3. Определение основных свойств объектов
Для определения основных свойств объектов используются следующие методы: метод переходных характеристик (кривых разгона); метод импульсных возмущений (прямоугольного волнового импульса); частотный метод; метод прямоугольной волны; статический метод.
Все перечисленные методы, кроме последнего, основаны да изучении поведения объекта при различного вида возмущениях.
Наиболее широко применяется метод переходных характеристик (кривых разгона). После соответствующего анализа и обработки кривой разгона (рис. 127) можно определить время запаздывания и природу его происхождения, т. е. τт, τе, и полное запаздывание τп; время разгона τа и постоянную времени объекта Т; степень самовыравнивания ρ; скорость разгона ε.
Рис. 127. Кривая разгона для определения свойств объекта
Времени транспортного запаздывания τт на кривой разгона соответствует отрезок bс между временем возмущения т0 и моментом изменения регулируемой величины.
Для определения времени емкостного запаздывания проводят линию ас начального значения регулируемой величины и находят точку максимальной скорости ее изменения (точка перегиба g, после которой скорость снижается). Через точку g проводят касательную до пересечения ее с линией ас; полеченный отрезок cd и есть время емкостного запаздывания τе.
На основании найденных значений τт и τe определяют время полного запаздывания τп = τт + τте.
Время разгона τа – время между моментом внесения возмущения и моментом достижения регулируемой величиной максимального значения.
Чтобы определить постоянную времени объекта Т проводят горизонтальную линию mр через новое установившееся значение регулируемой величины, затем – касательную eg до пересечения ее с линией mр в точке k и вертикаль от точки с до точки l; отрезок lk (в масштабе) и соответствует постоянной времени объекта Т.
Величина Т позволяет судить об общей продолжительности самовыравнивания и характере изменения регулируемой величиной во времени. Например, для одноемкостного объекта регулирования по истечении времени с момента, когда закончилось транспортное запаздывание (в объектах с запаздыванием), или с Момента возмущения (объект без запаздывания) регулируемая величина, достигнув точки g, составит 63,2% предельного отклонения Хmах, что вызвано этим возмущением.
Соответственно через время 2Т регулируемая величина достигает значения 0,865Хmах; через 3Т –значения 0,956Хmах; через 4T – значения 0,99Хmaх, т. е. к этому времени процесс самовыравнивания практически закончится.
Степень самовыравнивания ρ определяют из соотношения ρ = Y/Xmax. По степени самовыравнивания ρ находят коэффициент усиления К0 (К0 = 1/ρ), показывающий, насколько существенно изменяется регулируемая величина от изменения положения регулирующего органа.
Скорость разгона ε, или максимальную скорость изменения регулируемой величины X в процессе самовыравнивания, определяют для одноемкостного объекта, проводя через точку с вертикаль до пересечения с касательной в точке е и линию, параллельную ad, через точку е; отрезок ес и дает в масштабе скорость разгона е.
Тангенс угла наклона касательной α выражает скорость изменения регулируемой величины X.
Полученные данные, т. е. значения τп, τа, Т, ρ и ε, позволяют судить о динамических свойствах объекта регулирования, на основании которых выбирается регулятор и определяются параметры его настройки, обеспечивающие устойчивость и высокие качественные показатели системы автоматического регулирования. Снятие кривой разгона проводят не менее трех раз при различных возмущениях.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое объект регулирования?
2. Что называется нагрузкой и как она влияет на процесс регулирования?
3. Что называется емкостью и как она влияет на процесс регулирования?
4. Что называется самовыравниванием и как оно влияет на процесс регулирования?
5. Что такое время запаздывания и как оно влияет на процесс регулирования?
6. Что характеризуют время разгона и постоянная времени объекта?
7. Расскажите о способах определения свойств объектов регулирования.
8. Какие кривые называют кривыми разгона и как они строятся?
Лабораторная работа 5. Экспериментальное определение динамических характеристик объектов регулирования
Содержание работы. Овладеть методами и навыками определения основных свойств объекта регулирования.
Описание лабораторной установки. В качестве объекта регулирования в работе рассматривается лабораторная электрическая печь сопротивления, а для записи кривой разгона используется самопишущий потенциометр ЭПП-09. В схеме лабораторной установки для определения кривой разгона электрической печи (рис. 128) электронагреватели Н включены в сеть через резистор R1, рассчитанный на понижение напряжения с 220 В до 190 В. Печь 2 нагревается до установления постоянной температуры, которая фиксируется с помощью системы, состоящей из термопары ТП (первичный преобразователь), подключенной к потенциометру 1. После стабилизации температуры дается выдержка 2 ... 3 мин. Затем включается потенциометр и замыкается контакт QS. В результате напряжение на нагревательных элементах повышается примерно на 15%. Это изменение напряжения соответствует скачкообразному изменению возмущения, которое будет зафиксировано через резистор R2 потенциометром. Одновременно потенциометр ведет запись t – f (τ), т. е. кривую разгона объекта.
Для получения более полных данных об объекте регулирования кривая разгона записывается при возбуждениях в обоих направлениях. Сначала контакт QS замыкается, а затем, после установления нового установившегося режима, контакт QS размыкается.
Порядок выполнения работы. Снимают кривые разгона. По кривым разгона методом касательных определяются следующие свойства объекта: полное запаздывание τп, постоянная времени объекта Т, степень самовыравнивания ρ и скорость разгона ε.
Содержание отчета. Отчет должен содержать принципиальную схему и описание установки, кривые разгона и основные свойства объекта регулирования, паспортные данные печи, термопары и потенциометра ЭПП-09. Отчет заканчивается выводами по работе.
Рис. 128. Схема лабораторной установки для построения кривых разгонов