Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)

Кафедра автоматизации процессов химической промышленности

ПРОГРАММНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Методические указания

к учебно-исследовательской лабораторной работе 5 по курсу

«Автоматика и автоматизация производственных процессов»

Санкт-Петербург

2006

Составители:

канд. техн. наук, доц. Д. В. Беляев (отв. ред.), канд. техн. наук, доц. Ю. В. Якобсон, канд. техн. наук, ассист. Т. Ф. Коваленко, канд. техн. наук, ассист. С. Н. Мышко.

В создании лабораторной установки принимали участие канд. техн. наук, мл. науч. сотр. А. Д. Кузьмин, мех. Е. В. Семенов.

Утверждено в качестве методических указаний для сту­дентов дневного и вечернего отделений на заседании учеб­но-методической комиссии III -VIII факультетов ЛТИ им. Ленсовета 3.02.1984 г.

1. Цель лабораторной работы

Целью работы является изучение контрольно-измерительных приборов и средств автоматики, обеспечивающих автоматический контроль и программное регулирование температуры, экспериментальное исследование свойств объекта управления, способов реализации, качества процессов регулирования и получаемых при этом переходных процессов.

2. Основные свойства объектов регулирования

В химической промышленности объектами регулирования являются реакторы, абсорберы, ректификационные колонны, теплообменники, насосы и другие аппараты и машины технологических установок, а также участки трубопроводов. Свойства объектов регулирования в значительной степени влияют на устойчивость и показатели качества управления. В связи с этим при разработке систем автоматического регулирования, которая заключается в выборе закона работы регулятора и определении оптимальных значений его настроечных параметров, прежде всего необходимо знать динамические свойства объекта.

Основными динамическими свойствами объектов регулирования являются самовыравнивание (саморегулирование), емкость и запаздывание.

Под самовыравниванием объекта, характеризующим его устойчивость, понимается свойство объекта самостоятельно (без вмешательства извне) приходить в равновесное состояние после внесения ступенчатого изменения входной величины. В объектах с самовыравниванием ступенчатое изменение входной величины х приводит к изменению выходной величины у со скоростью, постепенно уменьшающейся до нуля, что связано с наличием внутренней отрицательной обратной связи. Количественно эта характеристика определяется степенью самовыравнивания ρ, равной отношению относительных изменений входной (регулирующего воздействия) Δx/x = μ и выходной (отклонения регулируемой переменной) Δy/y = φ величин при достижении объектом равновесного состояния, т. е.

.

Чем больше степень самовыравнивания, тем меньше отклонение выходной величины от первоначального значения.

Для устойчивых объектов степень самовыравнивания ρ > 0, для нейтральных — ρ = 0, для неустойчивых — ρ < 0. Переходные характеристики для объектов, обладающих различной степенью самовыравнивания, показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 - Переходные характеристики объектов, обладающих

различной степенью самовыравнивания

Емкость объекта является свойством, присущим всем динамическим системам. Она характеризует их инерционность, т.е. степень влияния входной величины на скорость изменения выходной. Под емкостью понимают такое изменение входной величины Δx, которое приводит к изменению выходной величины Δy на единицу за единичный отрезок времени Δτ.

Чем больше коэффициент емкости С, тем меньше скорость изменения выходной величины, и наоборот. Различают одно- и многоемкостные объекты. Последние характеризуются наличием нескольких емкостей, отделенных друг от друга сопротивлениями, препятствующими переходу вещества или энергии из одной емкости в другую. Существуют также и безъемкостные объекты регулирования (например, короткие трубопроводы, объекты с передачей тепла радиацией и т. д.), у которых изменение выходной величины практически происходит в момент изменения входной.

Запаздывание объекта выражается в том, что его выходная величина начинает изменяться не сразу после нанесения возмущения, а только через некоторый промежуток времени τ_з, который и называют временем запаздывания. Все реальные объекты обладают запаздыванием, так как изменение потоков вещества или тепла распространяется в объектах с конечной скоростью и требуется время для прохождения сигнала от места нанесения возмущения до места, где фиксируется изменение выходной величины. Обозначив это расстояние через l, а скорость прохождения сигнала через s, время запаздывания можно представить выражением

.

Свойства объектов определяют аналитическим, экспериментальным и экспериментально-аналитическими методами.

В инженерной практике динамические свойства промышленных объектов обычно выявляют в основном экспериментально, а именно нахождением временных и частотных динамических характеристик. С этой целью технологический объект оснащают аппаратурой для нанесения входных типовых возмущений и определения его ответной реакции на эти возмущения во времени.

Под временной характеристикой объекта понимается измерение регулируемой переменной во времени при нанесении типового возмущающего воздействия. В случае однократного ступенчатого возмущения получают переходную характеристику — кривую разгона. Для снятия кривой разгона объект исследования приводят в равновесное состояние, а затем с помощью исполнительного устройства быстро наносят на вход объекта ступенчатое возмущение и отмечают время и величину этого возмущения. Реакция объекта на возмущение (кривая разгона) регистрируется в координатах: выходная величина у — время τ. Изменение выходной величины регистрируют до тех пор, пока объект не придет в новое состояние равновесия, т. е. пока выходная величина не примет нового установившегося значения. По полученным данным строят кривую разгона в осях координат выходная величина — время.

Кривые разгона обычно определяют на действующем объекте, изменяя его выходную величину на несколько процентов (5 — 15%). Использование такого сравнительно небольшого возмущения обусловлено тем, что реакция объекта не должна выходить за пределы ограничений, установленных технологическими соображениями.

На рисунке 2 показано ступенчатое возмущение (а) и экспоненциальные кривые разгона (б) инерционного объекта регулирования первого порядка. Представлены кривые разгона для двух единичных возмущений х_в (х₂ > х₁), приложенных к объекту в момент времени τ₀. До этого момента объект находился в равновесном состоянии при значении выходной величины у = у₀. По кривой разгона определяют следующие динамические характеристики объекта: запаздывание τ₃, постоянную времени Т, время переходного процесса Т_п.

Рисунок 2 - Ступенчатое возмущение (а) и кривые разгона (б)

объектов регулирования с различными постоянными времени

Запаздывание τ_З определяется временем от момента τ₀ внесения возмущения х_В до начала переходного процесса.

Отрезок времени от момента пересечения касательной с абсциссой τ до момента ее пересечения с линией нового установившегося значения называется постоянной времени объекта Т. В течение этого условного времени выходная величина могла бы измениться от начального у₀ до нового установившегося значения у₁ или y₂, если бы это изменение происходило со скоростью, постоянной и максимальной для данного процесса, равной скорости ее изменения в начальный момент времени. При τ = T выходная величина составляет около 63% нового установившегося значения.

Постоянная времени объекта T определяет его динамические свойства: чем больше Т, тем медленнее протекает процесс в объекте, и наоборот. Кроме того, чем меньше отношение τ_З/T, тем лучше динамические свойства объекта.

Для оценки конечного времени переходного процесса T_п обычно принимают Т_П = 4Т, что в случае экспоненциальной формы кривой переходного процесса соответствует 2% недохода кривой до линии нового установившегося значения y₁(y₂).

Совокупность значений перечисленных характеристик наряду с требуемыми показателями регулирования определяет структуру и состав элементов системы автоматизации.