Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6 Автоматическое двухпозиционное регулирование

Цель работы:

изучить принцип работы двухпозиционного автоматического регулятора на примере регулятора температуры;

в опытах получить временную зависимость изменения температуры в ходе автоматического двухпозиционного регулирования температуры нагреваемого изделия;

изучить влияние нагрузки на вид временных характеристик.

1. Принцип регулирования и основные закономерности

Системы автоматического регулирования (САР) подразделяются на непрерывные и прерывистые.

В непрерывныхСАРнепрерывному изменениюрегулируемого параметра соответствуетнепрерывное изменение величин во всех элементах системы.

В прерывистойСАРнепрерывному изменениюрегулируемого параметра соответствуетпрерывистое изменениевоздействий (сигналов) хотя бы водномиз элементов системы.

В составе релейнойпрерывистой САР среди основных элементов цепи регулирования имеетсяхотя бы один релейный элемент.

Релейный элемент – такой, в которомнепрерывномуизменению входной величиныотвечаетскачкообразное изменениевыходной величины, проявляющееся лишьпри определённых значениях входной величины. Статические характеристики релейного элемента изображены на рис. 1. Примером электрического релейного элемента является электромагнитное нейтральное реле постоянного тока.

Двухпозиционным автоматическим регулированиемназывается такое регулирование, при которомблагодаря действию релейного элементарегулирующийорган, например, клапан,имеет только два положения– полного открытия и полного закрытия, а приток энергии или вещества в объект регулирования – только два значения – максимальное и минимальное.

Простой пример двухпозиционного регулирования температуры жидкости в баке показан на рис. 2а.

Приток жидкости в бак обозначен Q_пр, отток жидкости через патрубок обозначенQ_от. В баке расположен нагреватель, включаемый регулятором. Датчиком температуры жидкости является контактный ртутный термометр, установленный вблизи выходного патрубка.Релейным элементом является ртутный термометр совместно среле Ксо статической характеристикой по рис. 1а; он не имеет зоны возврата.

На рис. 2в крупно изображён контактный термометр. Столбик ртути замыкает два контакта, один из которых – верхний – может быть установлен выше или ниже в зависимости от заданной температуры срабатывания _зд. Когда температура датчика_д достигнет заданного значения температуры_зд, ртутный столбик удлинится и замкнёт контакты термометра, включённые последовательно с обмоткой релеКи источником питанияU_п2, реле сработает, его контактКв цепи нагревателя и источника питанияU_п1 разомкнётся, в связи с чем прекратятся ток в нагревателе и нагрев жидкости. При уменьшении температуры датчика ниже_здртутный контакт разомкнётся, реле отпустит, контактКзамкнётся, и через нагреватель вновь потечёт ток. Так регулятор поддерживает температуру жидкости вблизи заданной температуры_зд.

В другом примере по рис. 2б датчик температуры установлен на некотором расстоянии от бака в конце трубопровода, по которому сливается жидкость. В этом случае имеет место так называемое чистое (транспортное) запаздывание, т.е. временной график температуры датчика _дсдвинут во времени относительно температуры жидкости в баке на некоторую величинуt, называемую временем запаздывания, зависящую от расстояния до датчика и скорости течения жидкости.

Процесс двухпозиционного регулирования в сильной мере зависит от двух факторов: от наличия и величины зоны возврата релейного элемента и от времени запаздывания. В одних случаях можно пренебречь величиной зоны возврата, в других случаях - запаздыванием.

Процесс двухпозиционного регулирования температуры двухёмкостного объекта, обладающего самовыравниванием /2/, при наличии зоны возврата_в релейного элемента и времени переходного запаздыванияDtпоясняется графиками, приведёнными на рис. 3. Например, такой объект может представлять собой печь с малоинерционным нагревателем защитной газовой среды, в которой нагревается некоторое массивное изделие, температура которого измеряется электрическим термометром – датчиком температуры изделия.

На верхнем графике изображена временная зависимость изменения температуры нагреваемой среды 1и чувствительного элемента датчика2. Заданное значение температуры обозначено_зд.Зона возвратаD_в расположена симметрично относительно заданной температуры_зд.

На нижнем графике показано изменение притока теплаQ_при количество тепла в объектеQ_обво времени.

Построение выполнено, начиная с момента включения при t=0, когда графики пересекают ось абсцисс, расположенную на уровне температуры окружающей среды. График температуры датчика2сдвинут относительно графика температуры среды1на величину времени запаздыванияDt. Величинаtполучена как точка пересечения касательной к кривой2в точке перегибаПс осью абсцисс.

После включения притока Q_прв момент времениt=0температура среды начинает повышаться (кривая1). Растёт и температура датчика (кривая2). Когда температура датчика достигнет верхней границы зоны возврата, превысив в момент времениt₂температуру задания_здна величину_в/2(см. одновременно рис. 1), нагреватель отключится, приток теплаQ_прпрекратится. Вследствие тепловой инерционности объекта в течение ещё некоторого времени температура среды и датчика будет увеличиваться, а затем последует уменьшение температуры. В момент времениt₃температура датчика достигнет нижней границы зоны возврата, и нагреватель включится вновь. В дальнейшем процесс включения и отключения притока Q_прбудет повторяться в автоколебательном режиме, вызывая непрерывные колебания температуры изделия и датчика с максимальным отклонением от заданной температуры_зд вверх наDq_m(+)и вниз наDq_m(-).Средняя температураq_среднможет быть определена из условия, что площади, ограниченные сверху и снизу кривой2и уровнемq_средн, должны быть равны. Эта средняя температура не совпадает с заданной температуройq_зд, отклонение будет тем меньше, чем меньше запаздывание, т.е. уменьшается с увеличением нагрузки.

Замечание. Кривые1и2на рис. 3 построены по теоретическим зависимостям. На реальных тепловых объектах перегибы кривых не такие острые, они сглажены вследствие плавности протекания тепловых процессов.