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

49679. Изучение ассортимента и оценка качества колбас вареных, поступающих на реализацию в магазин «Дикси» 17.62 MB
  Рядовой потребитель может обнаружить на прилавке 3-5 видов той же «Докторской», причем иногда даже одного и того же производителя. Дело в том, что по нашим нынешним законам каждый производитель имеет право разрабатывать свои ТУ (технические условия)
49680. ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙРОСЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЫНОЧНОЙ ОЦЕНКИ АКЦИЙИЕ НЕЙРОСЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЫНОЧНОЙ ОЦЕНКИ АКЦИЙ 1.26 MB
  Рынок ценных бумаг играет важнейшую роль в экономике любой страны. Целью его развития является обеспечение стабильного экономического роста в стране и, как следствие этого, повышение уровня благосостояния граждан. Следует подчеркнуть, что рынок ценных бумаг - это важнейший компонент экономического роста на современном этапе развития экономики России.
49681. Малоэтажный жилой дом 140.32 KB
  Цель проектных поисков — создание более гуманной жилой среды за счет уменьшения этажности, сооружения интимных дворовых пространств, разнообразия квартирного фонда и внешнего облика застройки, сближения масштабов человека с масштабами застройки и дворовых пространств, что способствует гармонизации соотношения человека с внешней средой.
49685. Сборка отсека фюзеляжа Ф-4 среднемагистралного пассажирского самолета 309.5 KB
  В настоящее время одним из главных элементов производственного процесса изготовления авиационной техники следует считать сборочное производство. Сборочное производство характеризуется постоянно возрастающей сложностью сборочных работ, сравнительно невысоким уровнем механизации и автоматизации технологических процессов и, как следствия, большими затратами на производство, невысоким уровнем производительности и большой трудоемкостью изготовления продукции.
49686. Проектирование линейного центробежного нагнетателя природного газа мощностью 25 МВт и отношением давлений П=1,44 2.01 MB
  Определение физических констант газа. при добыче нефти и газа на магистральных газопроводах для наддува двигателей внутреннего сгорания в газотурбинных установках для получения сжатого воздуха имеющего силовое назначение пневматический инструмент молоты прессы и т. Российская Федерация является обладателем крупнейших в мире запасов полезных ископаемых нефти природного газа следствием чего стало доминирующее влияние добычи природных ресурсов на экономику и развитие нашего государства.