Настройка коэффициентов пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора системы автоматического регулирования
Характеристика регуляторов прямого и непрямого действия. Описание функциональной организации микропроцессора. Преобразование дифференциальных уравнений в передаточную функцию системы. Настройка пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.11.2017 |
| Размер файла | 398,1 K |
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/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ИНСТИТУТ ИТАСУ
КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦИИ
НАПРАВЛЕНИЕ 15.03.04
Курсовая работа
по дисциплине «Средства автоматизации и управления»
на тему: «Настройка коэффициентов пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора системы автоматического регулирования»
Вариант № 20
Студент: Шувалов К.С.
Преподаватель: Бекаревич А.А.
Москва
2015
Содержание
Введение
Регуляторы прямого и непрямого действия
Функциональная организация микропроцессора
Преобразование дифференциальных уравнений в передаточную функцию системы
Настройка ПИД-регулятора САР
Введение
Цель работы:
Приобрести навыки моделирования в пакет прикладных программ MATLAB «Simulink» на примере настройки коэффициентов ПИД-регулятора непрерывной линейной системы автоматического регулирования.
Задачи:
1) преобразовать исходное дифференциальное уравнение в передаточную функцию системы;
2) после нахождения передаточной функции системы, собрать схему САР в пакете прикладных программ MATLAB «Simulink»;
3) получить переходный процесс системы (при построении системы используйте обратную связь);
4) настроить коэффициенты ПИД-регулятора для получения оптимального быстродействия и качества системы автоматического регулирования;
5) Сделать соответствующие выводы.
Исходные данные:
- дифференциальное уравнение
19,03 - входное воздействие
Регуляторы прямого и непрямого действия
Автоматический регулятор - это средство автоматизации, получающее, усиливающее и преобразующее сигнал отклонения регулируемой величины и целенаправленно воздействующее на объект регулирования; он обеспечивает поддержание заданного значения регулируемой величины или изменение ее значения по заданному закону.
Автоматические регуляторы классифицируются в зависимости от назначения, принципа действия, конструктивных особенностей, вида используемой энергии и др. В зависимости от источника используемой энергии автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы прямого и непрямого действия.
В регуляторах прямого действия одновременно с измерением регулируемой величины от объекта регулирования отбирается часть энергии, которая используется для работы регулятора и воздействия на его исполнительный механизм. Таким образом, к автоматической системе «объект-регулятор» энергия извне не подводится. В регуляторах прямого действия воздействие регулируемой величины на первичный измерительный преобразователь регулятора служит источником энергии как для формирования закона регулирования, так и для перемещения регулирующего органа. Автоматические регуляторы получили широкое распространение в системах стабилизации давления, расхода, уровня, температуры и т. д. Сфера применения регуляторов прямого действия достаточно велика из-за простоты и надёжности системы.
Основным узлом всех регуляторов прямого действия является настроечная пружина, с помощью которой можно изменять порог срабатывания регуляторов прямого действия. В устройствах, регулирующих давление, используются упругие мембраны и специальные сильфоны.
В качестве примера на рис.1 представлен автоматический регулятор давления прямого действия, поддерживающий заданное значение давления среды в трубопроводе.
Регулятор выполнен в виде клапана с мембранным приводом. На мембрану 1 воздействуют давление измеряемой среды и противодействующая пружина 2. При заданном значении давления условие равновесия сил, воздействующих на мембрану, запишется в виде:
p * fm= c * l
где р -- заданное значение давления в трубопроводе; fм -- эффективная площадь мембраны 1; с--жесткость пружины 2; l--перемещение клапана 5, жестко соединенного штоком 4 с мембраной 1.
Рис. 1 Автоматический регулятор давления прямого действия
Если давление р увеличится на значение Др, то мембрана 1 прогнется вниз, перемещая клапан на расстояние Дl, при котором сила сжатия пружины уравновесит возросшее давление среды на мембрану. Заданное значение давления (регулируемой величины) устанавливается изменением натяжения пружины 2 (меняется жесткость с пружины) путем вращения натяжной гайки 3.
В современных системах автоматического регулирования промышленных предприятий регуляторы прямого действия используют редко. В большинстве конструкций регуляторов для перемещения регулирующих органов используют внешние источники энергии, для чего устанавливают специальные усилители -- так называемые исполнительные механизмы, использующие различную энергию.
Рис.2 Схема автоматического регулятора непрямого действия
В зависимости от вида используемой энергии регуляторы непрямого действия подразделяются на:
1) электрические (электромеханические, электронные),
2) пневматические,
3) гидравлические
4) комбинированные (электропневматические, электрогидравлические).
Электрические автоматические регуляторы применяются главным образом для регулирования на невзрывоопасных объектах при больших расстояниях от пункта управления до объекта регулирования. Для перемещения регулирующего органа установлен исполнительный механизм -- электродвигатель, использующий внешний источник энергии. Электрические регуляторы являются наиболее распространенными.
Пневматические автоматические регуляторы применяются во взрыво- и пожароопасных зонах при небольших расстояниях (до 400м) от пункта управления до объекта регулирования. Роль исполнительного механизма выполняет пневматический усилитель.
Гидравлические регуляторы применяются во взрыво- и пожароопасных зонах, как правило, при непосредственном размещении элементов регулятора в зоне объекта регулирования. Исполнительный механизм состоит из золотникового распределительного устройства и гидравлического поршня.
Комбинированные регуляторы применяются в случаях, когда необходимо использовать отдельные преимущества электро-, пневмо- или гидрорегуляторов.
Функциональная организация микропроцессора
Микропроцессор предназначен для работы с байтовой организацией памяти и имеет следующие форматы представления данных и команд. Формат обрабатываемых данных (операндов) представлен на рисунке 3
Рис.3 Формат данных
Формат данных интерпретировать как :
1) целое положительное число без знака в прямом коде в диапазоне от 0 до 255 (в десятичной системе исчисления);
2) число со знаком в дополнительном коде. Диапазон изменения чисел от +127 до128 в десятичной системе исчисления;
3) двухразрядное двоично-десятичное число без знака в диапазоне от 0 до 99 в десятичной системе исчисления;
4) логический байт данных;
5) допускается представление чисел в двухбайтовом формате в прямом или дополнительном коде. Диапазон изменения чисел при этом от +32767 до -32786 в десятичной системе исчисления.
Арифметические операции выполняются по правилам двоичной арифметики над числами в дополнительном коде. При обработке двоично-десятичных чисел используется преобразование в двоичный код. Логические операции выполняются по правилам двоичной логики. Результат операции представляется числом в соответствующем формате и байтом признаков результата (флажков) (рис.4).
Рис.4. Байт признаков (флажки)
Пять признаков (остальные три разряда фиксированы) устанавливаются в зависимости от результата выполнения операции:
1) Бит знака S устанавливается в соответствии со старшим битом D7 результата.
2) Бит нуля Z устанавливается в "1", если результат равен 0; в противном случае сбрасывается в "0".
3) Бит четности Р устанавливается в "1", если число единиц в результате четно; в противном случае сбрасывается в "0".
4) Бит переноса С устанавливается в "1", если в результате выполнения операции сложения возникает перенос из старшего разряда или при вычитании перенос не возникает (происходит заем); в противном случае обнуляется.
5) Бит вспомогательного переноса АС устанавливается в "1" при появлении переноса из третьего в четвертый разряд результата при выполнении сложения и вычитания. Используются при обработке двоично-десятичных чисел.
Форматы команд зависят от типа команд и способа адресации. Код операции представляется одним байтом. В случае прямой адресации к памяти используется адрес длиной 16 бит (т.е. макс. емкость памяти 65536 байтов).
Длина команды может быть 1,2 или 3 байта. Многобайтовые команды хранятся в соседних ячейках памяти и адресуются по первому байту, младший байт располагается по меньшему адресу. Формат команды определяется кодом операции. Адресация памяти в микропроцессоре задается в коде операции и использует следующие способы.
1) Прямая: используется для адресации однобайтовых слов данных и двухбайтовых адресов, содержащихся в памяти или внешнем устройстве. Прямой адрес указывается во втором или во втором и третьем байтах команды.
2) Прямая регистровая: используется для адресации одно- и двухбайтовых слов, содержащихся во внутренних регистрах процессора, и указывается в байте кода операции.
3) Косвенная регистровая: используется для адресации байтов данных в памяти. Косвенный адрес содержится в паре регистров процессора (адресных указателях), указываемых в байте кода операции.
4) Непосредственная: используется в двух- или трехбайтовым форматом команд. Байт2 (или байты 2 и 3) непосредственно содержат данные (операнд или адрес, заносимый в регистр).
5) Cтековая: используется для косвенной адресации двухбайтовых слов данных или адресов, находящихся в области памяти, отведенный под стек. Адрес определяется по содержимому регистра указателя стека (SP).
Преобразование дифференциальных уравнений в передаточную функцию системы
В общем случае действие непрерывной линейной САР описывается неоднородным дифференциальным уравнением следующего вида:
где a, b, c - постоянные коэффициенты, зависящие от параметров системы. пропорциональный дифференцирующий регулятор микропроцессор
Введем, оператор дифференцирования . Тогда уравнение может быть представлено в операторном виде:
В данном выражении полином, стоящий при выходном параметре Y, называется собственным оператором и обозначается Q(p). Полиномы при воздействиях Хи Z называются соответственно операторами управляющего и возмущающего воздействия. Оператор управляющего воздействия обозначим R1(p), а оператор возмущающего воздействия - R2(p).С учётом введенных обозначений уравнение примет вид:
Если рассматривается только установившейся режим, то уравнение примет вид:
В тех случаях, когда система или её составной элемент описывается дифференциальным уравнением не выше 2-го порядка, применяется стандартная форма записи уравнения.
Левую и правую часть уравнения разделим на коэффициент a2,получим:
Передаточная функция системы:
Настройка ПИД-регулятора САР
После нахождения передаточной функции, нужно построить модель системы (рис.5).
Рис.5 Схема САР
В схеме присутствуют такие блоки как:
1) Constant - входное воздействие;
2) PID Controller - ПИД-регулятор;
3) TransferFcn - передаточная функция системы рассчитанная ранее;
4) Scope - осциллограф (блок мониторинга переходного процесса);
5) Сумматор - на положительный вход которого поступает входное воздействие, на отрицательный - обратная связь.
Рис.6 Переходная характеристика системы
Коэффициенты ПИД-регулятора:
; ;
Далее происходит настройка коэффициентов ПИД-регулятора. При настройке коэффициентов ПИД-регулятора необходимо добиться следующих качественных характеристик:
1) Время установившегося значения не должно превышать 5 секунд;
2) Перерегулирование не должно превышать 15-20% от установившегося значения.
Рис.7 Переходная характеристика системы с настроенными коэффициентами
Коэффициенты ПИД-регулятора:
Kпр = 4; Kинт = 15; Kдиф = 2;
Проверим качественные характеристики:
1) Время установившегося значения - 4 секунды.
2) Перерегулирование - 9.5 %.
Вывод
По результатам данной курсовой работы можно сделать вывод, что с помощью ПИД-регулятора можно добиться оптимального быстродействия и качества системы автоматического регулирования.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Синтез пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, обеспечивающего для замкнутой системы показатели точности и качества управления. Амплитудно-частотная характеристика, динамический анализ и переходный процесс скорректированной системы.
курсовая работа [658,0 K], добавлен 06.08.2013Изучение общих принципов построения пропорционально-интегрально-дифференциальных технологических регуляторов. Проектирование алгоритма регуляторов температуры на базе дешевых микроконтроллеров MSP430 (Texas Instruments). Дискретная форма регулятора.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 12.10.2015Расчет областей устойчивости пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора. Выбор оптимальных параметров регулирования. Построение передаточной функции, области устойчивости. Подбор коэффициентов для определения наибольшей устойчивости системы.
контрольная работа [1,0 M], добавлен 11.06.2014Классификация электромагнитных подвесов. Построение математической модели стенда. Программная реализация пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора. Описание микроконтроллера ATmega 328 и платы Arduino. Сборка и ввод стенда в эксплуатацию.
дипломная работа [2,6 M], добавлен 09.06.2014Расчёт настроек ПИ-регулятора в контуре регулирования температуры. Схема одноконтурной системы управления. Настройки, обеспечивающие для заданного объекта процесс регулирования, удовлетворяющий данным критериям качества. Передаточная функция регулятора.
контрольная работа [2,0 M], добавлен 01.06.2015Параметрический синтез САР простейшей структуры на основе инженерных методик по моделям объекта 1-го порядка (без использования процедуры оптимизации). Расчет параметров регулятора по инженерным методикам для определения начальных настроек регулятора.
лабораторная работа [898,1 K], добавлен 15.05.2015Сущность технологического процесса. Дискретные выходы и возможность их программирования. Применение ПИД-регулятора на примере моделирования автоклава. S-модель астатического регулятора. Настройка автоматического регулятора. Их виды и преимущества.
курсовая работа [4,2 M], добавлен 29.05.2010Передаточные функции звеньев. Оценка качества регулирования на основе корневых показателей. Исследование устойчивости системы. Построение переходного процесса и определение основных показателей качества регулирования. Параметры настройки регулятора.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 05.03.2015Расчет дифференцирующего устройства для формирования управляющих сигналов системы автоматического регулирования. Амплитудночастотные и фазочастотные характеристики идеального дифференцирующего устройства. Сигнал простейшей дифференцирующей rc-цепочки.
курсовая работа [1001,9 K], добавлен 19.12.2010Системы, основанные на принципах. Базовые понятия нечеткой логики. Общая структура устройств нечеткой логики. Микроконтроллер и процессор нечеткой логики. Определение входных и выходных переменных системы. Преимущества применения нечеткой логики.
контрольная работа [596,8 K], добавлен 01.10.2016
