Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАТИКИ
Кафедра «Автоматизации и вычислительной техники»
«Регулирование температуры в объекте с помощью измерителя-регулятора ТРМ-1»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе №2
по дисциплине «Основы автоматизации производственных процессов»
для студентов направления 130503.65 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений всех форм обучения
Тюмень 2012
Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского государственного нефтегазового университета
Составители: ст. преподаватель Смирнов В.И.
ассистент Смирнов Д.В.
© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2012 г.
Содержание
|
4 |
|
4 |
|
2.1. Цель работы |
4 |
|
2.2. Основные теоретические положения |
4 |
|
2.3. Порядок выполнения работы |
17 |
|
2.4. Задание к лабораторной работе |
17 |
|
2.5. Основные правила по технике безопасности |
17 |
|
2.6. Оборудование для работы |
18 |
|
2.7. Содержание отчета о проделанной работе |
20 |
|
2.8. Контрольные вопросы |
20 |
|
3. Критерии оценки работы обучающегося |
21 |
|
4. Список литературы |
21 |
уметь:
владеть:
Ознакомиться с устройством и принципом работы измерительного и регулирующего прибора ТРМ-1. Получить навыки настройки, проверки и подготовки прибора ТРМ-1. Экспериментально снять динамическую характеристику объекта. Снять переходную характеристику замкнутой системы регулирования температуры в печи
Наиболее высокая эффективность работы любого предприятия может быть достигнута при автоматическом управлении технологическими процессами в оптимальном режиме, когда обеспечивается наибольшая производительность с наилучшим использованием энергетических и сырьевых ресурсов Соблюдение всех требований технологического регламента является обязательным условием, обеспечивающим надлежащее качество выпускаемой продукции, рациональное и экономичное ведение производственного процесса, сохранность оборудования и безопасность труда.
В настоящее время оптимальное управление процессом осуществляется при помощи использования микропроцессорной техники. Разработанные на ее основе системы автоматического управления обладают целым рядом преимуществ. Они позволяют реализовать сложные законы регулирования, благодаря использованию свободно программируемой структуры, могут использоваться для автоматического управления технологическими комплексами, рассредоточенными на большой площади, осуществляют контроль, сигнализацию и регистрацию состояния производственного процесса. Кроме того, использование систем автоматического управления ведет к значительному снижению численности обслуживающего персонала.
Рассмотрим структурную схему замкнутой системы автоматического регулирования технологических параметров объекта 1 с помощью регулятора 2, изображенную на рис.1.
Рис.1. Структурная схема замкнутой системы регулирования
Автоматической системой регулирования будем называть совокупность объекта регулирования и регулятора взаимодействующих между собой.
Объектом управления называется динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий.
Автоматический регулятор - это средство автоматизации, получающее, усиливающее и преобразующее сигнал отклонения регулируемой величины и целенаправленно воздействующее на объект регулирования; он обеспечивает поддержание заданного значения регулируемой величины или изменение ее значения по заданному закону.
Для того чтобы правильно выбрать и эффективно использовать автоматические регуляторы, необходимо хорошо знать их возможности, технические характеристики и принципы действия. Особенно важно знать и уметь правильно учитывать динамические характеристики регуляторов, так как в реальных промышленных условиях любой регулятор находится под влиянием непрерывно изменяющихся воздействий и по самой сущности своего назначения должен реагировать на них в соответствии с заданным динамическим законом.
Автоматические регуляторы классифицируются в зависимости от назначения, принципа действия, конструктивных особенностей, вида используемой энергии и др.
По виду регулируемого параметра автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы температуры, давления, разряжения, расхода, уровня, состава и содержания веществ и т. п.
По характеру изменения регулирующего воздействия автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы с линейным и нелинейным законами регулирования, а по виду выходного сигнала - на непрерывные (с аналоговым или импульсным выходным сигналом) и дискретные или цифровые (с квантованным выходным сигналом по времени или, как по времени так и по уровню).
Рис.2. Переходные процессы при задающем (а) и
возмущающем (б)воздействиях
В большинстве случаях принимается, что регулятор можно считать "идеальным", т. е. он с достаточной для практики точностью подчиняется некоторому заданному дифференциальному уравнению, называемому стандартным законом регулирования. В действительности закон функционирования реального регулятора может настолько сильно отличаться от заданного, что не учет этих различий приведет к резкому ухудшению качества регулирования или даже к неустойчивости всей системы.
Наиболее широкое распространение получили линейные законы регулирования, которые можно в общем виде описать уравнением вида
(1)
где Со, С1, С2 - параметры настройки регулятора (постоянные коэффициенты);
- входной сигнал регулятора (сигнал ошибки, рассогласования);
- выходной сигнал регулятора (регулирующее воздействие).
Такой закон регулирования относится к классу так называемых стандартных законов.
В уравнении (1):
- называется пропорциональной или П-составляющей закона;
- интегральной или И- составляющей;
- дифференциальной или Д- составляющей.
Сумма этих трех составляющих образует ПИД-закон регулирования. Разумеется, во многих системах нецелесообразно по тем или иным причинам включать все три составляющие в закон регулирования, поэтому широко распространены регуляторы с одной или двумя из трех названных составляющих. При отсутствии отдельных составляющих закона можно получить П-, И-, Д-, ПИ-, ПД- законы регулирования.
Следует обратить особое внимание на знак " - " в выражении (1), который существенен при рассмотрении замкнутых систем автоматического регулирования. Этот знак показывает направление срабатывания регулятора и, следовательно, его физическую природу, поскольку регулятор должен всегда вырабатывать сигнал противодействия при воздействии на объект регулирования всякого рода возмущений.
Простота настройки стандартных регуляторов и достаточно высокое качество регулирования на подавляющем большинстве объектов обеспечили им широкое распространение в промышленности. Промышленность выпускает регуляторы общепромышленного назначения различных типов. Они отличаются видами носителей информации и источниками энергии, структурными схемами, видами элементов, используемых при их построении, и т. д. Однако общей для них является задача воспроизведения одних и тех же стандартных законов регулирования. Поэтому основными характеристиками автоматического регулятора являются динамическая точность и надежность реализации заданного закона регулирования.
Сведения об условиях, при которых регулятор можно считать "идеальным", позволяют во многих случаях значительно упростить расчет параметров настройки системы регулирования.
На вход регулятора подается сигнал ошибки с суммирующего устройства (элемента сравнения) 3
(2)
где g(t) - задающее воздействие; y(t) - регулируемая величина.
На объект управления воздействуют возмущения f(t), а система автоматического регулирования стремится сохранить в допустимых пределах отклонения между требуемыми и действительными изменениями регулируемых переменных при помощи их сравнения.
При нарушении равновесия системы автоматического регулирования каким-либо воздействием (управляющим или возмущающим) в ней возникает переходный процесс, характер которого зависит от свойств системы и от вида воздействия.
Обычно представляет интерес характер процесса, который происходит при возмущающем воздействии в форме скачка. При таком возмущающем воздействии переходный процесс имеет менее благоприятную форму, чем при медленно изменяющемся возмущении.
Поэтому качество любой системы автоматического регулирования оценивается по переходной характеристике hвозм(t) по отношению к единичному ступенчатому возмущающему воздействию. Качество систем автоматического управления, кроме того, оценивают по переходной характеристике h3(t) по отношению к единичному ступенчатому задающему воздействию. При этом требуется, чтобы переходный процесс был в определенном смысле наилучшим.
Переходные процессы по отношению к задающему и возмущающему воздействиям приведены на рис.2.
Основными показателями качества процесса регулирования являются: время регулирования, перерегулирование, колебательность и установившаяся ошибка .
Временем регулирования tp называется время, в течение которого, начиная с момента приложения воздействия на систему, отклонения регулируемой величины ∆hвозм(t) от ее установившегося значения hвозм.о – hвозм. (∞) будут меньше наперед заданного значения ошибки возм.о. Таким образом, время регулирования определяет длительность (быстродействие) переходного процесса. Оптимальное значение tp находится в пределах (3 ÷ 4) Тоб.
Перерегулированием - называется максимальное отклонение ∆hмакс регулируемой величины от ее установившегося значения ho, выраженное в процентах по отношению к ho .
Колебательность системы характеризуется числом колебаний n регулируемой величины за время регулирования tp. Если за это время переходный процесс в системе совершает число колебаний меньше заданного по условиям технологии, то считается, что система имеет требуемое значение колебательности .
Установившаяся ошибка или точность регулирования определяется как разность двух значений - установившегося h∞ регулируемой величины и заданного go :
(3)
По отношению к возмущающему воздействию [1]:
(4)
Степенью затухания - называется отношение разности двух соседних амплитуд одного знака кривой переходного процесса к большей из них :
(5)
Показатели качества регулирования определяют непосредственно по кривой переходного процесса, которую можно получить экспериментально или решением дифференциальных уравнений замкнутой системы.
Чтобы обеспечить требуемое качество регулирования необходимо выбрать оптимальные параметры регулятора. Для определения оптимальных параметров настройки регуляторов необходимы сведения о статических и динамических характеристиках объектов регулирования. Эти характеристики могут быть получены либо аналитически, либо экспериментально.
Обычно оптимальные настройки регуляторов определяют по переходным характеристикам объекта. Пример такой характеристики приведен на рис.3. Для точного определения переходной характеристики проводят несколько опытов, в результате которых получают v переходных характеристик hi(t), обычно отличных друг от друга. Их усредняют по формуле (6)
Рис.3. Экспериментальные переходные характеристики статических (а) и астатических (б) объектов регулирования при единичном ступенчатом воздействии 1(t)
(6)
и далее аппроксимируют. При практических расчетах наиболее часто h(t) объекта аппроксимируют апериодическим звеном с запаздыванием, которое имеет передаточную функцию:
(7)
Переходные характеристики объектов регулирования получают при
где Нmax = 100% хода регулирующего органа. Для объекта с самовыравниванием коэффициент усиления может быть непосредственно найден из графика переходной функции по формуле:
(8)
Часто удобно пользоваться безразмерными единицами. Тогда:
(9)
За Уном для упрощения расчетов можно принять значение Уо.
(10)
Тогда безразмерный коэффициент передачи:
(11)
Запаздывание и постоянную времени объекта Тоб определяют непосредственно по графику.
В настоящей лабораторной работе использован регулятор, формирующий пропорциональный (П) - закон регулирования.
П-регулятор. Если коэффициенты С1 = С2 = 0, то получим пропорциональный регулятор или регулятор с жесткой обратной связью. Такой регулятор называют статическим.
Автоматические устройства, в которых регулирующее воздействие на объект пропорционально величине отклонения регулируемой координаты были известны еще в XVIII веке.
Закон регулирования такого регулятора записывается в виде
(12)
где kp- коэффициент передачи (пропорциональности) регулятора;
yT - текущая координата, определяющая значение регулируемой
величины;
yз - заданное значение регулируемой величины;
y(t) - регулируемая величина;
g(t) - сигнал задания или задающее воздействие.
Коэффициент пропорциональности является параметром настройки регулятора.
Передаточная функция П-регулятора
(13)
В схемах регулирования, где противодействие регулятора создается за счет формирования отрицательного значения с помощью элемента сравнения, знак "-" опускается и фаза идеального регулятора уменьшается на угол . В этом случае для П-регулятора закон регулирования будет
(14)
Характерной особенностью системы с П-регулятором является изменение заданного значения регулируемой величины y(t) при изменении значения регулирующего воздействия в состоянии равновесия, так как состояние равновесия такого регулятора возможно при различных значениях входного сигнала . Это дало основание называть П-регулятор статическим (его выходное воздействие не является функцией времени).
Изменение значений регулируемой величины y(t) при различных возмущениях (нагрузках) обычно весьма нежелательно.
Уменьшить эти отклонения можно, увеличивая коэффициент пропорциональности регулятора kp. Но в подавляющем большинстве случаев изменения регулируемого параметра происходит не мгновенно, а спустя некоторое время, определяемое инерцией и запаздыванием в объекте, что увеличивает сигнал ошибки регулирования . Вследствие этого необходимо ограничить изменения y(t), так как в противном случае будет иметь место избыточное регулирующее воздействие , которое может привести к неустойчивости системы регулирования. Из этих соображений следует уменьшить значение kp. Но уменьшение kp приводит к увеличению диапазона изменения сигнала ошибки . Величина отклонения этого сигнала в состоянии равновесия при максимально возможном y(t) носит название остаточной неравномерности Если максимальное значение y(t) равно 1 (в относительных единицах), то остаточная неравномерность Величина остаточной неравномерности в замкнутой системе зависит от свойств объекта.
Остаточная неравномерность регулятора может, быть устранена, если регулирующее воздействие пропорционально сумме воздействий от изменения регулируемой величины и интеграла, взятого по времени от этого изменения. В этом случае регулирующее воздействие будет изменяться до тех пор, пока существует отклонение регулируемой величины от задания. Такое регулирующее воздействие формирует ПИ-регулятор или в частном случае - И-регулятор.
Структурная схема идеального П-регулятора приведена на рис 4.
У
П
Рис.4 Структурная схема П-регулятора
В качестве такого регулятора рассмотрим промышленный П – регулятор типа ТРМ-1.
Микропроцессорный программируемый измеритель-регулятор типа ТРМ-1 совместно с входным датчиком предназначен для контроля и управления различными технологическими производственными процессами и позволяет осуществить следующие функции:
Функциональная схема прибора приведена на рис.5
ЛУ
Цифровой
фильтр
ВУ
Вход
Цифровой индикатор
датчик
нагрузка
Блок обработки данных
ТРМ-1
Рис.5 Функциональная схема регулятора ТРМ-1
Прибор имеет вход для подключения датчиков, блок обработки данных, состоящий из измерителя физических величин, цифрового фильтра и логического устройства.
Логическое устройство в соответствии с запрограммированными пользователем функциональными параметрами формирует сигналы управления выходным устройством, которое в зависимости от модификации прибора может быть дискретного или аналогового типа.
На лицевой панели ТРМ-1 расположены элементы управления и индикации (рис.6):
прог
предназначена для входа в режим просмотра и установки рабочих параметров, а также для записи новых значений в энергонезависимую память прибора;
Рис. 6 Лицевая панель регулятора ТРМ-1
В режиме “Программирование” осуществляется просмотр и изменение значений параметров регулирования: установки Т и значения гистерезиса ∆.
прог
Программирование осуществляется кратковременным (около 1с) нажатием на кнопку . Последовательность работы с прибором в режиме “программирование” приведена на рис. 7.
Рис.7 Последовательность работы с прибором в режиме “Программирования”
2.3. Порядок выполнения работы
Таблица 1
|
t, мин |
0 |
1 |
2 |
... |
|
Т, оС |
Таблица 2
|
t, мин |
0 |
1 |
2 |
... |
|
Т, оС |
2.4. Задание к лабораторной работе
При выполнении лабораторной работы необходимо:
2.5. Основные правила по технике безопасности
Перед началом выполнения лабораторной работы:
Во время работы:
По окончании работы:
При выполнении работы строго запрещается:
2.6. Оборудование для работы
Лабораторный стенд «регулирование температуры в печи с помощью измерителя-регулятора ТРМ-1»
В данном лабораторном стенде собрана система регулирования температуры печи, структурная схема которой приведена на рис 8.
Рис.8 Структурная схема регулирования температуры в печи
Температура в печи регулируется изменением положения регулирующего органа на линии подачи топлива (электроэнергии). Сигнал с другого датчика поступает на вход регулирующего прибора ТРМ-1. В качестве датчиков используются термометры сопротивления типа ТСМ, с диапазоном измерения -50 ÷ 200 оС, ∆=0,1.
Регулирующий прибор сравнивает сигналы от датчика 2 и внутреннего задатчика 3 и формирует сигнал рассогласования, обрабатываемый по закону П-регулирования. Выходной сигнал регулятора воздействует на пусковое устройство 4. Пусковое устройство усиливает сигнал регулятора и управляет работой исполнительного механизма 5 и, соответственно, изменяет положение регулирующего органа 7. При изменении положения регулирующего органа в ту или другую сторону изменяется расход сжигаемого топлива (электроэнергии), что приводит к изменению температуры в печи и стабилизации ее на заданном уровне.
2.7. Содержание отчета о проделанной работе
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие пункты:
2.8. Контрольные вопросы
3. Критерии оценки работы обучающегося
Оценка работы студентов включает в себя следующие этапы
|
№ |
Виды работ |
Баллы |
|
1 |
Изучение правил безопасности при работе с прибором; |
|
|
2 |
Выполнение лабораторной работы и оформление отчета по лабораторной работе |
0-5 |
|
3 |
Защита работы по контрольным вопросам |
0-5 |
|
Итого |
0-10 |
4. Список литературы
Методические указания к лабораторной работе №2 по дисциплине «Основы автоматизации производственных процессов» для студентов направления 130503.65 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений всех форм обучения
Составители: ст. преподаватель Смирнов В.И.
ассистент Смирнов Д.В.
Подписано в печать Формат 60х90 2/16 усл. печ. л
Тираж экз. Заказ №358
Библиотечно-издательский комплекс
Федерального государственного бюджетного образовательного
Учреждения высшего профессионального образования
«Тюменский госудорственный нефтегазовый университет».
625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.
Типография библиотечно-издательского комплекса
625039, г. Тюмень, ул. Киевская, 52