Управление котельным агрегатом в среде MATLAB

Принцип работы котельного агрегата. Модель системы управления в среде MATLAB. Сравнение характеристики непрерывного и дискретного объектов регулирования агрегата. Оптимальные параметры настройки цифрового пропорционально-интегрального регулятора.

Рубрика Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 11.11.2017
Размер файла 1,6 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Оглавление

  • Введение
  • 1. Выбор периода квантования
  • 2. Получение Z-передаточной функции объекта
  • 3. Получение разностного уравнения объекта регулирования и построение временных характеристик в аналоговой и дискретной форме
    • 3.1 Получение разностного уравнения объекта регулирования
    • 3.2 Временные характеристики непрерывного и дискретного объекта
  • 4. Сравнение КЧХ непрерывного и дискретного объекта
  • 5. Расчет настроек непрерывного и дискретного ПИ-регуляторов
  • 5. Расчет настроек непрерывного и дискретного ПИ-регуляторов
    • 5.1 Расчет настроек непрерывного ПИ-регулятора
    • 5.2 Расчет настроек Дискретного ПИ-регулятора методом подбора периода квантования
  • 6. Модель системы управления в среде MATLAB
  • Вывод
  • Список литературы
  • Приложение

Введение

Управление техническим объектом обычно состоит в выработке команд, реализация которых обеспечивает целенаправленное изменение состояния этого объекта при соблюдении заранее обусловленных требований и ограничений.

Состояние объекта в отношении цели управления определяется текущими значениями некоторого числа контролируемых переменных, получивших название управляемых величин объекта.

Воздействия, получаемые объектом со стороны внешней среды и приводящие к нежелательным отклонениям управляемых величин, называют возмущающими воздействиями, или возмущениями.

Изменение управляемых величин в соответствии с целью управления (и в частности, поддержание их на неизменном уровне) осуществляется подачей на объект специально организуемых управляющих воздействий.

Для возможности реализации этих управляющих воздействий всякий объект снабжается специально предусмотренными для этой цели управляющими органами.

Управление, осуществляемое без участия человека, называют автоматическим, а техническое устройство, выполняющее в этом случае функции управления, -- автоматическим управляющим устройством или контроллером; объект управления и контроллер во взаимодействии друг с другом образуют систему автоматического управления.

Управление называется непрерывным, если осуществляемое контроллером изменение управляющего воздействия происходит в непрерывной зависимости от изменения задающего воздействия и управляемой величины (а возможно, и от производных и интегралов от этих изменений). В случае дискретного управления управляющее воздействие принимает лишь какое-нибудь одно из нескольких возможных значений (в пределе -- только из двух возможных значений).

Как правило, из общей задачи управления выделяется задача устранения (или, по крайней мере, сведения к допустимому минимуму) вредного влияния на достижение цели управления действующих на объект неконтролируемых возмущений, а также неконтролируемых погрешностей в задании модели объекта, т. е. задача, которая в структуре замкнутой системы управления решается на основе рабочей информации, получаемой контроллером по каналу обратной связи. Это относительно самостоятельная часть задачи управления получила название задачи регулирования объекта, а часть системы управления, выполняющая эту задачу, - подсистемы регулирования.

Котельный агрегат

Котельный агрегат - это устройство, в котором непосредственно вырабатывается пар и нагревается вода. По давлению получаемого пара котельные агрегаты классифицируются на: низкого давления (0,8-1,6 МПа), среднего (2,4-4 МПа), высокого (10-14МПа) и сверхвысокого давления(25-31Мпа). Паровые котельные агрегаты стандартизированы (ГОСТ 3619-76) по параметрам вырабатываемого пара и мощности.

Котельные агрегаты производительностью 0,01-5,5 кг/с относятся к котлам малой мощности, производительностью до 30 кг/с к котлам средней мощности и более 30 кг/с (до 500-1000 кг/с) - к котлам большой мощности.

По конструкции паровые котлы можно разделить на два типа - газотрубные и водотрубные. В газотрубных котлах основные поверхности нагрева находятся внутри цилиндрического сосуда большого диаметра в виде так называемых жаровых или дымогарных труб или различных их комбинаций, по которым движутся продукты сгорания топлива.

Более совершенными являются водотрубные паровые котлы. Они имеют развитые поверхности нагрева, состоящие из труб, заполненных внутри водой и пароводяной смесью, а снаружи обогреваемых продуктами сгорания топлива. Котлы относятся к горизонтально-водотрубным, если трубы расположены под углом к горизонту не более 25о, и к вертикально-водотрубным, если трубы идут более круто или вертикально. В этих котлах путем изменения числа труб в пучках и числа самых пучков удалось увеличить площадь поверхности нагрева, не увеличивая диаметр их барабанов, что в свою очередь дало возможность получить в этих котлах пар высокого давления.

Принцип работы котельного агрегата представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 Принцип работы котельного агрегата

1. Выбор периода квантования

Из теоремы Котельникова:

сделаем замену

получим уравнение , корни которого

так как один корень отрицательный, то и .

находим период квантования

Для того чтобы в дальнейшем при получении Z-передаточной функции из теоремы Котельникова дискретного объекта регулирования можно было использовать обычное (а не модифицированное) Z - преобразование, следует изменить время запаздывания непрерывного объекта так, чтобы это время было бы равно целому числу периодов квантования. Возьмем время запаздывания равное 4.

2. Получение Z-передаточной функции объекта

Разложим выражение в фигурных скобках на элементарные дроби через вычеты

По таблице находим Z-преобразование каждой дроби

,

где T- время квантования

В результате получим Z-передаточную функцию объекта вида

=

=

после преобразований и подстановки времени квантования

Проверка:

3. Получение разностного уравнения объекта регулирования и построение временных характеристик в аналоговой и дискретной форме

3.1 Получение разностного уравнения объекта регулирования

Получаем разностное уравнение объекта:

3.2 Временные характеристики непрерывного и дискретного объекта

Временная характеристика непрерывного объекта:

Временная характеристика дискретного объекта регулирования получается из разностного уравнения заменой [kT] на дискретную единичную функцию 1[kT]:

= - =

= - =

Рисунок 2 Временные характеристики непрерывного и дискретного объектов

Значения функций непрерывного и дискретного объектов - см. приложение Таблица 1.

4. Сравнение КЧХ непрерывного и дискретного объекта

· Получение КЧХ непрерывного объекта:

Заменим , получаем

Значения координат точек для построения КЧХ - см. приложение Таблица 2.

· Получение КЧХ дискретного объекта:

Заменим при

;

;

;

Ткв=4

- КЧХ дискретного объекта

Значения координат точек для построения КЧХ - см. приложение Таблица 3.

Рисунок 3 КЧХ непрерывного и дискретного объекта (w = 0,1)

matlab котельный агрегат регулятор

Сравнивая характеристики непрерывного и дискретного объектов регулирования, можно сделать вывод, что векторы КЧХ дискретного объекта практически на всех частотах больше по модулю векторов КЧХ непрерывного объекта, но имеют большее отставание по фазе.

5. Расчет настроек непрерывного и дискретного ПИ-регуляторов

5.1 Расчет настроек непрерывного ПИ-регулятора

В данной курсовой работе необходимо рассчитать оптимальные настройки ПИ-регулятора по методу Ротача В.Я. при ограничении на частотный показатель колебательности.

Исходные данные:

=0,8 - степень затухания

M=2,08 - частотный показатель колебательности

Полученные значения настроек ПИ-регулятора в LinReg:

Кп=7,617

Ти=17,902

- передаточная функция непрерывного объекта регулирования

Для нахождения оптимальных настроек непрерывного ПИ - регулятора используем построение на миллиметровой бумаге (см. приложение Рисунок 3), в котором:

В таблице приведены результаты расчета

Таблица 1 Значения рассчитанных параметров

w

re

im

|OA|

Tu= 13,902

Tu =15,902

Tu= 17,902

Tu =19,902

Tu =21,902

0,063

-0,015

-0,156

0,157

|AB|

0,179439

0,156871

0,139345

0,125342

0,113896

0,075

-0,039

-0,127

0,133

0,127687

0,111628

0,099157

0,089192

0,081048

0,087

-0,052

-0,102

0,114

0,09435

0,082484

0,073269

0,065906

0,059888

0,099

-0,058

-0,079

0,099

0,072004

0,062948

0,055916

0,050297

0,045704

0,111

-0,060

-0,061

0,086

0,055787

0,048771

0,043322

0,038968

0,03541

0,122

-0,059

-0,046

0,075

0,044265

0,038698

0,034374

0,03092

0,028096

0,134

-0,056

-0,034

0,065

0,034927

0,030535

0,027123

0,024398

0,02217

Найдем значения Кп , измеряя радиусы полученных окружностей (см. приложение Рисунок 4)

Результаты предоставлены в таблице 5.

Таблица 2 Определение параметра регулятора непрерывного объекта

Rm

r

Tu

Kn

Кп/Ти

0,625

0,1014

13,902

6,164

0,4431

0,625

0,0856

15,902

7,301

0,4591

0,625

0,0743

17,902

8,412

0,4699

0,625

0,0698

19,902

8,954

0,4499

0,625

0,0646

21,902

9,675

0,4417

5.2 Расчет настроек Дискретного ПИ-регулятора методом подбора периода квантования

Для нахождения оптимальных настроек дискретного ПИ-регулятора используем программу Linreg.

Для это подставляем настойки непрерывного регулятора, полученные через Linreg, в настройки дискретного регулятора. При этом частотный показатель колебательности изменяется, чтобы это исправить подбираем период квантования.

Продолжаем менять Ткв до тех пор, пока период колебательности не установится равным М=2,08 (±10%).

Получение АЧХ дискретного регулятора при Ткв = 4

Рисунок 4 АЧХ дискретного ПИ-регулятора при Ткв = 4

Получение АЧХ дискретного регулятора при Ткв = 0.5

Рисунок 5 АЧХ дискретного ПИ-регулятора при Ткв = 0.5

Полученные значения настроек ПИ-регулятора в LinReg:

Кп=7,617

Ти=17,902

Ткв=0,5

Для определения оптимальных настроек ПИ-регулятора построим графики зависимостей

см.

Рисунок 6 Зависимости Кп/Ти от Кп

Рисунок 7 Зависимости Кп от Ти

По рис.7, рис.8 находим оптимальные настройки непрерывного и цифрового ПИ - регуляторов. Сведем данные в таблицу 9.

Таблица 3 Определение оптимальных параметров объекта

Регулятор

Параметр

Расчетные данные

Linreg

Непрерывный

8,4

7,617

18

17,902

0,467

0,425

Цифровой

7,617

5,873

17,902

18,359

0,425

0,320

Расчетные данные имеют небольшое расхождения с настройками ПИ-регулятора в программе Linreg.

6. Модель системы управления в среде MATLAB

Параметры получены в LinReg

Синтезированная САР с непрерывным и цифровым регуляторами была смоделирована в среде MATLAB (пакет Simulink). Модель системы управления для непрерывного объекта управления (Кп=7,617; Кпи = 0,425) и дискретного объекта управления (Кп=5,873; Кри = 0,32; Ткв=4) представлена на рисунке 9:

Рисунок 8 Модель системы управления (значения Кп и Ти, полученные в LinReg)

Описание модели Simulink:

Transfer Function - передаточная функция объекта регулирования без запаздывания:

Transport Delay - звено транспортного запаздывания ( = 4).

Gain - усилительные звенья в пропорциональной и интегрирующей частях непрерывного и дискретного регуляторов (значения коэффициентов усиления равны соответственно Kп и Kп/Tи).

Integrator - интегратор непрерывный.

Discrete-Time Integrator - интегратор дискретного времени (sample time = 4).

Zero Order Hold (ZOH) - фиксатор нулевого порядка (sample time = 4).

Constant - константа, значение которой равно и константа .

Step (Zadanie) - ступенчатая функция, определяющая величину задающего воздействия ().

Step (Vozm)-ступенчатая функция, определяющая величину сигнала внутреннего возмущения().

Saturate - нелинейный элемент-ограничитель (upper limit=59, lower limit=-41).

Sum - сумматор.

Mux - мультиплексор.

Scope - осциллоскоп, который предназначен для отображения зависимости регулируемой величины и сигнала с регулятора от времени.

Синтезированная САР с непрерывным и цифровым регуляторами была смоделирована в среде MATLAB (пакет Simulink). Модель системы управления для непрерывного объекта управления (Кп=8,4; Кпи = 0,467) и дискретного объекта управления (Кп=7,617; Кри =0,425; Ткв=0,5) (по расчетным данным) представлена на рисунке 10:

Рисунок 9 Модель системы управления (Расчетные данные)

Графики работы системы при отработке задания и внутреннего возмущения представлены в приложении:

· Выход системы при отработке задания - Рисунок 11

· Выход с ПИ - регулятора при отработке задания - Рисунок 12

· Выход системы при отработке внутреннего возмущения - Рисунок 13

· Выход с ПИ - регулятора при отработке внутреннего возмущения - Рисунок 14

Параметры, характеризующие качество работы моделированной САР с непрерывным и цифровым регулятором при отработке задания и внутреннего возмущения, приведены в

Графики работы системы при отработке задания и внутреннего возмущения представлены в приложении:

· Выход системы при отработке задания - Рисунок 15

· Выход с ПИ - регулятора при отработке задания - Рисунок 16

· Выход системы при отработке внутреннего возмущения - Рисунок 17

· Выход с ПИ - регулятора при отработке внутреннего возмущения

Параметры, характеризующие качество работы моделированной САР с непрерывным и цифровым регулятором при отработке задания и внутреннего возмущения, приведены в таблице.

Таблица 4 по Linreg

Параметр

При отработке задания

При отработке внутреннего возмущения

Непрерывный регулятор

Цифровой регулятор

Непрерывный регулятор

Цифровой регулятор

Максимальный выброс регулируемой величины

Степень затухания

Время регулирования

Таблица 5 Расчетные данные

Параметр

При отработке задания

При отработке внутреннего возмущения

Непрерывный регулятор

Цифровой регулятор

Непрерывный регулятор

Цифровой регулятор

Максимальный выброс регулируемой величины

Степень затухания

Время регулирования

Степень затухания:

, где А1 и А2 - первая и вторая амплитуды на графике.

Максимальный выброс регулируемой величины:

Вывод

В данной курсовой работе были решена задача параметрического синтеза системы стабилизации разряжения в топке котельного агрегата.

Для этого:

1. Определен период квантования Ткв=4;

2. Получена Z - передаточная функция ОУ;

3. Получено разностное уравнение ОУ и построены временные характеристики в аналоговой и дискретной форме;

4. Построены КЧХ для непрерывного и дискретного ОУ;

5. Рассчитаны оптимальные параметры настройки непрерывного и цифрового ПИ-регулятора. Модель системы управления для непрерывного объекта управления (Кп=8,4; Ти=18; Кпи = 0,467- расчетные и Кп=7,617; Ти=17,902; Кпи = 0,425 - по LinReg) и для дискретного объекта(Кп=5,873; Ти=18,359; Кпи = 0,32; Tкв=4- по LinReg и Кп=7,617; Ти=17,902; Кпи = 0,425; Ткв=0,5 - метод подбора(linreg));

6. По этим параметрам и заданным условиям в среде MATLAB была смоделирована система управления.

В ходе выполнения курсовой работы были приобретены навыки работы в средах Linreg и MATLAB+Simulink.

Список литературы

1. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергитическими процессами: Учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 1985.

2. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании: Полное руководство пользователя. - М.: СОЛОН-Пресс. 2003. - 576 с. ил.

Приложение

Таблица 1 Значения временных характеристик непрерывного и дискретного объектов

t

Непрерывный объект h(t-ф)

Дискретный объект h[kT]

0

0

0

4

0

0

8

0,011091

0,0108

12

0,035614

0,0351

16

0,065323

0,064687

20

0,095709

0,095042

24

0,124448

0,123815

28

0,150472

0,149913

32

0,17342

0,172952

36

0,19331

0,192937

40

0,210352

0,210069

44

0,224838

0,224634

48

0,237083

0,236947

52

0,247394

0,247312

56

0,256051

0,256013

60

0,263306

0,263301

64

0,269376

0,269396

68

0,274451

0,274488

72

0,278689

0,278737

76

0,282227

0,282283

80

0,28518

0,285239

84

0,287643

0,287703

88

0,289697

0,289757

92

0,291411

0,291468

96

0,292839

0,292893

100

0,29403

0,294081

Таблица 2 Значения КЧХ непрерывного объекта

w

re

im

0

0,3

0

0,01

0,275692

-0,0964

0,02

0,215335

-0,16478

0,03

0,143808

-0,19646

0,04

0,07945

-0,19924

0,05

0,029353

-0,18505

0,06

-0,0064

-0,16319

0,07

-0,03035

-0,13928

0,08

-0,04544

-0,11626

0,09

-0,05419

-0,09545

0,1

-0,05852

-0,07728

0,11

-0,05986

-0,06176

0,12

-0,05923

-0,04867

0,13

-0,05732

-0,03773

0,14

-0,05465

-0,02865

0,15

-0,05154

-0,02112

0,16

-0,04822

-0,01492

0,17

-0,04485

-0,00981

0,18

-0,04152

-0,00561

0,19

-0,0383

-0,00218

0,2

-0,03523

0,000632

0,21

-0,03233

0,002915

0,22

-0,02961

0,004764

0,23

-0,02706

0,006252

0,24

-0,02469

0,00744

0,25

-0,02249

0,008376

0,26

-0,02045

0,009103

0,27

-0,01856

0,009655

0,28

-0,01682

0,010062

0,29

-0,0152

0,010346

0,3

-0,01371

0,010527

0,31

-0,01233

0,010623

0,32

-0,01106

0,010648

0,33

-0,00988

0,010612

0,34

-0,0088

0,010527

0,35

-0,00779

0,0104

0,36

-0,00686

0,010239

0,37

-0,00601

0,010049

0,38

-0,00522

0,009836

0,39

-0,00449

0,009604

0,4

-0,00381

0,009357

0,41

-0,00319

0,009098

0,42

-0,00261

0,008829

0,43

-0,00208

0,008553

0,44

-0,0016

0,008272

0,45

-0,00115

0,007988

0,46

-0,00073

0,007701

0,47

-0,00035

0,007414

0,48

2,13E-07

0,007128

0,49

0,000321

0,006842

0,5

0,000615

0,006559

Таблица 3 Значения КЧХ дискретного объекта

w

re

im

0

0,3

0

0,01

0,273735

-0,10192

0,02

0,208578

-0,17339

0,03

0,131617

-0,20494

0,04

0,062908

-0,2051

0,05

0,010216

-0,187

0,06

-0,02643

-0,16093

0,07

-0,04994

-0,13311

0,08

-0,06366

-0,10677

0,09

-0,07045

-0,08333

0,1

-0,07252

-0,0632

0,11

-0,07149

-0,04631

0,12

-0,0685

-0,03238

0,13

-0,06433

-0,02101

0,14

-0,05953

-0,01184

0,15

-0,05447

-0,00451

0,16

-0,04938

0,0013

0,17

-0,04443

0,005847

0,18

-0,03969

0,009361

0,19

-0,03523

0,012027

0,2

-0,03108

0,014002

0,21

-0,02723

0,015414

0,22

-0,02371

0,016367

0,23

-0,02048

0,016948

0,24

-0,01754

0,017229

0,25

-0,01487

0,017266

0,26

-0,01246

0,017109

0,27

-0,01028

0,016797

0,28

-0,00831

0,016363

0,29

-0,00655

0,015833

0,3

-0,00498

0,015229

0,31

-0,00357

0,014571

0,32

-0,00233

0,013874

0,33

-0,00122

0,01315

0,34

-0,00025

0,01241

0,35

0,000605

0,011663

0,36

0,001348

0,010916

0,37

0,001991

0,010175

0,38

0,002542

0,009445

0,39

0,003008

0,00873

0,4

0,003399

0,008034

0,41

0,003719

0,00736

0,42

0,003976

0,006709

0,43

0,004176

0,006084

0,44

0,004324

0,005486

0,45

0,004424

0,004915

0,46

0,004482

0,004374

0,47

0,004502

0,003862

0,48

0,004489

0,00338

0,49

0,004445

0,002927

0,5

0,004374

0,002504

Рисунок 10 Выход системы при отработке задания. (Linreg)

Рисунок 11 Выход с ПИ - регулятора при отработке задания. (Linreg)

Рисунок 12 Выход системы при отработке внутреннего возмущения. (Linreg)

Рисунок 13 Выход с ПИ - регулятора при отработке внутреннего возмущения.(Linreg)

Рисунок 14 Выход системы при отработке задания. (Расчетные данные)

Рисунок 15 Выход с ПИ - регулятора при отработке задания. (Расчетные данные)

Рисунок 16 Выход системы при отработке внутреннего возмущения. (Расчетные данные)

Рисунок 17 Выход с ПИ - регулятора при отработке внутреннего возмущения

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Модель релейной системы регулирования и идентификации структуры отдельного характерного элемента ЭКС зубца Р в системе MatLab. Анализ линейных звеньев с применением Control System Toolbox и Simulink. Методы построения переходных и частотных характеристик.

    дипломная работа [1,1 M], добавлен 28.01.2015

  • Изучение программирования в MATLAB. Использование команд Save и Load, операторы ввода и вывода для работы в командном окне. Отладка собственных программ. Интерфейс MATLAB. Отличия поздней версии MATLAB от более ранних. Средство Source Control Interface.

    контрольная работа [43,0 K], добавлен 25.12.2011

  • Теория агрегативных моделей. Очередь как основной элемент моделей обслуживания; параметры приходящих заявок. Элементы обслуживающего узла, совокупность приборов обслуживания. Разработка библиотеки элементов, моделирующей работу Агрегата в среде MatLab.

    курсовая работа [188,4 K], добавлен 28.10.2013

  • Общая характеристика и свойства системы Matlab - пакета прикладных программ для решения задач технических вычислений. Разработка математической модели в данной среде, программирование функций для задающего воздействия. Проектирование GUI-интерфейса.

    курсовая работа [1023,2 K], добавлен 23.05.2013

  • Принципиальная и структурная схема системы стабилизации угловой скорости ДПТ. Критерий устойчивости Гурвица. Передаточная функция разомкнутой системы. Исследование САР в среде Simulink. Проверка расчетов с помощью моделирования системы в среде Matlab.

    курсовая работа [3,3 M], добавлен 21.08.2012

  • Исследование типовых примеров задач оптимизации. Реализация программы в среде MatLab для их решения. Изучение функций нелинейной оптимизации. Определение оптимума целевой функции одной или нескольких переменных. Поиск оптимальных настроек регулятора.

    лабораторная работа [188,8 K], добавлен 07.12.2016

  • Характеристика системы управления двигателем постоянного тока. Моделирование системы управления в среде Matlab 6.1. Подбор параметров регуляторов структурной схемы в соответствии с предъявляемыми требованиями. Исследование электрической схемы системы.

    курсовая работа [1,4 M], добавлен 29.11.2010

  • Получение передаточной функции по модели разомкнутой системы автоматизированного управления двигателем постоянного тока. Получение оптимальных коэффициентов обратных связей в среде MatLab. Расчет переходных процессов системы с оптимальными коэффициентами.

    лабораторная работа [1,3 M], добавлен 31.10.2012

  • Функциональная схема, принцип действия и характеристики автоматической системы регулирования температуры. Статические характеристики нелинейной системы. Анализ устойчивости, моделирование и оптимизация линеаризованной системы с помощью программы Matlab.

    курсовая работа [3,1 M], добавлен 14.03.2011

  • Возможности, визуализация и графические средства MATLAB. Устройство асинхронных двигателей. Математические модели асинхронной машины. Пакет визуального программирования Simulink. Преобразование уравнений асинхронной машины в неподвижной системе координат.

    дипломная работа [2,1 M], добавлен 30.08.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.