71820

Разработка САУ процессом копчения продуктов

Курсовая

Производство и промышленные технологии

В данном курсовом проекте описывается анализ и синтез САУ процессом копчения продуктов с регулятором в контуре управления. Составляются математическое описание объекта управления исполнительных и измерительных устройств.

Русский

2014-11-12

156.5 KB

13 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Поволжский государственный технологический университет

Кафедра ПиП ЭВС

Разработка САУ процессом копчения продуктов

пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Теория автоматического управления»

                                                                       Выполнил: ст. группы УИТС–41

                                      Орлов В.М.

             Проверил: к.т.н., доцент

                Савиных А.Б.

Йошкар–Ола

2012

Аннотация

В данном курсовом проекте описывается анализ и синтез САУ процессом копчения продуктов с регулятором в контуре управления.

Составляются математическое описание объекта управления, исполнительных и измерительных устройств. Производится анализ показателей качества на основании полученных ЛАЧХ и ЛФЧХ и графиков переходных процессов. Анализируется инвариантность синтезированной системы.


Задание на курсовую работу

Разработать систему автоматического управления процессом копчения продуктов, используя ТЭН и датчик температуры.


Содержание

Перечень сокращений…….………………………………………………………5

Введение……….…………………………………………………………………..6

1. Техническое задание…………………………………………………………...7

1.1. Введение………………………………………………………………7

1.2. Основание для разработки…………………………………………...7

1.3. Технические  требования……………………………………………..7

2. Техническое предложение……………………………………………………10

2.1. Обзор литературы…………………...………………………………10

2.2. Обоснование выбора элементов системы…………………………11

3. Техническое проектирование…………………….…………………………..12

3.1. Математическое описание системы………………………………..12

        3.2.Синтез регулятора состояния методом АКАР….…………………..14

Заключение……………………………………………………………………….17

Список литературы………………………………………………………………18

Приложения……………………………………………………………………...19


Перечень сокращений

  1.  ЛАЧХ – логарифмическая амплитудная частотная характеристика.
  2.  ЛФЧХ - логарифмическая фазовая частотная характеристика.
  3.  САУ – система автоматического управления.
  4.  А – матрица состояния.
  5.  det – определитель матрицы.
  6.  E – единичная матрица.
  7.  s -  оператор Лапласа.
  8.   T – постоянная времени.
  9.  t – время.
  10.   W(s) – передаточная функция.


Введение

САУ процессом копчения продуктов представляет собой  закон изменения температуры с течением времени до достижения температуры, при которой обеспечивается процесс горячего копчения.

В разрабатываемую систему входят ТЭН и датчик температуры.

Основными целями курсовой работы являются:

  •  закрепление теоретических знаний по дисциплинам «Современная теория управления» и «Теория автоматического управления»;
  •  приобретение навыков анализа решений существующих задач автоматизации;
  •  приобретение навыков по решению вопросов проектирования систем автоматического управления.

 

1 Техническое задание

  1.  Введение

Данное техническое задание распространяется на разработку и испытание системы автоматического управления процессом копчения продуктов.  Основной целью функционирования данной системы является регулирование температуры, которая должна подняться до определенного значения для осуществления процесса горячего копчения.

  1.  Основание для разработки

Основанием для разработки является задание на курсовой проект по дисциплине «Теория автоматического управления».

Тема: «Разработка САУ процессом копчения продуктов».

1.3 Технические требования

1.3.1. Технические параметры:

  •  длительность переходного процесса                              не более 2мин.
  •  количество перерегулирований                                      не более 1
  •  величина перерегулирования                                         не более 20%
  •  ошибка в установившемся состоянии                                       5%
  •  запас устойчивости по фазе                                            не менее 10..200
  •  запас устойчивости по модулю                           не менее 5…10дБ                                           

Окончательные требования к потребляемой мощности, чувствительности и инвариантности системы уточняют в процессе разработки.

1.3.2. Принцип работы

Продукты (например, рыба) вручную укладываются в коптильную камеру. Далее на ТЭН подается напряжение, и он начинает нагревать температуру в камере до 120 о С и поддерживать эту температуру в течение необходимого времени. При этой температуре и происходит процесс горячего копчения.  

1.3.3. Требования к надежности

Требования к надёжности согласно ГОСТ 21552-84 «Средства вычислительной техники».

Средняя наработка на отказ, не менее               20000 ч

Средняя наработка на сбой, не менее      5000 ч

Среднее время на восстановление работоспособности, менее    2 ч

Средний срок службы с учетом проведения восстановительных

работ, не менее               10 лет

Коэффициент технического использования, не менее            0.95

1.3.4. Условия эксплуатации

Условия эксплуатации согласно ГОСТ 21552-84 «Средства вычислительной техники» и ГОСТ 25467-82 «Изделия электронной техники».

Климатическое исполнение и категория изделия – УХЛ4.2.

Температура окружающего воздуха    от -45 до +40 ºC 

Относительная влажность(при 35ºC)             от 40 до 90%

Атмосферное давление      от 84 до 107 кПа

Группа исполнения изделия по стойкости к механическим факторам – М1.

Диапазон вибрационных нагрузок    от 1 до 35 Гц

Амплитуда ускорения      5 м/с2

2 Техническое предложение

2.1 Обзор литературы

Рынок рыбных продуктов в России – один из наиболее динамично развивающихся и перспективных и характеризуется неизменно растущим покупательским спросом. Это вполне объяснимо, потому что кроме несомненных вкусовых достоинств рыбопродукты обладают огромной биологической ценностью: рыба содержит множество полезных микроэлементов, белки легко усваиваются организмом человека, рыбий жир включает в себя большое количество незаменимых полиненасыщенных кислот.

Богатство водных ресурсов нашей страны позволяет значительно расширить ассортимент рыбопродуктов. Чтобы производить продукт отменного качества и при этом добиться ощутимого снижения себестоимости, необходимо активно внедрять современные средства автоматизации.

Одним из основных видов переработки рыбы является копчение: горячее и холодное. Качество конечного продукта зависит от предварительной подготовки рыбы, плотности дыма и соблюдения необходимого температурного режима. Для автоматизации процесса копчения в камерах изготовления рыбных деликатесов широко используется универсальный двухканальный ПИД-регулятор ОВЕН ТРМ151.

К задачам, которые необходимо решить при разработке системы, относятся:

  1.  синтез наблюдателя и регулятора САР
    1.  обеспечение заданных критериев качества управляемости
    2.  обеспечение минимальных значений чувствительности
    3.  обеспечение инвариантности системы

2.2.Обоснование выбора элементов системы

В состав системы входят: трубчатый электронагреватель, датчик температуры.

Выбор ТЭН

Для постепенного нагрева воздушной среды в коптильной камере выберем ТЭН мощностью 1 кВт и напряжением 380 В.

Выбор датчика температуры

Основной критерий для выбора датчика – возможность работы при высоких температурах. Первичный измерительный преобразователь ТТ-2000 РТ100 может работать даже при 200о С, поэтому удовлетворяет нашему требованию.


3. Техническое проектирование

3.1 Математическое описание системы

Структурная схема системы:

Передаточные функции звеньев:

  1.  ТЭН

  1.  Датчик температуры (первичный измерительный преобразователь)

- апериодическое звено

- коэффициент чувствительности

  

Т=3 – период срабатывания датчика

Преобразуем:

Заменим ,

Получаем дифференциальное уравнение:

Запишем уравнение теплового баланса для коптильной камеры с учетом внешних воздействий:

Запишем уравнение теплового баланса для воздуха в коптильной камере:

Система испытывает внешнее воздействие. Температура воздуха внешней среды изменяется каждые 15 минут:

Подставляя коэффициенты:

- удельная теплоемкость стали,

- удельная теплоемкость воздуха,

- масса камеры,

- масса воздуха внутри камеры,

- масса воздуха вне камеры

И заменяя переменные:

Получаем систему дифференциальных уравнений в нормальной форме Коши и добавим в уравнение зависимости датчика и исполнительного устройства закон управления, который необходимо найти:

3.2 Метод АКАР

Выберем нелинейную макропеременную, причем нелинейность обусловим переменным температуры:

Продифференцируем макропеременную:

Основное функциональное уравнение имеет вид:

Подставив в это уравнение производную макропеременной и макропеременную, найдем закон управления:

Подставим найденный закон управления в исходную систему и линеаризуем ее:

Составим матрицу А:

Найдем определитель матрицы , приравняем его к нулю и найдем корни характеристического уравнения. Выберем переменные так, чтобы корни этого уравнения были отрицательны:

3.3 Анализ основных характеристик синтезированной системы

Синтезированная система с регулятором и наблюдателем имеет следующие технические характеристики:

Время переходного процесса                                    90 с  

Величина перерегулирования                                   0  

Ошибка в установившемся состоянии                                 0  

Запас устойчивости по фазе                                   ∞  

Запас устойчивости по модулю                                  ∞  

В результате синтезированная САУ с регулятором отвечает всем техническим требованиям, заданным в техническом задании.

3.3 Проверка системы на инвариантность

Для проверки синтезированной системы на инвариантность подадим на объект управления возмущение. Структурная схема с графиком переходного процесса, смоделированного в программе VisSim, приведена в приложении. По графику можно увидеть, что величина ошибки, вызванной внешними воздействиями стремится, к нулю и время затухания ошибки меньше времени переходного процесса. Это означает, что система инвариантна.

Заключение

В ходе курсового проектирования были рассмотрены различные варианты построения разработанной системы. После проведения анализа было выбрано решение, которое наиболее точно соответствует требованиям технического задания.

Подводя анализ технического предложения, можно заметить, что система автоматического управления процессом копчения продуктов инвариантна к внешним возмущениям, удовлетворяет требуемым параметрам, также отвечает показателям качества.


Список литературы

  1.  Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами: Учеб. пособие. – М: Изд-во МГТУ, 1993. – 492 с..
  2.  ГОСТ 7.9-77. Реферат и аннотация. – М.: Изд-во стандартов, 1981. – 6 с.
  3.  В.Н.Афанасьев, В.Б.Колмановский, В.Р.Носов. Математическая теория конструирования систем управления. Издание второе, дополненное. – М.: "Высшая школа", 1998, - 574 с.
  4.   Савиных А.Б. Теория автоматического управления: Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах». – Йошкар-Ола: Изд-во МарГТУ, 2005. - 72 с.

Приложения


+

Uвх=20 В

U(x)

ТЭН

ПИП

K1

ТОУ

 k

TS+1

T


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36949. Використання засобів MathCAD, MS Excel для формування послідовностей випадкових чисел 56 KB
  Київ – 2011 Лабораторна робота №4 Тема: Використання засобів MthCD MS Exсel для формування послідовностей випадкових чисел. Мета: ознайомитися з основними видами розподілів випадкових чисел основними інструментами що використовуються при формування послідовностей випадкових чисел розглянути реалізацію методів формування цих послідовностей за допомогою різних інструментальних засобів MthCD Excel. Теоретична довідка У табличному процесорі Excel для формування послідовності випадкових чисел використовується...
36950. Побудова графіків в Matlab / Simulink 233.79 KB
  Висновок: під час лабораторної роботи я вивчив графічні можливості СКМ Matlab/Simulink.
36951. Вивчення універсального вимірювача Е7-11 при вимірюваннях індуктивності, ємності, опору, тангенса кута втрат й добротності елементів 378 KB
  Мета: Навчитись вимірювати індуктивність, ємність, опір, тангенса кута втрат й добротність елементів універсальним вимірювачем Е7-11.
36952. Проектування та створення баз даних у СУБД MS Access**. Створення табличних об’єктів засобами конструктора 858.5 KB
  Таблиці СУБД нормалізовані. Нормалізація – процес видалення з таблиць даних що повторюються шляхом перенесення їх у інші таблиці записи яких не містять значень що дублюються. Структура реляційної таблиці визначається складом полів. Вміст поля подається у стовпці таблиці.
36953. Проведенння приймального суцільного контролю якості продукції 366.5 KB
  Підготувати прилад В7І6 до роботи і провести вимірювання опору резисторів на різких діапазонах. Підготувати прилад МО62 до роботи і провести вимірювання опору резисторів. 3 призначений для забезпечення високого вхідного опору приладу і перетворення величини вимірюваного опору в напругу. Перший каскад коефіцієнт підсилення якого дорівнює одиниці призначений для перетворення вимірюваного опору в напругу із цією метою на його виході автоматично.
36954. СУБД MS Access**. Сортування, пошук та відбір записів у таблиці. Конструювання запитів 1.34 MB
  Звичайний фільтр викликається послідовністю команд Записи – Фильтр – Изменить фильтр. Розширений – Записи – Фильтр – Расширенный фильтр. Записи формуються шляхом об’єднання записів таблиць що використовуються у запиті. Умови відбору сформульовані у запиті дозволяють фільтрувати записи що складають результат об’єднання таблиць.
36955. Дослідження активних фільтрів на операційних підсилювачах у середовищі Electronics Workbench 95 KB
  Розрахувати номінали елементів наступних кіл: Примітка: для кожної зі схем доцільно обрати Ф а решту елементів розрахувати виходячи з вимог завдання варіанту; а ФНЧ першого порядку на неінвертуючій ланці з частотою зрізу і коефіцієнтом підсилення ; б ФВЧ першого порядку на неінвертуючій ланці з частотою зрізу і коефіцієнтом підсилення ; в ФНЧ другого порядку на неінвертуючій ланці з частотою зрізу і коефіцієнтом підсилення ; г ФВЧ другого порядку на неінвертуючій ланці з частотою зрізу і коефіцієнтом підсилення ; д СФ на...
36957. Дослідження надійності нерезервованої системи 36.8 KB
  При постійних інтенсивностях відмов елементах де інтенсивність відмови системи. Ризик системи Rct і обчислюються по наступним формулам: де Qct=1Pct – вірогідність відмови системи протягом часу t; qit – вірогідність відмови iго елементу системи протягом часу t. Якщо елементи системи рівно надійні то співвідношення Rct до має вигляд: .