Оглавление

Введение……………………………………………………………………………..	4
1 Описание системы терморегулирования………………………………………...	5
2 Расчет элементов электрической схемы регулятора……………………………	7
2.1 Расчёт параметров цепи, компенсирующих температуру холодного спая термопары…………………………………………………………………………...	7
2.2 Расчёт параметров цепи настройки системы на нуль………………………...	7
2.3 Расчёт параметров операционного усилителя У1…………………………….	8
2.4 Расчет параметров цепи, задающей напряжение……………………………..	8
2.5 Расчёт параметров сравнивающего усилителя У2……………………………	9
2.6 Расчет параметров сумматора У3……………………………………………...	9
3 Математическая модель системы терморегулирования………………………..	10
3.1 Функциональная схема…………………………………………………………	10
3.2 Описание функциональных элементов передаточными функциями………..	10
3.2.1 Электрическая печь…………………………………………………………...	10
3.2.2 Тиристорный регулятор мощности…………………………………………..	12
3.2.3 Термопара……………………………………………………………………...	12
3.2.4 Измерительный электронный усилитель У1………………………………..	13
3.2.5 Пропорциональный – интегральный регулятор…………………………….	14
3.2.5.1 Интегральный канал регулятора…………………………………………...	14
3.2.5.2 Пропорциональный канал регулятора……………………………………..	15
3.2.5.3 Передаточная функция пропорционального – интегрального регулятора…………………………………………………………………………...	16
3.3 Структурная схема и передаточная функция системы……………………….	16
4 Расчет настроек пропорционально-интегрального регулятора………………..	18
4.1 Построение логарифмических частотных характеристик……………………	18
4.2 Определение настроек регулятора……………………………………………..	20
4.3 Передаточная функция системы терморегулирования с настроенным регулятором………………………………………………………………………….	24
5 Исследование устойчивости системы терморегулирования…………………...	26
5.1 Оценка устойчивости при помощи алгебраического критерия устойчивости Гурвица………………………………………………………………	26
5.2 Построение области устойчивости системы методом D-разбиения………...	26
6 Анализ качества системы………………………………………………………...	29
6.1 Анализ качества системы по логарифмическим частотным характеристикам…………………………………………………………………….	29
6.2 Анализ качества переходного процесса……………………………………….	29
6.3 Оценка вынужденной ошибки системы……………………………………….	34
7 Повышение быстродействия системы терморегулирования…………………..	35
7.1 Синтез последовательного корректирующего звена…………………………	35
7.2 Реализация корректирующего звена…………………………………………...	36
7.3 Проверка и оценка результатов коррекции……………………………………	38
Заключение…………………………………………………………………………..	42
Библиографический список………………………………………………………...	43

Введение

Существует чрезвычайно разнообразное количество автоматических систем, которые управляют самыми различными процессами во всех областях промышленности. Основной задачей при проектировании таких систем является выбор структуры системы и параметров ее элементов таким образом, чтобы система была устойчивой и обеспечивала бы требуемое качество работы.

Объектом исследования в данной курсовой работе является система терморегулирования, которая служит для поддержания заданной температуры в печи постоянной. Целью данной работы является анализ и синтез системы. При анализе необходимо исследовать систему на устойчивость с помощью алгебраического критерия устойчивости Гурвица и метода D-разбиения и на качество переходного процесса. В результате, система не только должна быть устойчивой, но и обладать требуемыми характеристиками переходного процесса. В системе должен быть плавный апериодический процесс. Так как параметры объекта управления (печи) заданы, то добиться этого можно только изменением структуры и параметров регулятора. Для повышения быстродействия системы в 1,5 раза применяется структурный синтез последовательного корректирующего звена.

Исходные данные приведены в таблице 1 и таблице 2.

Таблица 1

Номинальная температура печи Тп, град	Номинальное напряжение питания Uн(t), В	Время разогрева печи до номинальной температуры tp, час	Рабочая температура Tраб, град	Изменение температуры на 10В изменения напряжения питания ∆U, град	Тип термопары
658	220	5,12	540	32,4	ТХК 9312

Таблица 2

Тип термопары	Диапазон измеряемых температур,	Градуировочная характеристика	Показатель тепловой инерционности , с
ТХК 9312	-40…+600	XK(L)	50

1 Описание системы терморегулирования

Система терморегулирования предназначена для поддержания заданной температуры в печи постоянной. Принципиальная схема система терморегулирования приведена на рисунке 1. Система состоит из объекта управления печи П, термопары Тп, тиристорного регулятора мощности ТРМ, делителей напряжения, измерительного усилителя У1, сравнивающего усилителя У2 и пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятора), который включает в себя пропорциональный и интегральный каналы регулирования и сумматора У3.

Задачей данной системы является поддержание температуры печи постоянной. Допустим, что под воздействием различных внешних факторов изменилась управляемая величина, т.е. температура печи. Она измеряется термопарой, преобразуясь в термоЭДС и поступает на У1. После чего, сигнал в виде напряженияпоступает на У2 и сравнивается с напряжением заданным. Результат сравнения - напряжение ошибки, которое усиливается и поддаётся на ПИ-регулятор. В зависимости от величины ошибки, ПИ-регулятор формирует управляющее воздействие и направляет его на ТРМ. А ТРМ, в свою очередь, увеличивает напряжение , поддаваемое на нагревательный элемент в соответствии с. Таким образом, происходит поддержание заданной температуры печи постоянной. Система терморегулирования является линейной замкнутой, сигналы – непрерывные.

2 Расчет элементов электрической схемы регулятора

2.1 Расчёт параметров цепи, компенсирующих температуру холодного спая термопары

Сопротивления ,компенсируют температуру холодного спая термопары. Выходом термопары является термоЭДС. Её зависимость от температуры определяется градуировочной характеристикой, приведенной в таблице 2. На термопаре создается начальное напряжение, равное термоЭДС, которое возникает при температуре помещения:. По градуировочной таблице для термопары ТХК 9312 определяем термоЭДС при[2]

мВ,

В.

Используя закон Ома, рассчитываем сопротивления и

,

.

Возьмем ток мА и напряжение питанияВ, получаем

Ом,

Ом.

Из ряда стандартных сопротивлений Е24 выбираем кОм,Ом [3].

2.2 Расчёт параметров цепи настройки системы на нуль

Цепь настраивает систему на нуль. С помощью регулировки переменного резисторазначение температуры устанавливается на нуль в пределахот номинальной температуры печи. Падение напряжения на резисторе

.

Из исходных данных таблицы 1 . По градуировочной таблицемВ [2]. Тогда, принимая токмА, по закону Ома

Ом

Из ряда стандартных сопротивлений Е24 выбираем Ом [3].

По закону Ома

,

или, принимая ,

.

Выражаем

Ом

Из ряда стандартных сопротивлений Е24 выбираем кОм [3].

2.3 Расчёт параметров операционного усилителя У1

Операционный усилитель У1 усиливает сигнал, идущий от термопары, до измерительного напряжения при номинальной температуре печи В.

.

Так как мВ [2],

.

С другой стороны

.

Из ряда стандартных сопротивлений Е24 выбираем кОм [3].

кОм.

Для того, чтобы обеспечить нужное значение , необходимо разбить резисторна постоянныйи переменный

кОм,

кОм.

Из ряда стандартных сопротивлений Е24 выбираем кОм,кОм [3].

2.4 Расчет параметров цепи, задающей напряжение

Напряжение задает цепь. Для того, чтобы регулироватьв пределах от 0 до 10 В, необходимо разбить резисторна постоянныйи переменный. Тогда

.

Принимая ток мА, по закону Ома определяем

кОм,

кОм,

кОм.

Из ряда стандартных сопротивлений Е24 выбираем кОм;кОм;кОм [3].

2.5 Расчёт параметров сравнивающего усилителя У2

Операционный усилитель У2 сравнивает с. Коэффициент усиления

,

.

Из ряда стандартных сопротивлений Е24 выбираем кОм [3]. Следовательно,

кОм.

Из ряда стандартных сопротивлений Е24 выбираем кОм [3].

2.6 Расчет параметров сумматора У3

Сумматор У3 служит для суммирования сигналов, которые поступают с интегрального и пропорционального каналов.

.

Коэффициент усиления , поэтому из ряда стандартных сопротивлений Е24 выбираемкОм [3].

3 Математическая модель системы терморегулирования

3.1 Функциональная схема

При построении математической модели исследуемой системы используется структурный метод. В соответствии с этим методом исходная принципиальная схема заменяется упрощённой функциональной схемой, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема системы терморегулирования

где ПК – пропорциональный канал,

ИК – интегральный канал,

ТРМ – тиристорный регулятор мощности,

П – электрическая печь,

ИУ – измерительный усилитель,

Тп – термопара,

–напряжение заданное,

–напряжение ошибки,

–напряжение на пропорциональном канале,

–напряжение на интегральном канале,

–управляющее воздействие на ТРМ,

–управляющее воздействие на печь,

–сигнал термопары,

–напряжение измерительного устройства.