УП_Лабы_Оптимизация управления ТП

8.Текст программы, с помощью которой производилось моделирование работы системы двухпозиционного регулирования.

9.График траектории переходного процесса при моделировании системы двухпозиционного регулирования на компьютеризированное стенде с оценками показателей качества переходного процесса.

10.Выводы по работе.

Пункты 5-9 выполняют студенты, обучающиеся по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».

7.Вопросы для самостоятельной подготовки

1.Для чего на электрической принципиальной схеме используется реостат Rр?

2.Для чего в релейных регуляторах вводят гистерезис?

3.Какое влияние на переходный процесс в САР оказывает увеличение зоны гистерезиса?

4.Какая система называется нелинейной?

5.Приведите примеры реальных устройств и элементов с нелинейными характеристиками.

6.Чем отличаются Рп и Рс-регуляторы?

7.Какие преимущества и недостатки у САР с двухпозиционным регулятором?

8.Какие показатели качества используются для оценки работы САР с двухпозиционным регулятором?

9.Какие признаки свидетельствуют об отсутствии контакта в 1ППР-1?

82

Лабораторная работа №2 (стенд №6)

Принцип действия и методика расчета переходных процессов в системе трехпозиционного импульсного регулирования

Цель работы:

−изучить устройство, работу и принципиальную схему импульсной трехпозиционной системы управления тепловым режимом;

−снять статические характеристики объекта управления;

−снять динамические характеристики объекта управления;

−построить кривые переходного процесса замкнутой САР при различных значения длительности импульса и продолжительности временной паузы;

−оценить качество регулирования с использованием системы трехпозиционного регулирования;

−произвести моделирование работы системы трехпозиционного регулирования на компьютеризированном стенде.

1.Общие сведения о системах трехпозиционного регулирования

При автоматизации технологических процессов в металлургии встречаются объекты, имеющие стабильные статические характеристики. К таким системам можно отнести регулирование расхода жидкости и газообразной среды при стабилизации давления в трубопроводе. Для таких объектов применение сложных дорогостоящих устройств типа микропроцессорных контроллеров не всегда целесообразно. Для них вполне достаточно использовать трехпозиционную систему управления, встроенную в измерительный прибор как приставка позиционного регулирования (ППР) с регулируемой скоростью исполнительного механизма.

Трехпозиционными регуляторами называют такие регуляторы, выходная величина которых может принимать три установившихся значения. От двухпозиционных регуляторов они отличаются формами статических характеристик и способами подвода энергии в объект регулирования. Кроме режимов максимального подвода энергии и отсутствия подвода энергии, трехпозиционные регуляторы позволяют устанавливать промежуточную мощность при Хвых, равном какому-либо

значению Хвых.ср или равном нулю. Таким образом, у трехпозиционных регуляторов регулирующий орган может занимать три положения: открытое, закрытое и среднее. Закон регулирования таких регуляторов (без зоны неоднозначности) записывают в виде:

84

Выражение (2.15) соответствует настройке регулятора на максимум (рис. 2.21, а), а выражение (2.16) – на минимум (рис. 2.21,б).

Рис. 2.21. Статические характеристики трехпозиционного регулятора при настройке на максимум (а) и на минимум (б)

В реальных трехпозиционных регуляторах так же, как и в двухпозиционных, имеются зоны неоднозначности. На рис. 2.22 представлен пример трехпозиционного релейного элемента.

В. Ток будет проходить по цепи 0–В–2, и исполнительный механизм, включенный в эту электрическую цепь, откроет, например, регулирующий орган полностью.

При уменьшении входной величины хвх. на величину зоны неоднозначности х0В контакт В разомкнётся, затвор регулирующего органа займет среднее положение в пределах своего рабочего хода.

85

(ХВХ=ХО), определяемых значениями зон нечувствительности и неоднозначности статической характеристики. В этом заключается

87

регулирования может оставаться сколь угодно долго. Таким образом, выбрав промежуточную мощность достаточно близкой к номинальной потребляемой, можно осуществлять регулирование не только с меньшими значениями амплитуды отклонений по сравнению с двухпозиционным регулированием, но и удерживать регулируемую величину в пределах зоны нечувствительности, не образуя автоколебательных процессов.

Рассмотрим переходные процессы в электрической печи при регулировании температуры трехпозиционным регулятором.

При трехпозиционном регулировании температуры печи задается не одно ее значение, а зона заданного значения температуры

θ0 + b > θ > θ0 − b . Такое регулирование означает, что в зависимости от значения х подается максимальная мощность Pmax , некоторая средняя мощность Pср или минимальная мощность Pmin (обычно равная

нулю). Статическая трехпозиционная характеристика для данного случая показана на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Статическая характеристика трехпозиционного регулятора

Когда температура печи ниже заданного предела (x ≤ −b)

включены две секции электрического нагревателя и подается Pmax ; когда температура печи находится в пределах − b < x < +b , включена одна секция нагревателя и подается Pср ; когда температура печи выше заданного предела (x ≥ +b), нагреватель выключен полностью и

подается Pmin = 0 .

Переходные процессы при трехпозиционном регулировании температуры печи показаны на рис. 2.4. Возможны три различных режима.

В режиме I Pср = Pн , где Pн – номинальная мощность, необходимая для поддержания температуры печи в заданных пределах:

88

θ0 + b > θ > θ0 − b(− b < x < +b). В этих условиях при разогреве печи

или после воздействия каких-то возмущений температура входит в заданные пределы без возникновения колебательного процесса. Она может остановиться на любом значении в пределах зоны нечувствительности (в заданных пределах), т.е. точность регулирования

температуры составляет ± b (статическая ошибка xст < b ).

Рис. 2.24. Переходный процесс (а) и переключение мощности (б) при регулировании температуры в печи трехпозиционным регулятором

В режиме II Pср < Pн , т.е. подаваемая в средней позиции

мощность недостаточна для поддержания температуры в заданных пределах (например, уменьшилось напряжение в питающей сети). Тогда температура печи будет уменьшаться (пунктирная линия на рис. 4) и при

достижении ею значения θ0 − b (x = −b) произойдет переключение на

Pmax . Система будет работать в двухпозиционном режиме при переключении мощности с Pср на Pmax и обратно. В результате установятся автоколебания около нижней границы заданных пределов температуры. Статическая ошибка xст = b . Под статической ошибкой здесь понимают отклонение температуры, вокруг которого устанавливаются автоколебания, от среднего заданного значения θ0 .

В режиме III Pср > Pн , т.е. подаваемая в средней позиции

мощность превышает мощность, необходимую для поддержания температуры в заданных пределах (например, увеличилось напряжение в питающей сети). Тогда температура печи будет увеличиваться и в

89

определенный момент достигнет значения θ0 + b (x = +b), при котором произойдет отключение печи. Печь будет работать в двухпозиционном режиме регулирования при переключении с Pср до Pmin и обратно.

Тогда автоколебания установятся вокруг верхней границы заданного предела температур.

Преимущества трехпозиционного регулирования перед двухпозиционным следующие:

1)неколебательный переходный процесс при Pср = Pн ;

2)значения амплитуды и одновременно частоты автоколебаний меньше (при одинаковых характеристиках печи и максимальной мощности).

Кроме достоинств, позиционные регуляторы обладают недостатками: регулируемая величина при использовании позиционных релейных регуляторов изменяется в колебательном режиме, т.к. автоколебательный режим является нормальным режимом работы таких систем в случае значительной инерционности объекта и больших запаздываний в системе.

При этом амплитуда колебаний регулируемой величины часто становится недопустимо большой, что ограничивает область применения этих регуляторов. Качество переходного процесса может быть значительно улучшено путем введения в систему устройства, способного

всоответствии с динамическими свойствами системы изменять скорости исполнительных механизмов (ИМ), используемых для формирования управляющих воздействий.

Поскольку все существующие ИМ имеют постоянную скорость, то для изменения скорости ИМ в сторону уменьшения в системе необходимо регулирование времени включения ИМ. Для улучшения качества регулирования управляющие команды подают через импульсное коммутирующее устройство.

Необходимо отметить, что система трехпозиционного регулирования имеет непосредственное отношение к прямому цифровому управлению технологическими процессами. В конечном итоге управляющая вычислительная машина выдает ИМ те же три команды: на увеличение параметра, на его снижение и стабилизацию, в независимости от объема вычислений. В перспективе использование на современных быстродействующих, относительно дешевых: микропроцессорных ЭВМ принципа трехпозиционного регулирования позволит повысить быстродействие и снизить цену систем управления.

90

2. Математическая модель системы трехпозиционного регулирования

Исследуем динамические свойства системы трехпозиционного управления с импульсным коммутационным устройством (ИКУ) на выходе.

Структурная схема рассматриваемой системы регулирования представлена на рис. 2.25.

Рис. 2.25. Структурная схема системы регулирования

Объект управления аппроксимируется последовательным соединением нелинейного статического звена с характеристикой y = f (x) и

динамического инерционного звена первого порядка. В качестве управляющего элемента в системе используется контактный датчик, управляющий сигнал с которого через импульсный коммутатор подается на исполнительный механизм (ИМ). Движение системы в этом случае определяется системой уравнений:

y = f (x);

T0 pz + z = f (x);

σ = −1при ϕ < - Zн − команда «Меньше»;

2

σ = +1приϕ > Zн − команда «Больше»,

2

где ϕ = Zзад − Z(τ );

91