Прецизионный двухконтурный термостат
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
значении. При стабилизации (PV=SP) пропорциональная составляющая будет равна нулю, а выходной сигнал будет полностью обеспечиваться интегральной составляющей. При постоянном значении рассогласования (SP-PV) интегральная составляющая представляет линейно увеличивающуюся со временем величину.
Физически интегральная составляющая представляет задержку реакции регулятора на изменение величины рассогласования, внося в систему некоторую инерционность, что может быть полезно для управления объектами c большой чувствительностью.
Дифференциальная составляющая противодействует предполагаемым отклонениям регулируемой величины. Эти отклонения могут быть спровоцированы внешними возмущениями или запаздыванием воздействия регулятора на систему. Чем быстрее регулируемая величина отклоняется от уставки, тем сильнее противодействие, создаваемое дифференциальной составляющей. Когда рассогласование становится постоянной величиной, дифференциальная составляющая перестает оказывать воздействие на сигнал управления.
Процесс настройки ПИД-регулятора состоит в основном из задания уставки и значений указанных выше трех коэффициентов. Существует несколько математических методов вычисления оптимальных коэффициентов PID-регулятора исходя из обеспечения наибольшей устойчивости системы. Однако на практике настройка регулятора проводится эмпирическим методом. В современных автоматических средствах управления зачастую применяются так называемые самонастраивающиеся ПИД -регуляторы, которые путем подачи на объект единичного воздействия и анализа ответной реакции автоматически выставляют если не оптимальные, то достаточно хорошие коэффициенты. Более того, существуют алгоритмы адаптированного ПИД -регулирования, предполагающие автоматическую корректировку (подстройку) коэффициентов регулирования в процессе управления. С их помощью можно достичь очень высокого качества управления даже в сильно нелинейных системах[7].
.5 Настройка регуляторов
При применении PID-регуляторов для каждого конкретного объекта необходимо настраивать от одного до трех коэффициентов. Для типовых регуляторов известны простейшие аналитические и табличные методы настройки (например, методика Цидлера)[8].
Алгоритм настройки по реакции на входной скачок:
на вход подается новое задание (уставка) - нагреватель включается на максимальную мощность, и по переходному процессу X(t) определяются t0, R, tи (см. рис. 1.4):
Рис 1.4. Разгонная кривая для объекта с транспортным запаздыванием- время транспортного запаздывания; tи - постоянная времени (время согласования) определяется инерционностью объекта; Xy - установившееся значение; R - наклон разгонной кривой dX/dt (макс. скорость изменения Х)
вычисляются коэффициенты настройки согласно следующим примерным соотношениям:
для P-регулятора КP= 1/Rt0
для PD-регулятора КP= 1/Rt0, KDI =0.25t0
для PI-регулятора КP= 0.8/Rt0, KTI = 1/3t0
для PID-регулятора КP= 1.2/Rt0, KTI = 1/2t0, KDI =0.4t0.
Не обязательно выводить объект на максимально возможную величину Х. Однако, следует иметь в виду, что слишком маленький скачок не позволяет определить R с достаточно высокой точностью[9].
.6 Постановка задачи и выбор метода исследования
В ходе работы необходимо создать термостат, в рабочем объеме которого можно установить необходимую температуру из диапазона от 253 К до 373 К, при этом для определения температуры используется платиновые термометры сопротивления. Для высокой точности и стабильности поддержания заданной температуры был выбран прецизионный двухконтурный термостат с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулированием.
Необходимо добиться стабилизации температуры во внутреннем контуре термостата с точностью до 0.001 К, во внешнем - 0.01 К. Определение температуры производится с помощью 31-разрядного АЦП ADS1281 фирмы Texas Instruments и внутреннего 24-разрядного АЦП конвертора ADuC845.
Разработана программа управления аппаратной частью устройства. Для обработки результатов измерений используются ресурсы ПК, сопряжение с которым реализовано через интерфейс USB. Измерительная часть схемы гальванически развязана с портом компьютера.
2. Экспериментальная установка
2.1 Структурная схема
На рис. 2.1 представлена структурная схема прибора.
Камера 1 является основным объектом термостатирования, её температура воздействует на датчик 1, в качестве которого используется одинарный мост с платиновым терморезистором (1000 Ом) в одном из плечей, и датчик 2, представляющий собой платиновый терморезистор (50 Ом). Термоэлектрический модули Пельтье 1 и 2 служат для нагрева и охлаждения камер 1 и 2 соответственно. Камера 2 является окружающей средой для камеры 1. Использование модулей Пельтье обеспечивает работу термостата в широким температурном диапазоне. Работа модулей Пельтье определяется напряжением на выходах усилителей мощности. Входным воздействием на усилители мощности являются напряжения на выходах ЦАП: внешнего DAC8550 и встроенного в ADuC845. Датчик 3 (платиновый терморезистор сопротивлением 1000 Ом), находится в камере 2. Через датчик 3 протекает ток от источника тока. Сигнал с датчика 1 усиливается предусилителем. Напряжения измеряются двумя АЦП, а переключение между датчиками 1 и 2 происходит с помощью системы коммутации (СК). Напряжение попадает на вход цифрового ПИД-регулятора, который осуществляет регулировку и выдаёт сигнал ошибки на ЦАП.