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

13629. Каждый великий успех науки имеет своим истоком великую дерзость воображения 13.85 KB
  Каждый великий успех науки имеет своим истоком великую дерзость воображения. Д. Дьюи. Вначале дадим определение науки. Наука это систематизированные взгляды на окружающий мир воспроизводящие его существенные стороны в абстрактно-логической форме и основанные на науч...
13630. Вольтер. Как значимы эмоции и чувства! Это ветры, надувающие паруса корабля. Они его иногда топят, но без них он не может существовать 14.7 KB
  Как значимы эмоции и чувства Это ветры надувающие паруса корабля. Они его иногда топят но без них он не может существовать Вольтер По моему мнению высказывание Вольтера известного поэта и философа о том что эмоции и чувства играют немаловажную роль в жизни человека...
13631. Культура - лишь тоненькая яблочная кожура над раскаленным хаосом 14.08 KB
  Культура лишь тоненькая яблочная кожура над раскаленным хаосом.Ф. НицшеЯ глубоко не согласен с данным высказыванием немецкого философа XIX века Ф. Ницше. Данное высказывание принижает значение культуры для человечества. По Ницше инстинктивное бессознательное в челов...
13632. Наука не сводится к сумме фактов, как здание не сводится к груде камней 16.16 KB
  Наука не сводится к сумме фактов как здание не сводится к груде камней.А. ПуанкареНаука является одной из форм духовной культуры. Увеличение дальнейшее совершенствование научных знаний во многом определяет развитие материального производства социальноэкономическ...
13633. Поэт бесконечно уступает художнику в изображении видимого, и музыканту - в изображении невидимого 14.72 KB
  Поэт бесконечно уступает художнику в изображении видимого и музыканту в изображении невидимого. Леонардо да Винчи И поэт и художник и музыкант являются творцами искусства. Мы знаем что искусство особый способ познания и отражения действительности посредством ...
13634. Проповедовать мораль легко, обосновать ее трудно 14.86 KB
  Проповедовать мораль легко обосновать ее трудно. А. Шопенгауэр.Что такое мораль И почему согласно Шопенгауэру обосновать ее трудно Мораль – это часть духовности форма общественного сознания это система норм регулирующих поведение людей основанная на общеприняты
13635. Кеннеди. У искусства есть враг, имя которому - невежество 15.65 KB
  У искусства есть враг имя которому невежество. Д. Кеннеди Автор считает что незнание не способность разбираться в чемлибо а тем более в искусстве может принести огромный вред искусству. И мы можем с этим согласиться. Невежество происходит от слова ведать знат
13636. Цивилизация есть стадия умирания культуры 14.68 KB
  Цивилизация есть стадия умирания культуры.О. ШпенглерРазвитие культуры и цивилизации неразрывно связаны: вне духовных ценностей созданных в процессе культурной деятельности людей не может сложиться и цивилизационная общность.Некоторые исследователи полностью ото...
13637. Щадя преступников, вредят честным людям 14.43 KB
  Щадя преступников вредят честным людямСенекаВыдающийся философ Сенека жил во времена Римской империи. Что же этой фразой он хотел сказать Не наказывая преступников вообще или не наказывая их должным образом мы наносим вред честнымзаконопослушным гражданам. И хотя...