Розробка та аналіз системи автоматичного регулювання вологості в тваринницькому приміщенні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство аграрної політики та продовольства України

Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка

Кафедра автоматизації та комп'ютерно-інтегрованих технологій

Розрахунково-графічне завдання

з дисципліни «Теоретичні основи автоматики»

на тему: «Розробка та аналіз системи автоматичного регулювання

вологості в тваринницькому приміщенні»

Виконав:

студент групи 33-ЕМ І.Д. Хітун

Прийняв:

старший викладач О.М. Піскарьов

2013



Вступ

Метою розрахунково-графічного завдання є закріплення теоретичних знань, придбаних у результаті вивчення курсу «Теоретичні основи автоматики» і одержання практичних навичок з розрахунку й аналізу автоматичних систем керування.

У сучасній техніці використовується величезна кількість автоматичних пристроїв і систем, призначених, однак, для вирішення лише декількох основних завдань автоматизації: сигналізації, контролю, блокування і захисту, пуску і зупинки, управління. У відповідності з цими завданнями поділяються і системи автоматики.

Системи автоматичної сигналізації (САС) призначені для повідомлення обслуговуючого персоналу про стан технологічної установки або протікає в ній технологічного процесу.

Системи автоматичного контролю (САК) здійснюють без участі людини контроль (тобто вимірювання і порівняння з нормативними показниками) різних величин, що характеризують роботу технологічного агрегату або протікає в ньому технологічний процес. У промисловому виробництві часто використовують системи централізованого контролю (СЦК), в яких вся технологічна інформація збирається і обробляється на центральному пульті управління.

Системи автоматичного блокування і захистів служать для запобігання виникнення аварійних ситуацій в агрегатах і пристроях.

Системи автоматичного пуску і зупинки забезпечують включення, переключення і відключення різних приводів і механізмів агрегату або технологічної установки по заздалегідь заданій програмі.

Системи автоматичного управління (САУ) призначені для керування роботою тих чи інших технічних пристроїв і агрегатів або протікають в них технологічними процесами.

Найважливішими і найбільш складними з перерахованих систем є системи автоматичного управління.

Управлінням у широкому сенсі слова називається організація будь-якого процесу, що забезпечує досягнення поставленої мети.

Основним завданням будь-якого процесу управління є вироблення і реалізація таких рішень, які за даних умов забезпечують найбільш ефективне досягнення мети управління.



1. Технічне завдання для виконання РГЗ

Розробити та проаналізувати на стійкість систему автоматичного регулювання стиснутого повітря, що складається з наступних ланок:

Об'єкт керування - тваринницьке приміщення, описується аперіодичною ланкою першого порядку

1500;(1)

Датчик -описується аперіодичною ланкою першого порядку;

;(2)

Регулятор;

;(3)

Виконавчий механізм - оприскувач, описується аперіодичною ланкою першого порядку;

(4)

2. Опис об'єкта автоматизації

Мікроклімат у тваринницьких та птахівницьких приміщеннях залежить від багатьох умов - місцевого (зонального) клімату, теплозахисних властивостей конструкцій будівлі, рівня повітрообміну, ефективності вентиляції, обігріву, стану каналізації, способів збирання і видалення гною, освітлення, а також від виду і віку тварин і птахів, особливостей їхньої фізіології й обміну речовин, щільності розміщення, типу годівлі і т.д.

Для зволоження та зниження температури повітря тваринницьких і птахівницьких приміщень використовують зволожувачі, що входять в склад вентиляційного обладнання або окреме обладнання зволоження.

Автоматизація систем мікроклімату дозволяє створити й підтримувати оптимальні умови повітряного середовища у тваринницьких і птахівницьких приміщеннях. В результаті застосування автоматизації підвищується продуктивність тварин, скорочуються витрати ручної праці і зменшується витрата електричної й теплової енергій. Розрахунки показують, що використання навіть найпростіших пристроїв підтримки температурних режимів дозволяє заощаджувати до 30% електроенергії.

Визначальними параметрами, що характеризують стан внутрішнього повітряного середовища у тваринницьких і птахівничих приміщеннях і піддаються безпосередньому регулюванню, варто вважати температуру, швидкість руху, відносну вологість, і газовий склад повітря.

Особливості автоматизації систем мікроклімату. При розробці автоматичних систем мікроклімату необхідно враховувати наступні особливості.

1. Складність автоматизації мікроклімату у тваринницьких і птахівничих приміщеннях, обумовлена залежністю регульованих параметрів (температура, швидкість руху, відносна вологість повітря і т.д.) від зовнішніх і внутрішніх факторів, що впливають, і їхнім взаємозв'язком; у свою чергу, факторів які змінюються протягом доби і тим більше в різні періоди року.

2. Розосередженість у широких межах контрольованих і регульованих параметрів як по обсязі, так і за часом.

3. Безупинний технологічний зв'язок систем мікроклімату з живими організмами, для яких характерна безперервність біологічних процесів.

4. Роботу устаткування в приміщеннях із підвищеним вмістом вологи, пилу й агресивних газів.

Система автоматичного регулювання (САР) повинна володіти мінімальної інерційністю, забезпечувати правильну послідовність роботи установок, бути надійною й стійкою у роботі, мати захист проти аварійних ситуацій, бути досить простою і економічно вигідною.

3. Розробка функціональної схеми САР

мікроклімат автоматизація зволоження повітря

Виходячи з технічного завдання до функціональної схеми САР підтримання рівня вологості потрібно включити наступні блоки:

ЧЕ - чутливий елемент;

КЕ - керуючий елемент;

ВЕ - виконавчий елемент;

ОК - об'єкт керування;

ЕП - елемент порівняння.

4. Визначення передаточних функцій ланок, що входять до складу САР

Передаточною функцією (ПФ) називається відношення зображення за Лапласом вихідної величини Y(p) до зображення за Лапласом вхідної величини X(p) при нульових початкових умовах, визначається за формулою:

,(5)

де поліном Q(p) називають характеристичним, P(p) - оператором впливу, а рівняння виду Q(p)=0 називають характеристичним рівнянням.

Розглянемо перехід від диференціального рівняння до ПФ на прикладі об'єкту керування.

Диференціальне рівняння об'єкту керування (печі)

1500.(6)

Зробимо перехід від диференціального рівняння до алгебраїчного, замінивши похідні на оператор Лапласа р

,(7)

P,(8)

За формулою (5) визначимо передаточну функцію об'єкту керування Wок в операторній формі, визначаємо за формулою:

.(9)

Аналогічно визначимо передаточні функції для інших ланок САР:

(10)

;(11)

.(12)

5. Розробка структурної схеми САР

Згідно з технічним завданням РГЗ та попередньо розрахованими передаточними функціями розробляємо структурну схему САР вологості в тваринницькому приміщенні (рис. 2), яка містить наступні елементарні ланки автоматики:

датчик - аперіодична ланка першого порядку;

виконуючий елемент - аперіодична ланка першого порядку;

об'єкт керування - аперіодична ланка першого порядку;

6. Знаходження передаточної функції та складання характеристичного рівняння САР

Для аналізу стійкості САР необхідно знайти передаточну функцію системи в цілому.

Спочатку знайдемо ПФ розімкненої системи (з розірваним зворотним зв'язком) - Wроз(p):

.(13)

деWп(p) - передаточна функція прямої гілки;

Wзз(p) - передаточна функція гілки зворотного зв'язку.

Знаходимо ПФ замкненої САР Wзамк(p), використовуючи для цього формулу:

(14)

Оскільки в САР використано НЗЗ у формулі (14) залишаємо знак «+» у знаменнику.

Підставимо в формулу (14) значення Wроз(p) та враховуючи, що Wзз(р) в даному прикладі дорівнює одиниці (оскільки в колі зворотного зв'язку ланки відсутні), отримаємо вираз для розрахунку Wзамк(p)



.(15)

Знаменник виразу (15) - це характеристичний поліном замкненої системи:

.(16)

Отримуємо придатне до аналізу характеристичне рівняння замкненої системи

(17)

7. Аналіз стійкості САР

Аналіз стійкості САР за критерієм Гурвіца

Критерій Гурвіца базується на певному записі коефіцієнтів характеристичного рівняння (18) у вигляді визначників і формулює умови стійкості в залежності від знаків коефіцієнтів і визначників.

(18)

Підставляючи коефіцієнти характеристичного рівняння (17) у визначник Гурвіца (19) одержимо матрицю розміром 4х4

У нашому випадку a0=73500?0;a1=38809?0;a2=1075,9?0;a3=0,7?0

Виконаємо обчислення мінорів Д1 - Д3 за формулами:

(21)

(22)

(23)

(24)

Після підстановки коефіцієнтів характеристичного рівняння одержуємо наступні значення діагональних мінорів Д1=38809>0; Д2=41704229>0;

Д3=-2851297637,7<0,

Висновок: Оскільки один з діагональних мінорів характеристичного рівняння (17) меньше 0 , то система нестійка.

Аналіз стійкості за критерієм Михайлова

Аналіз стійкості САР проводиться з використанням характеристичного рівняння (17). Для цього замінимо комплексну змінну р на jщ і отримаємо вектор Михайлова:

(24)

Виділимо в рівнянні (24) дійсну Re(щ) та уявну jIm(щ) частини враховуючи, що:

(25)

(26)

Підставляючи у вирази (25) і (26) значення частоти щ від 0 до ? знаходимо значення дійсної та уявної частин вектора (табл. 1), за якими будуємо на комплексній площині годограф Михайлова (рис. 3, 4).

Висновок: З побудов видно, що годограф Михайлова починається на позитивній дійсній піввісі (при значенні щ =0), обертається проти годинникової стрілки, ніде не перетворюється в нуль, непроходить послідовно число квадрантів (чотири), що дорівнює степені характеристичного рівняння (24), отже система нестійка.

Таблиця 7.1 Дані для побудови годографа Михайлова

щ(рад с-1)	Re(щ)	jIm(щ)
0	1,9125	0
0,003	1,902822854	0,001052157
0,004	1,895304416	0,000316224
0,005	1,885648438	-0,001351125
0,008	1,843943456	-0,014270208
0,009	1,825834334	-0,021991761
0,01	1,805645	-0,031809
0,015	1,674143438	-0,120480375
0,02	1,4939	-0,296472
0,03	1,003725	-1,026843
0,04	0,37922	-2,455776
0,055	-0,669526563	-6,418347375
0,058	-0,875065144	-7,531501608
0,06	-1,00818	-8,340744
0,07	-1,594675	-13,262487
0,1	-1,4965	-38,739
?	-?	-?



Рисунок 1 Годограф Михайлова

Рисунок 2 Початок годографа Михайлова

Аналіз стійкості САР за критерієм Найквіста

Критерій Найквіста дозволяє судити про стійкість замкненої системи за АФЧХ розімкненої системи (13).

Зробимо заміну

p=jщ

і розглянемо рівняння

(27)

Для побудови годографа АФЧХ спочатку помножимо його чисельник і знаменник на число (28), що комплексно-спряжене до знаменника виразу (27), це дасть змогу позбутися комплексної величини j в знаменнику.

Підставляючи в формули (30, 31) значення частоти щ в діапазоні від 0,001до ? знаходимо дійсну Rе(щ) та уявну jIm(щ) частини АФЧХ, які заносимо в табл. 7.3.1. За цими даними будуємо годограф Найквіста для розімкненої САР (рис. 5).

Висновок: Оскільки годограф АФЧХ розімкненої системи охоплює точку комплексної площини з координатами -1;j0, то САР вологості в твариницькому приміщенні буде нестійкою.

Таблиця 7.2 Дані для побудови годографа Найквіста

щ(рад с-1)	Rе(щ)	jIm(щ)
0,003	-8,436641257	20,9594997
0,004	-10,62303919	1,926308689
0,005	-12,165855	-3,63538857
0,008	-12,72920033	-5,579890536
0,009	-12,00089226	-5,270822052
0,01	-11,09538727	-4,901300328
0,015	-6,771959925	-3,232187803
0,02	-4,230706549	-2,155572121
0,03	-2,052302325	-1,044578955
0,04	-1,232687934	-0,560384422
0,055	-0,736535913	-0,256478149
0,058	-0,682620367	-0,223346263
0,06	-0,651718016	-0,204257691
0,07	-0,543324547	-0,134781855
0,1	-0,559462833	-0,048990056
?	-?	?

Рисунок 3 Годограф Найквіста по АФЧХ розімкненої САР вологості



Висновок по роботі

Виконавши розрахунково-графічне завдання ми закріпили теоретичні знання, придбані у результаті вивчення курсу «Теоретичні основи автоматики» і одержали практичні навички з розрахунку й аналізу автоматичних систем керування.

Проаналізувавши технічне завдання та знайшовши необхідну інформацію ми зробили опис об'єкта автоматизації (технологічного процесу

Використовуючи дані технічного завдання ми визначили передаточні функції ланок, що входять до складу САР.

Проаналізувавши дані функціональної схеми та передаточних функцій ми розробили структурну схему САР.

Спираючись на дані визначених передаточних функцій ланок ми визначили передаточну функцію системи в цілому та склали характеристичне рівняння САР.

Після виконання описаних вище операцій ми почали робити аналіз стійкості САР, який складався з декількох ступенів, а саме:

Аналіз стійкості САР за критерієм Гурвіца, виконавши який ми побачили, один з діагональних мінорів менше 0, отже система не стійка;

Аналіз стійкості САР за критерієм Михайлова, З побудов котрого стало видно, що годограф Михайлова починається на позитивній дійсній піввісі (при значенні щ =0), обертається проти годинникової стрілки, ніде не перетворюється в нуль, не проходить послідовно число квадрантів (чотири), що дорівнює степені характеристичного рівняння (24), отже система нестійка;

Аналіз стійкості САР за критерієм Найквіста, після виконання котрого ми побачили, що оскільки годограф АФЧХ розімкненої системи охоплює точку комплексної площини з координатами -1;j0, то САР вологість в системі буде нестійкою.

Отже , проаналізувавши наведені вище висновки по виконаним критеріям стійкості, можна зробити висновок, що САР є нестійкою.



Список використаних джерел

1. ДСТУ 3008-95. Документація. Звіти у сфері науки і техніки.

2. Автоматика и автоматизация производственных процессов / И. И. Мартыненко, Б. Л. Головинский, Р. Д. Проценко, Т. Ф. Резниченко.-М.:Агропромиздат, 1985.

3. Бородин И. Ф., Кирилин Н. И. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов.-М.:Колос, 1977.

4. Бородин И. Ф., Недилько Н. М. Автоматизация технологических процессов.-М.:Агропромиздат, 1986.

5. Вычислительная математика: Учебное пособие для техникумов / Данилина Н. И., Дубровская Н. С., Кваша О. П., Смирнов Г. Л.-М.: Высш. шк., 1985.

6. Кондратець В. О. Теорія і технічні засоби систем: Підручник.-К.:Вища школа, 1993.-319с.:іл.- (Автоматика та автоматизація виробництва с.-г. машин: У 2 ч.; Ч. І).

7. Мартыненко И. И., Тищенко Л. П. Курсовое и дипломное проектирование по комплексной электрификации и автоматизации.-

8. М.: Колос, 1978.

9. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов. Сборник задач. Силин Р. И., Стадник Я. Ф., Третько В. В./под редакцией д-ра техн. наук, проф. Р. И. Силина.-Львов:Вища школа. Издательство при львовском ун-те, 1985.

10. Ревин Ю. Г., Костенко Ю. В. Основы автоматизации производственных процессов.-М.:Агропромиздат, 1991.

11. Самотокін Б. Б. Лекції з теорії автоматичного керування: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів.-Житомир:ЖІТІ, 2001.

Размещено на Allbest.ru

...