Идентификация объекта управления на основе экспериментальных данных. Синтез информационно-управляющей системы и анализ ее характеристик: аналогового регулятора Смита и его цифровое перепроектирование, адаптация. Выбор микропроцессорного контроллера.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

на тему:

«Микропроцессорная система управления механическим объектом»

Введение

Одной из характерных особенностей современной промышленности является все более широкое применение микроэлектроники в различных отраслях. Особое внимание в настоящее время уделяется внедрению микропроцессоров (МП) и микроконтроллеров (МК), обеспечивающих решение задачи автоматизации управления объектом. Аппаратная адаптация МК к особенностям конкретной задачи осуществляется путем разработки соответствующего программного обеспечения, заносимого затем в память программ, подключения необходимых интегральных схем, датчиков и организации ввода-вывода, соответствующих решаемой задаче.

Датчики отслеживают текущее состояние объекта управления (ОУ). Информация с датчиков обрабатывается МК и далее преобразуется в управляющие сигналы. Управляющие сигналы поступают на исполнительные элементы, которые связаны с ОУ и способны изменять его состояние. Для взаимодействия с оператором к МК подключаются устройства ввода-вывода.

Целями курсового проекта являются:

- изучение методики проектирования микропроцессорных систем от технического задания до рабочих чертежей;

- углубление знаний полученных в теоретических курсах;

- получение навыков внедрения теоретических знаний в практические применения.

Основной задачей курсового проекта является разработка принципиальной схемы и конструкции МП системы, выполняющего функции, определенные заданием, на базе заданных технических средств.

1. Задание на проектирование информационно-управляющей системы

Исходными данными к проекту является переходная характеристика объекта, снятая экспериментально (см. рис. 1).

Рисунок. 1. Экспериментальная переходная характеристика объекта

В ходе выполнения курсового проекта требуется:

1) идентифицировать объект управления на основе экспериментальных данных;

2) синтезировать информационно-управляющую систему, обладающую следующими параметрами:

а) время переходного процесса t_п =10 с;

б) перерегулирование у = 0%;

в) статическая ошибка Д_M = 0%;

г) адаптация к вариациям постоянной времени

3) выбрать микроконтроллер, реализующий функции регулятора;

4) разработать программу цифровой реализации информационно-управляющей системы

2. Идентификация объекта управления на основе экспериментальных данных

Модель объекта управления (ОУ) представляется колебательным звеном второго порядка и звеном чистого запаздывания, включенных последовательно. Тогда передаточная функция данного ОУ в общем виде будет иметь следующий вид:

, (1)

где - коэффициент демпфирования

Для колебательного звена коэффициент демпфирования лежит в пределах:

Переходная характеристика исходного ОУ представлена на рис. 2.

Размещено на

Размещено на

Рисунок 2. Определение параметров по переходной характеристике

Идентификация объекта проводится графическим методом (см. рис. 2). Данную переходную характеристику ОУ можно представить в следующем виде:

, (2)

где - коэффициент, определяемый по формуле:

(3)

Коэффициенты , , , , определяются с помощью рис. 1. Тогда согласно рис. 1 коэффициенты равны:

, при условии единичного ступенчатого воздействия

Коэффициент согласно (3) равен:

Тогда переходная характеристика исследуемого ОУ имеет следующий вид:

Определим постоянную времени и коэффициент демпфирования с помощью следующих формул:

(4)

(5)

Тогда согласно (4) постоянная времени равна:

Коэффициент демпфирования колебательной системы согласно (5) равен:

Проверим, соответствует ли данный коэффициент демпфирования колебательной системе:

Тогда передаточная функция исследуемого ОУ согласно (1) равна:

Проверим полученную передаточную функцию с помощью моделирования в Simulink комплекса MatLab. Для этого собирается модель объекта, представленного на рис. 3.

Рисунок 3. Модель ОУ составленная средствами Simulink комплекса MatLab

Результат моделирования представлен на рис. 4.

Рисунок 4. Результат моделирования в Simulink комплекса MatLab

Определим ошибку полученной модели ОУ, возникшей в ходе идентификации исходного ОУ. Сравнение модели ОУ и исходного ОУ проведем по 17 точкам. Переходная характеристика, описывающая исходный ОУ в контрольных точках, имеет значения, представленные в табл. 1.

Таблица 1 - Значения переходной характеристики исходного ОУ в контрольных точках

h(t) t	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
hreal(t)	0	77,5	200	305	347,5	347,5	327,5	307,5	296,3	292,5	296,5	298,8	300	303,8	303,8	302,5	300

Расчет ошибки идентификации ОУ выполним в программном комплексе MathCAD. Для этого составим уравнение в комплексе MathCAD, описывающее переходную характеристику полученной модели:

Далее найдем значения переходной характеристики модели ОУ в контрольных точках, и запишем значения переходной характеристики исходного ОУ в контрольных точках:



Определим абсолютное значение отклонения:

Определим среднеквадратичное отклонение (СКО):

СКО менее 5%, таким образом идентификация исходного ОУ проведена верно.

3. Синтез информационно-управляющей системы и анализ ее характеристик

3.1 Синтез аналогового регулятора Смита

Оценим временные показатели качества переходного процесса исходного ОУ.

1) время переходного процесса - это время, за которое переходный процесс входит в зону 5% коридора и больше из него не выходит. Из рис. 4 видно, что с.

2) перерегулирование определяется по формуле:

Таким образом, исходный ОУ не обладает требуемыми техническими качествами, т.е. необходимо синтезировать регулятор, который будет обеспечивать требуемое качество.

В качестве регулятора выбирается регулятор Смита. Данный регулятор в системах с запаздыванием обеспечивает быстродействие порядка (1.5 … 2) ф. Регулятор Смита состоит из полиномиального регулятора (ПР), который синтезируется для системы без запаздывания, и компенсатора Смита, который предназначен для компенсации запаздывания в системе. Структурная блок-схема регулятора Смита представлена на рис. 5.



Рисунок 5. Структурная блок-схема регулятора Смита

Так как полиномиальный регулятор синтезируется для системы без запаздывания, то тогда передаточная функция ОУ без запаздывания по управляющему воздействию будет имеет вид:

Синтез полиномиального регулятора основан на формировании заранее выбранного распределения корней полиномов передаточной функции САУ. Желаемая передаточная функция должна содержать все корни полинома В(s) (нули объекта), то есть должна быть представлена в виде:

,

где А_ж(s) - желаемый характеристический полином

R(s) и С(s) - полиномы, подлежащие определению.

Таким образом

,

где

Тогда структурная схема для реализации полиномиального регулятора имеет вид, представленный на рис. 6.

<...