Изучение промышленных приборов для измерения и регулиро-вания технологических параметров

Емкость является аккумулирующей способностью объекта. Ее физическая сущность различна в  зависимости от характера объекта и происходящего в нем процесса. Так, для тепловых объектов емкостью является их теплоемкость.

Различают одноемкостные,  двухемкостные и, многоемкостные объекты.  В одноемкостном объекте  вещество  или  энергия  расходуются непосредственно  в  полезном  объеме  и  изменяют определенный параметр только в нем.  Многоемкостные объекты имеют на пути отвода или подвода вещества  или  энергии  дополнительные  емкости,  также аккумулирующие вещество  или  энергию.  Следовательно,  после  нанесения   возмущения последнее проявляет себя в полезном объеме с запаздыванием.  Например, если вводить тепло в камеру А  (рис.2),  то  температура  в  камере  Б начнет  повышаться только после нагрева разделяющей их перегородки,  а время запаздывания определится ее теплоемкостью.

 

Рис. 2. Двухемкостной  объект регулирования

Поведение реальных объектов описывается дифференциальными уравнениями. Наиболее  простым оно оказывается для  одноемкостных объектов.

 

 

Его решением является уравнение экспоненты

 

                             (2)

 

где Т -  постоянная времени  объекта, определяемая как подкасательная в любой точке экспоненты (если все равны между собой) (рис.3):

К - коэффициент передачи объекта,

Х(t) - возмущение, превышение  притоком  или   расходом   определенного значения,

Y(t) - текущее отклонение параметра от первоначального установившегося значения,

Y_¥ - максимальное отклонение параметра от первоначального до  нового установившегося значения,

t  - текущее время.

В зависимости   от   динамических   свойств  объектов  переходные характеристики имеют различный характер.

На рис.3   приведена   переходная  характеристика  одноемкостного объекта,  а  на  рис.  4 -  переходная  характеристика   двухемкостного объекта.  Математические  выражения для последнего оказываются более сложными,  а переходная характеристика  представлена  кривой,  имеющей точку   перегиба   S.  Наличие  точки  перегиба  объясняется  наличием дополнительной емкости,  что приводит  к  более  медленному  изменению параметра в начальный период.

 

Рис.3. Переходная  характеристика  одноемкостного объекта.

 

3. Графический метод  расчета 

 

Для упрощения   расчетов    часто    переходную    характеристику двухемкостного объекта заменяют (аппроксимируют) кривой одноемкостного объекта  с  запаздыванием.  Для  этого  к  переходной   характеристике (см.рис.4)  в  точке ее перегиба проводят касательную до пересечения с линией начального  значения  выходной  величины  и  линией  ее  нового установившегося значения. Таким образом,  запаздывание - это промежуток времени  между  моментом  появления  возмущения  и  началом  изменения выходной  величины.  Причиной  появления  запаздывания  может быть как наличие дополнительной емкости  в  объекте,  так  и  наличие участков объекта,  требующих времени для передачи изменения входного сигнала (трубопроводы, транспортеры и т.д.).

Рис.4. Переходная  характеристика    двухемкостного объекта.

 

Отрезок времени от начала нанесения  возмущения до точки пересечения касательной с осью времени составит запаздывание t.

Отрезок времени от момента пересечения  касательной с осью времени до момента пересечения ее с  линией  нового  установившегося  значения выходной величины принимается за постоянную времени объекта Т.

Индивидуальные свойства     различных     объектов,      например одноемкостных,  проявляются  в  том,  что  при  одинаковом  возмущении окажутся различными значения  коэффициента  передачи  К  и  постоянной времени  Т.  Именно  для  их нахождения ставится эксперимент по снятию переходной характеристики. Эти величины определяют характер протекания переходных  процессов,  их динамику и относятся поэтому к динамическим характеристикам объекта. Следует отметить,    что    для    многих   объектов   переходные характеристики,  полученные при увеличении входной величины и  при  ее уменьшении,   существенно   различны.   Естественно, что  получаются  и различные значения динамических параметров объекта.

 

4. Численный метод расчета

 Кроме графического метода можно воспользоваться численным (рис. 5). Для этого определяют абсциссы точек, ординаты которых равны:  

Y(t^II) = 0,33 у (∞)+Y(0);

Y(t^I) = 0,7 у(∞)+Y(0),

Где у(∞)=У_к –У(0)-приращение кривой разгона за время переходного процесса;

У_к , У(0) – конечное и начальное соответственно значения кривой разгона.

Рис.5. Переходная  характеристика .

 

По вычисленным значениям  ординат, производя обратное преобразование, находим значения абцисс t^II, t^I , по которым и определяются искомые асимптотические параметры:

τ_з = 0,5 (3t^II- t^I);       Т = 1,25 (t^I - t^II).                                         

Таким образом, при проектировании АСР динамику объекта можно описывать двояко либо точной передаточной функцией (3) ,

W(p)=

,                                                    (3)

 либо приближённой (4).

                 W_э(p)=                                                 (4)

 В первом случае  используют достаточно точные  методы анализа и синтеза АСР  (частотные, корневые и т.д.). Во  втором – приближённые (графоаналитические).

 

 

5. Порядок и методика выполнения работы.

Схема экспериментальной  установки изображена на рис.  6.

 

Рис. 6. Схема экспериментальной  установки

 

Рис.7. Приложение mpr51 reporter.

 

 

 

1. Включить стенд   выключатель установить в положение   Тсух.  Убедиться,  что на панели МПР отображается температура Тсух, в ином случае кнопкой   выбрать индикацию Тсух и записать это значение.

2. Включить компьютер.  Запустить приложение mpr51 reporter (ярлык находится на рабочем столе). В открывшемся окне  галочками отметить регистрируемые параметры (время, Тпрод) по 1 каналу. Для стендов №№6,7 выставить скорость обмена СОМ – порта 2400. рис 7. Период опроса задать равным 1мин или другое по заданию преподавателя.

3. Установить задатчиком регулятора МПР51  значения температуры 190⁰С (по указанию преподавателя). Для этого в режиме ПРОГРММИРОВАНИЯ L1. Выбираем параметр Е02 (задается значение уставки в данном случае 130⁰С). Записываем изменения в память прибора. Выходим из режима программирования,  запускаем программу двухпозиционного регулирования, включаем пуск программы mpr51 reporter.

4. В случае регистрации данных с помощью mpr51 reporter все данные записываются в файл находящийся в папке mpr51 reporter (ярлык находится на рабочем столе).  Каждый из файлов записывается в течение суток, и имеет имя, соответствующее дате записи. Например, файл данных прибора МПР51, подключенного к 1-му каналу адаптера АС2, и созданный 6 октября 2011 г. (6/10/11), будет иметь имя 06_10_11.rp1. Эксперимент закончить после того, как  процесс  регулирования  примет установившийся характер.

5. Построить по экспериментальным точкам переходные характеристики объекта при ее нагреве  в координатах: температура по оси ординат, время по оси абсцисс. Либо открыть файл регистрации и построить график  в Exell.

6. Полученные характеристики аппроксимировать переходной характеристикой одноемкостного объекта с запаздыванием.

7. По полученной экспериментально характеристике определить динамические параметры ЭН,  время запаздывания t и постоянную  времени объекта  Т.

а) графическим способом см.раздел 3,

б) численным методом  см. раздел 4.

 

 

 

 3. Контрольные вопросы.

 

1. Что такое автоматическое  регулирование?

2. Что такое объект  автоматического регулирования?

3. Из    каких    элементов    состоит   автоматическая   система регулирования?

4. Какую  роль  выполняет   каждый  из  элементов   автоматической системы регулирования?

5. Какие Вы знаете  методы определения свойств объекта?

6. В чем суть метода  снятия переходной характеристики?

7. Как  определить  динамические параметры объекта  автоматического регулирования?

8. Какие свойства объекта  Вы знаете?

9. Какие бывают объекты  автоматического регулирования?

10. Для чего необходимо  определять динамические свойства  объектов регулирования.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

 Методика расчёта  непрерывного регулятора.

 

1.  Обоснование закона регулирования и вычисление его параметров.

 

Этот способ основывается на том, что динамики объекта описывается  эквивалентной передаточной функцией. Проведение расчётов производится  с использованием заранее составленных графиков (лабораторная 2), учитывающих как характеристики объектов, так и требования, предъявляемые  к качеству процесса регулирования, в виде заданных значений показателей качества.         

Для выбора регулятора непрерывного действия графоаналитическим методом необходимы следующие  исходные данные:

      характеристики объекта:

- время запаздывания τ_з;

 - постоянная времени Т;

 - отношение запаздывания к постоянной времени τ_з / Т;

- коэффициент передачи объекта К_об, выраженный отношением единицы измерения регулируемого параметра к проценту хода регулирующего органа и максимально возможные возмущения по нагрузке  ∆Q, выраженные в процентах хода регулирующего органа;

 

                  технологические требования к  качеству процесса регулирования, в виде:

- максимального динамического  отклонения ∆Y_мах= Y_мах –Y_з, выраженного в единицах измерения регулируемого параметра;

- допустимого  перерегулирования  σ_мах,

- максимально допустимого времени регулирования Т_р^мах

  - остаточного отклонения Y_ост^мах, выраженного в единицах измерения регулируемой величины.                                                                                                                                         

Последующий выбор закона управления и его параметров должен основываться на выполнении следующих  неравенств:

∆Y<∆Y_мах                                                                                           (1)

Т _р  <Т_р^мах  ;                                                                            (2)

Y_ост <Y_ост^мах ,                                                        (3)

где ∆Y, Т _р и Y_ост – показатели качества спроектированной системы.  

Если условия (1)-(3) по окончанию  проектирования оказались не выполненными,  то система не отвечает поставленному заданию и требуется  её коррекция (выбрать другой регулятор или сменить его параметры или проделать то и другое).

Проверка выполнения условий (1)-(3) начинается с первого по следующей методике.

По указанным выше данным рассчитывают величину динамического коэффициента регулирования R_д, который показывает степень воздействия регулятора на объект и численно равен отношению величины максимально допустимого динамического отклонения к величине отклонения выходной величины в объекте без регулятора под воздействием того же возмущения:

Для статических объектов

R_д = ∆Y_мах /У(∞),                                             (4)

для астатических объектов

R_д  =tga/У(∞),                                                 (5)

        здесь:

 а - угол наклона  переходной характеристики объекта. Далее, по графикам зависимости R_д  от τ_з/Т (рис.1) находят  тип регулятора (П, ПИ, ПИД).  Для этого на графике строят точку с координатами (R_д , τ_з/Т). Тип регулятора (закон управления) выбирают по ближайшей кривой, расположенной ниже этой точки.

 Рис. 1

 

Пример:

По кривой разгона определили, отношение τ_з/Т=0,5. Из исходных данных известно, что ∆Y_мах=4, У_к =57, У(0)=67.

Тогда У(∞)=У_к-У(0)=10. Отсюда R_д =∆Y_мах/ У(∞)=4/10=0,4.

Входя в график на рис.1, по координатам τ_з/Т=0,5 и R_д =0,4 построим точку. Не трудно видеть, что она окажется между кривыми 4 и 2, выше первой и ниже второй. Следовательно, выбираем закон управления, соответствующий нижней кривой, т.е. 4ой (ПИД).

Рис.2

После  выбора типа регулятора по этим графикам необходимо проверить, обеспечивается ли условие  (2). Это делают по характеристикам (рис.2), отражающим зависимость относительного времени регулирования Т_р/τ_з; от величины τ_з /Т для различных регуляторов непрерывного действия. Используя их, можно найти для выбранного закона управления значение Т _р. После чего производится проверка выполнения условия (3). Если  оно не выполняется,  то необходимо использовать другой закон управления и снова произвести проверку. И так до тех пор пока не будет выполняться. В случае его выполнения считается, что  закон выбран  правильно.