Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Міністерство освіти і науки України
Національний університет водного господарства та природокористування
Кафедра електротехніки та автоматики
з курсу: "Автоматизація неперервних технологічних процесів"
для студентів спеціальності "Автоматизоване управління технологічними процесами"
Рекомендовано до друку методичною комісією факультету прикладної математики та комп‘ютерно-
інтегрованих систем
Протокол №____ від _________ 2009 р.
Рівне - 2009
Лабораторна робота №6 "Дослідження каскадних систем автоматичного регулювання"
з курсу “Автоматизація неперервних технологічних процесів” для студентів спеціальності “Автоматизоване управління технологічними процесами” / Кутя В. М. – Рівне: НУВГП, 2009.
Робота 6. Дослідження каскадних систем автоматичного регулювання
6.1. Мета роботи
Вивчити методи розрахунку і побудови каскадних АСР. Розрахувати налаштування регуляторів і дослідити якість перехідних процесів в каскадній АСР.
6.2. Теоретичні відомості
Каскадні системи застосовуються для об'єктів з великою інерційністю по каналу регулювання. Якість регулювання можна поліпшити введенням додаткового контуру стабілізації допоміжної змінної.
Структура каскадної АСР представлена на рис. 6.1. У системі діють два регулятори – основний регулятор Wрег2(p) служить для стабілізації основної регульованої величини y, і допоміжний регулятор Wрег1(p) служить для регулювання допоміжної величини y1. При цьому основний регулятор впливає на зміну завдання допоміжному регуляторові.
Рис. 6.1. Структурна схема каскадної АСР
Каскадна АСР є двоконтурною, такою, що містить зовнішній контур регулювання основної регульованої змінної у з корегуючим (основним) регулятором Р2 і внутрішній контур регулювання проміжної регульованої змінної y1 зі стабілізуючим (допоміжним) регулятором Р1.
Wоб1(р) і Wоб (р) – передаточні функції об'єкта регулювання відповідно по каналу проміжної і основної регульованої змінної.
Регулятори Р2 і Р1 включені послідовно, що і зумовило назву "каскадна система".
Стабілізуючий регулятор впливає безпосередньо на робочий орган об'єкту, змінюючи регулюючу дію, а корегуючий регулятор впливає на задавач стабілізуючого регулятора, змінюючи завдання на проміжну регульовану величину. Проміжна регульована величина повинна задовольняти дві вимоги. По-перше, проміжна регульована величина повинна реагувати на те ж основне збурення, яке діє на основну регульовану величину. По-друге, інерційність об'єкту регулювання по каналу проміжної регульованої величини повинна бути набагато меншою, ніж по каналу основної. При виконанні цих умов внутрішній контур із стабілізуючим регулятором Р1 швидко реагує на основне збурення (оскільки інерційність об'єкта регулювання по каналу x → y1 невелика), що дозволяє компенсувати його дію, не чекаючи відхилення основної регульованої змінної (як це було б в одноконтурній АСР). Для компенсації невеликих по величині збурень, що залишилися, на які y1 не реагує, а у реагує, служить зовнішній контур з корегуючим регулятором Р2.
Таким чином, основні збурюючі дії компенсуються швидкодіючим стабілізуючим регулятором Р1, а невеликі збурення, що залишилися, компенсуються корегуючим регулятором Р2 шляхом зміни завдання регуляторові Р1.
За рахунок того, що допоміжна регульована величина швидко реагує на основне збурення, якість регулювання в каскадній АСР може бути істотно підвищена в порівнянні з одноконтурною.
Як стабілізуючий регулятор зазвичай використовується П-регулятор, що дозволяє забезпечити високу швидкодію внутрішнього контура.
В якості корегуючого регулятора зазвичай використовують ПІ- або ПІД-регулятори для того, щоб забезпечити високоякісне регулювання основної регульованої величини.
Розрахунок налаштувань регуляторів у каскадних АСР
Оскільки налаштування одного регулятора в загальному випадку залежать від налаштувань іншого регулятора, розрахунок оптимальних налаштувань регуляторів у каскадних АСР представляє досить складне завдання, що вирішується ітеративними способами.
Послідовність розрахунку налаштувань регуляторів
1) Визначається еквівалентна передаточна функція Wекв1(p) для розрахунку стабілізуючого регулятора:
Wекв1(p) = Wоб1(p) + Wоб(p)Wрег2(p).
На першому кроці ітеративної процедури, коли Wрег2(p) ще невідома, вважають
Wекв1(p) ≈ Wоб1(p).
(Якщо швидкодія внутрішнього контура багато більша, ніж зовнішнього, внутрішній контур практично не залежить від зовнішнього і це припущення є справедливим, що дозволяє розраховувати стабілізуючий регулятор без врахування налаштувань корегуючого).
2) Визначаються налаштування стабілізуючого регулятора по структурній схемі (рис. 6.2.).
Рис. 6.2
3) Визначається передаточна функція еквівалентного об'єкту Wекв2(p) для розрахунку налаштувань корегуючого регулятора:
.
4) Визначаються налаштування корегуючого регулятора, по структурній схемі (рис. 6.3).
Рис. 6.3
Приклад розрахунку каскадної АСР
Нехай об’єктом регулювання є ректифікаційна колона (рис. 6.4), в якій треба стабілізувати температуру верху колони Тв.
Рис. 6.4. Схема ректифікаційної колони із зазначенням каналів збурення і регулювання
Складаємо структурну схему об'єкта, на якій позначені вхідні і вихідні змінні і передаточні функції по основних каналах (рис. 6.5).
Рис. 6.5. Структурна схема ректифікаційної колони як об’єкта регулювання:
Fп – витрата пари – регулююча дія; Fж – витрата живильної пари –збурення: Тв – температура верха колони – регульований параметр;
Ткт – температура на контрольній тарілці – допоміжний параметр
Передаточні функції по відповідних каналах мають наступні значення.
;
:
.
Складемо структурну схему каскадної АСР з ПІ-регуляторами в основному і допоміжному контурах регулювання.
Рис. 6.6. Структурна схема каскадної АСР в середовищі Simulink
Визначаємо параметри налаштувань допоміжного регулятора, розглядаючи в якості об’єкта допоміжний канал.
.
Параметри налаштувань допоміжного регулятора розраховуємо за формулами з довідкової літератури.
Для ПІ-закону регулювання і процесу з 20% перерегулюванням налаштування регулятора обчислюються за формулами:
; .
Тоді налаштування внутрішнього регулятора Р1:
;
с.
Для встановлення налаштувань основного регулятора потрібно знайти передаточну функцію еквівалентного об’єкта
,
провести її апроксимацію, звівши до аперіодичної ланки першого порядку із запізненням, та розрахувати параметри регулятора Р2 за формулами, наведеними вище.
1. Ознайомитися з призначенням і порядком розрахунку каскадних АСР.
2. Скласти структурну схему каскадної АСР та розрахувати її параметри.
3. Змоделювати систему автоматичного регулювання в середовищі Matlab та вибрати оптимальні параметри регуляторів.
4. Зробити висновки і оформити звіт.
Вимоги до звіту
Звіт повинен включати в себе:
6.5. Контрольні запитання
Додаток 6.1
Варіант 1
Варіант 2
Варіант 3
Варіант 4