Курсовые работы / температурой овощехранилища / инкубатора

ВВЕДЕНИЕ

Задачи по управлению тем или иным явлением или процессом, возникающие в повседневной практической деятельности человека обширны и многообразны.

Управление можно определить как совокупность действий, обеспечивающих проведение любого процесса в целях достижения определенных результатов.

Все процессы в управлении носят общие закономерности, не зависящие от конкретных целей и объектов управления. Элементы САУ связаны друг с другом посредством передаваемых сигналов. Состояние объекта в каждый момент времени характеризуется его выходными параметрами. Управлять объектом – значит управлять его выходными параметрами. Характер преобразования сигналов в объекте и сами эти сигналы предопределены назначением объекта в технологическом процессе и не могут быть изменены. Это следует учитывать при проектировании САУ, хотя для рассмотрения ее свойств и качества природа сигналов не принципиальна.

Системы автоматического управления создаются для того, чтобы автоматически, без непосредственного участия человека поддерживать необходимый режим работы различных обслуживаемых этими автоматами объектов. Системы автоматического управления самостоятельно, без вмешательства извне либо поддерживают постоянной, либо изменяют по заранее заданному закону одну или несколько физических величин, характеризующих процессы, происходящие в обслуживаемых объектах, или же сами определяют в зависимости от ряда условий нужный или оптимальный закон управления объектом.

Управляемый процесс может определяться рядом параметров и их соотношениями. В простых случаях управляемый процесс может достаточно полно определяться одним параметром (координатой). Системы для управления такими процессами носят название локальных систем автоматики – это системы автоматики, предназначенные для решения одной функциональной задачи, для управления одним устройством или для управления или сигнализации одного параметра.

Системы автоматического управления позволяют:

1) повысить эффективность ведения технологических процессов;

2) сократить частично или полностью количество обслуживающего персонала на том или ином объекте;

3) повысить производительность автоматизированных устройств и объектов и повысить их экономичность;

4) получить возможность вести требуемый процесс в условиях и местах, недоступных для человека.

В качестве системы автоматического управления в данной курсовой работе будет рассмотрена САУ бытового инкубатора «Ко-ко» (в дальнейшем именуемый «инкубатор»).

1 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Технические требования и состав ЛСАУ

Необходимо разработать систему автоматического управления инкубатора. Структурная схема данной системы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема системы автоматического управления

инкубатором

МП - микропроцессор, устанавливает заданные параметры напряженияпитания инкубатора;

У - усилитель, предназначен для усиления сигнала, подаваемого с микропроцессора;

Н – нагревательный элемент;

Ёмкость - ёмкость инкубатора;

Дт – датчик температуры, предназначен для измерения температуры в инкубаторе.

Рассмотрим структурную схему САУ – рисунок 1, она представляет собой схему с подчиненным регулированием координат, в ней регулирование каждой координаты осуществляется регулятором температуры, который образует замкнутый контур.

Датчик температуры фиксирует температуру в инкубаторе. На основании данных датчика микропроцессор вырабатывает напряжение, которое усиливается усилителем и поступает на электронагревательный элемент, расположенный внутри. Электронагревательный элемент осуществляет обогрев инкубатора, и температура вновь фиксируется датчиком.

2. Показатели качества ЛСАУ

Технические характеристики инкубатора «Ко-ко»:

• диапазон регулирования температуры, С 28÷40;

• перерегулирование, % 30;

• время регулирования, с 30;

• напряжение питающей сети, В 220;

• температура начала обогрева, С 20;

• необходимая температура обогрева, С 370,5;

• чувствительность, С 0,5;

• влажность, % 95;

• колебательность 1.5;

• скорость опроса датчика, с^-1 4;

• ускорение опроса, с^-1 1;

• максимальная допустимая ошибка 4;

• мощность, потребляемая инкубатором не более 40 В∙А;

• масса инкубатора, кг 3;

• вместимость инкубатора, шт.:

• яиц куриных 60;

• яиц утиных 40;

• яиц гусиных 30.

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

2.1 Выбор микропроцессора

При выборе МП кроме критериев технической, экономической и технико-экономической эффективности следует руководствоваться следующими соображениями:

1. допустимое время обработки информации;

2. высокая производительность МП, достаточный объем ОЗУ и ПЗУ;

3. наличие встроенных ЦАП и АЦП;

4. достаточно высокий уровень выходного сигнала ЦАП, для дальнейшего егоиспользования без необходимости предварительного усиления;

5. возможность программной коррекции;

6. малое энергопотребление;

7. совместимость с другими микросхемами;

8. достаточно мощная и гибкая система команд МП;

9. возможность цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабевремени;

На основании вышеперечисленных критериев выбор был остановлен на микроконтроллере PIC 16F873 с буферными управляющими выводами, который осуществляет весь процесс управления, формирования интерфейса, аналого-цифрового преобразования и выполнения математи­ческих операций. Выходной ток управляющих сигналов мА.

Выбранный микроконтроллер обладает необходимой производительностью, мощной и гибкой системой команд и управления обработкой информации, возможностью программной коррекции ЛСУ, имеет возможность обрабатывать аналоговый сигнал в режиме реального времени, благодаря встроенным АЦП и ЦАП.

Передаточную функцию МК принимаем равной единице: (1)

2.2Выбор усилителя

При выборе усилителя мощности руководствуются следующим:

1. вид входного и выходного сигнала, тип питания;

2. требуемая мощность;

3. надежность, независимость от внешних влияний (особенно коэффициента усиления), чувствительность, малые массогабариты.

В качестве усилителя выбираем КР140УД1, который имеет отличные технические характеристики. К особенностям набора следует отнести широкий диапазон допустимых питающих напряжений и высокий коэффициент использования напряжения питания. В комплект набора входит радиатор площадью 200 мм², типа И-110-М2.

Технические характеристики:

1. напряжение на входе, В 12;

2. напряжение на выходе, В 220;

3. выходная мощность, кВт 1.1;

4. сопротивление нагрузки, Ом >2;

5. полоса частот, 20…100 000 Гц;

6. входное сопротивление кОм 10;

7. выходное сопротивление, Ом <0.1;

8. размеры печатной платы 45х100мм.

Определим коэффициент усиления как:

Передаточная функция усилителя запишется в виде:

2.3 Выбор электронагревательного элемента

Для обогрева инкубатора необходимо выбрать нагревательный элемент. Для этой цели наиболее удобно использовать нагревательные ленты АНТ. Они основаны на заземлённом нагревательном кабеле, сделанным из аморфной металлической ленты, заключённой в механически прочную, но гибкую оболочку.

Габаритные размеры инкубатора – 0,47х0,47х0,2 м. Для обогрева инкубатора площадью 0,2209 м² необходимо 0,4418 м нагревательной ленты. Округлим значение до 0,45 м.

Технические характеристики нагревательного элемента:

- предел мощности, Вт/м 62;

- напряжение питания, В 220;

- постоянная времени,°C 30;

- верхний предел рабочей температуры, °С 70;

- максимальное значение тока, А 5.

Передаточная функция нагревательного элемента имеет вид:

где Т – постоянная времени прибора.

Рассчитаем коэффициент усиления:

где – верхний предел рабочей температуры;

– входное напряжение:

где P – мощность;

Отсюда

Тогда передаточная функция нагревательного элемента будет иметь вид:

2.4 Выбор ёмкости инкубатора

Рисунок 2 – Инкубатор. Внешний вид

Корпус инкубатора (рис.2) изготовлен из стеклопластика, благодаря чему он легок и очень прочен; крышка изготовлена из плексгласа, она легко снимается для доступа к яйцам.

На лицевой стороне крышки расположены:

1. Винт и гайка – барашек регулятора температуры (рис.3).

2. Индикатор, излучающий красный свет, сигнализирующий включение инкубатора в сеть и прогрев нагревательного элемента.

3. Два вентиляционных отверстия, закрытые пробками.

И нкубируемые яйца размещаются на металлической сетке, устанавливаемой в корпусе инкубатора. Режим работы инкубатора – непрерывный.

Рисунок 3 – Регулятор температуры

Необходимая температура обогрева, °C 37;

Внутренние размеры инкубатора, м 0,47х0,47х0,2;

Объём ёмкости инкубатора вычисляется по формуле:

V=L*B*H=0,47*0,47*0,2=0,04418 м³.

Передаточная функция ёмкости инкубатора имеет вид:

,

,

где с – удельная теплоёмкость, с=2,1 кДж/кг*К=2100 Дж/кг*К;

– плотность воздуха, при t=37°C=1.128 кг/м³.

Отсюда

,

где – кратность воздухообмена в инкубаторе, согласно СНиП 2.08.01-89*, - не менее 10 раз в час.

Отсюда

Получаем передаточную функцию ёмкости инкубатора:

2.5 Выбор датчика температуры

Для корректной работы системы и поддержания заданной температуры в инкубаторе, необходимо использование датчика температуры.

Так как система работает в нормальных условиях, то измерение большого перепада температур не требуется. На основании этого выбираем датчик температуры ТСМ-6114.

Технические характеристики прибора:

- погрешность прибора, °С ±0,5;

- предел измеряемых температур -50…+100;

- сопротивление датчика, Ом (при t=50⁰) 99,58;

- относительная влажность воздуха, % 30 – 95;

- постоянная времени прибора , с 0,02;

- масса прибора, кг не более 0,3;

- число чувствительных элементов 1;

- напряжение питания, В 24.

Исходя из того, что график работы датчика температуры – линейная характеристика, передаточная функция будет иметь вид:

,

где Т – постоянная времени прибора.

Рассчитаем коэффициент передачи:

,

где – необходимая температура обогрева, равная 37 °С.

Получаем .

Тогда передаточная функция датчика температуры будет иметь вид:

3 РАСЧЁТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

3.1 Датчик температуры

Для поддержания заданной температуры в инкубаторе необходимо измерительное устройство, передающее сигнал микропроцессору. В качестве такого устройства взят датчик температуры ТСМ-6114.

Термометры сопротивления предназначены для измерения температуры в диапазоне от -200°С до +600°С. Они бывают металлические и полупроводниковые. Для изготовления металлических термометров используется медь и платина. Медные термометры работают в диапазоне от 0°С до 200°С. Градуировочная характеристика в этом достаточно узком диапазоне температур линейная

R_тс=R₀ (1 + α∙T)

где R₀– значение сопротивления при 0°С,

α = 0,486∙10^-3 1/град - температурный коэффициент сопротивления или чувствительность термометра сопротивления,

Т – температура в °С.

Конструкции термометров чрезвычайно разнообразны и определяются, главным образом, областью применения. Наиболее часто ТС выполняются в виде бифилярной обмотки тонкого медного или платинового провода на диэлектрическом основании. Бифилярная обмотка необходима для получения безиндуктивного сопротивления. Для защиты от агрессивных сред, используются разнообразные чехлы из нержавеющей стали и других материалов, что увеличивает массу датчика и ухудшает его динамические характеристики.

Градуировочные характеристики платиновых термометров стабильны во времени и мало различаются от экземпляра к экземпляру. Медные термометры уступают платиновым с метрологической точки зрения, но вследствие их сравнительной дешевизны широко применяются, если соответствуют температурному диапазону и требованиям точности.

В результате расчета датчика построим статическую характеристику зависимости сопротивления датчика от температуры.

Рисунок 4 – Зависимость сопротивления термометра от температуры

На основании полученных статических характеристик можно сделать вывод о том, что данный датчик подходит для системы.

УИТС.XXXXXX.105 ПЗ

Лист

Дата

Подп.

№ докум.

Лист

Изм.