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

112 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

45427. Концептуальные основы технологии АТМ 994 KB
  АТМ относится к технологии с асинхронным режимом передачи. 1 коммутация каналов с одной фиксированной скоростью; 2 многоскоростная система с коммутацией каналов; 3 выскоскоростная система с коммутацией каналов; 4 технология АТМ или асинхронный режим передачи; АТМ synchronous Trnsfer Mode. Для систем передачи с коммутацией каналов характерна постоянная скорость передачи и отсутствие всплесков нагрузки. Если пользователь генерирует в какойто момент времени более интенсивный поток информации чем способна передавать система с...
45428. Системы беспроводной связи 96.5 KB
  Системы беспроводной связи начали развиваться с 2000 01 года в связи с появлением стандарта GSM. Основное применение беспроводных средств связи стало развитие протокола Ethernet а также необходимостью обеспечения коммуникации узлов находящихся на территориях не охваченных телефонной связью. Первым развитием беспроводных каналов связи стала беспроводная телефонная связь.
45429. Стандарт Wi-Fi 296.5 KB
  Любой абонент с WiFi точкой доступа может получить доступ к локальной сети. Эта проблема решается с помощью разработки системы безопасности локальной сети. Достоинство: для построения сети на основе распределенной архитектуры достаточно установить несколько точек доступа. Развертывание такой сети является установка точки доступа в свободный порт маршрутизатора или коммутатора.
45430. Технология GPRS 340 KB
  GPRS Generl Pcket Rdio Service технология разработанная в 1991 году Европейским институтом ТК стандартов позволяющие передавать получать данные из сети Internet с применением мобильной связи на основе GSM. GPRS предоставляет следующие сервисы работа с электронной почтой; Httpинтерфейс. GPRS позволяет читать данные в том формате который является общедоступным для сетевых узлов.
45431. Эволюционное программирование (генетические алгоритмы) 57.5 KB
  Метод алгоритм пример решения задачи Эволюционное программирование генетические алгоритмы Для эволюционного программирования должны выполняться следующие требования: 1Наличие пространства параметров x = {x1x2x3.е случайное варьирование параметров. Хромосома вектор варьируемых параметров решения Операции получение новых решений из существующих Скрещивание получение параметров хромосомы от родителей расширение области поиска Мутация ...
45432. Модель нейрона. Понятие нейронной сети. Особенности функционирования технических структур, моделируемых нейронной сетью 92 KB
  Схема работы натрийкалиевого насоса: а активные центры захватили ион калия снаружи и ион натрия внутри клетки; б белковая молекула захватившая ионы повернулась на 180 за счет энергии АТФ и освободила захваченные ионы при этом калий попал внутрь клетки а ион натрия был выброшен наружу в молекула вновь повернулась на 180 и готова к захвату новых ионов. Диффузия в жидкостях происходит при помощи ионов. Идет расслаивание ионов возникает потенциал...
45433. Модель обучения на примере автоматов с линейной тактикой. Автомат с переменной структурой 124.5 KB
  Автомат с переменной структурой. Рациональность поведения автомата в детерминированной стохастической стационарной и нестационарной среде. Автомат с линейной тактикой рис.
45434. Применение метода оценочной функции при реализации интеллектуальных функций. Уровни интеллектуальности поведения 61.5 KB
  Черепаха представляет собой трехколесную тележку на которой размещены аккумуляторы система реле и электронная ламповая схема. Схема отрегулирована таким образом что при низком потенциале анода лампы Л1 запирается лампа Л2 и реле Р2 устанавливается так что исключается одновременное нахождение под током реле P1 и Р2. При умеренном освещении фотоэлемента лампа Л2 приоткрывается однако проводимый ею ток недостаточен для срабатывания реле P1 хотя уменьшение напряжения на аноде лампы и приводит к отпусканию реле Р2. Замыкание...
45435. Модели языка. Синтез и анализ языковых фрагментов. Проблема представления знаний 351 KB
  Проблема представления знаний Язык Человек лингвизирует свой мир живет в мире пересотворяемом с помощью его собственного языка. Границы языка границы мира. Если два языка подобны некой системе то они подобно друг другу.