36848

Система автоматического регулирования температуры

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа Система автоматического регулирования температуры. Система автоматического регулирования температуры. Цель работы: Ознакомление с принципами построения системы автоматического регулирования и принципами работы такой системы. Экспериментальное получение переходных процессов системы автоматического регулирования.

Русский

2013-09-23

488 KB

104 чел.

Российский Государственный Университет

нефти и газа им. И.М. Губкина

Кафедра автоматизации технологических процессов.

Тумайкин А.С.     Шарова И.Я.

 

Лабораторная работа

Система автоматического регулирования температуры.

Лабораторная работа.

Система автоматического регулирования температуры.

  1.  Цель работы:
  2.  Ознакомление с принципами построения системы автоматического регулирования и принципами работы такой системы.
  3.  Экспериментальное получение переходных процессов системы автоматического регулирования.
  4.  Оценка качества автоматического регулирования.
  5.  Теоретические основы работы.

При автоматизации технологических процессов наиболее часто встречающаяся задача - это задача поддержания на неизменном (заданном) уровне того или иного параметра (температуры, давления, расхода, уровня, влажности и т.п.). В этом случае его  называют регулируемым параметром. Для решения такой задачи строят систему автоматического регулирования.

Любая система автоматического регулирования (САР) включает в себя элементы: объект регулирования (ОР), автоматический регулятор (АР) и исполнительное устройство (ИУ). Структура простейшей САР показана на рис.l.

Рис.1.   Структурная смеха системы автоматического регулирования.

         Регулируемый параметр  является выходом объекта регулирования, а входом - расход  каких-либо материальных или тепловых потоков, изменением которого можно целенаправленно повлиять на регулируемый параметр. На объект регулирования могут воздействовать и другие переменные (возмущения) , также способные повлиять на регулируемый параметр.

Информация с выхода объекта регулирования поступает на вход автоматического регулятора. Переменную  называют текущим значением регулируемого параметра. Помимо этой информации ко входу регулятора подводят также сигнал, соответствующий заданному значению регулируемого параметра –.

                 Рассмотрим назначение регулятора. Он непрерывно оценивает рассогласование двух входных сигналов и определяет . Если такое рассогласование возникло, то информация о величине и знаке этого рассогласования поступает затем на вычисление регулирующего воздействия . Регулирующее воздействие формируется в соответствии с заложенным в регулятор алгоритмом, который принято называть законом регулирования. Важно отметить, что регулятор вырабатывает такое , действие которого в системе регулирования приводит к устранению возникшего рассогласования.

           Регулирующее воздействие , которое передается ко входу объекта, имеет вид информационного сигнала, в то время как изменение регулируемого параметра в объекте регулирования осуществляется за счет изменения расхода материального потока  . Для преобразования  в  предназначен еще один элемент системы автоматического регулирования - исполнительное устройство (ИУ).

В качестве примера рассмотрим систему автоматического регулирования температуры в тепловом объекте - печи, нагрев которой происходит за счет сжигания топлива (газа, мазута и т.п.). Регулируемый параметр здесь – температура  в печи. Структурная схема этой САР показана на рис. 2. В отличие от рис.1. на схеме показан датчик (Д), преобразующий температуру  в информационный стандартный сигнал.

Принцип работы показанной на рисунке САР заключается в следующем. При отклонении по какой-либо причине температуры в печи от заданного значения возникает рассогласование на входе регулятора. Регулятор вырабатывает регулирующее воздействие, направленное на устранение этого рассогласования. Так если, например, температура повысилась (стала больше заданного значения), то сформированное регулятором регулирующее воздействие уменьшит расход топлива, вследствие чего температура в печи начнет уменьшаться, стремясь к заданному значению.

            Рис.2. Структурная схема системы автоматического регулирования температуры в печи                              

Используемые в САР регуляторы можно подразделить на 2 класса: релейные регуляторы и регуляторы непрерывного действия (аналоговые регуляторы).

Релейный регулятор при непрерывном изменении входной информации изменяет свой выход дискретно. Это изменение происходит в моменты сравнения текущего значения параметра с заданным. При этом исполнительное устройство либо полностью открывается, либо полностью закрывается. По этой причине такой регулятор является самым быстродействующим. Однако, этому регулятору свойственен существенный недостаток: регулятор принципиально не способен точно удерживать заданное значение регулируемого параметра.

Рассмотрим принцип  работы релейного регулятора на примере. При уменьшении

регулируемого параметра, когда  , исполнительное устройство полностью открывается, увеличивая расход топлива. После этого можно ожидать повышения температуры. Однако, в силу инерционности печи понижение температуры продолжается и после переключения исполнительного устройства. Этот процесс  продолжается некоторый интервал времени после чего начинается рост температуры. Очередное переключение ИУ произойдет при достижении возрастающей температуры заданного значения. Далее процесс регулирования повторится с той лишь разницей, что изменение параметра окажется в области выше заданного значения. Инерционные отклонения температуры от заданного значения и определяют погрешность регулирования релейного регулятора.

Другой класс регуляторов - регуляторы непрерывного действия, которые при непрерывном изменении входной информации формируют регулирующее воздействие также непрерывное. Регулирующее воздействие такого регулятора изменяется по более сложному алгоритму.

Так в регуляторе с ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальным) законом регулирования рассогласование ε = Y-Y0 подвергается преобразованию в соответствии со следующим алгоритмом:

    (1)

где: , , – являются настройками регулятора.

            Этот алгоритм обеспечивает достаточно высокое быстродействие и высокую точность регулирования, благодаря тому, что при формировании  учитывается и величина рассогласования () и скорость его изменения (), а также  из-за наличия интегральной составляющей ()  суммируется во времени и быстро устраняется даже малое рассогласование.

                Следует отметить, что удерживать параметр на заданном значении можно и без применения регуляторов. Однако, в этом случае процессом регулирования должен заниматься оператор, который, непрерывно наблюдая за изменением параметра, оказывает воздействие на объект регулирования путем изменения состояния исполнительного устройства. Такое управление называется ручным.

Наблюдать за процессом регулирования можно по переходному процессу.

Переходным процессом в САР называется изменение параметра во времени при изменении входного воздействия.  

По виду переходного процесса оценивается качество CAP. К показателям качества относят максимальное отклонение параметра от заданного значения  и время завершения переходного процесса - время регулирования (). - это время от начала переходного процесса до момента вхождения процесса в зону заданной точности параметра.

  1.  Описание лабораторного стенда.

             В работе исследуется реальная система автоматического регулирования, состоящая из печи с электрическим нагревателем, усилителя и электронных регуляторов. Нагреватель и усилитель выполняют в системе роль исполнительного устройства.

             Работа выполняется на специализированном стенде включающем в себя:

  1.  Печь с электрическим нагревателем, обеспечивающим ее нагрев;   охлаждение печи обеспечивается постоянно работающим вентилятором. для изменения интенсивности нагрева и охлаждения печи используется заслонка, ограничивающий вентиляцию печи.
  2.  Текущее значение температуры определяется при помощи термометра сопротивления, соединенного непосредственно со входами регуляторов.
  3.  В качестве регуляторов используются микропроцессорные регулирующие  блоки фирмы OBEH: релейный – TPM1 и ПИД - регулятор ТРМI0.Регулирующие блоки кроме основных функций - регулирования, выполняют функции контроля: на дисплее регуляторов отображается текущее значение температуры; путем программирования регуляторов можно устанавливать или изменять заданное значение температуры, а также устанавливать настройки регуляторов (, , ).
  4.  В одном из режимов управления возможно ручное регулирование температуры при помощи встроенного в стенд ручного задатчика.
  5.  Вырабатываемое регуляторами воздействие или ручное управление подаются на усилитель нагревателя печи, выполняющего в системе регулирования функцию привода исполнительного устройства.

           Наблюдать за уровнем управляющего воздействия можно по свечению электрической лампочки, подключенной к нагревателю печи.

           Режимы управления задаются на стенде при помощи переключателя режимов:

РЕЛ - автоматическое регулирование с использованием релейного регулятора;

РУЧ - ручное управление печью при помощи задатчика;

ПИД - автоматическое регулирование на основе ПИД-регулятора.

  1.  Порядок выполнения работы.

4.1. Подготовка эксперимента.

  1. Установить заслонку печи в положение "открыто".

                 Задания  регуляторам    уже установлены .

                                               Т=60 С.         

                    

4.2. Режим ручного управления.

  1. Установить режим ручного управления.

  2. Пользуясь ручным задатчиком , вывести температуру в печи на уровень  около 40 С  (± 2)  - исходный уровень температуры.

  3. Записать значение исходной температуры, включить секундомер и , корректируя положение ручного задатчика, вывести температуру на уровень 60 С  При этом через каждые 15 с вести запись значений изменяющейся температуры.     Опыт можно считать законченным, если установившаяся температура не выходит за пределы  60 ± 0,5 С  в течение  двух минут (четыре  последних измерения).

   4. Построить по данным эксперимента график изменения температуры во времени как функцию ручного управления процессом.

4.3. Влияние нагрузки на температуру в печи.

  1. Не изменяя положения задатчика, дать возможность температуре стабилизироваться в течение 2-х мин.

  2. Записать исходное (стабилизировавшееся) значение температуры. Перевести заслонку в положение "закрыто" и включить секундомер. Вести через каждые 15 с запись изменения температуры  в течение 3-х  мин.

  3. Показать графиком процесс изменения температуры  в итоге изменения нагрузки.

4.4. Режим релейного регулирования.

  1. Заслонку печи перевести в положение "открыто".

  2. В ручном режиме вывести температуру на уровень около 40 С. Записать исходное значение температуры. (40 ± 2  С ).

  3. Установить релейный режим, включить секундомер. Определить время изменения температуры от исходного значения   температуры 40 С   до Т = 60 С. Это – время  от включения регулятора до первого отключения нагревателя  ( лампа индикатора тока погаснет).

  4. Вести далее запись максимальных и минимальных значений температуры в

течение 5-7 циклов регулирования. Определить при помощи секундомера время одного цикла регулирования ( время между двумя включениями реле).

  5. Построить по данным эксперимента график изменения температуры во времени как следствие изменения задания при релейном регулировании.

4.5. Режим ПИД-регулирования.

  1. Проверить:  заслонка печи находиться в положении "открыто".  

  2. В ручном режиме установить температуру на уровне 40 С (исходное значение температуры).

  3. Записать исходное значение температуры, перейти в режим "ПИД", включить секундомер. Вести   (через каждые 30 с   в течение 8-12 мин)  запись изменения температуры в процессе регулирования. Закончить эксперимент,  когда  показания индикатора температуры будут меняться на   ± 0.1   C   ( т. е. в последнем знаке ).

  4. Построить по экспериментальным данным график переходного процесса в системе как реакцию на  задание  Т = 60С. Сопоставить  построенный график с графиком, полученным в п. 4.2.

  5. Опыт провести  для другой нагрузки:

    - записать исходное значение температуры (60 С)

    - закрыть заслонку печи и включить секундомер. Вести через каждые 10 сек в течение 1- 2-х  мин  запись изменения температуры в печи.

  6. По данным эксперимента построить график переходного процесса как реакцию системы на изменение нагрузки.

  7. Сопоставить построенный график с графиком, полученным в п. 4.3.

  1.  Выводы по итогам испытаний

            1.      Оценить трудоемкость ручного управления температурой;

       2.      Оценить качество релейного регулирования ;

            З.      Оценить по переходным процессам качество ПИД – регулирования для различных возмущений в системе.

  1.  Контрольные вопросы

            1.       Дать понятие САР. Из каких элементов состоит САР?

            2.       Какую задачу выполняет CAP?

            З.       Каковы трудности ручного управления процессом?

            4.       Какой регулятор называется релейным?

            5.       Какой алгоритм используется в ПИД - законе регулирования?

            6.       Какими достоинствами обладают аналоговые регуляторы?

            7.       Влияет ли изменение нагрузки печи на качество регулирования с ПИД -   регулятором?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39153. КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ ТОВАРА: АНАЛИЗ И УПРАВЛЕНИЕ 164 KB
  Целью данной работы и является 1) Определение и анализ тех факторов, за счет которых формируется конкурентоспособность товара, 2) Определить, что же это собственно такое – конкурентоспособность товара и 3) Каковы пути повышения конкурентоспособности товаров, выпускаемых предприятием.
39154. Оценка конкурентоспособности товаров и услуг на ООО «сервис-техника» 237.5 KB
  Самое главное в экономике любой страны – это малый бизнес. Во многих экономически развитых странах, по словам электронных СМИ, доля продукции, производимой малыми предприятиями в годовом ВВП, доходит до 60%. В этих странах на малых предприятиях работает минимум половина всего населения. Новые предприятия успешно создаются и функционируют, производят качественную и конкурентоспособную продукцию.
39155. Классификация компьютеров 496.94 KB
  Специалисты а таковыми являются в наш век все подростки старше десяти лет не преминут заметить что компьютер это не мозг по крайне мере пока уточнят особенно талантливые. Это простонапросто еще один инструмент еще одно устройство придуманное для того чтобы облегчить наш труд или усилить нашу власть над природой. Именно поэтому я и решил что моя будущая специальность будет связана с компьютерами: вопреки опасениям писателейфантастов человек не стал придатком машины а получил возможность лучше проявить свои...
39156. Ассортимент и контроль качества персональных компьютеров и их комплектующих в магазине Северного филиала компании R-Style в г.Нижневартовск Ханты-Мансийского АО 949.46 KB
  Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже более 40лет. До недавнего времени в этом процессе могли участвовать только специалисты-инженеры, математики - программисты, операторы. В последние годы произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные
39157. Анализ и прогнозирование рыночной конъюнктуры компьютерного рынка в г. Петропавловске-Камчатском 299.75 KB
  Даже десять лет назад мало кто мог себе представать что практически у половины работающего населения будут в домашнем пользовании персональные компьютеры. Причем этот процесс лавинно продолжается и очень велика вероятность того что современные вычислительные системы скоро появятся в каждом доме. 3 Анализ ассортиментного ряда Для того чтобы полностью понять и правильно охарактеризовать рынок компьютерных продаж необходимо проанализировать все разнообразие компьютеров и компьютерных комплектующих которые продают фирмы. Служат для тех...
39158. Классификация компьютеров и их систем 1.44 MB
  Компьютер (англ. computer — «вычислитель»), электронная вычислительная машина (ЭВМ) — вычислительная машина, предназначенная для передачи, хранения и обработки информации.
39159. Основные этапы развития компьютерной техники. Сравнительные характеристики компьютеров разных поколений 184.61 KB
  Сравнительные характеристики компьютеров разных поколений. Возникновение и развитие персональных компьютеров. Новые виды ПК Возникновение и развитие персональных компьютеров. Для того чтобы лучше представить чем же всетаки персональные компьютеры отличаются от других электронновычислительных машин начнем рассматривать историю возникновения ПК с момента появления первых ЭВМ не забывая при этом более ранние достижения в истории вычислительной техники благодаря которым...
39160. Дослідження механізму управління кредитною діяльністю в комерційному банку «Кредитпромбанк» 1.07 MB
  Теоретичні засади управління кредитною діяльностю банку 1.1 Сутність та причини кредитної діяльності банку 1.2 Особливості формування кредитного портфелю банку 1.3 Система управління кредитним портфелем банку Розділ 2.
39161. Технические характеристики компьютера 82.74 KB
  рРхарактеристика компьютера измеряется в битах; она показывает сколько двоичных разрядов битов информации обрабатывается или передается за один такт работы микропроцессора а также сколько двоичных разрядов может быть использовано для адресации оперативной памяти; компьютеры могут быть соответственно 8ю 16 32 и 64разрядными; . емкость оперативной памяти измеряется в Мбайтах и поставляется в виде модулей имеющих 2 4 8 16 32 64 128 256 и более Мбайт разрабатываются модули емкостью 1Гбайт; . емкость...