Системы автоматического регулирования с применением микроэвм (анализ и синтез систем) (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИ Я

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ"

,

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОЭВМ

(АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ)

Учебное пособие для студентов, обучающихся по агроинженерным специальностям

Зерноград,

2008

ББК 32.81

Б53

УДК 62-50

, . Системы автоматического регулирования с микроЭВМ. – Зерноград: АЧГАА, 2008. – 137 с.

Содержит основные сведения по принципам работы и построения систем автоматического регулирования (САР) с микроЭВМ, методам их анализа и синтеза с использованием современных компьютерных технологий, реализованных с помощью высокоэффективного отечественного программного комплекса "Моделирование в технических устройствах" (ПК "МВТУ"). К пособию прилагается CD-диск с ПК "МВТУ".

Предназначено для студентов агроинженерных высших учебных заведений и факультетов, обучающихся по направлению "Агроинженерия".

© , , 2008

© ФГОУ ВПО АЧГАА, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ. 3

ПРЕДИСЛОВИЕ. 5

1 ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ с микроЭВМ.. 7

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 13

2.1 Понятие импульсной и цифровой системы.. 13

2.2 Математическое описание импульсных систем. 15

2.3 Математическое описание цифровых систем. 23

3 АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ с микроЭВМ.. 30

3.1 Определение периода квантования непрерывных сигналов в цифровых системах. 30

3.2 Устойчивость цифровых систем. 33

3.2.1 Основное условие устойчивости. 33

3.2.2 Исследование устойчивости на основе билинейного преобразования 34

3.2.3 Влияние периода квантования на устойчивость. 37

3.3 Оценка качества цифровых систем. 39

3.4 Коррекция и синтез цифровых систем. 40

4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ САР с микроЭВМ.. 46

4.1 Краткое введение в компьютерное моделирование САР. 46

4.2 Характеристика интерфейса пользователя ПК "МВТУ" /14/ 46

4.2.1 Запуск ПК "МВТУ". 46

4.2.2 Фрагменты командного меню.. 48

4.2.3 Фрагменты панели инструментов. 50

4.2.4 Дополнительная панель инструментов. 51

4.2.5 "Линейка" типовых блоков. 52

4.2.6 Основные этапы работы в среде ПК "МВТУ". 53

4.3 Методика моделирования цифровых систем. 54

4.4 Технологии моделирования цифровых систем. 54

4.4.1 Подготовка исходных данных для моделирования. 54

4.4.2 Ввод исходных данных в компьютер. 57

4.4.3 Моделирование переходных процессов. 65

4.4.4 Параметрическая оптимизация САР. 68

5 ПРАКТИКУМ ПО АНАЛИЗУ И СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОМУ СИНТЕЗУ САР с микроЭВМ.. 78

5.1 Особенности синтеза цифровых систем и цель практикума. 78

5.2 Описание систем автоматического регулирования. 78

5.2.1 Система автоматического регулирования температуры в помещении 78

5.2.2 Система автоматического регулирования температуры в печи. 80

5.2.3 Система автоматического регулирования угловой скорости электродвигателя постоянного тока. 82

5.2.4 Система автоматического регулирования температуры теплоносителя зерносушилки. 83

5.2.5 Система автоматического регулирования частоты синхронного генератора. 85

5.2.6 Система автоматического регулирования температуры воздуха в теплице 87

5.2.7 Система автоматического регулирования температуры воздуха, подаваемого в зерносушилку. 89

5.2.8 Система автоматического регулирования температуры в атмосфере теплицы.. 91

5.2.9 Система автоматического регулирования давления в ресивере. 92

5.2.10 Система автоматического регулирования угловой скорости гидротурбины.. 94

5.3 Описание объектов регулирования. 96

5.3.1 Теплица как объект автоматического регулирования. 96

5.3.2 Электрообогреваемый пол как объект автоматического регулирования 101

5.3.3 Электрический брудер как объект автоматического регулирования 101

5.3.4 Шахтная зерносушилка как объект автоматического регулирования 102

5.3.5 Картофелехранилище как объект автоматического регулирования 106

5.3.6 Силовой трансформатор как объект регулирования. 110

5.3.7 Барабанная зерносушилка как объект автоматического регулирования 111

5.3.8 Паровой подогреватель жидкой мелассы как объект автоматического регулирования. 115

5.3.9 Мармитная плита как объект автоматического регулирования. 116

5.3.10 Электрический вулканизатор как объект автоматического регулирования 117

ПРИЛОЖЕНИЕ. 118

ЛИТЕРАТУРА.. 137

ПРЕДИСЛОВИЕ

Стремительное развитие микропроцессорных средств привело к их широкому использованию для автоматического управления технологическими процессами в различных сферах производственной деятельности человека, в том числе и в сельском хозяйстве. К настоящему времени созданы и выпускаются серийно как отечественными, так и зарубежными производителями большое многообразие технических средств на базе микропроцессорных комплектов, к числу которых относятся микроЭВМ. Эти микропроцессорные средства по конструктивному исполнению и методам их программирования выполнены таким образом, что задачи их практического применения и обслуживания могут и должны решаться не специалистами, глубоко подготовленными по микропроцессорной технике, а широким классом инженерно-технических работников с минимально достаточными знаниями в данной области. Такую минимально достаточную подготовку специалистов по направлению "Агроинженирия" в российской высшей школе обеспечивают посредством изучения дисциплин "Информатика", "Электроника, микропроцессорная техника и средства связи" и "Автоматика". Центральное место в учебной программе дисциплины "Автоматика", для которого и предназначено данное учебное пособие, наряду с целым рядом других важных вопросов, занимает раздел, предусматривающий изучение систем автоматического регулирования, практическая реализация которых, до недавнего времени выполнялась на основе "жестких" аппаратных технических средств с использованием ориентированных на них теоретических и расчетных методов, которые нашли достаточно полное отражение в учебной литературе по дисциплине "Автоматика". Что касается теоретической базы перспективных САР с микроЭВМ, то они полно освещены, только в учебниках и учебных пособиях, предназначенных для подготовки узконаправленных специалистов в области технической кибернетики, подготовку которых ведут головные технические университеты России. В этой связи следует отметить, что эти учебники и учебные пособия очень сложно использовать при подготовки специалистов по направлению "Агроинженерия", так как они предназначены для обучающихся, прошедших углубленную и специальную математическую подготовку. В учебно-методической литературе по дисциплине "Автоматика", используемой в агроинженерных ВУЗах, вопросы связанные с принципами построения, методами анализа и синтеза САР с микроЭВМ отражены фрагментно. То есть в настоящее время нет систематизированного и доступного для студентов методического обеспечения по САР с микроЭВМ. Данное учебное пособие является попыткой восполнить этот пробел. Для освоения учебного материала, помещенного в учебное пособие, необходимые знания по отдельным вопросам математики, информатики, электроники и микропроцессорной технике, элементам теории автоматического регулирования, изучение которых предусмотрено учебными программами для подготовки специалистов по направлению "Агроинженерия". Сложность, имевшая место при разработке настоящего учебного пособия и заключавшаяся в том, что в "рамки" дисциплины "Автоматика" с небольшим ресурсом учебного времени, необходимо было "втиснуть" весьма обширные и сложные вопросы теории импульсных и цифровых САР, была преодолена благодаря применению современных информационных технологий, реализованных с помощью современного программного комплекса "Моделирование в технических устройствах".

В разделе 1 пособия в кратком изложении рассмотрены вопросы, связанные с принципами построения САР с микроЭВМ.

Раздел 2 посвящен математическому описанию дискретных систем, к которым относятся САР с микроЭВМ.

Раздел 3 посвящен вопросам анализа и синтеза САР с микроЭВМ.

В разделе 4 рассмотрен метод моделирования САР в среде ПК "МВТУ", особенности анализа и синтеза САР с микроЭВМ в его среде.

Раздел 5 содержит обширный материал, на основе которого можно формировать практикум по анализу структурно-параметрическому синтезу САР с микроЭВМ, в многовариантной постановки, что должно способствовать повышению эффективности образовательного процесса посредством обязательного выполнения индивидуальных заданий каждым обучающимся.

Для удобства использования учебного пособия, к нему прилагается CD-диск с ограниченной версией программного комплекса "МВТУ", распространяемой через интернет бесплатно, позволяющей моделировать любые САР до тридцатого порядка.

2  ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ с микроЭВМ

САР, являющиеся частным случаем САУ, в зависимости от задач автоматизации технологических процессов (ТП), могут применяться как автономно, так и входить в состав так называемых автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в виде локальных САР отдельных физических величин – технологических показателей машин, аппаратов, агрегатов и установок (температуры, влажности, концентрации компонентов, линейных и угловых скоростей и т. д.).

АСУ ТП – это человеко-машинная система, предназначенная для контроля режимов работы, сбора и обработки информации о протекании ТП, а также для его управления. АСУ ТП применяют для управления отдельными цехами, животноводческими и птицеводческими фермами, различными хранилищами, сложными технологическими объектами и т. п.

Современное АСУ ТП строятся на основе комплекса микропроцессорных средств образующих, так называемый управляющий вычислительный комплекс (УВК), включающий в себя электронную вычислительную машину (ЭВМ) – микроЭВМ (управляющую вычислительную машину – УВМ), устройства сопряжения (УСО) с технологическим объектом (ТО) и периферийные устройства /1, 2/. В самом общем, упрощённом варианте АСУ ТП можно представить в виде функциональной схемы, показанной на рис. 1.1.