УП_Лабы_Оптимизация управления ТП

122

Рис. 2.42. Принципиальная электрическая схема установки (стенд №12)

Рис. 2.43. Лицевая сторона панели лабораторной установки:

1 – регулятор; 2 – ручной задатчик; 3 – вторичный прибор; 4 – указатель положения регулирующего органа; 5, 6 – миллиамперметры;

7 – переключатель выбора способа управления УП-1; 8 – переключатель дистанционного управления УП-2; 9 – переключатель подачи напряжения УП-3

4.Порядок выполнения работы

1.Изучить теоретические основы формирования гибкой обратной связи в аналоговом ПИ-регуляторе.

2.Универсальный переключатель УП-2 установить в положение

"РУЧ".

3.Универсальным переключателем УП-1 включить лабораторный стенд. Загорается сигнальная лампа ЛС.

123

4.Нажатием кнопок "Б", "М" установить ИМ в крайнее положение (0% хода ИМ). Положение ИМ фиксировать по указателю ДУП;

5.Снять статическую характеристику объекта управления, выполнив последовательно следующие операции:

а) зафиксировать установившееся значение регулируемого параметра при минимальном управляющем воздействии (выждать после включения установки и перевода положения ИМ ни минимальный процент хода 3-5 мин);

б) нажатием кнопки "Б" установить угол поворота вала ИМ на 10% (по указателю положения ДУП-М);

в) дождаться установления показаний регулируемого параметра по шкале вторичного прибора (через 3-5 мин) и записать данные в таблицу наблюдения;

г) повторить пункты "б" и "в" при 20% и последовательно через 10% до 100%;

д) по полученным данным построить статическую характеристику

вкоординатах: У – регулируемый параметр (температура или давление), , X - % хода вала ИМ;

е) с помощью метода наименьших квадратов определить уравнение теоретической линии регрессии, аппроксимировав статическую характеристику объекта управления.

6.Определить динамические параметры объекта регулирования

Коб, Т1, τ з по кривой разгона, выполнив следующие операции:

а) выбрать на полученной статической характеристике объекта линейный (или достаточно близкий к линейному) участок с интервалом 30-40% хода ИМ;

б) нажимая соответствующую кнопку дистанционного управления ИМ, установить исполнительный механизм в середине выбранного интервала и добиться достижения установившегося состояния; регулируемая величина должна достичь значения, достаточно близкого к полученному ранее при определении статической характеристики;

в) нажатием кнопки дистанционного управления переместить исполнительный механизм на 10-15% хода ИМ; зафиксировать время нажатия кнопки, т.е. время движения ИМ;

г) начиная с момента нажатия кнопки (с начала движения ИМ) в зависимости от скорости перемещения стрелки измерительного прибора фиксировать текущие значения контролируемого параметра каждые 10 секунд; контроль должен происходить до момента достижения установившегося значения, достаточно близкого к ранее полученному при определении статической характеристики;

д) построить кривую разгона объекта, то есть траекторию изменения контролируемого параметра во времени;

124

е) по экспериментальной кривой разгона определить динамические параметры объекта; для этого в точке перегиба (максимальной скорости изменения) провести касательную до пересечения с осью абсцисс и линии нового установившегося состояния; затем определить значения

Коб, Т1, τ з .

7. Произвести градуировку задающего устройства ЗУ-05 (только для стенда №12), для этого:

а) нажатием кнопки дистанционного управления переместить исполнительный механизм в крайнее положение (0% хода ИМ) и дождаться окончания переходного процесса.

б) универсальный переключатель УП-2 установить в положение

"АВТ"

в) зафиксировать установившееся значение температуры по шкале ДИСК-250;

г) повернуть движок ЗУ-05 на 20% и дождаться окончания переходного процесса;

д) зафиксировать установившееся значение температуры; е) повторить пункты "г" и "д" при 40% и последовательно через

20% до 100%; ж) по полученным данным построить график в координатах:

У– температура, °С, X – % хода ЗУ.

8.Снять переходный процесс системы в автоматическом режиме, выполнив следующие операции:

а) установить движок ЗУ на 50% и дождаться установления температуры;

б) повернуть движок ЗУ на 10-20% и начиная с этого момента фиксировать показания значения регулируемого параметра по шкале вторичного прибора;

в) по полученным данным построить график переходного процесса и определить основные показатели качества регулирования объекта управления;

г) сделать выводы об эффективности регулирования.

9.Произвести моделирование работы системы управления с ПИ-регулятором на компьютеризированном стенде, получить график переходного процесса, оценить его показатели качества, сравнить с графиком переходного процесса, полученном на реальном стенде.

125

5.Содержание отчета

1.Описание принципа действия системы управления с ПИрегулятором.

2.Принципиальная схема системы управления с ПИрегулятором и описание ее работы.

3.Структурная схема системы управления с ПИ-регулятором и

еематематическая 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 параметры объекта управления, полученные графическим методом по кривой разгона.

6.График траектории переходного процесса в системе управления с ПИ-регулятором с оценками показателей качества переходного процесса.

7.Текст программы, с помощью которой производилось моделирование работы системы управления с ПИрегулятором.

8.График траектории переходного процесса при моделировании системы управления с ПИ-регулятором на компьютеризированное стенде с оценками показателей качества переходного процесса.

9.Выводы по работе.

6.Вопросы для самостоятельной подготовки

1.Как экспериментально определить настройки ПИрегулятора?

2.Объясните принцип работы РПИБ.

3.Расшифруйте характеристики ИМ-2/120.

4.Для чего используется Roc?

5.Как изменяется величина Кр при уменьшении сопротивления Rкр?

6.Как изменяется величина Тиз при уменьшении или увеличении величины сопротивления Rти?

7.Как превратить ПИ-регулятор в П-регулятор?

126

Лабораторная работа №4 (стенды № 3, 8) Определение оптимальных параметров динамической настройки ПИ-регулятора по экспериментальной частотной характеристике

объекта управления

Цель работы:

−изучить методику определения оптимальных параметров динамической настройки ПИ-регулятора по экспериментальной частотной характеристике объекта управления;

−снять статические и динамические характеристики объекта управления;

−снять частотные характеристики объекта управления;

−построить кривую переходного процесса замкнутой САР;

−определить оптимальные параметры динамической настройки ПИ-регулятора по экспериментальной частотной характеристике объекта управления;

−произвести моделирование работы системы управления с ПИ-регулятором с определенными оптимальными параметрами динамической настройки;

−сравнить переходные процессы, полученные на реальном стенде и при математическом моделировании работы системы управления с ПИ-регулятором.

1.Понятие о частотной динамической характеристике объекта

Качество регулирования технологического процесса определяется параметрами настройки регулятора. Правильное определение этих параметров имеет решающее значение для обеспечения эффективного работы САР. Одним из методов определения параметров настройки регулятора является графоаналитический расчет параметров динамической настройки регулятора по частотной характеристике объекта.

Если на вход объекта вносится гармоническое возмущающее воздействие вида (рис. 2.44):

х = А0 sinωτ

(2.39)

где А0 - амплитуда входных колебаний; ω - частота колебаний

объекта, рад/с, то на выходе по истечении некоторого промежутка времени возникнут установившиеся колебания выходной величины той

127

же частоты, но другой амплитуды В0 и смещения по фазе на угол ϕк

относительно выходных колебаний, т.е.:

y = B0 sin(ωτ +ϕк ) .	(2.40)

Рис. 2.44. Колебания входного и выходного параметров объекта

Зависимость отношения амплитуды колебаний выходного параметра В0 к амплитуде входного параметра А0 от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой объекта (АЧХ) (рис. 2.45) А(ω).

Рис. 2.4.5 Амплитудно-частотная характеристика объекта

Зависимость разности фаз этих колебаний от частоты называется фазочастотной характеристикой объекта (ФЧХ) (рис. 2.46) ϕ(ω) :

ϕ(ω) = (ϕвых −ϕвх ) .

(2.41)

128

Рис. 2.46. Фазочастотная характеристика объекта

Комплексная функция частоты называется амплитудно-фазовой частотной характеристикой объекта (АФЧХ), и графически на комплексной плоскости может быть представлена кривой, которую очерчивает конец вектора при изменении частоты от нуля до бесконечности (рис. 2.47):

W ( jω) = A(ω) e jϕ(ω) .	(2.42)

Рис. 2.47. Годограф АФЧХ объекта

Проекция вектора W ( jω) на оси координат Re(ω ) и Im функции

частоты колебаний и Im(ω ) - действительные и мнимые частотные характеристики объекта.

129

2. Методика определения АФЧХ объекта

Входное гармоническое воздействие обеспечивается за счет поворота регулирующего органа по определенному закону.

С помощью измерительного прибора контролируется изменение регулируемой величины. После установления в объекте периодических колебаний производят, в соответствие с рис. 2.44, изменение параметров

Bo(ω ) и ϕ (ω ).

Повторяют указанную процедуру для других значений частот, увеличивая частотуω на 20÷30%.

Для инерционного объекта с увеличением частоты Bo(ω ) уменьшается, а ϕ (ω )-увеличивается.

В пределе, при некотором значении частоты называемой частотой среза Bo(ωср )≈0. Это значит, что на более высокие, частоты

возмущающих воздействий объект управления просто в силу своей инерционности реагировать не будет.

По полученным значениям строятся в соответствии с рис. 2.45 и 2.46 АЧХ и ФЧХ. Затем по полученным АЧХ и ФЧХ строится годограф АФЧХ исследуемого объекта.

В качестве объекта исследования может быть использован как конкретный технологический параметр (например, как в данной

установке температура нагревателя),	так и	само	регулирующее
устройство отдельно или включённое в систему управления.
Общая структурная схема	стабилизирующей		системы
автоматического управления представлена на рис. 2.48.

Рис. 2.48. Структурная схема стабилизирующей системы автоматического управления

На рис.2.48 приняты следующие обозначения: PО - регулирующий орган; ИМ – исполнительный механизм; ЭС – элемент сравнения; Yд – действительное значение регулируемого параметра; Yз – заданное

130

значение; ε = Yд–Yз – сигнал рассогласования; Х – управляющее воздействие.

Каждый элемент системы имеет свою АФЧХ, которая обозначается как W( jω ).

Существуют определенные правила построения годографа АФЧХ всей системы по известным АФЧХ элементам и схеме соединения этих элементов. Если связь между регулятором и исполнительным механизмом разорвать или исполнительный механизм отсоединить от регулирующего органа, то получится разомкнутая система автоматического управления. АФЧХ разомкнутой системы может точно характеризовать качество работы замкнутой системы.

Этим обстоятельством широко пользуются на практике, поскольку АФЧХ разомкнутой системы может быть достаточно просто определена по известным АФЧХ объекта и регулятора.

3. Запас устойчивости системы по модулю и по фазе

Одним из главнейших требований, которые предъявляются к системе регулирования, является требование устойчивости работы, которое заключается в следующем. Система, выведенная из состояния равновесия должна стремиться самостоятельно прекратить движение и вновь вернуться в состояние равновесия.

Если в системе возникают не затухающие колебания постоянной или возраставшей величины, то такая система находится на границе устойчивости или неустойчива.

Траектории переходного процесса в системе управления могут быть получёны расчетным путем при решении дифференциальных уравнений, которыми описывается работа системы управления. Это представляет достаточно трудоемкую задачу исследования систем на устойчивость.

Разработан ряд критериев устойчивости, используя которые, можно определить, является ли система устойчивой, не решая ее дифференциального характеристического уравнения, например, зная только числовые значения коэффициентов характеристического уравнения.

Если динамические свойства звеньев системы заданы экспериментальными частотными характеристиками, то оказывается удобнее воспользоваться критерием устойчивости НайквистаМихайлова, который позволяет судить об устойчивости замкнутой системы с обратной связью по положению ее амплитудно-фазовой характеристики на комплексной плоскости в разомкнутом состоянии.

131