Синтез систем автоматического управления

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет Технической кибернетики и автоматики.

По дисциплине: Теория автоматического управления

Иваново 2016

Переходная функция объекта управления

Табл.1. Переходная функция объекта управления.

При помощи методов идентификации, аппроксимации и графического метода были получены модели объектов в виде передаточных функций, была установлена модель, которая наиболее точно описывает заданный объект.

После выбора модели объекта были произведены расчеты параметров настройки регулятора методами Циглера-Никольса и расширенных частотных характеристик.

Для определения метода, при котором были найдены лучшие настройки регулятора замкнутой системы автоматического управления, было проведено ее моделирование в среде Matlab при помощи пакета Simulink. По результатам моделирования был выбран метод, при помощи которого были рассчитаны настройки регулятора, наилучшим образом удовлетворяющие заданному критерию качества.

Так же был произведен синтез системы управления многомерным объектом: каскадная система управления, комбинированная система управления, автономная система управления. Были рассчитаны параметры настройки ПИ-регуляторов, компенсаторов, получены отклики на типовые воздействия. автоматический управление регулятор частотный

Объем работы- страниц

Количество таблиц-

В данной курсовой работе исходными данными является переходная функция объекта управления по одному из динамических каналов. Необходимо произвести параметрическую идентификацию объекта, заданного переходной функцией графическим методом, методами аппроксимации и идентификации.

Исходя из полученных данных, устанавливаем, какая модель точнее описывает заданный объект. Решение данной задачи является достаточно актуальной проблемой, поскольку зачастую мы имеем не саму математическую модель, а лишь ее кривую разгона.

В данной работе проведен синтез системы управления многомерным объектом трех типов: автономную, каскадную, комбинированную. Рассчитаны параметры настройки регуляторов, исследованы отклики системы по различным каналам на типовые воздействия.

Данная курсовая работа является учебной. Навыки, полученные в ходе ее выполнения, могут быть использованы в ходе выполнения курсовой работы по моделированию систем управления и выпускной квалификационной работы.

1.Идентификация объекта управления

1.1 Идентификация с использованием приложения System Identification ToolBox

Для идентификации используем пакет System Identification ToolBox. Построим модель вsimulink.

Рис.1.1.1. Схема для проведения идентификации.

C помощью команды ident, заходим в System Identification ToolBox.

Рис.1.1.2. System Identification ToolBox.

Импортируем данные в System Identification ToolBox:

Рис.1.1.3. Импорт данных

Получаем коэффициенты передаточной функции:

Рис.1.1.4. Результаты идентификации

К=44,9994 Т=9,0905

1.2 Аппроксимация с использованием Curve Fitting Toolbox

Для аппроксимации используем пакет Curve Fitting Toolbox.Строим модель в simulink без звена запаздывания.

Рис.1.2.1. Схема для проведения аппроксимации.

С помощью команды cftool заходим в Curve Fitting Toolbox. По оси х выбираем время, а по оси у выходные значения. Описываем объект функцией a-b*exp(-c*x). Получаем коэффициенты a,b и с.

Рис.1.2.2. Результаты аппроксимации.

К=(a+b)/2=45 Т=

1.3 Аппроксимация элементарными звеньями(графический метод)

Рис.1.3.1. Графический метод

Определяем время запаздывания. Чтобы определить К, проводим прямую от устоявшегося значения до оси ординат. Чтобы определить постоянную времени, проводим касательную к кривой до пересечения с прямой установившегося значения, из точки пересечения проводим перпендикуляр к оси абсцисс, из полученного значения вычитаем время запаздывания.

К=45 Т=47

1.4 Сравнение переходных функций

Рис.1.4.1. Сравнение переходных функций.

Тремя методами получены параметры передаточной функции объекта исследования. Критерием оценки получаемой математической модели объекта служит дисперсия ошибки и по этому показателю наилучшие результаты отмечены в методе аппроксимации с помощью Curve Fitting Tool. Далее за математическую модель объекта принимаем: W=45/(1/0,022222+1)*e^(-22,5p).

Так как , выбираем ПИ-регулятор.

3. Синтез САУ одномерным объектом

3.1 Расчет САУ методом Циглера-Никольса

(3.1.1)

(3.1.2)

(3.1.3)

Для данной передаточной функции найдем фазо-частотную характеристику и постоим ее график.

Определим рабочую частоту как абсциссу точки пересечения ФЧХ с .Рабочая частота равна 0,082.

Рис. 3.1.1 Нахождение рабочей частоты

Рассчитаем параметры настройки ПИ-регулятора.Рассчитываем коэффициент Kкр:

Рис. 3.1.2 Реакция системы по каналу управления на ступенчатую функцию

Переходная функция по каналу возмущения:

Рис. 3.1.3 Реакция системы по каналу возмущения на ступенчатую функцию

Импульсная переходная функция по каналу возмущения:

Рис. 3.1.4 Реакция системы по каналу возмущения на импульсную функцию

Импульсная переходная функция по каналу управления:

Рис. 3.1.5 Реакция системы по каналу управления на импульсную функцию

Рассчитаем степени затухания по формуле :

Для переходной функции по каналу управления

Находим среднее значение степени затухания 0,93 и сравниваем с истинным значением 0,85.

3.2 Расчет САУ методом расширенных частотных характеристик

 - (3.2.1) расширенная АЧХ разомкнутой системы;

-(3.2.2) расширенная ФЧХ разомкнутой системы.

Для ПИ-регулятора расширенные частотные характеристики имеют вид:

(3.2.3)

(3.2.4)

Расчет в среде Mathcad:

для Ш = 0.85 m=0.302

Произведем расчет настройки ПИ-регулятора в среде Mathcad:

Перейдем в область расширенных частотных характеристик объекта. Для этого сделаем замену :

A(m,

Перейдем в область расширенных частотных характеристик регулятора:

Расширенная фазо-частотная характеристика регулятора:

После некоторых преобразований уравнения (3.2.6) получаем:

Рис.3.2.1 Параметры настроек с помощью метода расширенных частотных характеристик

Из графика вычисляем максимальное значение Kp/Tu на первом витке и соответствующее ему значение Кр:

Kp= 0,00565 Kp/Tu=0,00034

Рис. 3.2.2 Реакция системы по каналу управления на ступенчатую функцию

Рис. 3.2.3 Реакция системы по каналу возмущения на ступенчатую функцию

Импульсная переходная функция по каналу возмущения:

Рис. 3.2.4 Реакция системы по каналу возмущения на импульсную функцию

Импульсная переходная функция по каналу управления:

Рис. 3.2.5 Реакция системы по каналу управления на импульсную функцию

Рассчитаем степени затухания:

Для переходной функции по каналу управления

Находим среднее значение степени затухания 0,98 и сравниваем с истинным значением 0,85.

Методом расширенных частотных характеристик и методом Циглера-Никольса были рассчитаны параметры настройки ПИ-регулятора, степени затухания. Полученное при помощи метода Циглера-Никольса среднее значение степени затухания превышает истинное на 9,41%. Среднее значение степени затухания, полученное методом расширенных частотных характеристик, превысило истинное на 15,29%. Из этого следует, что лучше использовать значения, полученные методом Циглера-Никольса.

4. Синтез систем автоматического управления многомерным объектом

4.1 Синтез каскадных систем управления

Рис. 4.1.1 Каскадная система управления

В этом случае в систему регулирования включают два регулятора - основной (внешний) регулятор, служащий для стабилизации основного выхода объекта y, и вспомогательный (внутренний) регулятор, предназначенный для регулирования вспомогательной координаты y1. Заданием для вспомогательного регулятора служит выходной сигнал основного регулятора.

Расчет каскадной АСР предполагает определение настроек основного и вспомогательного регуляторов при заданных динамических характеристиках объекта по основному и вспомогательному каналам. Поскольку настройки основного и вспомогательного регуляторов взаимосвязаны, расчет их приводят методом итераций.

На каждом шаге итерации рассчитывают приведенную одноконтурную АСР, в которой один из регуляторов условно относится к эквивалентному объекту. Эквивалентный объект для основного регулятора представляет собой последовательное соединение замкнутого вспомогательного контура и основного канала регулирования; передаточная функция его равна:

(4.1.1.)

(4.1.2.)

(4.1.3.)

и

Ступенчатое воздействие по каналу управления:

Рис.4.1.2. Реакция на ступенчатое воздействие по каналу управления

Рис.4.1.3. Реакция на ступенчатое воздействие по каналу возмущения

Импульсное воздействие по каналу управления:

Рис.4.1.4. Реакция на импульсное воздействие по каналу управления

Рис.4.1.5. Реакция на импульсное воздействие по каналу возмущения

Система ковариантна заданию и инвариантна возмущению. Выполняется основной критерий качества- вид переходного процесса. Второй критерий качества в виде времени регулирования не выполняется. Выполняется критерий динамической ошибки.

4.2 Синтез комбинированной системы управления

Рис.4.2.1. Комбинированная система управления

Применим к схеме, приведенной на Рис. 4.2.1, условие инвариантности выходной величины y по отношению к возмущающему воздействию yв:

(4.2.2.)

Рис.4.2.2. Реакция на ступенчатое воздействие по каналу управления

Рис.4.2.5. Реакция на импульсное воздействие по каналу возмущения

4.3 Синтез автономной системы управления

В первом пункте работы были рассмотрены методы, применяемые для идентификации функции, заданных таблично. Были рассмотрены три метода: метод идентификации с использованием System Identification ToolBox, метод аппроксимации с использованием пакетаCurve Fitting Toolbox и метод аппроксимации элементарными звеньями. По результатам аппроксимации была выбрана наиболее адекватная модель. Это оказалась модель, полученная аппроксимацией с помощью Curve Fitting Tool.

Затем был определен закон регулирования и произведены расчеты настроек ПИ-регулятора двумя методами: методом расширенных частотных характеристик и методом Циглера-Никольса. При сравнении степеней затухания определили, что лучше использовать значения, полученные методом Циглера-Никольса.

Четвертый пункт курсовой работы заключался в моделировании систем. Мы провели синтез систем управления многомерным объектом. Для этих систем были рассчитаны компенсаторы возмущений, а также ПИ-регуляторы, для расчёта которых применялись стандартные биномиальные формы Ньютона. Были получены реакции систем на типовые входные воздействия.

Список использованных источников

Теория автоматического управления: учебник для вузов / В. Я. Ротач. - 5-е изд., перераб. и доп. -- М.: Издательский дом МЭИ, 2008. -- 396 с., ил.

Модальное управление и наблюдающие устройства / Н.Т. Кузовков. - М.: «Машиностроение», 1976. - 184 с.

Консультационный центр Matlab[Электронный ресурс] // MATLAB.Exponenta, 2001-2014. URL: http://matlab.exponenta.ru. Дата обращения: 12.03.2016.