Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«ТОМСКИЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 

Институт - кибернетики

Направление – автоматизация и управление

Кафедра – интегральных компьютерных систем управления 
 
 

Основы  построения и анализа 

систем  автоматического  управления

Курсовая  работа по дисциплине

«Теория автоматического управления» 
 
 
 
 

студент гр. 8А82 А.Э.Головина

руководитель А.В. Воронин

доцент, кандидат наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 2011г. 

Задание на курсовую работу по ТАУ для ст. Головиной А. 

Часть 1. Схемотехнический синтез системы автоматического регулирования 

1. Разработать  варианты  системы автоматического регулирования влажности в теплице,  реализующие принципы регулирования по отклонению, по возмущению и жесткого управления  и дать описание их работы. Необходимо описать функционирование  рассматриваемых систем, обратив особое внимание на доказательства их работоспособности и области применения. При описании системы нужно четко сформулировать, что именно система  должна делать, для чего она предназначена. В том числе необходимо ответить на следующие обязательные вопросы:

• что является объектом регулирования;
• что является регулируемой переменной;
• какая задача регулирования решается данной САР;
• каков предполагаемый диапазон регулирования системы;
• какой принцип регулирования использован в данной САР;
• что предполагается измерять;
• какова природа управляющего воздействия и возмущения;
• имеется ли в системе устройство сравнения и если да, то как оно работает.

2. Провести сравнительный анализ предложенных вариантов реализации системы регулирования с точки зрения потенциальной точности, быстродействия, размеров области работоспособности и других показателей, которые, с Вашей точки зрения, важны для выбора системы (цена, надежность и т.д.). 
   

Часть 2. Анализ заданной системы автоматического управления 

   Для приведенной ниже системы автоматического  регулирования с заданными в таблице параметрами выполнить следующие действия.

1. Описать устройство и работу элементов и всей системы.
2. Составить структурную схему системы и определить передаточную функции  замкнутой систем (относительно задающего воздействия и выходной переменной). Составить соответствующие дифференциальные уравнения и уравнения статики.
3. Для полученной передаточной функции замкнутой системы  рассчитать нули и полюса системы. Рассчитать степени устойчивости и колебательности системы. Построить соответствующие асимптотические ЛАЧХ.
4. Путем моделирования на ЭВМ построить кривую переходного процесса относительно задающего воздействия.  Определить основные  показатели переходного процесса (перерегулирование, время переходного процесса и т.п.).
5. Путем моделирования исследовать влияние коэффициента передачи усилителя напряжения  на статическую точность, динамические характеристики (перерегулирование и время переходного процесса) и устойчивость (размещение полюсов) заданной САР.

Система  управления напряжением  генератора постоянного  тока с электромагнитом 

Здесь

Г – генератор постоянного напряжения,

ОВ – обмотка возбуждения генератора,

ЭМ – электромагнит,

П – пружина,

Д – демпфер,

ОС – обратная связь,

Н – нагрузка генератора,

КУ – корректирующее устройство. 

Линеаризованная модель системы управления описывается  следующим набором уравнений.

Генератор и ОС

      ,      ,        .

Корректирующее  устройство

      .

Пружина и демпфер

      ,                                                                           

Электромагнит

      ,     . 

В приведенной  модели

 – сила натяжения пружины,

 – усилие демпфера,

 – усилие электромагнита,

 – постоянная времени обмотки  электромагнита,

 – выходное напряжение  генератора,

 – сигнал ОС с делителя  напряжения,

 – масса сердечника электромагнита,

 – напряжение возбуждения  генератора,

 – перемещение сердечника  электромагнита.

 – напряжение управления  ЭМУ,

 – напряжение на обмотке  ОС ЭМУ 

В линеаризованной  модели переменные рассматриваются  как отклонения от установившегося значения. 

Исходные данные для схемы приведены в таблице 1.

Табл. 1

Реферат 

       Всего: 31 с., 18 рис.

       Цель  работы: Разработать варианты системы  автоматического регулирования уровня влажности в теплице, реализующие принципы регулирования по отклонению, по возмущению и жесткого управления. Дать их описание, провести сравнительный анализ. Провести анализ заданной системы автоматического управления. Получить навыки и знания по схемотехническому синтезу систем автоматического управления.

       Перечень  выполненных работ: Разработаны три системы автоматического регулирования уровня влажности в теплице, дано их описание, сравнительный анализ. Выполнено описание заданной системы, составлена ее структурная схема. Составлены различные уравнения, рассчитаны различные параметры систем. Исследование заданной системы проведено с помощью пакета Classic. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     С каждым годом в тепличных предприятиях все большее внимание уделяется  качественному поддержанию микроклимата. Правильно выбранная технология поддержания микроклимата - одна из важнейших составляющих, позволяющих повысить урожайность. А эффективное использование энергоресурсов - дополнительная возможность существенно уменьшить себестоимость производимой продукции. Современная автоматизированная система управления микроклиматом должна поддерживать не только заданный режим, но и максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем.

     В настоящее время ведется активная модернизация теплиц, связанная с  повышением количества исполнительных систем: разделение контуров, модернизация форточной вентиляции, установка систем зашторивания, установка вентиляторов. И чем больше исполнительных систем имеет теплица, тем важнее для нее выбор критерия, определяющего стратегию поддержания микроклимата. Например, одним из наиболее популярных критериев управления является экономия теплоресурсов. В данном случае целесообразнее активно использовать нижние контура обогрева, т.к. они меньше всего отдают тепла внешней среде. Другой подход к выбору критерия предполагает поддержание температуры у точки роста выше, чем у корней растения и тем самым подразумевает активное использование верхних контуров обогрева. Еще один критерий управления основывается на том, что нижний контур должен поддерживать в корневой зоне постоянную температуру, так называемый оптимум, и лишь при исчерпанных ресурсах других исполнительных систем отклоняться от него.

     Опыт  внедрения автоматизированных систем управления показывает, что на этапе  проектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления. Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в наглядной форме отражать агрономические, экономические и технические требования, предъявляемые к системе. Таким образом, современная система управления должна позволять задать не только один из вышеперечисленных критериев управления или их комбинацию, но и любой другой возникающий в процессе производства, предоставляя агроному-технологу широкие возможности в выборе метода поддержания температурно-влажностного режима в теплице.

     Одной из основных характеристик системы  управления является ее надежность. Поэтому  в качестве аппаратно-технической  базы системы был выбран контроллер, который содержит современные средства защиты от сбоев: копию основных параметров работы системы в энергонезависимой памяти, средство защиты от зависаний и т.д. Помимо контроллера автоматизированная система управления микроклиматом включает в себя набор датчиков для измерения параметров внутри теплицы. Для передачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы система включает в себя блок релейной коммутации с возможностью ручного управления.

     Важным  элементом системы управления является диагностика неисправностей и возможностей системы управления. Иногда в процессе эксплуатации случаются непредвиденные ситуации, связанные с нестабильностью температуры подаваемой воды, повышенным износом и люфтом исполнительного механизма или связанные с другого рода ограничениями, накладываемыми на исполнительные системы. Заложенные в систему методы диагностики должны выявлять нестандартные ситуации и своевременно перестраивать алгоритмы управления, поддерживая при этом параметры микроклимата с минимально возможным отклонением. При невозможности разрешения ситуации без участия человека, система выдает соответствующее аварийное сообщение.

     Часть 1. Система автоматического  регулирования влажности в теплице.

Мы рассматриваем 3 принципа регулирования и соответственно для каждого необходимо определенное оборудование. Систем поддержания микроклимата существует много, для примера мы рассмотрим несколько.

  Для автоматизации теплиц подсобных  хозяйств может быть использовано серийное комплектное оборудование типа УТ-12-УЗ. В состав комплекта оборудования входят пять модификаций шкафов управления и четыре модификации панелей датчиков, количество которых зависит от числа независимых отделений регулирования. Шкаф управления ШУ-1 предназначен для регулирования температурного режима в 16 независимых отделениях тепличного комплекса. Он управляет системами отопления и вентиляции отдельных теплиц. Шкаф управления ШУ-2 служит для управления системами орошения, подкормки углекислым газом в 12 отделениях и дополнительным облучением в двух отделениях. Шкаф управления ШУ-3 используется для регулирования температуры поливной воды, концентрации растворов минеральных удобрений, контроля температурного режима в отделениях и регистрации метеорологических параметров. Шкаф управления насосами ШУИ предназначен для управления насосами-повысителями, насосами подачи минеральных удобрений, регулирующим клапаном подогревателя поливной воды, электроприводом фрамуг соединительного коридора теплиц. Шкаф управления ШУМ служит для местного управления в ручном режиме системами отопления, вентиляции, орошения и подкормки углекислым газом в, каждой теплице. Шкафы управления ШУ-1, ШУ-2, ШУ-3 и ШУН устанавливают в помещении оператора, а шкафы местного управления ШУМ монтируют непосредственно возле каждой теплицы.

  В комплект систем автоматического управления кроме шкафов управления входят панели датчиков температуры ПД-1, влажности ПД-2, освещенности ПДО и датчик скорости ветра ДСВ. В летнем режиме система автоматики управляет форточной вентиляцией. Здесь также предусмотрено ступенчатое включение боковых и верхних фрамуг. Вначале открывается одна верхняя фрамуга, затем по мере повышения температуры — вторая верхняя и боковые фрамуги (только для ангарных теплиц). В каждой теплице установлен датчик, связанный со шкафом управления ШУ-1. Подключение каждого датчика, происходит поочередно с интервалом 30 с. Собственно регулирование, т. е. выработка управляющих воздействий, в каждой теплице происходит в течение этого периода времени. После отключения датчика все системы теплицы продолжают оставаться в том же состоянии, что и непосредственно до его отключения. При очередном взаимодействии теплицы со шкафом управления происходит коррекция управляющих воздействий.

  Для оперативного контроля за состоянием режима в теплицах служит световая индикация отклонения от заданных параметров по каждой теплице, световая и звуковая сигнализация об аварийных режимах, регистрация температуры при помощи самопишущего многоточечного моста. Предусмотрены также автоматическая коррекция температуры в зависимости от условий освещенности и независимое регулирование температуры по каждой теплице. Для защиты фрамуг от повреждения ветром предусмотрено централизованное аварийное их закрытие во всех теплицах по команде от датчика скорости ветра. Шкаф ШУ-2 управляет системами орошения, досвечивания и газации по временной программе, т. е. включение этих систем может быть произведено в соответствии с заданным временем режимом. Отработав нужное время, системы газации и досвечивания отключаются. Система орошения имеет более сложное программное управление. Режим орошения задается длительностью полива в одном цикле и количеством циклов полива, которые в совокупности определяют норму полива. Включение режима может быть осуществлено или по команде реле времени, или при помощи кнопки. Регулирование относительной влажности воздуха осуществляется при помощи регуляторов влажности типа СПР-3-04, установленных в шкафу управления ШУ-2, и датчиков, устанавливаемых в каждой теплице. Регулятор влажности — трехпозиционный, вырабатывающий команды как на осушение, так и на увлажнение воздуха. При повышении влажности воздуха сверх заданной открываются фрамуги, для увлажнения воздуха включается система увлажнения. Шкаф управления ШУ-2 оборудован световой индикацией для контроля процесса орошения теплиц и звуковой сигнализацией об аварийных режимах.

  Комплект  оборудования УТ-12-УЗ имеет смысл  использовать в теплицах, имеющих  по крайней мере пять-шесть отделений  регулирования и штатное оборудование для полива и приготовления растворов  минеральных удобрений. В теплицах с небольшим количеством отделений и упрощенной системой полива целесообразно применять отдельные промышленные регуляторы для стабилизации основных технологических параметров.

Также в России популярна система "Агротерм" предназначенная для контроля и автоматического управления температурным режимом в промышленных теплицах. Основным интеллектуальным узлом системы является персональный компьютер. В следяще-управляющую систему входят пять электроконтактных термометров ТК-6, двухпозиционный камерный влагорегулятор ВДК, электроконтактный флюгер и шкаф управления. Электроконтактные термометры используются в качестве датчиков температуры: два работаю днем, два – ночью, пятый предназначен для подачи светового и звукового аварийного сигнала при снижении температуры до минимального предельного значения. Датчики температуры и влажности размещены в шкафчике, который устанавливают в центре теплицы на высоте 1,5 – 2 м от почвы. Микропереключатель флюгера, размещенного на крыше, в зависимости от направления ветра выдает импульс на включение вентиляции левой или правой подветренной стороны верхних фрамуг теплицы. Исполнительные устройства управления температурой содержат два калорифера, установленных у торцевых стен теплицы, два электромагнитных вентиля, открывающих доступ теплоносителю в калориферы, и узел вентиляции теплиц с приводом для фрамуг. В устройства управления влажностью входят электромагнитные вентили с трубопроводами, сточные желоба, водогрейный бойлер, насосная станция и распылители. Элементы управления электрооборудованием размещены в шкафах.

Автоматическое  управление влажностным режимом  происходит следующим образом. Контакт KT2 программного реле времени выдает в дневное время через определенный интервал импульсы заданной длительности на включение системы увлажнения. Дождевание произойдет, если влажность в теплице ниже установленной, при которой замыкаются контакты датчика влажности Sf, и срабатывает реле KV4. Реле KV4 подает питание на магнитный пускатель KM1 электродвигателя M1 водонасосной станции и электромагнитный вентиль YA1, открывающий доступ воды к распылителям. Дождевание прекращается при размыкании контактов KV2, и схема возвращается в исходное положение. О работе каждого реле сигнализируют соответствующие лампы HL1…HL8. Термометр SK5 аварийной сигнализации через реле KV8 включает звонок HA и лампу HL8, когда температура станет недопустимо низкой.

В подавляющем  большинстве современные системы  автоматического управления климатическими установками и кондиционерами строятся на основе замкнутой цепи, состоящей  из датчиков и регуляторов. В частности системы автоматического управления, должны удовлетворять двум требованиям. Они должны собирать информацию, качественно её анализировать и принимать меры для приведения полученных характеристик к заданным параметрам. Исходя из этого, устройство системы автоматического управления строится с учетом многих технических характеристик. Основой, которая заложена в системы автоматического управления, являются различные датчики. Они выполняют одну из наиважнейших функций – сбор показаний. После этого они передают сигнал на контроллеры, которые в зависимости от полученной команды, начинают включать различные режимы для устранения недостатков.

По требуемой  точности измерения, и заданному  диапазону изменения регулируемой переменной выбираем датчик HIH-3602-L фирмы Honeywell.

     Рис.1. Внешний вид датчика влажности.

     Датчики этой серии предназначены для использования в многоканальных автоматизированных системах контроля параметров микроклимата на базе ПЭВМ, которые осуществляют непрерывные круглосуточные измерения относительной влажности воздуха и поддержание заданных режимов.

     В настоящее время  на практике для измерения относительной  влажности применяется несколько  технологий, использующих свойство различных  структур изменять свои физические параметры (емкость, сопротивление, проводимость и температуру) в зависимости от степени насыщения водяным паром. Каждой из этих технологий свойственны определенные достоинства и недостатки (точность, долговременная стабильность, время преобразования и т.д.).

     Среди всех типов емкостные датчики, благодаря  полному диапазону измерения, высокой  точности и температурной стабильности, получили наибольшее распространение, как для измерения влажности  окружающего воздуха, так и применения в производственных процессах.

     Компания Honeywell производит семейство емкостных  датчиков влажности, применяя метод  многослойной структуры (рис.5), образуемой двумя плоскими платиновыми обкладками и диэлектрическим термореактивным  полимером, заполняющим пространство между ними. Термореактивный полимер, по сравнению с термореактивной пластмассой, обеспечивает датчику более широкий диапазон рабочих температур и высокую химическую стойкость к таким агрессивным жидкостям и их парам, как изопропил, бензин, толуол и аммиак. В дополнение к этому датчики на основе термореактивного полимера имеют самый большой срок службы в этиленоксидных стерилизационных процессах. 

     В процессе работы водяной пар проникает  через верхнюю пористую обкладку конденсатора (рис.2) и уравновешивается с окружающим газом. Одновременно эта обкладка защищает электрические процессы, протекающие в полимерном слое, от внешних физических воздействий (света и электромагнитного излучения). Слой полимера, покрывающий пористый платиновый электрод сверху, служит защитой конденсатора от пыли, грязи и масел. Такая мощная фильтрационная система, с одной стороны, обеспечивает датчику длительную бесперебойную работу в условиях сильной загрязненности окружающей среды, с другой — снижает время отклика.

     Выходной  сигнал абсорбционного датчика влажности  представляет собой функцию от температуры  и влажности, поэтому для получения высокой точности измерения в широком диапазоне рабочих температур требуется температурная компенсация характеристики преобразования. Компенсация особенно необходима, когда датчик используется в индустриальном оборудовании для измерения влажности и точки росы.

Рис.2. Метод многослойной структуры, применяемый при изготовлении датчиков влажности

     Датчики влажности Honeywell — это интегрированные  приборы. Помимо чувствительного элемента, на той же подложке расположена схема  обработки сигнала, которая обеспечивает преобразование сигнала, его усиление и линеаризацию. Выходной сигнал датчика Honeywell является функцией от напряжения питания, окружающей температуры и влажности. Чем выше напряжение питание, тем больше размах выходного сигнала и, соответственно, чувствительность. Связь же между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой показана на объемной диаграмме (рис.3).

Рис.4. Связь между измеренной датчиком влажностью, истинной

       влажностью и температурой

     Она легко аппроксимируется с помощью комбинации двух выражений:

1. Прямая наилучшего соответствия при 25 °C (жирная линия на диаграмме), описывается выражением U_вых = U_пит(0,0062 · (%RH₂₅) + 0,16). Из этого уравнения определяется процент RH₂₅ при температуре 25 °C.
2. Далее производится температурная коррекция и вычисляется истинное значение RH: RH_{истинная} = (%RH₂₅) · (1,0546 - 0,00216T), где T измеряется в °C.

     Выражения выше соответствуют характеристикам  реальных датчиков со следующими отклонениями:

Рис.4. Характеристики преобразования датчика влажности Honeywell

при различных  температурах 

     Модели HIH-3602-L и HIH-3602-L-CP выполнены в корпусе TO-39 со щелевым отверстием. Они предлагают оптимальное соотношение цена/надежность. Эти датчики нашли широкое  применение в метеорологическом оборудовании и системах климат-контроля.

     1.1. Решение задачи по методу жесткого управления

Решая проблему с помощью жесткого управления, мы задаем нужный уровень влажности  и температуры. Пользуясь этим методом можно добиться, чтобы этот уровень был постоянен, но и при этом он не будет достаточно точным, при эксплуатации. Это обуславливается тем, что возможная ошибка может быть высчитана только в какой-то определенный момент времени, следовательно, при её изменении системе придется высчитывать её заново на следующем шаге, а следовательно нужный уровень влажности не будет достигнут.