Міністерство освіти, науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

Національний університет “Львівська політехніка”

Дослідження системи двопозиційного регулювання Методичні вказівки

для самостійної підготовки та інструкція

до лабораторної роботи № 016

з основ автоматики і автоматизації

для студентів технологічних спеціальностей ІЕСК, ІХХТ, ІБІД

Затверджено

на засіданні кафедри

автоматизації теплових та

хімічних процесів

Протокол № 1 від 30.08.2012 р.

Львів – 2012

Дослідження систем двопозиційного регулювання: методичні вказівки для самостійної роботи та інструкція до лабораторної роботи № 016 з курсу “Контроль та керування технологічними процесами” для студентів технологічних спеціальностей /Укл. В.П. Кореньков, Львів: НУ„ЛП”, 2012. - 11с.

Укладачі: В.П.Кореньков,

Відповідальний за випуск: Є. П.Пістун, д.т.н., проф.

Рецензенти: В.О.Фединець, к.т.н., доц.,

І.Д.Стасюк, к.т.н., доц.

Мета роботи: ознайомитись з роботою системи автоматичного двопозиційного регулювання та вивчити впливи різних факторів на характер процесу регулювання.

Необхідна підготовка: знання принципу дії системи двопозиційного регулювання; знання властивостей технологічних об'єктів керування (ТОК).

Основні теоретичні відомості

Двопозиційним називають таке автоматичне регулювання, при якому регулюючий орган має тільки два положення: повного відкриття і повного (або часткового закриття). При цьому притік енергії або речовини до ТОК має одне з двох можливих значень - максимальне або мінімальне.

Двопозиційні регулятори використовуються для регулювання різних технологічних параметрів (температура, тиск, рівень тощо).

Звичайно, як двопозиційні регулятори використовують вимірювальні прилади або давачі з релейним виходом. В порівнянні з іншими видами регуляторів двопозиційні мають ряд переваг в простоті конструкції, настроюванні, тощо. Останнім часом двопозиційне регулювання використовується в системах, в яких допускається коливний процес, у випадках багатоканального регулювання, коли один пристрій або керуюча ЕОМ по черзі діє на відповідний регулюючий орган.

Приклад системи двопозиційного регулювання наведений на рис.1.

Рис.1. Система двопозиційного регулювання рівня.

1 - збірник; 2 - насос; 3 - поплавок; 4, 5 - упори; 6 - кон­такт, 7 - соленоїдний клапан.

Поплавок 3, перемикаючи упорами 4, 5 контакт 6, діє на соленоїдний клапан 7, встановлений на лінії подачі рідини в збірник 1. Відсмоктування рідини зі збірника здійснює насос 2. Притік рідини Qпр, вмикається регу-лято­ром періодично. Стік рідини Qс здій-снюється неперервно. Регулятор підтримує рівень L в збірнику відносно за­даного значення з не­перервними коливан­нями, амплітуда яких визначається відстан-ню між упорами 4, 5, тобто діапазоном нечутли­вості регулятора.



Рис.2. Система двопозиційного регулювання температу­ри з чистим запізненням: 1-апарат;2-нагрівач; 3-кон­тактний термометр; 4-електромагнітне реле KA1; 5-тру­бопровід; 6-перемішуючий пристрій.

На рис.2 наведений приклад системи двопозиційного регулювання температури проточної рідини. Нагрів рідини в апараті 1 здійснюється електронагрівачем, а регулювання температури - за допомогою контактного ртутного термометра 3 в комплекті з електромагнітним реле 4. Перемішуючий пристрій 6 забезпечує усереднення температури по всьому об'єму рідини. Контактний термометр 3 встановлений на деякій відстані L від апарату 1 на закінченні трубопроводу 5, по якому зливається рідина. Ось чому має місце, так зване, чисте (транспортне) запізнення. Графік зміни температури термометра при цьому, буде зсунутий в часі відносно температури об'єктаt на деяку величину (час запізнення). Час запізнення визначається,

де, - довжина трубопроводу; - швидкість руху рідини.

Таким чином, хід процесу двопозиційного регулювання залежить від двох факторів: діапазону нечутливості регулятора та часу запізнення ТОК.

В реальних ТОК присутні, як правило, обидва ці фактори одночасно.

На рис.3 показаний хід процесу двопозиційного регулювання температури одноємнісного об'єкта при практично відсутньому самовирівнюванні, при наявності діапазону нечутливості та часу запізнення. На верхньому графіку вісь абсцис суміщена з лінією заданого середнього значення температури. На нижньому графіку показана зміна притокуQпр в часі при постійному стоці тепла Qвід. Хід процесу показаний з моменту часу , коли графік зміни регульованої температури перетинає нижню границю діапазону нечутливості регулятора. Графік відхилень температури термометразсунутий від заданого значення на величину часу запізненнявідносно графіка. Включення притокуQпр відбувається в моменти часу ,тощо, які відповідають перетину графікомнижньої границі діапазону нечутливості при зростанні температури. Виключення притокуQпр відбувається в моменти часу ,тощо, які відповідають перетину графікомверхньої границі діапазону нечутливості.

Рис. 3 Графік двопозиційного регулювання температури з запізненням та діапазоном нечутливості.

В даному випадку явищем самовирівнювання, тобто залежністю втрат тепла від температури нехтуємо, так як в межах малих коливань температури графік змін температури можна розглядати як послідовність відрізків прямих, що значно спрощує його побудову.

Параметри процесу регулювання температури (рис.3) можна визначити з рівняння теплового балансу ТОК:

(1)

де, - притік тепла, Вт; - відтік тепла, Вт; t - температура С; - час, с;- теплова ємність середовища ТОК, Дж/К (, де і відповідно питома теплоємність і маса середовища).

З графіка рис.3 визначаємо параметри процесу:

• амплітуда додатного відхилення температури

;

• амплітуда від'ємного відхилення температури

;

• сумарна амплітуда коливань температури

;

• час включення

;

• час виключення

;

- сумарний час періоду .

Зміщення середнього значення регульованої величини дорівнює піврізниці амплітуд додатного та від'ємного відхилень .

Графік зміни регульованої величини побудований для випадку, коли .

Зростання температури відбувається в два рази швидше від її спадання. Зміщення середнього значення температуриє додатнім. Для випадків, коли зростання температури буде повільнішим, ніж спадання. Зміщення середнього значення при цьому буде від'ємним. При умові має місце так зване симетричне регулювання, коли зменшення температури відбувається з такою ж швидкістю як її зростання. При побудові графіка (рис.3) передбачалося, що все запізнення зосереджене між об'єктом і чутливим елементом. В загальному випадку запізнення можуть виникати на різних ділянках системи. Якщо запізнення зосереджене між місцем подачі енергії (притоку) та об'єктом, а чутливий елемент не має запізнення, то пунктирна лінія буде одночасно зображати і величину температури .

Якщо в системі регулювання використовується виконавчий механізм, який з певною швидкістю діє на регулюючий орган до повного його відкриття або закриття, притік буде включено не миттєво, а сповільнено. Така сповільнена зміна притоку погіршує якість процесу двохпозиційного регулювання. Тому швидкість двигуна необхідно зробити якомога більшою.

При наявності самовирівнювання та при відносно великих коливаннях регульованої величини наведені вище формули не дадуть точного результату. Врахування або неврахування самовирівнювання залежить від необхідної точності розрахунку. Врахування самовирівнювання суттєво ускладнює розрахунку. Для випадку регулювання температури ТОК, яке описане рівнянням (1), його необхідно розглядати з врахуванням умови зміни відтоку від температури .

Якщо ТОК без запізнення має самовирівнювання регульована величина в процесі двохпозиційного регулювання буде змінюватись по експоненті. Амплітуда коливань при цьому не змінюється, а період стає більшим. Проте при незначній ширині зони нечутливості розходження між прямолінійними і експоненціальними змінами регульованої величини незначні. Наведені вище залежності (2...8) залишаються доволі точними.

Покращити якість процесу двопозиційного регулювання, тобто зменшити амплітуду коливань регульованої величини можна різними способами:

- зменшенням зони нечутливості. Проте для об'єктів зі значним запізненням цей спосіб не дає ефекту, а частота коливань збільшується;

- зменшенням, по можливості, часу запізнення;

- збільшенням інерційності ТОК;

- зменшенням різниці , тобто наближенням цих величин до реального значення навантаження при збереженні умови .

Можливі також інші складніші способи покращення якості двопозиційного регулювання (введення додаткових елементів або коректуючих контурів, тощо). Проте, при цьому втрачається основна перевага двопозиційних регуляторів - їх простота.

Опис лабораторної установки

Рис. 4. Система двопозиційного регулювання температури електропечі.

1 - ТОК (електрична піч); 2 - вентилятор; 3 - термоперетворювач опору; 4 - автоматичний регулюючий міст; 5 - проміжні реле ПР; 6 - лабора­тор­ний автотрансформатор.

Схема досліджуваної лабораторної установки зображена на рис. 4. Установка є системою двопозиційного регулювання температури. Об'єктом регулювання є електрична піч 1, яка, очевидно, має самовирівнювання і запізнення, що впливає на всі параметри перехідного процесу системи. Температура печі (регульована величина системи) вимірюється термоперетворювачем опору 3, підключеним до автоматичного регулюючого моста 4. Вбудований в міст електричний регулятор реалізує двопозиційний закон регулювання. Регулятор складається з двох мікровимикачів, закріплених на спеціальних мікрокаретках. Положення кареток відносно шкали приладу визначають задану зону нечутливості регулятора і попередньо встановлюються.

На рис.5 зображена принципова електрична схема досліджуваної системи двопозиційного регулювання температури електропечі. При зниженні температури до мінімально заданого значення вмонтований в регулюючий міст мікровимикачSK1 (складова частина позиційного регулятора) вмикає коло живлення електромагнітного реле KA1. При цьому замикаються контакти:

- KA1-1 (вмикається сигнальна лампа HL1);

- KA1-2, KA2-2 (вмикається коло живлення електропечі);

KA2-1

KA1-2

KA1-1

-KA1-3, KA2-4 (вмикається коло блокування реле KA1);

розмикаються контакти:

- KA1-4, KA2-3 (вимикається коло блокування реле KA2);

- KA2-1 (вимикається сигнальна лампа HL2).

Так як вмикається коло живлення електропечі, температура в ній буде зростати до максимально заданого значення , при якому спрацює мікровимикачSK2, вмикаючи реле KA2. При цьому замикаються контакти:

• Живлення 220 В

  Мікровимикач SK1 Реле проміжне KA1
  Блокування реле KA1
  Мікровимикач SK2 Реле проміжне KA2
  Блокування реле KA2
  “Піч ввімкнена”	Світлова сигналізація
  “Піч вимкнена”
  Включення лабораторного трансформатора

  Контроль струму та напруги

  Нагрівальний елемент печі

  Електродвигун вентилятора

  K

  A

  HL1

  KA1-3

  SK2

  KA1

  SK1

  KA2

  

  KA2-4

  KA2-3

  KA1-4

  

  B

  М

  KA2-2

  HL2

  A2-1 (вмикається сигнальна лампа HL2);

- KA2-3, KA1-4 (вмикається коло блокування реле KA2);

розмикаються контакти:

- KA1-1 (вимикається сигнальна лампа HL1);

- KA1-2, KA2-2 (вимикається коло живлення електропечі);

- KA1-3, KA2-4(вимикається коло блокування релеKA1).

Температура електропечі повинна буде зменшуватись до мінімально заданого значення. Далі процес буде повторюватись знову.