Выбор закона регулирования и определение параметров настройки Системы автоматического регулирования мобильным кормораздатчиком

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

ФГОУ  ВПО 

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Факультет Электрификации и автоматизации сельскохозяйственного  производства

Кафедра  Автоматизации сельскохозяйственного производства 
 
 
 
 
 

Выбор закона регулирования  и определение  параметров настройки  Системы автоматического  регулирования мобильным  кормораздатчиком 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

АСХП. ВРМК.00.000 ПЗ 
 
 
 

Студент       Супрун М.А. 

Группа        505 

Нормоконтролер       

Руководитель      Рычкова Н.М. 
 
 

2006 

 

    

    Содержание

 

      1. Описание технологического процесса

 

    Для раздачи кормов свиньям используют мобильный кормораздатчик-смеситель КС -1,5 (рисунок 1). Он имеет ограниченную мобильность, поскольку перемещается только по рельсовому пути, проложенному вдоль кормушек.  Привод тележки кормораздатчика и всех его рабочих органов осуществляется  от четырех автономных электродвигателей, имеющих кабельное питание.

    

Рисунок 1 – Конструкция кормораздатчика КС-1,5

1 – рельсовый  путь; 2 – шнек выгрузной; 3 – дозирующее  устройство; 4 – бункер;

5 - разравниватель; 6 и 7 – шнековая и лопастная  мешалка; 8 – привод выгрузного  шнека; 

9 – мотор-редуктор 

    Компоненты  влажной кормовой смеси загружают  в бункер 4. При этом разравниватель 5 равномерно распределяет корм по бункеру, а мешалки б и 7 перемешивают его. По завершении процесса перемешивания заслонки дозирующих устройств 3 с помощью штурвалов вручную устанавливают в положение, соответствующее заданной дозе корма. Нажимают кнопку SB3 (рисунок 2), и тележка приходит в движение (двигатель М2). Как только выгрузные отверстия шнеков 2 окажутся над кормушками, механизм раздачи корма включают кнопками SB4: 2 и SB 5: 2 (двигатели М4 и М3); при этом раздача корма может осуществляться в одну кормушку и в обе одновременно.

    При нажатии педали тормоза размыкаются  контакты конечного выключателя SQ1, отключается тяговый двигатель раздатчика и под действием ленточного тормоза он останавливается.

    При отпускании педали тормоза тяговый  двигатель включается вновь, уже  без нажатия кнопки «Пуск», поскольку  она шунтирована контактами магнитного пускателя КМ5 (КМ6). Если на пути движения раздатчика встречается препятствие, то специальное устройство (щуп) действует на конечный выключатель SQ2. контакты которого разрывают цепи питания контакторов тягового двигателя.

    После опорожнения бункера кнопкой  SB 3:1 останавливают тяговый двигатель, кнопками SB 4:1 и SB 5:1— шнеки и затем кнопкой SB 3:3 переключают тяговый двигатель на обратный ход.

Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема кормораздатчика КС-1,5

 

    2. Построение функциональной и структурной схем

 

    С точки зрения автоматизации необходимо регулировать процесс равномерной раздачи корма по кормушкам. Согласно заданию на курсовой проект регулируемым параметром является расход корма, а регулирующим воздействием - скорость перемещения кормораздатчика вдоль кормушек.

    Одним из вариантов реализации такой системы  автоматического регулирования может быть CAP показанная на функциональной схеме представленной на рисунке 3.

    Расход  кормовой смеси корректируется автоматически в зависимости от количества корма в кормушке, измеряемого преобразователем РЕ, который представляет собой  конструкцию,  объединяющую тензоэлектрический преобразователь давления и фазочувствительный усилитель.

    

    Рисунок 3 – Функциональная схема мобильного кормораздатчика

1 – рельсовый  путь; 2 – шнек выгрузной; 3 – дозирующее  устройство; 4 – бункер;

5 - разравниватель; 6 и 7 – шнековая и лопастная  мешалка; 8 – привод выгрузного  шнека; 

9 – мотор-редуктор; 10 - кормушки 

    Так при превышении заданного количества корма в кормушке вырабатывается сигнал на увеличение скорости продвижения кормораздатчика относительно кормушек. Если корма недостаточно, то вырабатывается сигнал на снижение скорости продвижения кормораздатчика.

    Привод  кормораздатчика осуществлён двигателем постоянного тока, который легко поддаётся регулированию, например, путём изменения напряжения питания обмотки возбуждения.

    Структурная схема САР представлена на рисунке 4. Объект управления представляет собой апериодическое звено с запаздыванием.

    Входной сигнал преобразуется в напряжение U_зад,. которое в узле сравнения сравнивается с сигналом отрицательной ОС U, и величина рассогласования ΔU поступает на обмотку возбуждения двигателя постоянного тока. Это приводит к изменению скорости передвижения кормораздатчика относительно кормушек. Количество поступающего корма в кормушки изменится в сторону увеличения или уменьшения, поскольку расход кормовой смеси в кормораздатчике постоянен.

    Рисунок 4 – Структурная схема мобильного кормораздатчика

Uзад - уровень напряжения (заданное значение регулируемой величины);

U - уровень напряжения действительный (текущее значение регулируемой величины);

DU - результат сравнения; n - скорость перемещения кормораздатчика;

    G - расход кормовой смеси.

 

3. Выбор аппаратуры и оборудования

 

    1) тензодатчики для измерения давления  корма на дно кормушки. Выберем тензодатчик Т24А. Он представляет собой датчик категории "Single Point" или "датчик-платформа" из алюминиевого сплава. Обладает уникальным свойством — нечувствительностью к смещению линии действия силы.

    Этот  тензодатчик представляет собой консольную балку изгиба типа "параллелограмм". Это свойство и низкопрофильная конструкция позволяет использовать один датчик вместо четырех при изготовлении платформенных весов, лотковых расходомеров для сыпучих продуктов, подвески малых бункеров, дозаторов и т.п.

    

    При изготовлении датчиков используются тензорезисторы, микропровод, клей, герметик и регулировочные резисторы лучших мировых производителей.

    Датчик выпускается в двух модификациях, отличающихся наибольшим пределом измерения, габаритными и присоединительными размерами.

    Степень защиты оболочкой по ГОСТ 14254: IP 66.

 

 Габаритные размеры: 

  

   Схема подключения 

 

    2) Исполнительный механизм

    Для привода кормораздатчика используем двигатель постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения серии 4ПП.

    Питание двигателя осуществляется через  мощный  выпрямитель, к которому будет возможно подключить дополнительные потребители электрической энегии. Для реализации этой цели можно выбрать выпрямитель серии ТПП 1. Выпрямитель ТПП 1 является статическим устройством преобразования переменного тока в постоянный и предназначены для питания якорных цепей машин постоянного тока, автоматического электропривода. Выпрямители выполнены на базе таблеточных тиристоров Т2-800, Т 1000 и силовых полупроводниковых приборов единой унифицированной серии (СПП EУC) с применением нового трансформаторного оборудования и защитной аппаратуры.

 

    4. Выбор закона регулирования САР

 

    Выбор типа регулятора для регулирования технологического процесса следует проводить на основании результатов совместного исследования статических и динамических характеристик регулируемого объекта и регулятора. По условию курсового проекта параметры статических и динамических характеристик даны: 

    Исходные  данные:

    Постоянная  времени: Т_Об = 4,0 сек.

    Время запаздывания: τ_об = 1,9 сек.

    Коэффициент усиления: К_об = 1,7 (кг/м)/(м/сек.)

    Регулирующее  воздействие: В = 0,07 м/сек.

    Задание регулируемого параметра: G = 1,5 кг/м

    Номинальное значение регулируемого параметра: v = 0,9 м/сек.  

    Требования, предъявляемые к CAP:

    Допустимое  динамическое отклонение: G_доп. =0,07 кг/м

    Допустимая  статическая ошибка: G_cт = 0,04 кг/ 

    4.1 Первым этапом этой работы является определение характера работы регулятора на основании величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта (t /Т). При этом:

    при t /Т < 0,2 выбирается регулятор релейного действия:

    при 0,2 < t /Т < 1,0 выбирается регулятор непрерывного действия;

    при t /Т >1,0 выбирается регулятор импульсного действия.

    

    0,2 < 0,475 < 1,0

    Исходя  из этого, выбирается регулятор непрерывного действия. Очевидно, что ухудшение динамических характеристик объекта (увеличение т /Т) приводит к необходимости усложнения закона регулирования.

    4.2 Ориентировочный выбор закона регулирования может быть осуществлен, исходя из следующих положений:

    а) Интегральные регуляторы рекомендуются  для статических объектов с большим  самовыравниванием, сравнительно небольшим  запаздыванием (τ < 0,1Т) и при медленно меняющихся возмущениях.

    Для астатических объектов И-регуляторы неприменимы из-за структурной неустойчивости системы.

    б) Пропорциональные регуляторы рекомендуются  для объектов обоих типов с  неблагоприятными динамическими свойствами при условии допустимости статической ошибки, обусловленной остаточной неравномерностью регулирования и при небольших запаздываниях τ.

    в) Пропорционально-интегральные регуляторы  рекомендуются для широкого круга объектов обоих типов, характеризуемых большими Т, большими запаздываниями τ >0,1Т при значительных, но медленно меняющихся возмущениях.

    г) Пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы рекомендуются для объектов обоих типов с исключительно неудовлетворительными динамическими свойствами (большими Т и τ) и при резко изменяющихся возмущениях на систему.

    Поскольку в рассматриваемом технологическом  процессе объект регулирования является астатическим, характеризуемый большим запаздыванием τ > 0,1Т             (1,9 > 0,4), то ориентировочно выберем пропорционально-интегральный закон регулирования.

    Несомненно, правильный выбор типа регулятора является задачей, учитывающей всю гамму технико-экономических показателей системы.

    4.2 Более обоснованный выбор закона  регулирования должен учитывать  не только характер, но и величину  возмущающих воздействий на систему,  что обеспечит требуемый по условиям технологии автоматизируемого процесса критерий качества процесса регулирования.

    Для статических объектов выбор закона регулирования производится с помощью номограмм по известным τ/Т объекта и динамическому коэффициенту k_Д, характеризующему степень воздействия регулятора, снижающего максимальное отклонение регулируемой величины до G_доп. по сравнению с ее возможным отклонением в разомкнутой CAP при одном и том же возмущающем воздействии В, приведенном ко входу объекта.

               (1)

    

    Анализ  номограмм свидетельствует о необходимости применения ПИ-регулятора.

    После выбора регулятора следует проверить, не превысит ли фактическое время переходного процесса заданное. Время регулирования практически не зависит от τ/Т и составляет приблизительно:

 

    После выбора типа регулятора составим структурно-алгоритмическую  схему мобильного кормораздатчика:

Рисунок 5 – Структурно-алгоритмическая схема мобильного кормораздатчика

Uзад - уровень напряжения (заданное значение регулируемой величины);

U - уровень напряжения действительный (текущее значение регулируемой величины);

DU - результат сравнения; n - скорость перемещения кормораздатчика;

    G - расход кормовой смеси.

 

    5. Определение параметров  настройки регулятора

 

    В данной курсовой работе производится расчет параметров настройки регулятора на заданный показатель колебательности. В основу метода положен частотный критерий качества, который связан с наличием у системы некоторого запаса устойчивости, о котором можно судить по расположению годографа АФХ разомкнутой системы относительно точки с координатами (-1;j0) на комплексной плоскости.

    Близость  АФХ разомкнутой системы к  точке (-1;j0) в свою очередь характеризует величину максимума амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) замкнутой системы.

Рисунок 6 – К определению параметров настройки регулятора

    Требование, чтобы максимум АЧХ не превышал некоторой  заданной величины, сводится к тому, чтобы АФЧХ разомкнутой системы не заходила внутрь области, ограниченной окружностью радиуса , центр которой расположен на отрицательной вещественной полуоси на расстоянии от начала координат (рисунок 6).

    При этом  вне зависимости от масштаба  графика окружность соответствующего индекса М должна касаться луча ОЕ, проведенного из начала координат под углом .

    Обычно  при настройке CAP желательно использовать значения М, находящиеся в диапазоне 1, 3…2, 4. Это обеспечивает степень затухания в пределах .

    Выполним  расчет настройки ПИ-регулятора. Параметрами  настройки ПИ-регулятора являются k_P и Т_И. Они определяются на участке АФХ объекта, расположенном в III квадранте комплексной плоскости.

    АФХ разомкнутой системы (при k_P = 1) имеет вид:

    

    Построим  АФХ объекта. Передаточная функция  объекта регулирования представляет собой апериодическое звено I порядка с запаздыванием.

    

    Таким образом, необходимо сначала построить АФХ объекта без запаздывания, а затем повернуть  каждый вектор АФХ на угол τw.

    После преобразования передаточной функции  апериодического звена I порядка получим:

    

    Задавшись величиной w при k_ОБ = 1,7 и Т_ОБ = 4,0 получим следующие значения действительной и мнимой частей передаточной функции:

 

    Следовательно АФХ объекта регулирования будет  иметь следующий вид: 

Рисунок 7 – АФХ объекта регулирования 

    Для получения АФХ разомкнутой системы с ПИ-регулятором (для k_P = 1 при некотором значении Т_И) следует каждому вектору характеристики регулируемого объекта добавить вектор длиной ΔА, повернутый на 90⁰ по часовой стрелке:

     ,            (2)

    где А₀ – длина вектора Н_ОБ(jw).

    Выберем на АФХ объекта несколько точек 1,2… с частотами w₁, w₂,… (рисунок 8). В выбранных точках восстановим перпендикуляры к векторам 01,02…, длина которых определяется в соответствии с формулой (2). Вновь полученные точки соединяют плавной кривой, которая и образует АФХ разомкнутой системы Н_Р.С.(jw).

Рисунок 8 – К расчету параметров настройки ПИ-регулятора 

    Построим  АФХ разомкнутой системы:

    при Т_И = 0,7·Т_ОБ. = 0,7·4,0 = 2,8 с

         

         

         

    при Т_И = 0,5·Т_ОБ. = 0,5·4,0 = 2,0 с

         

         

         

    при Т_И = 0,3·Т_ОБ. = 0,3·4,0 = 1,2 с

         

         

         

    Далее из начала координат проведем луч  ОЕ под углом

    β = arcsin(1/М)          (3)

    при М = 1,62 β = arcsin(1/1,62)=38,1⁰

    Затем подбираются окружности радиуса  r, касающиеся одновременно луча ОЕ и Н_Р.С.(jw).

    Для каждого значения Т_И может быть получено значение k_Р, и при этом АЧХ замкнутой системы не будет превышать заданного значения М.

               (4)

    

    

    

    Полученные  значения дают возможность построить  в координатах k_P – Т_И кривую равного запаса устойчивости (рисунок 9). Оптимальные параметры настройки ПИ-регулятора, удовлетворяющие одновременно двум показателям (заданному показателю колебательности М и минимуму линейного интегрального критерия) соответствуют точке Nкасания луча OL к линии М=const в координатах k_P – Т_И.

Рисунок 9 – Кривая равного запаса устойчивости 

    k_P^орt = 0,679

    Т_И^opt = 2,05 с

 

    6. Построение графика  переходного процесса  в САР

 

    Оценка  системы регулирования с точки  зрения ее практической пригодности  требует определения некоторых  показателей качества процесса регулирования. Кривая, описывающая колебательный процесс регулирования в CAP показан на рисунке 10. Расчет и построение переходного процесса производим с помощью прикладной программы SamSim, которая моделирует замкнутую систему автоматического регулирования в виде совокупности типовых блоков и связей.

Рисунок 10 – Кривая переходного процесса САР

 

    7. Оценка качества  регулирования

 

    Вид процесса регулирования оценим такими показателями как:

    1.) Длительность переходного процесса  t_п – промежуток времени от начала переходного процесса до момента, когда величина рассогласования или амплитуда колебаний становятся меньше допустимых (5%-ая зона) по технологическим соображениям (рисунок 10).

    Определим фактическую длительность переходного  процесса t_{п факт} проекцией последней точки пересечения кривой с границей пятипроцентной зоны и сравним с заданным временем переходного процесса t_{п доп.}; = 8,0·t = 8,0·1,9= 15,2 с.

    5<15,2

    Условие выполняется.

    2.) Перерегулирование σ – оценивает в процентах разность между максимальным значением переходной характеристики и ее установившимся значением

              (5)

    

    3.) Степень затухания колебательного переходного прогресса ψ – определяется как отношение разности двух соседних амплитуд одного знака к первой из них

           (6)

      
 

 

    Список литературы 

1. Бородин И.  Ф., Рысс А.А. Автоматизация технологических  процессов. – М: