Дослідження цифрової системи автоматичного регулювання температури

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження цифрової системи автоматичного регулювання температури

1. Мета роботи

Вивчення особливостей принципів і законів регулювання, ознайомлення з можливостями використання мікроконтролерів в якості цифрових регуляторів в ситемах автоматичного регулювання.

2. Короткі теоретичні положення

Всяка система автоматичного регулювання (САР) складається з двох основних частин - об'єкту регулювання (ОР) і автоматичного регулятора (АР). Цифровими називаються САР в яких використовуються цифрові регулятори.

Оскільки на об'єкт регулювання діють збурення (непередбачені наперед зміни навантаження, параметрів навколишнього середовища, кількості і якості енергоносіїв чи сировини), то їм потрібна спеціально організована зовнішня дія для забезпечення їх функціонування за технологічними вимогами. Функцію цієї дії виконують автоматичні регулятори, які змінюють потік енергії чи сировини до об'єкту таким чином, щоб регульований параметр об'єкту y(t) змінювався за заданою наперед функцією x_зд(t). Регулювання може здійснюватися за збуренням і за відхиленням.

При регулюванні за збуренням, рис.1,а, вибирається одна основна збурюючи дія л(t), яка вимірюється давачем Д, перетворюється в пропорційний їй сигнал x(t) і подається в регулятор, де з врахуванням завдання x_зд(t) виробляється розпорядчий сигнал м(t), який забезпечує необхідне значення у(t).

Рис.1. Структурні схеми автоматичного регулювання: а - за принципом збурення; б - за принципом відхилення.

В таких САР значення у(t) не вимірюється, тому його відхилення від заданого значення не впливає на формування м(t). Системи в яких відсутній зв'язок між регульованим параметром у(t) і завданням x_зд(t), називаються розімкнутими.

Основним недоліком САР з таким регулюванням є те, що, по-перше, не враховуються всі збурюючи дії, по-друге, не враховуються можливі зміни параметрів ОР і АР, що може призвести до значного відхилення регульованої величини від заданого значення.

Перевагою таких САР є простота, тому їх використовують в основному в системах сигналізації, контролю, пуску і зупинки, блокування і захисту.

В САР з регулюванням за відхиленням, рис.1,б, дійсне значення регульованої величини у(t) вимірюється давачем Д, перетворюється в сигнал x(t), подається в регулятор АР, де порівнюється із задавальним сигналом x_зд(t) і визначається відхилення або похибка ДХ=Х_зд-Х.

Розпорядчий сигнал є функцією похибки, тобто м(ДХ). За таким принципом регулювання досягається висока точність, оскільки відхилення (похибку) теоретично можна звести до 0. залежність м(ДХ) називається законом регулювання.

Якщо зміна розпорядчого сигналу Дм пропорційна зміні сигналу відхилення ДХ тобто Дм=К_п ДХ, такий закон регулювання називається пропорційним. Якщо швидкість зміни Дм пропорційна ДХ, тобто , такий закон регулювання називається інтегральним, тому що . Якщо Дм пропорційна швидкості зміни сигналу відхилення, тобто , такий закон регулювання називається диференційним. К_п, К_і, К_д - коефіцієнти пропорційності.

Найбільш ефективним є пропорційно-інтегрально-диференціальний закон регулювання:

_.

В залежності від закону регулювання АР поділяють на П, ПІ, ПД і ПІД-регулятори.

Серед усіх різновидів регуляторів найбільш точними, швидкодіючими, завадостійкими і універсальними є цифрові регулятори.

Цифровими називаються регулятори, в яких здійснюється імпульсно-кодова модуляція вхідного і вихідного сигналів. Дуже поширеним є двійковий код, в якому використовується всього два символи - „0” і „1”.

Кодування сигналів підвищує точність і завадостійкість при передачі інформації. Основою усіх цифрових регуляторів є мікропроцесори. Мікропроцесором називається арифметично-логічний пристрій, який призначений для обробки вхідної інформації за заданим законом f(x), аналізу одержаних результатів і прийняття рішень. Цифрові регулятори, побудовані на мікропроцесорних системах, орієнтованих на реалізацію алгоритмів цифрового регулювання, керування різними об'єктами і процесами називаються мікроконтролерами.

Загальна структура мікроконтролера побудованого на одному кристалі, показана на рис. 2.

Рис. 2. Структура мікроконтролера

МК - мікро контролер; БКЖ - блок керування живленням; БАК - блок аналізу команд; БС - блок синхронізації; ППР - пам'ять програми роботи; ПР - процесор; ОЗП - оперативний запам'ятовуючий пристрій; ПВВ - порти введення і виведення даних; ДП - допоміжні пристрої; БЖ - блок живлення; КП - командний пристрій; ГТЧ - генератор тактової частоти.

В лабораторній роботі використовується мікроконтролер серії 89С51 фірми Atmel. Оскільки це мікроелектронний пристрій то його можна віднести до без інерційної (пропорційної) ланки САР.

Об'єктом регулювання (ОР) в лабораторній роботі є водонагрівальний бачок, якому властива акумулюючи здатність, тобто здатність накопичувати теплову енергію. Ця здатність характеризується коефіцієнтом ємності:

цифровий регулятор імпульс сигнал

де С - ємність об'єкту; y - регульований параметр.

Наприклад, при регулюванні рівня води в резервуарі його ємністю є його місткість, при регулюванні частоти обертання роль ємності відіграє момент інерції рухомої частини агрегату, при регулюванні температури ємністю є теплоємність об'єкту.

Принцип роботи цифрової САР температури наступний. В постійну пам'ять мікроконтролера записується потрібний закон регулювання. В оперативну пам'ять заноситься в цифровій формі задані значення регульованої температури об'єкту і коефіцієнтів пропорційності К_п, К_і, К_д. Фактичне значення температури вимірюється термопарою, е.р.с. якої подається на вхід мікро контролера, де перетворюється в цифровий код. Мікроконтролер визначає різницю (похибку) між заданим і фактичним значенням температури ДХ=Х_зд-Х_ф і виробляє розпорядчий сигнал U_м за вибраним законом. Оскільки об'єкт регулювання є інерційним, то для запобігання значного перерегулювання розпорядчий сигнал модулюється частотно-імпульсним модулятором, при цьому амплітуда U_м і тривалість імпульсу t_м постійні, а тривалість паузи t_n збільшується при наближенні фактичної температури до заданої, рис. 3.

Рис.3. Діаграми розпорядчого сигналу: а - при нагріванні об'єкту; б - при регулюванні температури.

Відношення - називається відносною тривалістю розпорядчого сигналу.

Модульований розпорядчий сигнал U_м подається на безконтактний (симісторний) комутуючий пристрій, який на протязі тривалості імпульсу t_м подає живлення до електронагрівача.

3. Програма роботи

1. Ознайомитися із структурою мікроконтролера і вивчити методику використання його як цифрового регулятора.

2. Дослідити криву розгону об'єкту і характер зміни розпорядчого сигналу.

3. Дослідити перехідні характеристики при різних збуреннях і законах регулювання.

4. Лабораторна установка

Електрична схема і загальний вигляд лабораторної установки наведені на рис. 4.

Рис. 4 Лабораторна установка дослідження цифрової САР температури.

а - електрична схема; б - загальний вигляд.

UD - випрямляч напруги; RT - мікро контролер; SE - симісторний комутатор; EK - електронагрівач; E_t - термопара; ВГБ - водогрійний бачок; В_Р - вентилятор.

5. Порядок виконання робіт

1. Ознайомитися з лабораторною установкою і електричною схемою. Преконатись, що вимикачі S1 і S2 вимкнуті і ручка автотрансформатора Т знаходиться в положенні «0».

2. Ввімкнути S1. Цифрове табло мікроконтролера покаже спочатку «Р-0», а потім значення температури води в об'єкті регулювання - водонагрівальному бачку ВНБ. Натиснути і відпустити кнопку SB1 (вибір режиму роботи). Після появи на табло «Р-1» кнопками SВ2 (збільшує число) і SВ3 (зменшує) встановити заданному виклидачем температуру. Автотрансформатором встановити задану напругу живлення нагрівального елемента ЕК.

3. Після цього вибрати коефіцієнти для ПІД-закону регулювання. Натиснути і відпустити SВ1. Після появи на табло «Р-2» кнопками SВ2 і SВ3 встановити і записати задане значення коефіцієнта К_п.

Натиснути і відпустити SВ1. Після появи «Р-3» встановити і записати задане значення К_і. Натиснути відпустити SВ1. Після появи на табло «Р-4» встановити і записати задане значення К_д.

4. Для вибору мінімального значення відносної тривалості імпульсів розпорядчого сигналу г_min %, натиснути SВ1 і після появи «Р-5» кнопками SВ2 і SВ3 задати вказану величину.

5. Початкове значення г_поч при вмиканні одержують натисканням SВ1 і після «Р-7» кнопками SВ2 і SВ3.

6. Натиснути SВ1 і після «Р-8» задати період вимірювання температури t_вим. Вибрані значення К_п, К_і, К_д, г_min, г_max, г_поч, t_вим записати в табл. 1.

Таблиця 1

Режим «Р-9» призначений для автоматичного охолодження об'єкта (не задіяний). Коли після натискуання SВ1 появиться на табло «Р-0», тоді починається нагрівання ВНБ і регулювання температури.

7. За даними табло регулятора визначити t_м, t_п і частоту імпульсів розпорядчого сигналу при нагріванні ВНБ і режимі регулювання температури.

8. Визначити абсолютну і відносну похибки САР температури. Для цього в режимі регулювання при вмиканні і вимиканні нагрівача (за показами амперметра) натиснути кнопку SВ2 і індикатор покаже різницю між заданною і фактичною темпаратурами. Аналогічні вимірювання здійснити при різних видах збурення - зміні навантаження (ввімкнути вентилятор), зміні на напруги живлення (за показами вольтметра) і дані записати в табл. 2.

Размещено на Allbest.ru