Исследование автоматической системы позиционного регулирования температуры теплового объекта

Цель работы: Ознакомление с конструкцией промышленных позиционных регуляторов, изучение принципа действия регулятора. Исследование переходного процесса в двухпозиционной системе регулирования. Оценка качества системы.

Общие положения

Позиционные регуляторы приборного типа являются самыми простыми и широко распространенными. К числу важнейших преимуществ позиционных регуляторов относится возможность получения высокого качества регулирования при применении достаточно простых и надежных технических средств. Они широко применяются при автоматизации тепловых объектов с электрообогревом; насосных и компрессорных установок, в которых требуется ограничение изменения уровня перекачиваемой в резервуар жидкости; стабилизации давления в паропроводах, трубопроводах - подачи сжатого газа; при регулировании частоты вращения двигателей постоянного тока и напряжения генераторов.

Рис. 4.1 Функциональная схема двухпозиционного регулирования

 

Позиционное регулирование легко организуется на основе переключающих устройств, устанавливаемых на показывающих стрелочных приборах, в автоматических измерительных компенсаторах. Такие важные особенности этих систем, как простота технического решения задачи управления подачей электрической энергии путем включения и выключения источника питания (рис.4.2), особенно в случае объектов, имеющих небольшие габаритные размеры (нагревательные плиты, валы прессового оборудования, электрические калориферы, двигатели с вентиляторами для систем кондиционирования), удобство сочетания позиционного (релейного) элемента с двигателями постоянной скорости в исполнительном устройстве управления расходом жидкости (газа) с помощью клапана, заслонки и других элементов запорной арматуры технологического оборудования и определяют широкое применение этих систем (рис.4.3).

 

Рис.4.2 Схема управления АСР путем вкл. и выкл. источника питания

 

Рис 4.3 Cхема управления АСР с использованием сочетания позиционного элемента с ДПТ

 

На рис 4.1 и 4.2 показаны функциональная и принципиальная схемы двухпозиционного регулирования температуры в объекте с электронагревателем. На рис.4.3 принципиальная схема двухпозиционного регулирования напряжения генератора постоянного тока.

В двухпозиционных АСР регулирующий орган может последовательно занимать два положения (позиции), чему соответствует минимальное или максимальное регулирующее воздействие на объект регулирования. Если в качестве выходного элемента двухпозиционного регулятора используется электромагнитное реле, то это реле, в зависимости от текущего значения регулируемой величины будет находиться в процессе регулирования только в 2-х состояниях - включенном и выключенном. В результате возникает характерный для рассматриваемого класса АСР периодический процесс изменения регулируемой величины относительно заданного значения - автоколебания.

На рис.4.4 приведена структурная схема двухпозиционной АСР и установившиеся автоколебания регулируемой величины.

На этом рисунке Х3 - заданное значение регулируемой величины (сигнал, поступающий в регулятор от задатчика); Х - истинное значение регулируемой величины (сигнал, поступающий в регулятор с датчика), D=Х3-Х - сигнал рассогласования, ДР - двухпозиционный регулятор, Z - команда управления (регулирующее воздействие); - передаточная функция объекта, - передаточная функция датчика. При таком объекте автоколебаний может не быть, если τ®0.

 

Рис.4.4 Двухпозиционная АСР

а) – структурная схема, б) – график переходного процесса

 

Пример статических характеристик двухпозиционного регулятора приведен на рис. 4.5.

На рис. 4.5 а показана статическая характеристика без зоны неоднозначности (идеальная статическая характеристика), на рис. 4.5 б - с зоной неоднозначности (реальная статическая характеристика).

Для приближенного анализа автоколебаний в системе двухпозиционного регулирования с регулятором, имеющим зону неоднозначности 2Σ и объектом с запаздыванием, у которого .

Рис.4.5 Статические характеристики двухпозиционного регулятора

а) – без зоны неоднозначности, б) – с зоной неоднозначности

С.М.Смирновым получены формулы, позволяющие рассчитать размах автоколебаний и их период. Относительный (безразмерный) размах автоколебаний

,

где 2σ - относительная (безразмерная) зона неоднозначности регулятора;

Т - постоянная времени объекта регулирования;

τ - время запаздывания.

Относительная зона неоднозначности ,

где 2Σ - зона неоднозначности регулятора; А=Хmax-Хmin - зона регулирования, оцениваемая по разности установившихся значений регулируемой величины при максимальном и минимальном значениях регулирующего воздействия U_max и U_min.

Размах автоколебаний регулируемой величины

.

Период автоколебаний регулируемой величины

,

где - коэффициент, характеризующий расположение автоколебаний в зоне регулирования;

- относительное (безразмерное) задаваемое значение регулируемой величины.

При правильной настройке двухпозиционной АСР установившиеся автоколебания происходят в средней части зоны регулирования. Величина периода автоколебаний в значительной мере сказывается на сроке службы элементов двухпозиционной АСР. При настройке системы на период автоколебаний можно воздействовать только изменением относительной (безразмерной) зоны неоднозначности, точнее А - зоной регулирования.

.

Весьма важным фактором, обуславливающим качество двухпозиционного регулирования является время запаздывания τ. При наличии запаздывания размах автоколебаний будет тем больше, чем больше 2σ и отношение , поэтому двухпозиционное регулирование рекомендуется применять лишь для регулирования объектов с большими постоянными времени Т и малым временем τ, при этом соотношение должно быть не более 0,2.

Порядок выполнения работы

Ознакомиться со схемой лабораторной установки, регулятором МР-64-02 и работой двухпозиционной АСР.

Рис.4.6 Схема лабораторной установки двух позиционного

регулирования

 

На рис. 4.6 приведена схема лабораторной установки, по которой осуществляется двухпозиционное регулирование объекта с термообогревом. В качестве регулятора в схеме использован регулирующий милливольтметр МР-64-02, работающий в комплекте с термопарой типа ХК. МР-64-02 измеряет эдс термопары. Требуемое значение температуры задается задатчиком (бесконтактный датчик положения стрелки измерительной части прибора).

Электрическая схема регулятора приведена на рис.4.7. Регулятор состоит из двух частей - измерительной и регулирующей.

Измерительная часть состоит из рамки, помещенной в поле постоянного магнита. Ток, протекающий через рамку, под действием эдс термопары, создает магнитное поле. Взаимодействие этого поля с полем постоянного магнита вызовет поворот рамки на угол, пропорциональный величине эдс.

Регулирующая часть представляет собой бесконтактный датчик положения индуктивного типа. Он состоит из высокочастотного автогенератора, собранного на транзисторе VT1 и катушек индуктивности L1 и L2, и усилителя на трех транзисторах VT2 - VT4. На вход усилителя (транзистор VT2) сигнал подается с катушки индуктивности L3. В коллекторную цепь выходного транзистора VT4 включена обмотка управляющего реле Р1, контакты которого используются для управления объектом.

Принцип действия регулирующей части основан на срыве и восстановлении генерации при вводе и выводе экрана, жестко укрепленного на измерительной стрелке прибора, в зазор между катушками автогенератора L1 и L2. Для обеспечения заданной температуры в объекте, указатель регулирующего устройства устанавливается на соответствующую отметку. При температуре в объекте ниже заданной указателем, (стрелка с экраном вне катушек) автогенератор генерирует высокочастотные колебания, транзистор VT4 открыт. Ток проходит через обмотку управляющего реле, контакт которого подключает электронагреватель к сети. При температуре, равной заданной, (стрелка с экраном в зазоре между катушками) генерация срывается, транзистор VT4 закрывается, реле обесточивается, контакт размыкается, электронагреватель обесточивается. При понижении температуры процесс повторяется.

Контроль и регистрация изменения температуры в объекте производится с помощью электронного автоматического самопишущего потенциометра типа КСП, работающего в комплекте с термопарой ХК, помещенной в объект рядом с датчиком регулятора МР-64-02.

1. Подготовить к работе электронный автоматический потенциометр, после его прогрева подать на электронагреватель напряжение U=30 В для снятия кривой разгона.

2. После достижения установившегося состояния включить регулятор МР-64-02 и установить с помощью задатчика Х₃=150⁰С.

3. Записать 4-6 периодов установившихся автоколебаний и определить 2Σ, которые определяются по включению и выключению сигнальной лампочки.

Таблица 4.1

Температура	2Σ,^0С
вкл	откл

4. По полученному графику определить Т,τ, Х_max, Х_min, среднее значение размаха автоколебаний DХ_э и периода автоколебаний Т_а.э.

5. Аналитически рассчитать значения DХ_р и Т_а.р, сравнить их с экспери-ментальными.

6. Данные занести в протокол испытаний.

Протокол испытания.

Двухпозиционной АСР температуры объекта с электрообогревом.

Регулятор типа МР-64-02 с зоной неоднозначности 2Σ, ⁰С.

Постоянная времени объекта Т, мин, запаздывания τ=0,025мин.

 

Таблица 4.2

D	2σ	2σ*	DХр	Та.р.,мин	DХэ	Та.э.,мин

Содержание отчета

Цель работы. Краткое описание сущности двухпозиционного регулирования и регулятора МР-64-02. Расчет параметров автоколебаний температуры. Схема лабораторной установки. Структурная схема АСР. График автоколебаний. Протокол испытаний. Выводы.

 

4.3. Контрольные вопросы

1. Что такое двухпозиционное регулирование?

2. Устройство и принцип действия регулятора МР-64-02.

3. Какими параметрами характеризуется переходный процесс для двухпозиционных САР, как они определяются?

4. Пояснить процесс регулирования САР температуры по схеме лабораторной установки.

5. Дать качественную оценку процесса регулирования температуры.

 

 

Лабораторная работа № 5