УП_Лабы_Оптимизация управления ТП

S = σ при 0 <τ <τu ;

S = 0 при τn <τ <τц ;

ϕ = Zз − Zi ;

где Zi – текущее значение выходной величины;

Zз – заданное значение выходной величины;

x – входной параметр; σ – управляющий сигнал;

Ku = dx / dτ = const – скорость ИМ;

Zн – зона нечувствительности управляющего устройства (контактного датчика измерительного прибора);

τu – продолжительность управляющего импульса (ИМ движется);

τц – продолжительность цикла;

τп = τ ц −τ u – продолжительность паузы (ИМ остановлен).

При условиях рассмотренных ранее упрощений уравнение движения системы по координате Z будет иметь вид:

T	dZ	+ Z = f (x) или	dZ	=	1	[ f (x) − Z] . (2.19)
			dτ
0 dτ					T
				0

Введение в систему устройства ИКУ позволяет изменить среднюю скорость ИМ в пределах

0 <

K

ucp < Ku max ,

(2.20)

где Ku max – максимально возможная скорость по технической характеристике ИМ, (в лабораторной установке Ku max = 1,67 % хода/с).

Значит, можно записать:

x = xн +σKиτ ,

(2.21)

где xн – начальное положение вала исполнительного механизма.

Решение уравнения (2.19) с учетом (2.18) и (2.21) позволяет получить график переходного процесса.

92

В реальных промышленных условиях для получения качественного переходного процесса при использовании предлагаемой системы необходимо правильно выбрать величину зоны не-

чувствительности Zн и величину скорости ИМ Kucp .

Оба эти параметры зависят от динамических характеристик объекта. По известным динамическим параметрам объекта и заданным динамическим параметрам ИКУ можно получить расчетным путем график переходного процесса и предварительно оценить качество регулирования.

Для моделирования работы системы трехпозиционного регулирования на компьютеризированном стенде можно использовать любой язык программирования. В приложении Д приведен текст программы, моделирующей переходный процесс в системе с трехпозиционным регулированием температуры, написанной на языке программирования VBA – Visual Basic for Applications.

3. Описание устройства лабораторной установки

Лабораторная, установка представляет собой реальную промышленную систему трехпозиционного («Больше» - «Стоп» - «Меньше») регулирования температуры инерционного объекта.

Принципиальная электрическая схема лабораторной установки представлена на рис. 2.26. Расположение приборов на лицевой панели щита показано на рис. 2.27.

В качестве объекта управления используется электрический нагреватель (ЭН), выполненный в виде обыкновенного электрического паяльника. Температура внутри ЭН измеряется термопарой (ТП) градуировки ХК.

Сигнал ТП, пропорциональный температуре нагревателя, измеряется электронным потенциометром КСП-3. В потенциометр встроены контактный позиционный датчик и система задатчика. Механически

задатчик выполнен таким образом, что при Zi = Z3 подвижный контакт

позиционного датчика находится в среднем положении. Исполнительный механизм (ИМ) постоянной скорости

перемещает движок лабораторного трансформатора (ЛАТР), изменяя напряжение, подаваемое на нагреватель. Положение выходного вала ИМ фиксируется указателем положения УП-01-А, путем измерения напряжения на реостате обратной связи Rос.

93

94

Рис. 2.26. Принципиальная электрическая схема установки

Рис. 2.27. Лицевая сторона панели лабораторной установки:

1 – потенциометр; 2 – сигнальная лампа «работа включена»; 3 – указатель положения; 4 – переключатели; 5 – сетевой выключатель; 6 – ключ выбора способа управления – УП-1; 7 – ключ дистанционного управления – УП-2

	При	Zi	< Z3 −	Zn	замыкается контакт «Больше»; при
				2
	Zi > Z3 +	Zn	- замыкается контакт «Меньше».
		2
					95

Эти контакты включают реле «Б» или «М» реверсивного магнитного пускателя ЭМП типа «Ильмарине». Контакты реле управляют движением исполнительного механизма ИМ2/120 (исполнительный механики с вращающим моментом 2 кгМ на валу и временем одного полного оборота вала 120 с). Вал ИМ механически связал с движком лабораторного автотрансформатора (ЛАТР), с помощью автотрансформатора изменяется величина напряжения, поступающего на ЭН. Этим и обеспечивается регулирование температуры.

Управляющие команды контактного датчика проходят через контакт РП1 реле, включенного на выходе импульсного коммутирующего устройства ИКУ.

Продолжительность времени «Импульса» τu , в течение которого ИМ движется, задается реостатом «Импульс» (R2' ) , продолжительность времени «Пауза» τn = τц −τи , в течение которого ИМ остановлен,

задается реостатом «Пауза» (R3' ) .

Схема лабораторной установки предусматривает возможность дистанционного управления ИМ. Выбор режима управления: Автоматический («Авт.») дистанционный («Ручн.»), Отключено («0»)

осуществляется установкой универсального	переключателя УП-1 в
определенное положение.

В положении «Авт» управление ИМ осуществляется от контактного датчика позиционного регулирования. В положении «Ручн.» Управление осуществляется в дистанционном режиме с помощью универсального ключа с самовозвратом УП-2.

Выбор направления движения ИМ в этом случае осуществляется установкой ключа УП-2 в положение «Б» - больше или «М» - меньше.

Принцип работы мультивибратора

Схема симметричного мультивибратора импульсного коммутирующего устройства представлена на рис. 2.28.

В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, т.к. на их базы через резисторы R2 и R3 подаются отрицательные напряжения смещения. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи: CI - через эмиттерный переход транзистора V2 и резистора R4 .

96

Эти цепи зарядки конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрастающие по значению отрицательные напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы.

Рис. 2.28. Схема симметричного мультивибратора импульсного коммутирующего устройства

Открывание транзистора вызывает снижение отрицательного напряжения на его коллекторе, что вызывает снижение отрицательного напряжения на базе другого транзистора, закрывая его. Такой процесс протекает сразу в обоих транзисторах, однако закрывается только один из них, на базе которого более высокое пояснительное напряжение, например из-за разницы коэффициентов передачи токов, номиналов резисторов и конденсаторов. Второй транзистор остается открытым. Но эти состояния транзисторов неустойчивы, ибо электрические процессы в их цепях продолжаются.

Допустим, что через некоторое время после включения питания закрытым оказался транзистор V2 , а открытым – V1 .С этого момента конденсатор C1 начинает разряжаться через открытый транзистор V1 , сопротивление участка эмиттер - коллектор которого в это время мало, и резистор R2 . По мере разрядки конденсатора C1 положительное напряжение на базе закрытого транзистора V2 уменьшается. Как только конденсатор полностью разрядится и напряжение на базе транзистора V2

станет близким нулю, в коллекторной цепи этого, теперь ухе открывающегося транзистора появляется ток, который воздействует

97

через конденсатор C2 на базе транзистора V1 и понижает отрицательное напряжение на ней. В результате ток, текущий через транзистор V1 , начинает уменьшаться, а через транзистор V2 , наоборот, увеличивается. Это приводит к тому, что транзистор V1 закрывается, а транзистор V2

открывается. Теперь начнет разряжаться конденсатор C2 , но через открытый транзистор V2 и резистор R3 ,что в конечном итоге приводит

к открыванию первого и закрыванию второго транзисторов и т.д. Транзисторы все время взаимодействуют, в результате чего мультивибратор генерирует эллиптические колебания, которые

управляют транзистором V3 , включающим электромагнитное реле РП на

время «Импульса» и отключающего на время «Пауза».

На схеме же цепи УП, которые замкнуты при определенных положениях, ключи отмечены точками. Для УП-I в положении 0 все цепи разомкнуты. На панели лабораторной установки установлены сигнальные лампы; Л1 – «импульс»; Л2 – «Пауза» и Л3 – «работа включена».

Выходной вал ИМ связан механически с движком реостата обратной связи Roc , сигнал с которого подается на указатель положения

вала исполнительного механизма УП-01-A. Питание оперативных цепей управления осуществляется от источника питания постоянного тока напряжения + 24 В.

4.Порядок выполнения работы

1.Изучить устройство, работу и принципиальную схему импульсной системы управления тепловым режимом.

2.Универсальный переключатель УП-1 установить в положение

«Ручн».

3.Универсальным переключателем УП-2 «Больше», «Меньше» установить ИМ в крайнее положение. Положение ИМ фиксировать по указателю УП-01А.

4.Снять статическую характеристику, для этого выполнить следующие операции:

а)	универсальным переключателем УП-2 установить угол
поворота вала ИМ на 10 % (по указателю положения);
б)	дождаться установления показаний температуры на КСП-3

(через 3-5 мин) и записать показания по шкале прибора КСП–3 в журнал наблюдений;

в) то же повторить при 20, 30…100 % ИМ и данные свести в таблицу;

98

г)	по данным построить статическую характеристику в
координатах: Y – температура, °С; Х – % хода вала ИМ.
д) определить уравнение линии регрессии по методу наименьших
квадратов	для y = f (x) = a + bx + cx2 полученной статической

характеристики объекта управления. Если зависимость линейна, то с = 0. 5. Снять кривую разгона объекта, для этого выполнить следующие

операции:

а) переключатель УП-1 установить в положение « Ручн.»; б) переключателем УП-2 установить 30-40 % хода ИМ (середина

линейного участка статической характеристики); в) подать возмущение 10-20 % хода ИМ путем подачи от УП-2

управляющего сигнала на ИМ; г) записывать показания прибора КСП-3 через каждые 10 секунд с

момента начала подачи возмущающего воздействия (включения ИМ); д) по полученным данным построить кривую разгона объекта

управления и определить по ней графическим способом динамические параметры объекта:

τ з – время запаздывания, с;

T0 – постоянная времени объекта, с;

K	об	= y x – коэффициент передачи, оС/%хода ИМ.

6. Определить траекторию переходного процесса в системе трехпозиционного регулирования, для этого выполнить следующие операции:

a) установить на КСП-3 заданное значение температуры, соответствующее среднему значению входного параметра x по статической характеристике объекта x = 50% ;

б) установить на ИКУ заданную скорость исполнительного механизма по заданию преподавателя в пределах 0,1…1,1 % хода ИМ/с, для этого необходимо по градуировочной характеристике ИКУ, представленной на рис. 2.29, определить для заданной скорости ИМ

положения реостатов «длительность импульса» – Rим и «длительность паузы» – Rпаузы , например, для получения скорости Ки = 0,4 % хода/с можно установить реостаты в следующие положения:

−длительность «Импульса» – 3,5 деления;

−длительность «Паузы» – 2 деления;

или

−длительность «Импульса» – 6 деления;

−длительность «Паузы» – 4 деления.

99

в) поставить УП-I в положение «Aвт.» и добиться установления заданного значения температуры Zi = Zзад .

г) изменить задатчиком КСП-3 заданное значение температуры на 50…70°С;

д) с момента изменения задания через каждые 5 секунд снимать показания температуры КСП-3 до момента установления нового заданного значения температуры (10-15 мин);

е) по полученным данным построить график переходного процесса при регулировании в координатах: У – температура, оС (по КСП-3); Х – время, с. Примерный график переходного процесса при Ки = 0,2 % хода/с показан на риc. 2.30;

ж) определить показатели переходного процесса согласно рисунку

10:

	−	время выхода на задание τ p1 ;
	−	максимальное отклонение Zmax =	Zmax,oC	100%;
			Zзад,oC

−время окончания переходного процесса τ p2 .

7.Повторить пункт 6, увеличив скорость перемещения ИМ вдвое, по полученному графику переходного процесса также определить показатели качества (см. пункт 6, ж)

8.Произвести моделирование работы системы трехпозиционного регулирования на компьютеризированном стенде, получить график переходного процесса, оценить его показатели качества, сравнить с графиком переходного процесса, полученном на реальном стенде.

5.Содержание отчета

1.Описание принципа действия системы трехпозиционного регулирования.

2.Принципиальная схема системы трехпозиционного регулирования и описание ее работы.

3.Структурная схема системы трехпозиционного регулирования и ее математическая модель.

4.Статическая характеристика объекта управления и ее аппроксимация с помощью метода наименьших квадратов (уравнение теоретической линии регрессии).

5.Траектория кривой разгона, полученная в ходе выполнения работы на лабораторном стенде, а также динамические

100

параметры объекта управления полученные графическим методом по кривой разгона.

6.Графики траекторий переходного процесса в системе трехпозиционного регулирования с оценками показателей качества переходного процесса для двух разных скоростей исполнительного механизма.

7.Текст программы, с помощью которой производилось моделирование работы системы трехпозиционного регулирования.

8.График траектории переходного процесса при моделировании системы трехпозиционного регулирования на компьютеризированное стенде с оценками показателей качества переходного процесса.

9.Выводы по работе.

10.Пункты 7, 8 выполняются студентами, обучающимися по специальностям, связанным с автоматизацией.

Рис. 2.29. Градуировочная характеристика реостатов «Импульс» и «Пауза»

101