Псевдолинейный регулятор для управления объектом второго порядка

Работа направлена на разработку и программную реализацию псевдолинейного регулятора на основе нечеткой логики для систем автоматического управления объектом второго порядка.
Целью работы было исследование свойств корректирующего устройства с фазовым опережением при изменяющейся постоянной времени объекта управления и создания регулятора на базе нечеткой логики для улучшения показателей качества системы.
В результате был выполнен обзор всех псевдолинейных корректирующих устройств, произведено исследование свойств корректирующего устройства с применение программных пакетов Matlab и MathCAD, и программно реализован псевдолинейный регулятор на базе нечеткой логики на контроллере SIEMENS SIMATIC S7-300.

Введение ………………………………………………………………………………………………… 17

1 Классификация нелинейных корректирующих устройств ……………………….. 19

1.1 Линейные корректирующие устройства …………………………………………. 19

1.1.1 Дифференцирующие корректирующие устройства ………………….. 20

1.1.2 Интегрирующее корректирующее устройство …………………………. 22

1.1.3 Интегро-дифференцирующие корректирующие устройства ……… 24

1.2 Нелинейные корректирующие устройства ……………………………………… 25

1.3 Псевдолинейные корректирующие устройства ……………………………….. 27

1.3.1 Нелинейный фильтр с амплитудным подавлением (ослаблением)28

1.3.2 Нелинейный фильтр с фазовыми опережением ………………………… 30

1.3.3 Нелинейный фильтр с раздельными каналами для амплитуды
и фазы …………………………………………………………………………………………….. 33

1.4 Выбор корректирующих устройств ………………………………………………… 35

2 Построение регуляторов на базе нечеткой логики …………………………………… 36

2.1 Основы теории нечеткой логики ……………………………………………………. 37

2.2 Базовые логические операции ……………………………………………………….. 40

2.3 Понятие функции принадлежности ………………………………………………… 41

2.4 Лингвистические переменные ……………………………………………………….. 44

2.5 Структура и принцип работы нечеткого регулятора ………………………… 45

3 Исследование и разработка псевдолинейного корректирующего устройства с
фазовым опережением и систем управления использующие данное
корректирующее устройство в средах MATLAB и MATHCAD …………………. 49
3.1 Исследование свойств корректирующего устройства с фазовым
опережением …………………………………………………………………………………………… 49

3.2 Критерии качества процесса регулирования …………………………………… 54

3.3 Исследование свойств системы автоматического регулирования …….. 56

3.4 Анализ свойств корректирующего устройства с фазовым опережением с
управлением на нечеткой логике ……………………………………………………………… 61

4 Программная реализация псевдолинейного корректирующего устройства на
контроллере Simatic S7-300 ……………………………………………………………………… 69

4.1 Общие сведения контроллера Simatic S7-300 его назначение и технические
характеристики ……………………………………………………………………………………….. 69

4.2 Реализация программы САР с псведолинейным корректирующим
устройством на Step7 ………………………………………………………………………………. 72

5 Программно-методическое обеспечение для выполнения ………………………. 78

6 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …. 79

6.1 Организация и планирование работ ……………………………………………….. 79

6.1.1 Определение продолжительности этапов работ ……………………….. 80

6.2 Расчет сметы затрат на создание макета КУ ……………………………………. 84

6.2.1 Расчет затрат на материалы ……………………………………………………. 84

6.2.2 Расчет заработной платы ………………………………………………………… 85

6.2.3 Расчет затрат на социальный налог …………………………………………. 86

6.2.4 Расчет затрат на электроэнергию ……………………………………………. 86

6.2.5 Расчет амортизационных расходов …………………………………………. 87

6.2.6 Расчет прочих расходов …………………………………………………………. 88
6.2.7 Расчет общей себестоимости разработки …………………………………. 89

6.2.8 Прибыль ……………………………………………………………………………….. 89

6.2.9 НДС ……………………………………………………………………………………… 89

6.2.10Цена разработки НИР …………………………………………………………….. 89

6.3 Оценка экономической эффективности проекта ……………………………….. 90

7 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 91

7.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……. 92

7.1.1Организационные мероприятия обеспечения безопасности
рабочей зоны ………………………………………………………………………………………….. 92

7.2 Производственная безопасность………………………………………………………. 94

7.2.1 Отклонение параметров микроклимата ……………………………………. 96

7.2.2 Недостаточная освещенность рабочей зоны ……………………………… 96

7.1.4 Повышенные уровни электромагнитного поля …………………………. 99

7.1.5 Электрический ток………………………………………………………………… 101

7.2 Экологическая безопасность …………………………………………………………. 102

7.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 102

Заключение …………………………………………………………………………………………… 105

Conclusion …………………………………………………………………………………………….. 106

Список использованных источников ………………………………………………………. 107

Приложение А (обязательное) Анализ свойств корректирующего устройства с
фазовым опережением ……………………………………………………………………………. 110
Приложение Б (обязательное) Текст программы работы системы автоматического
управления (САУ) с корректирующим устройством (КУ) на языке FBD
в STEP 7 ……………………………………………………………………………………………….. 111

Приложение В (обязательное) Текст программы работы нечеткой логики
корректирующего устройством на языке FBD в STEP 7 ……………………………… 115

Приложение Г (справочное) Building regulators based on fuzzy logic …………….. 118

Приложение Д (обязательное) Методические указания для выполнения
лабораторной работы «изучение псевдолинейного корректирующего устройства
на основе нечеткой логики» ………………………………………………………………….. 131

В ходе выполнения работы были проанализированы основные виды
корректирующих устройств. В качестве корректирующего устройства было
выбрано псевдолинейное устройство с фазовым опережением, так как у него
отсутствует жесткая связь между амплитудными и фазовыми характеристиками, а
эквивалентные амплитудно-фазовые характеристики не зависят от амплитуды
входного сигнала и являются только функциями частоты. Свойства выбранного
КУ были проанализированы в системах автоматического управления с объектами
второго порядка. Моделирование показало, что улучшение качества САУ зависит
от параметров корректирующего устройства.

В работе рассмотрены основы теории нечеткой логики, а также принципы
построения нечетких систем управления. На основе изученных материалов и
проведенном анализе в пакете Matlab Simulink была создана модель
псевдолинейного корректирующего устройства, подстройка которого
осуществляется с использованием аппарата нечеткой логики. Проведено
исследование свойств САР с нечетким корректирующим устройством объектом
управления второго порядка. Результаты исследования показали, что применение
данного корректирующего устройства позволяет улучшить качество САР при
изменении параметров объекта управления.

Программная реализация псевдолинейного регулятора произведена в
программном пакете STEP 7 на языке программирования FBD.
Conclusion
In this work the mail types of corrective devices analyzed. Pseudo-linear device
with phase outstrip was selected as corrective devices, because it don’t have a strong
connection between the amplitude and phase characteristics and the equivalent
amplitude-phase characteristics are not dependent on the amplitude of the input signal
and are only a function of frequency.

Properties of selected corrective device were analyzed at the second order
objects with parameters changed over the time. According the result of simulations, the
ACS quality improvement depends on the parameters of correcting device.

The paper considers the basics of the fuzzy logic theory and principles of fuzzy
control systems design concept. Based on the studied materials and conducted analysis
in the Matlab Simulink package, a model of pseudo-linear corrective device was created,
adjustment is carried out using fuzzy logic. Researching this model were conducted with
the control object of the second order. The results of research showed that using this
type of corrective devices allows improving the quality of ACS if parameters of the
control object are changed.

The software implementation of the pseudo-linear controller is made in the STEP
7 software package in the FBD programming language.