Курсовая работа "Автоматизированная система управления бытового водонагревателя с системой подводящих труб"

Название:
Автоматизированная система управления бытового водонагревателя с системой подводящих труб
Тип работы:
курсовая работа
Размер:
2,5 M
35
Скачать
Изучение современных методов управления производственными процессами на основе компьютерных технологий. Разработка математической модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб и создание автоматизированной системы управления в Trace Mode.

Краткое сожержание материала:

ВВЕДЕНИЕ

Современные методы управления производственными процессами на основе компьютерных технологий получили широкое распространение на большинстве промышленных предприятий разных отраслей промышленности.

Диспетчерское управление и сбор данных - SCADA (от Supervisory Control And Data Acquisition) - являются в настоящее время основными методами автоматизированного управления сложными динамическими системами и процессами в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. На принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в военной и космической промышленности, в различных государственных структурах и частных компаниях.

Традиционная концепция создания систем управления производственными процессами предусматривает весьма ограниченную формализацию этапов проектирования АСУ ТП (например, анализа свойств целей и синтеза критериев управления), относя эти действия к творческим актам, успех выполнения которых почти полностью определяется профессиональными и личностными качествами управленческого персонала.

Однако практика эксплуатации сложных производственных систем показывает, что ограниченная формализация основополагающих этапов проектирования АСУ ТП может привести к невозможности достижения поставленных целей, к получению результатов, отличных от ожидаемых, а также к несоответствию между изменившимися условиями и целями и оставшимися неизменными моделями, методами, алгоритмами и критериями, используемыми для поиска рационального (оптимального) управления в изменившихся условиях.

От качественного сопровождения программного обеспечения (ПО) для автоматизации ТП во многом зависит не только производительность и безаварийность работы технологических агрегатов, но и жизненный цикл спроектированной и сданной в промышленную эксплуатацию АСУ ТП.

В настоящее время в практике проектирования АСУ ТП появились так называемые «коробочные» решения в области проектирования АСУ ТП нижнего (уровня контроллеров) и верхнего уровня (уровень SCADA-систем), а также уровня предприятия (уровня АСУП - MES- и ERP-систем). Однако применение SCADA-систем (особенно для разработчиков проектов) - это огромный набор технологий.

В настоящей работе рассматривается интегрированная среда разработки Trace Mode версии 6.0.

1 Разработка математической модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб

1.1 Постановка задачи

управление автоматическое производственный водонагреватель

Разработать и исследовать математическую модель функционирования устройства бытового водонагревателя с системой подводящих труб.

На рисунке 1.1 представлена схема устройства бытового водонагревателя с системой подводящих труб

Рисунок 1.1 - Схема устройства бытового водонагревателя с системой подводящих труб

Исходные данные: G1=2.3, G2=3.1 - интенсивность потоков воды. G1 - интенсивность потока, входящего в емкость №1 (нагреватель), и входящего в емкость №2, данному потоку соответствует температура воды - Q1=0. G2 - интенсивность потока воды, выходящей из емкости №1 (вода после нагревания), и входящей в емкость №2, данному потоку соответствует температура Q2=50.

Масса воды нагревательной емкости М1=3кг. Масса воды во второй емкости М2=5кг.

Интенсивность потока воды G3 - общий поток, воды, в результате смешивания двух потоков разной температуры (основная определяемая величина).

G3=G1+G2.

Мощность нагревателя P=5000Вт.

Св - удельная теплоемкость воды.

Математическую модель будем создавать в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений. В качестве выходной величины рассматривать температуру Q3. Q2 принимаем равным 50, теплоемкостью емкостей пренебрегаем. Потеря температуры воды на участке перехода от емкости №1 к емкости №2 не учитывается.

Необходимо реализовать возможность задания оператором желаемого значения итоговой температуры. Данное условие будет реализовано, за счет возможности регулирования интенсивности потоков G1 и G2, и температуры Q1.

Емкости считать герметичными (закрытыми), что позволит избежать переполнения емкостей.

1.2 Математическая модель

Для составления дифференциальной модели, воспользуемся следующими уравнениями термодинамики:

- первый закон термодинамики;

- уравнение теплоотдачи;

- уравнение теплопередачи.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ДU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ДU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами,

ДU = Q - А.

Обычно жидкие и газообразные теплоносители нагреваются или охлаждаются при соприкосновении с поверхностями твердых тел. Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплоотдачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота, - поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

Процесс передачи энергии от одного тела другому без совершения работы называют теплообменом или теплопередачей. При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии горячего тела передается холодному.

Для нагревания тела массой m от температуры t1 до температуры t2 необходимо передать ему количество теплоты:

Q= cm(t2-t1)=cm?t.

При остывании тела его конечная температура t2 оказывается меньше начальной t1, и количество теплоты, отдаваемое телом, отрицательно.

Коэффициент с называют удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость - это количество теплоты, которое получает или отдает 1кг вещества при изменении его температуры на 1К.

Рассмотрим термодинамические процессы, протекающие в нашей системе модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб, и запишем уравнения, описывающие термодинамические процессы в каждом узле системы, представленной на рисунке 1.1.

1) Процесс нагревания воды до необходимой температуры Q2 в первой емкости:

P?t=Cв*M1*Q2+M1*Cв*(Q1-Q2) (1.3)

Считаем, что необходимая нам Q2=50. В таком случае, моделирование данного уравнения не требуется, т к температура выходящего потока является константой. Предположим, что электрический нагреватель оснащен датчиком, настроенным непосредственно на необходимую нам температуру (по достижению её, нагреватель отключается).

2) Процесс смешивания двух жидкостей, для получения необходимой температуры:

Q3=?((Q1*G2+G1*(Q2-Q3)-Q3)/M2)(1.4)

1.3 Анализ математической модели

Необходимо проанализировать полученную математическую модель, с целью выявления:

- установившегося значения итоговой температуры;

- времени регулирования;

- перерегулирования;

- установившейся ошибки.

В пакете Simulink среды разработки Matlab построим схему модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб, используя функциональные блоки. Зададим константы и установим связи между блоками в соответствие с математической моделью. . Воспользуемся функциональным блоком Scope для отслеживания переходного процесса и выявления установившегося значения температуры.

Реализованная схема представлена на рисунке 1.2

Рисунок 1.2 - Схема программы в пакете Simulink

Переходный процесс, показывающий зависимость температуры от времени представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Переходный процесс температуры

Получим установившееся значение температуры равное 47,6517 ?C, установившееся за время t=16с.

На графике, так же, изображена прямая, обозначающая нижний предел пятипроцентной трубки регулирования. Её величина рассчитана как 95% от установившегося значения температуры и равна 48?С. Также указан и верхний предел трубки регулирования 45?С. Указаны и температуры входных потоков.

Добавим к нашей программе ПИД-регулятор для управления напряжением на вентиляторе. Изменяя интенсивность потока G2. Получим температуру 50?С. Время регулирования равно 30с.

Новая схема программы представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Схема программы с ПИД-регулятором

В блоке Sign...