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

107 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

27533. Презумпции и фикции в праве 27.5 KB
  Все приёмы законодательной техники делятся на 2 группы: 1 юридические средства – это допустимые правом предметы и явления с помощью которых обеспечивается достижение поставленных целей и получения результатов юридические термины и понятия; юридические конструкции; юридические символы; перечисления; юридические презумпции; юридические фикции; 2 юридические способы – пути достижения намеченных целей с помощью конкретных юридических средств и при наличие условий и предпосылок законодательной практики способы структуризации; способы...
27534. Приведите примеры юридических фактов-действий 30 KB
  Юридический факт конкретные социальные обстоятельства события действия вызывающие в соответствии с нормами права наступление определенных правовых последствий – возникновение изменение или прекращение правовых отношений. Классификация: 1 по характеру наступающих последствий: а правообразующие поступление в вуз; б прамоприменяющие перевод с очной формы на заочную; в правопрекращающие окончание вуза; 2 по связи с волей участников правоотношений: а события обстоятельства независящие от воли субъекта стихийное бедствие...
27535. Принципы права: понятие, классификация и значение 28 KB
  Принципы права исходные нормативноруководящие начала императивные требования определяющие общую направленность правового регулирования общественных отношений. Принципы права обусловлены рядом факторов: уровень экономического развития; особенности политической системы; социальноклассовые природы государства. Принципы российского права: 1 принцип справедливости; 2 принцип равноправия равенство перед законом и судом; 3 единство прав и обязанностей; 4 гуманизм основан на уважении человека его достоинства и прав; 5...
27536. Проиллюстрируйте соотношение норм права и статьи закона на примере ст.8.13 КоАП РФ 30 KB
  Соотношение между статьей и нормой во многом зависит оттого что перед нами логическая норма или норма предписание. Если это норма предписание то она полностью содержится в статье. В одной статье может содержаться две или более нормы предписания. Логическая норма может находиться в составе трех ее элементов и одной целой статье но тогда диспозицию или санкцию нужно выводить в статье логическим путем.
27537. Публичная (политическая власть) признак государства 23.5 KB
  Имеется в виду то что: 1 государство является властью которая не сливается с обществом а выделяется из него будучи относительно самостоятельной по отношению к обществу в определенном смысле над ним; 2 государственная власть внешне и официально представляет все общество выступает в качестве особого органа управления обществом; 3 эта власть призвана обеспечить поддержание правопорядка нормальной жизнедеятельности людей; 4 публичная власть как разновидность политической власти означает наличие у нее особого аппарата включающего...
27538. Разделение власти как принцип организации деятельности правового государства 27 KB
  Правовое государство можно определить как организацию политической власти в обществе основанную на верховенстве правового закона. Государство возлагает на граждан юридические обязанности запрещая совершать противоправные и обязывая совершать правомерные действия и в случае их неисполнения привлекает их к юридической ответственности. В свою очередь государство приобретая ряд монопольных прав на правотворчество на применение государственного принуждения на сбор налогов на эмиссию денежных знаков и др. Государство должно не просто...
27539. Рассмотрите отличия государственной власти от власти общественной 28 KB
  Рассмотрите отличия государственной власти от власти общественной. Таким образом можно выделить две основные особенности общественной власти характерные для первобытнообщинного строя: 1. Главными органами власти являлись: род собрание старейшина при необходимости военачальник. Эта власть по существу сливалась с населением так как не существовало разграничения между субъектом и объектом власти общество одновременно было и объектом и субъектом власти.
27540. Рассмотрите соотношение права и религиозных норм 29.5 KB
  Рассмотрите соотношение права и религиозных норм. Сходство норм права и религиозных норм имеет практически те же черты что и сходство норм права и норм морали и выражается в нормативности совокупность определенных норм являющихся образцом масштабом поведения людей универсальности эти нормы распространяются на общественные отношения общности права и религии в нормативноценностных критериях правомерного и неправомерного. В настоящее время принято выделять семьи религиозного права где в качестве основных источников права выступают...
27541. Система права: понятие и основные элементы 31 KB
  Система права: понятие и основные элементы. Система права – явление объективное хотя оно и находит свое проявление вовне через деятельность законодателя. Структура права предопределена в конечном счете характером общественных отношений на том или ином этапе общественного развития. Таким образом система права – это внутреннее строение права деление его на отрасли подотрасли и правовые институты в соответствии с предметом и методом правового регулирования.