Система автоматичного управління температурою в ангарних приміщеннях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ЦИФРОВА СИСТЕМА АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ ТЕМПЕРАТУРОЮ

1.1 Призначення цифрової системи автоматичного управління

Цифрова система автоматичного керування (ЦСАК) - система, у якої в контур управління включено цифрову обчислювану машину (ЦОМ).

В ієрархічній (багаторівневій та взаємопідпорядкованій) структурі керування складними технічними системами можливо виділити декілька рівнів, які зображені на рис. 2.

Рис. 2. Багаторівнева структура узагальненої ЦСАК:

КУ - контур управління; КК - контур контролю; КО - контур оптимізації; К. коорд. - контур координації; К. орг. - контур організації;

- і - тий об'єкт управління; - загальна кількість об'єктів в і-тій

групі (); - кількість груп; - задаючий сигнал, який формується на одному з вище розташованих рівнів; - вектор стану - ого ОУ

Рівні керування мають назви: 1-ий - рівень управління; 2-ий - рівень контролю; 3-ій - рівень оптимізації; 4-ий - рівень координації; 5-ий - рівень організації.

На 5-му рівні виконується загальна організація процесів керування різнорідними групами об'єктів управління (ОУ). Діяльність роботи груп збалансована за споживаними сировинними, енергетичними та інформаційними ресурсами.

На 4-му рівні узгоджується взаємодія декількох однорідних або різнорідних ОУ. Виконується координація процесів функціонування ОУ, спрямована на підтримку номінальних (розрахункових) показників діяльності груп ОУ.

На 3-му рівні виконується оптимізація задаючих сигналів для 1-го та 2-го рівнів керування, в результаті якої мінімізується споживання ресурсів та енергії, максимізується ефективність функціонування ОУ.

На 2-му рівні реалізована операція контролю за роботою ОУ. При цьому спостерігається і прогнозується стан ОУ, фіксується порушення значення дозволених меж зміни параметрів ОУ, обслуговуючому персоналу передається інформація про можливість виникнення аварійної ситуації. Автоматичне управління спрямоване на подолання аварійної ситуації називається аварійним або кризовим управлінням.

На 1-му рівні здійснюється безпосереднє управління ОУ за інформацією про його вхідні координати та вихідні координати .

Контур управління реалізує поточне (оперативне) управління. В контурах контролю, оптимізації, координації та організації виконується розв'язання відповідних задач, як оперативно так і між робочими циклами

ОУ. ЦОМ в контурі управління, контролю та оптимізації вирішує наступні задачі: обчислювальні, контролюючі, корегуючі.

Обчислювальні задачі полягають у визначенні різниці між програмним (заданим) значенням величини, якою управляють, та її поточним значенням і розрахунку величини сигналу, що подається на виконуючий пристрій в КУ.

Корегуючі задачі полягають в корекції динамічних властивостей ОУ або структури КУ, або задаючого сигналу для контуру управління.

Контролюючі задачі полягають в тому, щоб контролювати поточну працездатність КУ, виявляти тенденції наближення системи управління до аварійного стану, видавати сигнал для переходу КУ до режиму кризового управління.

Основні методи дослідження та вивчення ЦСАК:

1. Аналітичні дослідження - теоретичні дослідження з використанням математичних методів формального аналізу і синтезу.

2. Імітаційне комп'ютерне моделювання - моделювання на комп'ютері процесу функціонального ОУ із імітацією різноманітних детермінованих та випадкових, дискретних та неперервних, структурних та параметричних завад, збоїв, шумів, аварійних ситуацій.

3. Напівнатурне моделювання - моделювання на комп'ютері складових ОУ та алгоритму роботи бортової ЦОМ.

4. Натурне моделювання - моделювання робочого процесу із використанням справжнього ОУ та реальної бортової ЦОМ.

Якщо контур оптимізації та контур контролю виконують свої функції оперативно то вони утворюють контур адаптації.

Рис. 2а. Модель структури контуру управління ЦСАК багатовимірного ОУ із централізованою обробкою інформації

- цифровий датчик первинної інформації про і - вихідну координату ;

- цифровий виконуючий пристрій, який управляє положенням і-го регулюючого органа; ;

- комутатори сигналів;

- задаючий сигнал;

- зовнішній вплив

Рис. 2б. Модель структури контуру управління ЦСАК багатовимірним ОУ із розподіленими по каналам управління ЦОМ

Перехресні зв'язки між каналами управління ОУ притаманні фізичній природі ОУ.

1.2 Розробка структурної схеми аналогової системи автоматичного управління температурою

Розглянемо структурну схему аналогової системи автоматичного управліня температурою в ангарі (рис. 3) та спрощену принципову схему (рис. 3а).

Мостова схема (місток Уітстона) разом з чутливим елементом (ЧЕ) виконує функцію датчика температури в ангарі, тобто датчика первинної інформації (ДПІ); регулятор високочастотний цифровий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Структурна схема аналогової САК.

ППС - підсилювач постійного струму;

ПП - підсилювач потужності;

ДПС - двигун постійного струму;

Р - редуктор;

В - вентилятори, обертаються назустріч один одному;

ВГП - вентилятор, що подає в приміщення гаряче повітря;

ВХП - вентилятор, що подає в приміщення холодне повітря;

ДПІ - датчик первинної інформації;

Якщо температура повітря дорівнює заданій, то міст збалансовано. У випадку відхилення температури повітря в ангарі від заданої температури, яка задається за допомогою , з моста знімається напруга , величина і знак якої залежить від величини та знаку відхилення температури. Після підсилення, сигнал подається на ДПС, який обертає вентилятори, що подають гаряче чи холодне повітря в салон літака і міст збалансовується за рахунок опору .

Рис. 3а. Спрощена принципова схема аналогової САУ температури в ангарному приміщенні

Принцип роботи містка Уітстона.

Принцип вимірювання невідомого опору заснований на урівноваженні відношень опорів в обох плечах містка, при цьому гальванометр включений між цими плечима має показувати нульову напругу. На рис. 3а r_и - невідомий опір, який потрібно виміряти, r_a, r_b, r_и0 - відомі опори, r_и0 - змінний. Якщо відношення двох відомих опорів в плечі r_и/r_b дорівнює відношенню опорів у плечі r_a/ r_и0, то напруга на виході буде дорівнювати нулю. Якщо ж місток незбалансований, то відхилення гальванометра будуть вказувати на те, що опір резистора r_и0 занадто великий або малий , і змінний резистор r_и0 регулюють длти, доки гальванометр не вкаже на нуль. При збалансованому мості виконується рівність:

r_и/r_b = r_a/ r_и0

Принцип роботи електричного двигуна постійного струму

Електродвигуни постійного струму застосовують в тих електроприводах, де потрібен широкий діапазон регулювання швидкості, велика точність підтримки швидкості обертання приводу, регулювання швидкості вгору від номінальної. Конструктивно всі електричні двигуни постійного струму складаються з індуктора і якоря, розділених повітряним зазором.

Робота електричного двигуна постійного струму заснована на явищі електромагнітної індукції. Відомо, що на провідник зі струмом, поміщений в магнітне поле, діє сила, яка визначається за правилом лівої руки:

F = BIL,

де I - струм, що протікає по провіднику, В - індукція магнітного поля; L - довжина провідника.

При перетині провідником магнітних силових ліній машини в ньому наводиться електрорушійна сила, яка по відношенню до струму в провіднику спрямована проти нього (проти ЕРС). Електрична потужність в двигуні перетворюється в механічну і частково витрачається на нагрівання провідника.

Індуктор електродвигуна постійного струму служить для створення нерухомого магнітного поля машини і складається з станини, головних і додаткових полюсів

Побудуємо математичну модель елементів САУ. Вважаємо, що в якості математичної моделі можна використовувати моделі,представлені за допомогою неперервних передавальни функцій, отриманих за Лапласом. Всі елементи САУ є стаціонарними.

- передавальна функція двигуна постійного струму;

- передавальна функція підсилювача потужності;

- передавальна функція підсилювача постійного струму;

- передавальна функція датчика первинної інформації;

Рис. 4. Скалярна аналогова САУ, змодельована в програмному середовищі Matlab

Рис. 5. Редукована скалярна аналогова САУ.

Знехтуємо динамікою ППС та ПП тому, що вони мають набагато менші сталі часу у порівнянні з ДПС і отримаємо редуковану САУ (рис.6)

Зняте з осцилографа зображення перехідного процесу має вигляд (рис. 6а):

рис. 5а. Перехідний процес аналогової САУ температурою

1.1.1 Застосування цифрового ПІД-регулятора в аналоговій САУ температурою та побудова САУ з ПІД регулятором

Рис. 6. Зовнішній вигляд ПІД контролера

Пропорційно-інтегрально-диференціальний (ПІД) регулятор - пристрій в керуючому контурі зі зворотним зв'язком. Використовується в системах автоматичного управління для формування керуючого сигналу з метою отримання необхідних точності і якості перехідного процесу. ПІД-регулятор формує керуючий сигнал, який є сумою трьох доданків, перший з яких пропорційною складовою, другий - інтегральною, третій - диференціальною складовою. ПІД регулятор, втілений у вигляді технічного пристрою називають ПІД контролером (рис.6)

Пропорційна складова починає працювати в момент появи сигналу неузгодженості, тобто миттєво відгукується як на зміну уставки, так і на поведінку об'єкта. Вона виробляє вихідний сигнал, який протидіє відхиленню регульованої величини від заданого значення, що спостерігається в даний момент часу. Якщо вхідний сигнал дорівнює заданому значенню, то вихідний дорівнює нулю. В реальному житті ефект від впливу пропорційної складової проявляється з запізнення, крім того, важливим є вплив навколишнього середовища: температура в ангарі може різко змінитися після відкривання воріт, або ж внаслідок настання холодної пори року. Пропорційний регулятор коливається навколо точки необхідного значення температури, і тим сильніше коливається, чим вище вплив навколишнього середовища. Однак при використанні тільки пропорційного регулятора значення регульованої величини ніколи не стабілізується на заданому значенні. Існує так звана статична помилка, яка дорівнює такому відхиленню регульованої величини, яке забезпечує вихідний сигнал, що стабілізує вихідну величину саме на цьому значенні. Наприклад, в регуляторі температури вихідний сигнал (потужність нагрівача) поступово зменшується при наближенні температури до заданої, і система стабілізується при потужності, що дорівнює тепловим втратам. Температура не може досягти заданого значення, так як в цьому випадку потужність нагрівача стане дорівнює нулю, і він почне остигати. Чим більше коефіцієнт пропорційності між вхідним і вихідним сигналом (коефіцієнт посилення), тим менше статична помилка, проте при занадто великому коефіцієнті посилення при наявності затримок (запізнювання) в системі можуть початися автоколивання, а при подальшому збільшенні коефіцієнта система може втратити стійкість.

Щоб компенсувати зовнішні впливи на об'єкт управління, в ланцюг додають інтегруючу складову. Інтегруюча складова пропорційна інтегралу за часом від відхилення регульованої величини. Її використовують для усунення статичної помилки. Вона дозволяє регулятору згодом врахувати статичну помилку. Якщо система не відчуває зовнішніх збурень, то через деякий час регульована величина стабілізується на заданому значенні, сигнал пропорційною складовою буде дорівнює нулю, а вихідний сигнал буде повністю забезпечуватися інтегрує складовою.

Для компенсації впливу затримок між впливом і реакцією системи, в систему додають диференціальну складову. Диференціальна складова пропорційна темпу зміни відхилення регульованої величини і призначена для протидії відхилень від цільового значення, які прогнозуються в майбутньому. Відхилення можуть бути викликані зовнішніми збуреннями або запізненням впливу регулятора на систему. Просто пропорційний регулятор дає потужність весь час, поки температура не досягне потрібної точки.

Вихідний сигнал регулятора u визначається трьома складовими:

де Кp, Ki, Кd - коефіцієнти посилення пропорційної, інтегруючої та диференціальної складових регулятора відповідно.

рис.7. Неперервна САУ з ПІД регулятором

Введемо ПІД регулятор в нашу аналогову САУ температурою в ангарі (рис. 7)

Перехідний процес виглядає наступним чином (рис. 7а):

рис. 7а. Зображення перехідного процесу аналогової САУ з неперервним ПІД регулятором

1.1.2 Побудова структурної схеми аналогової САУ температурою з ПІД регулятором, АЦП і ЦАП

Цифровий ПІД регулятор в своїй структурі містить аналого-цифровий перетворювач, мікропроцесор та цифро-аналоговий перетворювач.

У АЦП здійснюється перетворення безперервного сигналу помилки регулювання в числову послідовність. Для зручності роботу АЦП доцільно представити у вигляді дії двох послідовно з'єднаних елементів - імпульсного елементу (ІЕ), що відповідає за квантування безперервного сигналу в часі, та квантувача за рівнем (КР), що перетворює вхідний квантова ний за часом сигнал та неперервний за рівнем у вихідний цифровий сигнал,тобто квантований за часом і за рівнем

В обчислювальному пристрої (мікропроцесорі) відбувається обчислення поточного значення регулюючого впливу для кожного кроку - перетворення послідовності чисел похибки регулювання в послідовність чисел, яка визначає поточне значення регулюючого впливу. ЦАП перетворює числову послідовність в безперервний сигнал. ЦАП зручно представити у вигляді трьох послідовно з'єднаних елементів: ІЕ, КР та екстраполятора нульового порядку, який запам'ятовує значення останнього сигналу на його вході і зберігає його значення до надходження наступного сигналу.

Цифровий ПІД регулятор гарантує отримання високої точності і хорошої швидкодії в замкнутій системі безпосереднього цифрового управління.

Специфічні властивості ЦСАУ полягають в :

1. дискретизації (квантуванні за часом та рівнем) неперервного сигналу на виході АЦП;

2. у перетворенні цифрового сигналу в неперервний на виході ЦАП;

3. в суттєвій перевазі ЦСАУ у порівнянні з аналоговими САУ за рахунок стабільності параметрів алгоритму управління та можливості реалізації управління будь-якого рівня.

Зазвичай в сучасних цифрових вимірювальних пристроях та цифрових датчиках первинної інформації АЦП та ЦАП є вбудованими елементами.

Для моделювання цифрового (дискретного) ПІД регулятора для аналогової САУ необхідно додати в контур управління АЦП і ЦАП (рис. 8).

Рис. 8. Структурна схема аналогової САУ з дискретним ПІД регулятором

Задаємо квантування за часом Т = 0,05 і квантування за рівнем К = 0,01.

рис. 8а Зображення перехідного процесу аналогової САУ

Бачимо, що перехідний процес значно покращився внаслідок використання цифрового ПІД регулятора (рис. 8а):

Дослідження впливу рівня квантування за рівнем а за часом на перехідний процес. Збільшуємо крок квантування за часом в 10 разів:

Т = 0,5; К = 0,01;

рис. 9. Зображення перехідного процесу на осцилографі при збільшенні квантування за часом

Збільшивши крок квантування за часом збільшився і час перехідного процесу. Тепер збільшимо крок квантування за рівнем і проаналізуємо зміни системи (рис. 9а):

Рис. 9. Зображення перехідного процесу після збільшення кроку квантування ЦПІД регулятора за рівнем

Збільшивши крок квантування за рівнем перехідний процес втрачає затухаючий характер.

1.3 Дослідження впливу високочастотних збурень на роботу цифрової системи автоматичного управління

Розглянутий раніше ПІД-регулятор і його модифікації є теоретичними ідеалізаціями реальних регуляторів, тому для їх практичного втілення необхідно врахувати особливості, породжувані реальними умовами застосування і технічної реалізації. До таких особливостей відноситься і надходження високочастотних збурень на ЦПІД регулятор. Проблема чисельного диференціювання не є новою й до того ж є притаманною як цифровим, так і в аналоговим регуляторам. Суть її полягає в тому, що похідна обчислюється зазвичай як різниця двох близьких за величиною значень функції, тому відносна похибка похідної завжди виявляється більше, ніж відносна похибка чисельного уявлення диференціюється.

Зокрема, якщо на вхід диференціатора надходить синусоїдальний сигнал Asin(щt) , то на виході отримаємо Aщsin(щt), тобто з ростом частоти збільшується амплітуда сигналу на виході диференціатора. Інакше кажучи, диференціатор підсилює високочастотні перешкоди, короткі викиди і шум.

Якщо перешкоди, посилені диференціатором, лежать за межею робочих частот ПІД-регулятора, то їх можна послабити за допомогою фільтра низьких частот.

Крім шумів диференціювання на характеристики ПІД-регулятора впливають шуми вимірювань. Через ланцюг зворотного зв'язку ці шуми надходять на вхід системи і потім проявляються як дисперсія керуючої змінної. Високочастотні шуми шкідливі тим, що викликають прискорений зношення електродвигунів. Оскільки об'єкт управління зазвичай є низькочастотним фільтром, шуми вимірювань рідко проникають по контуру регулювання на вихід системи. Однак вони збільшують похибку вимірювань і можуть впливати на точність регулювання.

Отже, промоделюємо вплив високочастотних збурень на САУ без ПІД регулятора, САУ з ПІД регулятором та на САУ з ЦПІД регулятором. Схема досліджуваного експерименту подана на рис. 10.

В аналоговій САУ із пропорційним або з пропорційно-інтегральним регулятором інерційний ОУ виконує функцію фільтрації високочастотних збурень, тому ВЧ - збурення на такі САУ не впливають.

Рис. 10. Структурна схема аналогової САУ з високочастотним збуренням на вході

Звівши на один осцилограф результати, отримаємо зображення перехідного процесу нашої системи (рис. 10а)

Рис. 10а. Осцилограма із зображенням перехідного процесу аналогової САУ з високочастотним збуренням на вході

Як можна замітити, ВЧ - збурення суттєво впливає на роботу САУ, дестабілізуючи її.

У ЦСАУ при неправильному виборі кроку квантування за часом відбувається редукція ВЧ - збурень у низькочастотну область сигналів, на які ОУ суттєво реагує. Для того, щоб нейтралізувати негативний вплив, використовуть фільтр низьких частот у каналі диференціювання. Структурні схеми САУ з ПІД регулятором та ЦПІД регулятором, в яких використано ФНЧ

Рис. 11. Структурні схеми САУ з ПІД регулятором та ЦПІД регулятором в контурі диференціювання яких використано ФНЧ.

Рис.11а. Перехідний процес аналогової САУ з використанням фільтру низьких частот

Проаналізувавши зображення перехідного процесу можна зробити висновки, що фільтр низьких частот нівелює вплив ВЧ - збурень на САУ. Таким чином, точність регулювання параметрів ПІД регулятором підвищується.

Размещено на Allbest.ru