Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«ТОМСКИЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 

Институт - кибернетики

Направление – автоматизация и управление

Кафедра – интегральных компьютерных систем управления 
 
 

Основы  построения и анализа 

систем  автоматического  управления

Курсовая  работа по дисциплине

«Теория автоматического управления» 
 
 
 
 

студент гр. 8А82 А.Э.Головина

руководитель А.В. Воронин

доцент, кандидат наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 2011г. 

Задание на курсовую работу по ТАУ для ст. Головиной А. 

Часть 1. Схемотехнический синтез системы автоматического регулирования 

1. Разработать  варианты  системы автоматического регулирования влажности в теплице,  реализующие принципы регулирования по отклонению, по возмущению и жесткого управления  и дать описание их работы. Необходимо описать функционирование  рассматриваемых систем, обратив особое внимание на доказательства их работоспособности и области применения. При описании системы нужно четко сформулировать, что именно система  должна делать, для чего она предназначена. В том числе необходимо ответить на следующие обязательные вопросы:

• что является объектом регулирования;
• что является регулируемой переменной;
• какая задача регулирования решается данной САР;
• каков предполагаемый диапазон регулирования системы;
• какой принцип регулирования использован в данной САР;
• что предполагается измерять;
• какова природа управляющего воздействия и возмущения;
• имеется ли в системе устройство сравнения и если да, то как оно работает.

2. Провести сравнительный анализ предложенных вариантов реализации системы регулирования с точки зрения потенциальной точности, быстродействия, размеров области работоспособности и других показателей, которые, с Вашей точки зрения, важны для выбора системы (цена, надежность и т.д.). 
   

Часть 2. Анализ заданной системы автоматического управления 

   Для приведенной ниже системы автоматического  регулирования с заданными в таблице параметрами выполнить следующие действия.

1. Описать устройство и работу элементов и всей системы.
2. Составить структурную схему системы и определить передаточную функции  замкнутой систем (относительно задающего воздействия и выходной переменной). Составить соответствующие дифференциальные уравнения и уравнения статики.
3. Для полученной передаточной функции замкнутой системы  рассчитать нули и полюса системы. Рассчитать степени устойчивости и колебательности системы. Построить соответствующие асимптотические ЛАЧХ.
4. Путем моделирования на ЭВМ построить кривую переходного процесса относительно задающего воздействия.  Определить основные  показатели переходного процесса (перерегулирование, время переходного процесса и т.п.).
5. Путем моделирования исследовать влияние коэффициента передачи усилителя напряжения  на статическую точность, динамические характеристики (перерегулирование и время переходного процесса) и устойчивость (размещение полюсов) заданной САР.

 
 

Система  управления напряжением  генератора постоянного  тока с электромагнитом 

Здесь

Г – генератор постоянного напряжения,

ОВ – обмотка возбуждения генератора,

ЭМ – электромагнит,

П – пружина,

Д – демпфер,

ОС – обратная связь,

Н – нагрузка генератора,

КУ – корректирующее устройство. 

Линеаризованная модель системы управления описывается  следующим набором уравнений.

Генератор и ОС

      ,      ,        .

Корректирующее  устройство

      .

Пружина и демпфер

      ,                                                                           

Электромагнит

      ,     . 

В приведенной  модели

 – сила натяжения пружины,

 – усилие демпфера,

 – усилие электромагнита,

 – постоянная времени обмотки  электромагнита,

 – выходное напряжение  генератора,

 – сигнал ОС с делителя  напряжения,

 – масса сердечника электромагнита,

 – напряжение возбуждения  генератора,

 – перемещение сердечника  электромагнита.

 – напряжение управления  ЭМУ,

 – напряжение на обмотке  ОС ЭМУ 

В линеаризованной  модели переменные рассматриваются  как отклонения от установившегося значения. 

Исходные данные для схемы приведены в таблице 1.

Табл. 1

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат 

       Всего: 31 с., 18 рис.

       Цель  работы: Разработать варианты системы  автоматического регулирования уровня влажности в теплице, реализующие принципы регулирования по отклонению, по возмущению и жесткого управления. Дать их описание, провести сравнительный анализ. Провести анализ заданной системы автоматического управления. Получить навыки и знания по схемотехническому синтезу систем автоматического управления.

       Перечень  выполненных работ: Разработаны три системы автоматического регулирования уровня влажности в теплице, дано их описание, сравнительный анализ. Выполнено описание заданной системы, составлена ее структурная схема. Составлены различные уравнения, рассчитаны различные параметры систем. Исследование заданной системы проведено с помощью пакета Classic. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     С каждым годом в тепличных предприятиях все большее внимание уделяется  качественному поддержанию микроклимата. Правильно выбранная технология поддержания микроклимата - одна из важнейших составляющих, позволяющих повысить урожайность. А эффективное использование энергоресурсов - дополнительная возможность существенно уменьшить себестоимость производимой продукции. Современная автоматизированная система управления микроклиматом должна поддерживать не только заданный режим, но и максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем.

     В настоящее время ведется активная модернизация теплиц, связанная с  повышением количества исполнительных систем: разделение контуров, модернизация форточной вентиляции, установка систем зашторивания, установка вентиляторов. И чем больше исполнительных систем имеет теплица, тем важнее для нее выбор критерия, определяющего стратегию поддержания микроклимата. Например, одним из наиболее популярных критериев управления является экономия теплоресурсов. В данном случае целесообразнее активно использовать нижние контура обогрева, т.к. они меньше всего отдают тепла внешней среде. Другой подход к выбору критерия предполагает поддержание температуры у точки роста выше, чем у корней растения и тем самым подразумевает активное использование верхних контуров обогрева. Еще один критерий управления основывается на том, что нижний контур должен поддерживать в корневой зоне постоянную температуру, так называемый оптимум, и лишь при исчерпанных ресурсах других исполнительных систем отклоняться от него.

     Опыт  внедрения автоматизированных систем управления показывает, что на этапе  проектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления. Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в наглядной форме отражать агрономические, экономические и технические требования, предъявляемые к системе. Таким образом, современная система управления должна позволять задать не только один из вышеперечисленных критериев управления или их комбинацию, но и любой другой возникающий в процессе производства, предоставляя агроному-технологу широкие возможности в выборе метода поддержания температурно-влажностного режима в теплице.

     Одной из основных характеристик системы  управления является ее надежность. Поэтому  в качестве аппаратно-технической  базы системы был выбран контроллер, который содержит современные средства защиты от сбоев: копию основных параметров работы системы в энергонезависимой памяти, средство защиты от зависаний и т.д. Помимо контроллера автоматизированная система управления микроклиматом включает в себя набор датчиков для измерения параметров внутри теплицы. Для передачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы система включает в себя блок релейной коммутации с возможностью ручного управления.

     Важным  элементом системы управления является диагностика неисправностей и возможностей системы управления. Иногда в процессе эксплуатации случаются непредвиденные ситуации, связанные с нестабильностью температуры подаваемой воды, повышенным износом и люфтом исполнительного механизма или связанные с другого рода ограничениями, накладываемыми на исполнительные системы. Заложенные в систему методы диагностики должны выявлять нестандартные ситуации и своевременно перестраивать алгоритмы управления, поддерживая при этом параметры микроклимата с минимально возможным отклонением. При невозможности разрешения ситуации без участия человека, система выдает соответствующее аварийное сообщение.

     Часть 1. Система автоматического  регулирования влажности в теплице.

Мы рассматриваем 3 принципа регулирования и соответственно для каждого необходимо определенное оборудование. Систем поддержания микроклимата существует много, для примера мы рассмотрим несколько.

  Для автоматизации теплиц подсобных  хозяйств может быть использовано серийное комплектное оборудование типа УТ-12-УЗ. В состав комплекта оборудования входят пять модификаций шкафов управления и четыре модификации панелей датчиков, количество которых зависит от числа независимых отделений регулирования. Шкаф управления ШУ-1 предназначен для регулирования температурного режима в 16 независимых отделениях тепличного комплекса. Он управляет системами отопления и вентиляции отдельных теплиц. Шкаф управления ШУ-2 служит для управления системами орошения, подкормки углекислым газом в 12 отделениях и дополнительным облучением в двух отделениях. Шкаф управления ШУ-3 используется для регулирования температуры поливной воды, концентрации растворов минеральных удобрений, контроля температурного режима в отделениях и регистрации метеорологических параметров. Шкаф управления насосами ШУИ предназначен для управления насосами-повысителями, насосами подачи минеральных удобрений, регулирующим клапаном подогревателя поливной воды, электроприводом фрамуг соединительного коридора теплиц. Шкаф управления ШУМ служит для местного управления в ручном режиме системами отопления, вентиляции, орошения и подкормки углекислым газом в, каждой теплице. Шкафы управления ШУ-1, ШУ-2, ШУ-3 и ШУН устанавливают в помещении оператора, а шкафы местного управления ШУМ монтируют непосредственно возле каждой теплицы.