Теория автоматического управления CD методические указания по выполнению лабораторной работы № 1 по теме «Исследование автоматической системы управления тепловым объектом на базе общепромышленного релейного регулятора ТМ-8», для студ., обуч. по направ. 22

32 Pages·01.963 MB·Russian

by  МАМИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

Кафедра "Автоматика и процессы управления"

Матросова В.В., Ревонченков А.М.

ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
методические указания
по выполнению лабораторной работы №1
по теме
«Исследование автоматической системы управления тепловым объектом на
базе общепромышленного релейного регулятора ТМ-8»
для студентов, обучающихся по направлению 222000.62 «Инноватика»,
по направлению 220201.65, 220400.65 «Управление в технических
системах», 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств»

МОСКВА
2015
Разработано в соответствии с Государственным образовательным
стандартом ВПО 2000 г. для студентов, обучающихся по направлению

подготовки 222000.62 «Инноватика»,по направлению подготовки
151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств», по направлению 220400.65 «Управление
в технических системах»

Рецензенты: профессор, к.т.н. Манкевич А.В.

профессор, к.т.н. Красавин П.А.

Работа подготовлена на кафедре «Автоматика и процессы управления»

Теория автоматического управления: методические указания по
выполнению лабораторной работы №1 / В.В. Матросова, А.М. Ревонченков
– М.: МГТУ «МАМИ», 2015. – 30 стр.

В методических указаниях рассматривается принцип работы промышленных САУ
тепловым объектом с релейным законом регулирования на примере лабораторного стенда,
и позволяет изучить метод инжиниринга САУ, а также закрепить на практике
теоретический материал курса теории автоматического управления.

© В.М. Матросова, Ревонченков А.М. 2015
© МГТУ «МАМИ», 2015
2
Оглавление
Цель работы ................................................................................................................................................. 4
Описание лабораторной установки ........................................................................................................... 4
Промышленный исполнительный механизм постоянной скорости типа МЭО ..................................... 5
Рабочее задание .......................................................................................................................................... 6
1. Исследование основных параметров САУ ............................................................................................ 6
Синтез САУ. Идентификация технологического процесса как объекта управления ........................... 10
2. Исследование работы САУ в автоматическом режиме ..................................................................... 17
3. Исследование работы САУ при отработке возмущающего воздействия ......................................... 22
Методические указания............................................................................................................................ 25
Контрольные вопросы .............................................................................................................................. 30
Список литературы .................................................................................................................................... 31

3
Цель работы: Ознакомиться с принципом работы промышленных САУ
тепловым объектом с релейным законом регулирования на примере
лабораторного стенда,изучить метод инжиниринга САУ, а так же закрепить
на практике теоретический материал курса теории автоматического
управления.
Описание лабораторной установки.

Рисунок 1 - Структурная схема САУ
Объектом управления является специальный электронагревательный
элемент «ТЭН», охлаждаемый потоком воздуха от вентилятора.
Вентилятор предназначен создания специальных технологических
условий на поверхности ТЭН. Вентилятор может быть включен на среднюю,
полную мощность и выключен. (См. рисунок 1). Однако температура
поверхности ТЭН при различных условиях обдува не должна изменяться.
Температура объекта измеряется термосопротивлением медным
градуировки ТСМ 50М. Мостовая измерительная схема, включающая ТСМ,
4
является частью схемотехнического решения регулятора ТМ8. Точность
измерения температуры - ± 0.5± ˚С.
Температура объекта показывается и записывается в ЭВМ в пределах
(0-100) ˚С. Основная погрешность показания и записи - не более +1% FS.
Регулятор температуры типа ТМ8 релейный, 3-хпозиционный, с
функцией импульсного управления средней скоростью вращения выходного
вала промышленного исполнительного механизма (ИМ) постоянной
скорости. Настройка средней скорости вращения выходного вала ИМ
необходима для установки расчетного значения коэффициента усиления
разомкнутой системы управления. Параметры импульсного управления ИМ
постоянной скорости устанавливаются на задней стенке регулятора
(длительность импульса Ти -(0.5-10) сек, длительность паузы Тп (10-300)
сек).
Регулятор имеет: - лимб установки заданной температуры стабилизации
в пределах (0-100) ˚С, стрелочный указатель температуры, измеряемой
датчиком ТСМ50М в пределах (0.100) ˚С с погрешностью +/-1 ˚С);
- настраиваемую в пределах (0.5... 10) ˚С зону нечувствительности 3-
хпозиционногозакона управления
- тумблер переключения режимов управления исполнительным
механизмом -«ручной»/«автоматический»;
- кнопки управления исполнительным механизмом
«больше»/«меныпе» при ручном управлении ИМ,
- индикаторы направления хода исполнительного механизма
(увеличение / уменьшение угла поворота выходного вала).
- встроенные «Реле1», «Реле2» для управления ИМ на
увеличение / уменьшение угла поворота выходного вала.
Промышленный исполнительный механизм постоянной скорости
типа МЭОвключает:
- электродвигатель однофазный конденсаторный (40Вт. С=4мкФ) с
частотой вращения ротора 1450об/мин.
5
При включенных в регуляторе ТМ8 «Реле1» или «Реле2» напряжение
питания 220В подается на одну двух автономных обмоток электродвигателя.
При этом другая обмотка оказывается подсоединенной к напряжению
питания через конденсатор С. Создаваемое конденсатором опережение по
фазе тока на этой обмотке совместно с подсоединенной непосредственно к
питающей сети образует вращающееся электромагнитное поле статора, в
результате чего ротор ЭД начинает вращаться направлении, зависящим от
состояния реле.
При отключенных «Реле1» и «Реле2», когда измеряемая величина
температуры в ТМ8 находится в пределах зоны нечувствительности "± с",
ротор двигателя не вращается.
- редуктор, понижающий угловую скорость выходного вала ИМ до
величины 180 угл. град /за 60 сек. ("время хода" Тх = 60 сек);
- настраиваемые концевые выключатели, ограничивающие вращение
выходного вала ИМ в пределах (0- 180) угл. град;
- реостат - потенциометр обратной связи R=200 Ом, который образует
мостовую схему совместно с элементами Дистанционного Указателя угла
Положения (см ДУП) выходного вала ИМ, для индикации текущего угла
поворота выходного вала ИМ в пределах (0-100)% по показаниям
стрелочного индикатора на лицевой панели ДУП.
Лабораторный автотрансформатор ЛАТР-2, движок которого
вращается через механическую связь выходным валом ИМ в пределах (0 -
180) угл. град. При этом напряжение на входе ТЭНа изменяется в пределах
(0- 220) В.

Рабочее задание.
1. Исследование основных параметров САУ.
6
Структурная схема НСАУ показана на рисунке 2:

Рисунок 2 – Структурная схема НСАУ
На рисунке 2 регулятор ТМ8 представлен элементом сравнения и
релейным НЭ. Алгоритм работы ТМ8 заключается в том, что при
рассогласовании заключается в том, что при рассогласовании t
заданной и текущей t температур t= t , больше или меньше зоны
зад.
нечувствительности "С" соответствующий управляющий сигнал "+1"
(контакты электромагнитного реле) регулятора включает или выключает
исполнительный механизм /ИМ/ в определенном направлении вращения
выходного вала ИМ.
Например: "+1" - правое вращение, "-1" - левое вращение.
Скорость вращения выходного вала асинхронного ЭД зависит
только от частоты питающей сети и числа пар полюсов статора ЭД., а
направление вращения выходного вала ЭД изменяется переключением
обмоток ЭД.
Схема замещения асинхронного однофазного конденсаторного
электродвигателя как элемента САУ: "вход – сигнал управления 220В";
выход изменение во времени угла (t) поворота выходного вала ИМ" —
состоит в виде последовательно включенный НЭ и линейного
динамического звена интегратора.
7
Рисунок 3 – Схема замещения алгоритма регулятора совместно с
асинхронным электродвигателем
Управление асинхронным электродвигателем осуществляется
следующим образом (рисунок3):
1. "ВКЛЮЧЕНО" – величина импульса равна 1, напряжение
питания 220В. Выходной сигнал в данном случае будет иметь вид:

(t)=ВК t=К t, (1)
им им

где К - коэффициент хода исполнительного механизма, t - время, В -
им
значение управляющего сигнала.
2. "ВЫКЛЮЧЕНО" – напряжение питания рано нулю. ЭД
выключен. выходной вал не вращается.
3. "ВКЛЮЧЕНО В ОБРАТНОМ НАПРАВЛЕНИИ" – вращение
ротора ИМ за счет коммутации обмоток статора при напряжении
питания 220В, величина импульса равна -1.
ВеличинаК определяется по штатным параметрам ИМ –
им
диапазону угла поворота выходного вала ИМ =(0 – 180) угл. град. и
временем хода Тх (принято Тх = 60 с), за который указанный диапазон
углового перемещения  реализуется.
Линейная часть НСАУ включает нелинейную и линейную части
математического описания ИМ постоянной скорости, которая совместно
с характеристиками асинхронного электродвигателя и НЭ. При
совмещении НЭ закона регулирования ТМ8 и релейной характеристики
8
схемы замещения асинхронного ЭД как элемента САУ получаем
обобщенную схему НЭ НСАУ (рисунок 4).

Рисунок 4 – Формирование схемы замещения НЭ закона управления и
асинхронного электродвигателя НСАУ
В адекватности замещения схемы рисунка 4а схемой рисунка 4б
можно убедиться моделированием по схеме рисунка 5.

Рисунок 5 – Моделирование структуры рисунка 4а в среде MATLAB
(Simulink)
9
Окончательная структура НСАУ принимает вид (рисунок 6), где:
К
им
W (р)  W (р)
л оу
(3)
р
Далее определяем W (p).
оу

Рисунок 6 – Структура НСАУ с учетом математической модели
исполнительного механизма

Синтез САУ. Идентификация технологического процесса как
объекта управления.
Первичной задачей проектирования САУ технологическим
процессом является идентификация технологического процесса как
объекта управления, т. е. отождествление технологического процесса
математической моделью для целей управления.
В данном случае идентификация производится экспериментально
"методом переходной функции". Сущность метода заключается в
определении передаточной функции управляемого процесса по его
реакции на входное детерминированное — при возможности, при
возможности наиболее простое ступенчатое воздействие. Ступенчатое
воздействие создается малым, (5—10)% -ым отклонением от
номинального режима регулирующего параметра в исходном
стационарном состоянии процесса.
Процедура экспериментальной идентификации объекта
следующая:
10