датчика
.В качестве датчика температуры может использоваться термистор.
Термистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает или возрастает с ростом температуры. Для термистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.
Терморезистор изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии; их размеры могут варьироваться в пределах от 1—10 мкм до 1—2 см. Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.
Ошибку датчика можно подсчитать следующим способом:
; 
, => 
, следовательно погрешность датчика составляет 5%.Получим характеристика датчика, использованного в исследуемой системе:
1.5 Характеристики регулирующего устройства
В данной схеме в качестве регулирующего устройства выступает ПИ-регулятор с передаточной функцией:
или в другой форме 
, где 
Характеристики регулирующего устройства:
1.6 Принцип действия и характеристики исполнительного устройства