ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Теплотехника и теплосиловые установки»

Курсовой проект:

«Автоматизация тепловых процессов»

Вариант №20

Выполнил студент

Группы ПТЭ-713

Шекуров С. А.

Проверил:

Иванов Р.А.

Санкт-Петербург

2011 г.

Задание на курсовое проектирование:

Спроектировать, рассчитать и построить статическую характеристику автоматического регулирующего устройства (регулятора) для поддержания заданных значений уровня жидкости (воды) в объекте.

Регулируемым объектом является резервуар (объем конечных размеров с постоянной площадью поперечного сечения S в направлении координаты уровня Н), в котором необходимо поддерживать в заданных пределах

уровень

Рис.1

Приток жидкости (нагрузка) в процессе эксплуатации объекта изменяется произвольным образом в установленном диапазоне:

Отток жидкости управляется регулирующим органом (расходным клапаном), координата которого т изменяется в диапазоне

Исходные данные для расчета системы регулирования уровня жидкости в баке:

Таблица.1

Нагрузка			Резервуар					Клапан
						s
м3/с	м3/с	м		м	м	м2	Н		Н	м
0,048	0,01	2,75		2,0	1,5	4,0	1350		900	0,05

Описание автоматического регулирующего устройства.

В качестве прототипа рассматривается схема автоматического регулирующего устройства, построенная на типовых гидравлических элементах

Рис. 2

Принципиальная схема автоматического регулирующего устройства:

1- резервуар с жидкостью;

2- уравнительный сосуд;

3- мембранный чувствительный элемент;

4- элемент сравнения;

5- струйный усилитель с регулирующей заслонкой;

6- сервомотор

7- регулирующий орган (расходный клапан);

8- пружина обратной связи регулятора

9- установочная пружина;

10- поворотный валик;

11- дроссельный клапан;

12- обходной кран

1.Выбор сервомотора. Расчет величины .

Рис.3

Исходные данные:

=1350 Н

=0,05 м

Задаем значения длин плеч рычагов: =0,6м; =0,3м

Максимальный ход штока сервомотора, м, составит:

Выбираем сервомотор №2:.

При этом крайнее верхнее положение цилиндра сервомотора будет соответствовать нулевому положению клапана (m — 0, клапан закрыт), крайнее нижнее положение цилиндра сервомотора - полностью открытому клапану (m = m _шах, клапан полностью открыт).

Значение страгивающего перепада исполнительного механизма находим из равенства моментов: момента от силы, получаемой как разность силы, возникающей на поршне сервомотора от перепада давлений и силы трения сервомотора, и момента от силы трения клапана :

2.Выбор типа струйного усилителя. Определение времени сервомотора.

Рис.4

Исходные данные:

=0,08м

=0,1м

=0,01 м³/с

=0,048 м³/с

=1,5 м

=2,0 м

S=4,0 м²

Выбираем струйный усилитель №3,который имеет следующие характеристики:

=2,5мм; W=1,6·10^-4 м³/с; =0,9 мм

Вычислим объем цилиндра сервомотора:

Определим время сервомотора:

Оценим инерционные свойства объекта. Дня этого определим время разгона объекта , за которое уровень изменится с до , при резком изменении нагрузки с G_min до G_max, считая, что расход жидкости через сливной клапан остается неизменным.

Поскольку более чем в десять раз, то регулятор является достаточно быстродействующим, а значит, сервомотор и струйный усилитель выбраны верно.

3.Определение высоты расположения уравнительного сосуда.

Рис.5

Исходные данные:

=0,12м =9,8 м/с²

=0,11м =1,5 м

=0,14м =2,0 м

=8800 кг/м³

=1000 кг/м³

Требование: груз должен воспринимать 0,6-0,9 усилия, возникающего от действия на мембрану перепада давлений.

Разность уровней (расстояние от уровня в резервуаре при G=G_min до уровня в уравнительном сосуде ) определим из условия, что груз должен воспринимать 0,6 от усилия, возникающего на мембране при данном перепаде:

Определим высоту расположения уравнительного сосуда:

Проверим, какую часть усилия, возникающего на мембране чувстви­тельного элемента, будет воспринимать груз при разнице уровней (т.е. при G = G_max):

Таким образом, выполняется исходное условие, что груз должен воспринимать 0,6-0_,9 усилия, возникающего от действия на мембрану пе­репада давлений.

Следовательно, высота расположения уравнительного сосуда выбра­на правильно.

Высота расположения уравнительного сосуда = 3,0 м.

4.Определение величины нечувствительности измерительного устройства

Рис.6

Исходные данные:

=0,12м

L₁=0,075м

=1000 кг/м³

g=9,8 м/с²

Допустим, что в некотором статическом режиме (неважно в каком) момент от усилия на мембране чувствительного элемента уравновешивается моментами от усилий, создаваемых установочной пружиной к пружиной обратной связи.

Требуется определить такое начальное отклонение уровня (например в сторону уменьшения) от уравновешенного уровня, которое позволит преодолеть момент, вызванный сухим трением в опорах, и стронуть подвижную конструкцию измерителя с места.

Нечувствительность измерительного устройства =0,001мм=1 мм

5.Расчет обратной связи в регуляторе.

Рис.7

Исходные данные:

=0,12м; L₁=0,075м; =1000 кг/м³

=1,5 м; =2,0 м

=0,6м; =0,3м

=0,001мм; = 3,0 м

=0,05 м

L₆=0,075м

Требуется выполнение условия:

Определим рабочий ход штока клапана (соответствующий изменению нагрузки в диапазоне ).

Определим рабочий ход штока сервомотора (соответствующий рабочему ходу штока клапана):

Зададим величину нечувствительности регулятора (помня об удовлетворении неравенства ).

Тогда неравномерность регулятора составит:

Зададим: = 0,05 м; =0,1 м; = 0,1 м.

Найдем максимальное растяжение пружины обратной связи (ОС) в статике:

Определим, какую жесткость необходимо иметь пружине ОС, чтобы при =0,05 м и z=0,035 м создать неравномерность =0,48 м.

Жесткость пружины ОС вычислим из равенства момента, создаваемого пружиной ОС при ее максимальном (в статике) растяжении (это соответствует режиму G =G_min ), моменту, создаваемому усилием на мембране чувствительного элемента от =0,48 м.

Минимально возможное растяжение пружины ОС будет соответствовать такому расположению рычагов, когда шток клапана находится в положении m=0,05 м (открыт до упора), поршень сервомотора находится в максимально нижнем положении, весовой рычаг повернут до упора (=-0,9 мм) против часовой стрелки.

Чтобы пружина не провисла в этом своем крайнем положении, необходимо предусмотреть так называемое предварительное натяжение (т.е. в свободном состоянии пружина должна быть короче).

Зададимся предварительным растяжением пружины =0,005м.

Рис.8

Максимально возможному растяжению пружины ОС будет соответствовать такое положение рычагов, когда шток клапана находится в положении т = 0 м (полностью закрыт), поршень сервомотора находится в максимально верхнем положении, весовой рычаг повернут до упора (= 0,9 мм) по часовой стрелке.

При этом пружина должна иметь столько витков и быть такого диаметра, чтобы при своем максимальном растяжении она не потеряла своих свойств.

Максимальное перемещение штока сервомотора:

Максимальное растяжение пружины ОС (с учетом предварительного растяжения):