Файл: Курсовой проект по дисциплине Идентификация и диагностика систем.rtf

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Идентификация и диагностика систем»

Выполнил: студент гр. ЭТМО-31

Макаренко Д.В.

Проверил: доцент, к.т.н. Тарасова Г.И.

МОСКВА 2009

Введение
Измерение, контроль, стабилизация и регулирования температуры является одной из наиболее часто встречаемых задач в науке и технике. Данной проблеме уделяется большое внимание, как со стороны исследователей, так и со стороны разработчиков и производителей систем управления температурными процессиями.

Для получения температур выше температуры окружающей среды в подавляющем большинстве случаев используются резистивные нагреватели. Низкие температуры часто получают компрессионным методом охлаждения.

Термоэлектрическое приборостроение в настоящее время становится активно развивающейся областью электроники. Термоэлектрические системы (ТЭС) используются для регулирования и стабилизации температуры, в основном, для диапазона -120º С ÷ +120ºС. Можно с уверенностью утверждать, что в электронной технике по ряду причин для этого интервала температур ТЭС являются наиболее эффективными. Особым преимуществом термоэлектрических систем является то, что изменением полярности питания термоэлектрического устройства можно регулировать температуру как выше, так и ниже температуры окружающей среды. Таким образом, основной диапазон температурных исследований в электронной технике от -60 до +120 С реализуется с помощью одного термоэлектрического устройства, работающего на эффекте Пельтье.

Исследование и разработка систем стабилизации и регулирования температуры на базе ТЭС является актуальной научно-технической задачей.

В настоящее время в большинстве прецизионных систем управления различными объектами предпочтение отдается цифровым методам и средствам, в том числе высокоскоростным аналого-цифровым преобразователям (АЦП) и цифровым процессорам. Создаются конструкции регуляторов с переменной структурой, адаптивные или с самонастройкой, а также с так называемым нечетким законом управления. Наиболее значительные успехи в подобных разработках были достигнуты в тех случаях, когда регуляторы систем выполнялись на основе цифровых спецпроцессоров. В тех случаях, когда частота информационного сигнала мала, вполне оправдано использование для цифровой обработки сигнала микропроцессора общего назначения.

---

Для управления современным термическим оборудованием, в большинстве случаев, также целесообразно применение микропроцессорных систем управления (МПСУ). Одной из наиболее сложных задач при создании таких систем управления является учет динамики термического объекта управления.

Задание на курсовой проект

1. 
   По данным проведенного эксперимента провести идентификацию термического объекта исследования. Определить структуру математической модели в виде передаточной функции и оценить ее параметры.
   
2. 
   Провести компьютерное моделирование исследуемого объекта по полученной математической модели. Оценить адекватность модели, вычислить абсолютное и приведенное отклонения.
   
3. 
   Провести параметрическую оптимизацию объекта исследования с целью уменьшения отклонения переходной характеристики модели от экспериментальной, используя ПП «КАЛИСТО» (если требуется).
   
4. 
   Провести анализ устойчивости и качества замкнутой САУ с объектом идентификации, модель которого получена в пп.1-3, с линейным законом управления и быстродействующим датчиком температуры типа термопары, используя частотный метод. Рассчитать переходные характеристики замкнутой САУ (при коэффициенте усиления меньше критического) с помощью ПП МОДОС. Закон управления пропорционально-интегральный, инерционность датчика 1 секунда.
   
5. 
   Оценить влияние запаздывания объекта исследования на величину критического коэффициента по асимптотическим ЛЧХ. Величина времени запаздывания 100 секунд.
   
6. 
   Рассчитать переходные характеристики замкнутой САУ с учетом запаздывания. Оценить влияние запаздывания на показатели качества переходных процессов в замкнутой САУ.
   
7. 
   Подготовить электронную презентацию, используя приложение PowerPoint. Ориентировочный состав презентации: титульный лист, идентификация ОИ, параметрическая оптимизация, ЛЧХ и переходная характеристика линейной САУ, ЛЧХ и переходная характеристика САУ с учетом запаздывания ОИ, основные результаты и выводы.
   
8. 
   Оформить результаты курсового проекта в виде пояснительной записки, объем записки 20-25 страниц.
   

1. Идентификация термического объекта управления с помощью временного метода

1.1 Параметры объекта управления

---

Состояние любого исследуемого объекта определяется рядом величин, характеризующих как воздействие на объект внешней среды и управляющих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта.

Одни из этих величин непрерывно измеряются в процессе работы и называются контролируемыми. Другие, оказывая влияние на режим работы объекта, не измеряются и называются неконтролируемыми.

Величины, выражающие внешние влияния на объект, носят название воздействий. Воздействия, вырабатываемые управляющим устройством, называются управляющими воздействиями. Кроме управляющих входных воздействий могут присутствовать воздействия, не зависящие от управляющего устройства, называемые возмущениями или помехами. Они могут быть как контролируемые, так и неконтролируемые. Выходные величины, по которым ведется управление, носят название управляемых или регулируемых величин. Обычно регулируемые величины в той или иной степени характеризуют качественные показатели процесса в управляемом объекте. В общем случае объект управления (ОУ) может быть представлен схемой, показанной на рис.1.


Рис.1.
Здесь совокупность управляющих воздействий или параметров обозначена вектором ={U₁, U₂,….., U_m}, контролируемых внешних воздействий или параметров - вектором ={x₁, x₂,..., x_l}, неконтролируемых внешних воздействий или параметров - вектором ={f₁, f₂,…, f_k}, выходных управляемых величин или параметров - вектором ={у₁, у₂,…., у_n}.

Если объект характеризуется одним входным управляющим параметром и одним выходным управляемым параметром, т.е. векторы и имеют по одной координате, то объект называется односвязным. Такой объект может быть представлен схемой, показанной на рис.2. В нашем случае входным управляемым параметром является напряжение, а выходным управляемым параметром - температура исследуемого термоэлектрического объекта.

---

Рис.2.
Аналитическое определение динамических свойств объекта управления по конструктивным и физическим данным часто является чрезвычайно сложной задачей. В таких случаях обращаются к идентификации объекта по экспериментальным данным.

Вопросы, связанные с идентификацией и оцениванием параметров динамических объектов, относятся к числу основных в теории и практике автоматического управления.

В общей постановке различают две задачи идентификации: непараметрическую, когда требуется определить структуру и оценить параметры передаточной функции (ПФ) объекта, и параметрическую, когда нужно при известной структуре ПФ объекта оценить её параметры.

К числу широко распространенных относятся следующие методы идентификации объектов:

- идентификация в режиме нормальной работы, осуществляемая путем использования совместно с объектом его настраиваемой модели, параметры которой подбираются сообразно с некоторым алгоритмом настройки по входным воздействиям и выходным величинам объекта;

- идентификация, реализуемая подачей на вход объекта тестовых сигналов (ТС) с заданными характеристиками и анализа соответствующих реакций (процессов) на выходе объекта.

Метод идентификации с использованием тестовых сигналов непараметрический, поскольку не требует задания в явной форме конечномерного вектора параметров при поиске описания исследуемого объекта, что во многих случаях весьма важно на практике, например, при идентификации объектов типа «черного ящика».

В известных разновидностях метода идентификации с использованием тестовых сигналов в качестве входных воздействий с заданными характеристиками применяются следующие сигналы: детерминированные апериодические (импульсные, ступенчатые, или иной формы) или периодические определенной формы (например, синусоидальные); случайные (например, белый шум). Процессы на выходе объекта могут обрабатываться методами временного, гармонического (частотного), корреляционного (спектрального) анализа.

По характеру применяемого анализа реакций исследуемого объекта на тестовые сигналы, указанные разновидности метода можно разделить на две группы. К первой группе относятся разновидности, основанные на временном анализе, ко второй остальные, называемые частотными. По сравнению с частотами, временные методы с использованием детерминированных тестовых сигналов часто намного проще и удобнее во многих случаях практического применения. В настоящей работе используется временной метод.

---

2. Описание эксперимента по снятию временной характеристики

В данной работе была проведена идентификация по временным характеристикам реакции объекта на скачкообразный входной сигнал 1(t) (зависимость изменения температуры термоэлектрического устройства). Как было отмечено выше, различные термоэлектрические устройства находят в настоящее время широкое применение благодаря своим достоинствам. Их работа основана на эффекте Пельтье. В настоящей главе рассматривается идентификация термоэлектрического термостата, работающего в диапазоне температур от -50 до + 25 ºС. Для снятия временных характеристик исследуемого объекта был использован стенд рис.3.

В состав стенда входят следующие приборы и устройства:

1. 
   Блок питания и управления термостатом.
   
2. 
   Блок питания и управления нагрузочным элементом.
   
3. 
   Прецизионный электронный термометр DTI-1000.
   
4. 
   Персональный компьютер IBM PC.
   
5. 
   Исследуемый объект (термоэлектрический термостат).
   

Рис.3. Блок-схема стенда для снятия временных характеристик термоэлектрических объектов.

Микропроцессорный цифровой термометр соединен с персональным компьютером с помощью интерфейсного кабеля RS-232С. Роль датчиков температуры выполняют платиновые терморезисторы, установленные на исследуемом объекте. Цифровой термометр позволяет одновременно обрабатывать данные с двух датчиков и индицировать температуру на ЖК-дисплее. В данном термометре также предусмотрена возможность передачи информации в цифровом виде с датчиков на персональный компьютер. Результаты измерений фиксируются в виде таблицы и графиков, кроме того, могут непосредственно сохраняться в текстовом файле.

Блок управления и стабилизации температуры термостата состоит из блока питания, блока измерения и индикации температуры в объеме термостата и собственного блока управления.

Блок питания и управления нагрузочным элементом представляет собой регулируемый источник питания, позволяющий плавно менять значение тепловой нагрузки на исследуемом устройстве.

В сложном объекте исследования, где процесс определяется различными величинами, выделяются регулируемые величины и регулирующие воздействия. Далее определяется связь определенного регулирующего воздействия с регулируемыми величинами. При этом другие регулирующие воздействия и регулируемые величины поддерживаются постоянными на заданном уровне, чтобы они не влияли на результаты эксперимента. Кроме того, необходимо ограничить влияние внешних возмущений, соблюдая определенные условия исследований, например, в данном случае:

---