Практическая часть лабораторной работы № 1
Предварительное задание:
1. Заведите рабочую лабораторную тетрадь для записи теоретических положений, которые будет давать преподаватель на лабораторных занятиях дополнительно к курсу лекции (такую тетрадь неплохо иметь каждому студенту свою, т.к. она пригодится для подготовки к экзамену).
2. Будьте готовы к необходимости оформлять и сдавать преподавателю отчёты по выполненным лабораторным работам (один отчёт на бригаду).
3. Найдите на рабочем столе компьютера ярлык программы ТАУ-2000 и откройте её. Выберите в меню "Объект" в режиме работы "Практика" напорный бак с подогревом, внимательно рассмотрите его схему, зарисуйте её, изучите задание лабораторной работы и приступайте к его выполнению.
Лабораторный (виртуальный) объект управления
Объектом управления является промоделированный в компьютере напорный бак с протекающей через него жидкостью (имеется возможность её подогрева), изображённый на рис. 1.
Рисунок 1 – Принципиальная и структурная схемы объекта управления.
Предлагаемый для экспериментального исследования объект - напорный бак с подогревом - относится к классу многомерных объектов регулирования, состояние которых характеризуется несколькими переменными состояния (выходными величинами), зависящими от нескольких управляющих и возмущающих воздействий (входных величин). Состояние данного напорного бака характеризуется значениями уровня жидкости (например, воды), который будем обозначать H (Xвых1) и температуры в ёмкости - T (Xвых2). Эти параметры объекта необходимо поддерживать постоянными (заданными), т.е. регулировать. Управляющими воздействиями (в данном случае их можно называть регулирующими воздействиями, т.к. будет ставиться задача поддержания выходных величин объекта на постоянных заданных значениях) являются: степень открытия вентиля подачи воды в ёмкость (определяющая фактически расход воды на притоке) – Xрег1 (это будет регулирующее воздействие для уровня, т.е. для Xвых1) и ток, протекающий через нагреватель и определяющий количество тепла, подводимого к ёмкости - Xрег2 (это будет регулирующее воздействие для температуры, т.е. для Xвых2).
Основным для уровня в ёмкости возмущающим воздействием является расход воды на стоке, определяемый степенью открытия вентиля на выходном трубопроводе – Xвоз1. Другим возмущающим воздействием можно считать колебания давления воды в трубопроводе перед клапаном притока – Xвоз2. Для температуры возмущающими воздействиями являются: колебания напряжения сети, питающей нагреватель – Xвоз3, изменения температуры окружающей среды - Xвоз4 (последнее возмущение при наличии тепловой изоляции ёмкости можно считать несущественным). Структурная схема объекта также показана на рисунке.
Для упрощения исследований на начальном этапе изучения теории автоматического управления в данном лабораторном практикуме ограничимся рассмотрением случая, когда в данном объекте вода не подогревается. Тогда объект станет объектом с одной регулируемой величиной Xвых – уровнем, единственным возмущением будет расход воды на стоке (определяемый потребителем), который будем имитировать степенью открытия вентиля на выходном трубопроводе - Xвоз, а регулирующим воздействием будет расход воды на притоке, который в данной программе имитируется степенью открытия вентиля подачи воды в ёмкость - Xрег. Таким образом, исходная структурная схема объекта управления упрощается, объект становится двухканальным и его структурная схема принимает вид, показанный на рис. 2.
Рисунок 2 - Структурная схема двухканального объекта управления.
Итак, наш простейший объект управления имеет одну регулируемую величину - уровень в баке, которую ещё называют выходной величиной объекта и поэтому обозначают Хвых и две входные величины, влияющие на выходную. Входными величинами являются: расход жидкости на стоке, который в данном объекта зависит от потребителей, может меняться непредсказуемо, а значит играет роль возмущающего воздействия (или просто возмущения) и обозначается, поэтому Хвоз, и расход жидкости на притоке, с помощью которого можно компенсировать изменения уровня, вызванные возмущением, поэтому данная величина будет в дальней играть роль регулирующего воздействия и обозначаться Хрег.
В связи с такой структурой объекта управления, в нём можно выделить два канала влияния входных величин на выходную величину. Это канал возмущения "Сток – Уровень", т.е. "Возмущение – Выход" (Хвоз – Хвых) и канал регулирования "Приток – Уровень", т.е. "Регулирующее воздействие - Выход" (Хрег – Хвых).
Следует иметь в виду, что при экспериментальном определении характеристик объекта по каналам регулирования и возмущения фактически определяются его характеристики совместно с регулирующим органом и измерительным устройством. Такая совокупность регулирующего органа, собственно объекта и измерительного устройства, для которых экспериментально совместно определяются как статические, так и динамические характеристики, называется эквивалентным или обобщённым объектом.
Методику экспериментального определения статических характеристик будем осваивать, проводя эксперименты по обоим каналам по очереди, сначала по каналу регулирования, затем по каналу возмущения.
Задания перед проведением экспериментов:
1. Изучить схему объекта регулирования;
2. Освоить с помощью преподавателя способы изменения управляющего и возмущающего воздействий с клавиатуры. Запомнить, что при проведении экспериментов по каналу регулирования "Приток - Уровень", изменение расхода жидкости на притоке (т.е. изменение регулирующего воздействия) производится в нашем виртуальном объекте с помощью изменения степени открытия вентиля на притоке (клавиша F1). А при проведении аналогичных исследований по каналу возмущения "Сток - Уровень", изменение расхода жидкости на стоке (т.е. изменение возмущающего воздействия) имитируется с помощью изменения степени открытия вентиля на стоке (клавиша F3).
3. Изучить с помощью преподавателя способы отображения изменений выходных и входных величин объекта на экране (движущаяся диаграмма, цвет переменных, размерность переменных, масштаб времени)
4. Получить у преподавателя свой вариант лабораторной работы №1 (конкретные значения параметров объекта управления) и приступить к выполнению задания.