Российский Химико-Технологический Университет им. Д.И.Менделеева

Кафедра Кибернетики Химико-Технологических Производств

Лабораторная работа №1 по курсу «Теория автоматического регулирования»

Тема: «Одноконтурная автоматизированная система регулирования статическим объектом (с самовыравниванием)»

Москва, 2000 оглавление

Москва, 2000 1

ОГЛАВЛЕНИЕ 2

ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ 3

СРЕДСТВА КИП и А 4

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ - "ЛУСАР-1" 7

Экспериментальная часть 10

Определение статистических характеристик объекта регулирования 10

По каналу регулирования 10

По каналу возмущения (стенд №1) 10

По каналу возмущения (стенд №2) 10

Получение кривой разгона объекта регулирования 10

Результаты эксперимента 10

Описание объекта регулирования

Объект регулирования (установки №1 и №2) состоит из двух емкостей различного диаметра, в которых регулируется уровень воды [2]. Емкости обра­зуют два каскада, как это показано на рис. 2. Насос 1 подает воду из сборника 2 в напорный бак 17. Из напорного бака 17 вода через регулирующий клапан 16 тияа "Воздух открывает" поступает в верхнюю емкость 14, откуда перетекает в нижнюю емкость 8. Вытекает вода под действием силы тяжести через патрубки, расположенные в нижней части емкости. На этих патрубках установлены диа­фрагмы 13 и 20. Отверстия в диафрагмах подобраны так, чтобы при полностью открытом регулирующем клапане 16 уровень в верхней емкости устанавливался в пределах 80 - 90 % максимального значения.

Рис 2. Принципиальная схема объекта регулирования лусар-1:

1- насос; 2- сборник воды; 3,4- дифманометры для измерения уровня; 5- запорные краны для возмущения системы; 6, 13,19- диафрагмы; 7,12- уравнительные сосуды; 8- нижняя емкость; 9,10,11- запорные краны для реализации объектов регулирования; 14- верхняя емкость; 15-воздушник; 16- пневмоклапан канала "управление"; 17- напорный бак; 18- переливная ворон­ка, 20- пневмоклапан канала "возмущение"; 21- панель дистанционного управления (ПДУ)

После диафрагм 13, 19 установлены запорные краны 9, 10, 11, переключе­ние которых обеспечивает реализацию объектов регулирования различных АСР.

На выходе из нижних емкостей 8 также установлены диафрагмы 6, отвер­стия которых подобраны таким образом, чтобы при среднем положении регули­рующего клапана 16 уровень в нижней емкости 8 устанавливался в средней час­ти емкости.

Регулируемой величиной АСР является уровень воды в емкостях, который замеряется дифманометрами 3 и 4. Для компенсации гидростатического давле­ния в соединительных линиях дифманометров предусмотрены уравнительные сосуды 7 и 12. Для нарушения равновесия между притоком и стоком, необходи­мого для исследования АСР, подают воду, открыв на определенную величину проходное отверстие клапана 20 по каналу возмущения.

Средства кип и а

1. Датчик-ДМПК-100 — дифманометр мембранный пневматический компенсационный - представляет собой первичный бесшкальный прибор с теле­метрическим пневматическим устройством [З].

Дифманометр ДМПК-100 предназначен для непрерывного измерения кон­тролируемого перепада давления и преобразования его в пропорциональные по величине значения давления воздуха дистанционной передачи.

Дифманометр можно использовать с любым вторичным пневматическим прибором или устройством, рассчитанным на пределы изменения давления воз­духа дистанционной передачи от 0.2 до 1.0 кгс/см².

Пневмопреобразователь ДМПК-100 состоит из сопла 8 (рис. 3), заслонки 7, основного рычага 5, сильфона обратной связи 9, усилительного пневматиче­ского реле 20. Промежуточный рычаг 4 подвешен на крестообразных ленточных опорах. Сжатый воздух питания Рщд поступает в камеру В усилительного пневмореле и через шариковый клапан 19, камеру Б, постоянный дроссель 16 к со­плу. Зазор между соплом 8 и заслонкой 7 составляет 0,02 - 0,05 мм. При умень­шении зазора между соплом и заслонкой давление в линии сопла, а следователь­но, и в камерах Е и А возрастает, мембраны 12 и 13 прогибаются вниз, что при­водит к открытию клапана 14, повышению давления в камере Г и линии дистан­ционной передачи Рдвст- При увеличении зазора между соплом и заслонкой уменьшается давление в линии сопла, камерах Е и А. Мембраны 12 и 13 под

действием пружины 11 и перепада давлений на мембранах отходят вверх, кла­пан 14 прикрывается, а клапан 19 открывается, что приводит к сбросу воздуха через камеру Д в атмосферу и падению давления в линии дистанционной пере­дачи.

Рис. 3. Принципиальная схема дифманометра ДМПК-100:

1 - корпус мембранного блока; 2 - мембранный блок; 3 - мембранные выводы; 4 - промежу­точный рыча;, 5 - основной рычаг; б - движок; 7 - заслонка; 8 - сопло; 9 - сильфон обратной связи, 10, 11,17 - пружины; 12,13, 18 - мембраны; 14, 15, 19 - клапаны; 16 - дроссель; 20 -корпус пневматического реле

2. В качестве вторичных приборов в пневматических системах можно применять любые измерители давления, а также вторичные приборы, например системы "Старт". На рис. 4 показана кинематическая схема вторичного прибора системы "Старт" (ПВ 10.2Э) [4],

Действие приборов основано на компенсационном принципе измерения. Приборы используются для работы с пневматическими преобразователями или другими устройствами, выдающими унифицированные аналоговые сигналы 20-100 кПа (0.2 - 1.0 кгс/см²).

В измерительном узле входной пневматический сигнал Рдх преобразуется в поступательное перемещение указателя (стрелки) и пера. Контролируемый па­раметр (входной пневматический сигнал Рвх) поступает в приемный сильфон 2.

Воздух питания под давлением Рдвт через дроссель 1 подается в силовой элемент 7 и к соплу 3.

При изменении входного давления сильфон 2, дно которого упирается в рычаг 4, перемещает его, изменяя зазор между соплом и рычагом. При переме­щении рычага 4 вправо давление в силовом элементе 7 увеличивается, так как зазор между рычагом и соплом уменьшается. Это давление передается на рычаг б силового элемента 7, и ролик 9 поворачивается на угол, необходимый для дос­тижения равновесия на рычаге 4 между усилиями от давления в сильфоне и пру­жины обратной связи 5. Углу поворота ролика соответствует пропорциональное перемещение стрелки (пера) 8. Шкала прибора стопроцентная линейная. Класс точности 1,0.

3- Для автоматического поддержания регулируемого параметра - высоты жидкости в емкости на заданном уровне - используется ПИ-регулятор типа ПР3.21 [4J.

Рис. 4. Кинематическая схема вторичного прибора системы "Старт"

Регулятор состоит из аналоговых- элементов: трех пятимембранных эле­ментов сравнения 1, 4, 6 и усилителя мощности 7 (рис. 5). Кроме того, в него входит один дискретный элемент (трехклапанное выключающее реле 8, пневма­тические сопротивления), регулируемый 2 и постоянный 5 дроссели и емкость 3.

Зависимость выходного сигнала от сигнала рассогласования в ПИ-регуля-торе имеет следующий виц;

где К- коэффициент пропорциональности, К= (1/ДД)100%; Ти- постоянная вре­мени интегрирования.

Рис. 5. Принципиальная схема ЦП-регулятора типа ПР3.21:

1, 4, 6-пятимембранные элементы сравнения; 2-регулируемый дроссель; 3-пневмоемкость; 5-постоянный дроссель; 7-усилитель мопщости; 8-выключающее реле

Рассмотрим получение этой зависимости по схеме регулятора (см. рис. 5).

В пропорциональное звено регулятора входят мембранный элемент срав­нения 4, регулируемый дроссель 2 и постоянный дроссель 5 (сумматор).

В интегральное -мембранный элемент сравнения 1, регулируемый дрос­сель 2 и емкость 3.

Интегральное звено отрабатывает интеграл по времени от величины рас­согласования Рвх -Pa"

Работу пропорционального звена можно проследить при закрытом дроссе­ле времени интегрирования 2. Выход мембранного элемента сравнения 4 равен

В момент равновесия давление в камере Egравно давлению в камерах Дд и Д4, т.е. Ри. Обозначив проводимости дросселей сумма-гора через а (регулируе­мого) и у (постоянного), давление в камере Б& в момент равновесия

Подставив в формулу (4) Р4 из уравнения (3) и заменив отношение прово-димостей дросселей коэффициентом К, получим выражение (1). Настройка ко­эффициента пропорциональности К производится изменением проводимости а регулируемого дросселя ДД.

При закрытом дросселе коэффициент К минимальный, т.е. К-^0, а ДД=(1/К), ДД-> ® и наоборот.

Время интегрирования настраивается дросселем 2.

Когда дроссель 2 закрыт, Т„ достигает максимума, а регулятор при этом превращается в пропорциональный.

Минимальное время интегрирования соответствует полностью открытому дросселю 2.

Из уравнения (1) видно, что в отличие от других пропорционально-инте­гральных регуляторов регулятор ПР3.21 имеет развязанную настройку времени интегрирования и ДД.

Выходное давление Р6, отрабатываемое элементом б, поступает на вход усилителя мощности в камеру Г7, а затем на трехклапанное реле в камеру Bg.

При автоматическом регулировании давление команды на трехклапанное реле Рк=0 и с выходной камерой через сопло Ciсоединяется камера Bg,в кото­рую поступает давление от усилителя 7. Под действием пружины открыто сопло в камере Да Сз, через которое дроссель 2 соединяется с выходом элемента срав­нения 1.

С переходом на ручное управление процессом в трехклапанное реле 8 по­дается команда Рк=1, вызывающая закрытие сопла C1 и разъединение камеры Bg и выходной, открытие сопла C1и закрытие сопла Сз, при этом с линией пнев-моклапана соединяется камера Г» и в камерах положительной обратной связи B1,Д4 и Дб устанавливается давление (равное давлению на исполнительном ме­ханизме), подготовляющее регулятор к плавному переходу на автоматическое регулирование.

В схеме прибора дроссель времени интегрирования 2 соединяется с выхо­дом элемента сравнения 1 только в том случае, если открыто сопло Сз реле 8, т.е. при автоматическом регулировании.

Такая реализация схемы регулятора предохраняет линию исполнительно­го механизма от скачка давления в переходных режимах, когда изменение дав­ления задания Рз вызывает резкое изменение выходного давления элемента 1.

Панель дистанционного управления (ПДУ) состоит из двух основных элементов: манометра и редуктора, предназначенного для изменения давления в рабочем диапазоне от 0.2 до 1 атм.