МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ

УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

АВТОМАТИЗАЦІЯ ВИРОБНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

до виконання лабораторних робіт в лабораторії автоматичного управління

для студентів механічних, енергетичних та технологічних спеціальностей денної та заочної форм навчання

Київ НУХТ 2012

Автоматизація виробничих процесів: Метод. рекомендації до виконання лабораторних робіт в лабораторії автоматичного управління для студентів механічних, енергетичних та технологічних спеціальностей денної та заочної форм навч./ Уклад.: О.І. Левченко, В.М.Сідлецький, Є.С. Проскурка .- К.; НУХТ, 2012 р.- 47 с.

Рецензент М.Д. Місюра, канд. тех. наук.

Укладачі: О. І. Левченко, канд. тех. наук,

В.М.Сідлецький, канд. тех. наук,

Є.С. Проскурка.

Відповідальний за випуск І.В. Ельперін, проф.

Загальні положення

Автоматизація – це етап машинного виробництва, що характеризується звільненням людини від безпосереднього виконання функцій керування технологічними процесами і передачі цих функцій автоматичним пристроям. Сукупність технічних пристроїв автоматизації і об’єкта управління складають автоматичну систему регулювання (АСР).

Основними завданнями лабораторного практикуму в лабораторії автоматичного управління є такі:

- навчитися методиці вивчення і одержання статичних та динамічних характеристик АСР та її елементів;

- визначити вплив властивостей об’єкта на показники якості процесу регулювання;

- вивчити основні закони регулювання, структуру замкнених АСР та провести порівняльний аналіз перехідних процесів в АСР з різними регуляторами;

- визначити вплив параметрів настроювань регуляторів на якість процесу регулювання;

- навчитися вибирати регулятор ( закон регулювання) на підставі технологічних вимог до якості перехідного процесу регулювання.

Звіт по кожній лабораторній роботі складає індивідуально кожен студент у такій послідовності:

1. Назва лабораторної роботи, її номер, номер лабораторного стенда.

2. Мета роботи.

3. Перелік приладів та обладнання.

4. Вказані у методичних вказівках схеми і рисунки.

5. Протокол випробувань, графік.

Висновки за результатами експерименту.

Лабораторна робота №1

ВИВЧЕННЯ І ДОСЛІДЖЕННЯ ОБ’ЄКТА УПРАВЛІННЯ

( Стенди № 1 і 4 )

Мета роботи - ознайомитися з реальним тепловим об’єктом управління, його математичним описом і методикою експериментального дослідження; освоїти методику одержання динамічної характеристики об’єкта за його різних властивостей і визначення показників,що характеризують властивості об’єкта.

1. Загальні положення

Об’єктом управління називають будь-який технологічний апарат, агрегат або процес, який потребує контролю і регулювання для виконання заданого алгоритму роботи.

Для правильного вибору регулятора і його настроювань, а також визначення інших елементів АСР (датчиків, перетворювачів, виконавчих механізмів тощо), необхідно знати статичні та динамічні властивості об’єкта такої системи.

Статична характеристика об’єкта являє собою залежність вихідної величини об’єкта у (тиск, температура тощо) від вхідної величини х (матеріальний або енергетичний потік) в усталений період роботи АСР, тобто якщо ні вхідні, ні вихідні величини об’єкта не змінюються: y=f(x). Прикладом таких характеристик можуть бути залежність температури в об’єкті від витрати теплоносія (пари, напруги на нагрівач) або витрати рідини від ступеня відкриття вентиля тощо. Особливістю такої характеристики є відсутність на графіку або у рівнянні такої важливої величини як час .

За експериментального одержання статичних характеристик реальних об’єктів задаються рядом значень вхідних величин в допустимих межах і за зрівноважених значень вихідних величин реєструють їх величину.

Динамічна характеристика показує поведінку об’єкта управління або усієї АСР при переході від попереднього зрівноваженого стану до нового. При цьому найчастіше використовується метод часових характеристик або кривих розгону. Він полягає у нанесені на вході об’єкта або системи ступінчастого збурення, наприклад, змінною матеріального або енергетичного потоку з наступною реєстрацією у часі вихідної величини, наприклад технологічного параметра.

Важливими властивостями об’єктів є їх ємність, самовирівнювання і запізнювання.

Під ємністю об’єкта розуміють його здатність накопичувати (акумулювати) речовину або енергію. Для гідравлічного об’єкта — це маса або кількість речовини, для теплового — кількість теплової енергії, для об’єкта руху — кількість руху тощо. Ємність утворюється тільки за наявністю опорів, які перешкоджають виходу речовини або енергії. З цієї точки зору об’єкти поділяються на одно - та багатоємніcні.

Одноємнісні об’єкти характеризуються наявністю тільки одного опору на виході із об’єкта (рис. 1.1). Вони можуть накопичувати один вид речовини або енергії.

Рис. 1.1. Гідравлічні об’єкти: а — одноємнісний; б — двоємнісний.

Багатоємнісні об’єкти складаються із кількох ємностей, у яких здійснюється накопичування речовини або енергії (рис. 1.1,б). Вони мають опори, які перешкоджають переходу речовини (енергії) з однієї ємності в іншу. До таких об’єктів відносяться теплообмінні апарати з передачею тепла через стінку, складні гідравлічні системи.

Чим більша ємність об’єкта, тим повільніше протікають процеси в АСР і полегшується завдання регуляторів, і навпаки, чим менша ємність, тим швидше змінюються технологічні параметри, що накладає додаткові вимоги до АСР з точки зору її швидкодії.

Як показник ємності об’єктів застосовується коефіцієнт ємності, який визначається кількістю енергії або речовини, що їх необхідно ввести в об’єкт для зміни регульованого параметра на одиницю його виміру. Наприклад, якщо температура в теплообміннику регулюється, коефіцієнт ємності визначається кількістю тепла, яку слід подати в об’єкт для зміни температури в ньому на 1°С; для гідравлічного об’єкта — це кількість рідини, що потрібно подати в об’єкт для зміни рівня на 1м.

Здатність об’єкта регулювання після нанесення збурення приводити регульований параметр до нового усталеного значення самостійно, без втручання регулятора, називається самовирівнюванням або саморегулюванням. Кількісно самовирівнювання об’єкта визначається коефіцієнтом самовирівнювання ρ, який дорівнює відношенню зміни вхідної величини δх до відповідної зміни вихідної величини Δу, тобто ρ — величина зворотна коефіцієнту передачі об’єкта:

.

Чим більше значення має ρ, тим менше відхилення нового усталеного значення регульованого параметра від його попередньої величини, Самовирівнювання в деякій мірі сприяє стабілізації регульованого параметра і, таким чином, полегшує задачу регулювання.

Розглянемо як приклад гідравлічний об’єкт із вільним припливом G_пр і вільним стіканням рідини G_ст (рис. 1.2,а). Нехай до моменту (рис.1.2,б) був баланс між припливом х_о (G_пр.0) і стіканням, рівень відповідав усталеному значенню у₀ (Н₀). Якщо збільшити приплив на , то баланс порушиться і рівень почне підвищуватися. Однак внаслідок збільшення гідростатичного тиску одночасно почне зростати і стікання рідини G_ст. Оскільки G_пр більше не змінюється, a G_ст зростає, то поступово різниця ­ G_ст зменшується і через деякий час у системі наступить баланс, тобто при рівні

Більшість теплових об’єктів мають властивість самовирівнювання. Такі об’єкти ще називають статичними або стійкими. Якщо статичний об’єкт одноємнісний, то він, як правило, є аперіодичною ланкою першого порядку і описується рівнянням:

,

де Т₀ — стала часу або час розгону об’єкта. Це час, за який вихідна величина зросте до нового усталеного значення при постійній швидкості її зміни (рис. 1.2,б).

— коефіцієнт передачі об’єкта ;

Двоємнісні об’єкти описуються диференціальними рівняннями другого порядку.

Рис. 1.2. Приклад об’єкта з самовирівнюванням (а) та його крива розгону (б).

Але не всі об’єкти володіють властивістю самовирівнювання. На рис.1.3,(а) показано гідравлічний об’єкт з примусовою відкачкою рідини. Порушення балансу між припливом і стіканням призводить до безперервної зміни рівня, оскільки G_ст = const. Тільки втручання людини або регулятора може стабілізувати ситуацію. Швидкість зміни рівня пропорційна величині збурення. Такі об’єкти називаються астатичними, або нейтральними. Для них ρ=0, а рівняння динаміки має вигляд , тобто об’єкт являє собою інтегруючу ланку.

Для астатичного об’єкта величина Т_о має такий фізичний зміст: за цей час відносна зміна параметра відповідає відносній зміні збурення ∆х=

(рис.1.3, б). Рідко зустрічаються так звані нестійкі об’єкти, які мають ρ <0.

Їх рівняння динаміки має вигляд: . Для таких об’єктів при стрибкоподібному збуренні Δx вихідна величина y змінюється із зростаючою в часі швидкістю (рис. 1.4). Прикладом такого об’єкта може бути кульовий барабанний млин як об’єкт регулювання рівня вугільного пилу, якщо коефіцієнт заповнення вище критичного значення (так званий "завал" млина).

Рис. 1.3. Приклад об’єкта без самовирівнювання (а) та його крива розгону(б).

Рис. 1.4. Крива розгону нестійкого об’єкта.