С ДВУХПОЗИЦИОННЫМ РЕГУЛЯТОРОМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Экспериментальное определение динамических характеристик теплового объекта управления.

2. Расчеты и экспериментальное определение переходных процессов в САР с двухпозиционным регулированием.

1. СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Состав лабораторной установки соответствует структурной схеме САР (рис.4.1).

Объект управления ОУ является печь, подогреваемая спиралью, и датчик температуры на основе термопары типа ТХК. Печь реализована на проволочном резисторе R4 типа ПЭВ сопротивлением 680 Ом и мощностью 50 ватт. Внутрь трубки резистора вставлены две термопары, обозначенные на панели стенда как R2t^o и R3t^o. Термопара R3t^o безинерционная и содержит лишь две сваренные в активной зоне проволочки, а термопара R2t^o инерционная, так как ее активный спай помещен в керамическую гильзу. В верхнем положении тумблера SA2 подключена термопара R2t^o, а в нижнем - термопара R3t^o. В целом входным сигналом ОУ является напряжение u на нагревателе R4, а выходом – температура q.

Регулятор реализован на основе прибора КСП – автоматического потенциометра, в состав которого входит элемент сравнения ЭС и двухпозиционный регулятор гистерезисного типа. Также в приборе задается температура регулирования q _зад. На элементе сравнения вычитанием формируется сигнал q ошибки регулирования. Нелинейный элемент НЭ с гистерезисной характеристикой в зависимости от величины входного сигнала q формирует сигнал z логического уровня, принимающем два значения 0 и 1. По сигналу z формируется сигнал напряжения u, принимающем тоже только два значения 0 вольт и К вольт. Величина напряжения u регулируется переменным резистором R5 и контролируется вольтметром, установленном на стенде. Величина тока в нагревательном резисторе R4 контролируется миллиамперметром.

Тумблером SA1 включается и выключается прибор КСП. В нижнем положении ключа тумблера SA1 прибор КСП включен и через него может подаваться напряжение на нагреватель R4. В верхнем положении ключа тумблера SA1 прибор КСП выключен и напряжение на нагреватель R4 не подается.

Для охлаждения нагревателя R4 в периоды, когда напряжение на нем нулевое, применен вентилятор, который включается автоматически, если ключ тумблера SA4 находится в верхнем положении и напряжение u на подогревателе нулевое или выходной сигнал z прибора равен 0. Если ключ тумблера SA4 находится в нижнем положении, то вентилятор работает постоянно.

Прибор КСП содержит две шкалы. На нижней шкале отображается величина э.д.с. е термопары, подключенной к входу прибора. Эта э.д.с., как известно, прямо пропорциональна разности температур спая термопары и температурой прибора, которая равна температуре окружающей среды. Поэтому при первом включении прибора показания по нижней шкале нулевые. Измеряемая температура определяется через э.д.с. по градуировочной таблице, фрагмент которой приведен в табл.4.1.

Таблица 4.1 - Градуировочная таблица термопары ТХК (хромель-копель)

На верхней шкале имеются две стрелки – зеленая и красная. С помощью этих стрелок настраиваются минимальная температура (зеленая стрелка), при которой выходной сигнал z равен 1 и на нагреватель подается напряжение, и максимальная температура (красная стрелка), при которой выходной сигнал z равен 0 и нагреватель обесточен. Обе стрелки имеют винтовые стопоры.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ТЕПЛОВОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

2.1. Экспериментальная часть

Снимаются характеристики переходных процессов нагрева и охлаждения при активных термопарах без гильзы и с гильзой.

Для сокращения времени эксперимента в периоды нагрева и охлаждения через равные промежутки времени снимают показания с двух термопар, переключаемых тумблером SA2.

При снятии переходного процесса нагрева необходимо:

1). Выключить питание стенда. Открыть стеклянную дверцу прибора КСП и, нажав расположенную в низу прибора пластину, выкатить механизм прибора.

2). Ослабить стопорные винты зеленой и красной стрелок верхней шкалы, установить зеленую стрелку на отметке 0,8 mV шкалы, а красную – в правом конце (более mV). Зеленую стрелку застопорить.

3). Задвинуть механизм прибора и закрыть дверцу.

4). Включить питание стенда, выключить вентилятор (ключ тумблера SA4 вверху), выбрать безинерционную термопару R2t^o (ключ тумблера SA2 внизу), включить КСП (ключ тумблера SA1 внизу).

5). Установить с помощью резистора R5 ток в нагревателе R4 равным значению, указанном в таблице 4.4, мА и с этого момента, для которого принять время t=0, снимать показания с нижней шкалы прибора через каждые 0,5 минут. После съема значения э.д.с. для безинерционной термопары (би), переключиться на термопару в гильзе (г), снять показания и снова переключиться на безинерционную термопару.

Таблица 4.2 - Опыт определения динамических характеристик ОУ.

№ точки, i						…	…	…	…	n
Время t, мин		0,5	1,0	1,5	2,0	…	…	…	…	0,5×n

С целью минимизации погрешностей опыта, показания нужно снимать за минимально возможное время.Опыт закончить, когда на обеих термопарах э.д.с. через 1 мин. изменится менее, чем на 0,1 мВ. Считается, что установившийся процесс достигнут, и температура больше не изменяется.

Этим завершается опыт нагрева. Далее выполняется опыт охлаждения:

1). Резистором R5 снизить до нуля ток в нагревателе R4. Включить на постоянную работу вентилятор (ключ тумблера SA4 внизу).

2). Заполнить показания в таблицу 4.2. Так как установившиеся значения э.д.с. и температуры при охлаждении заранее известны и равны 0, то съем данных и заполнение таблицы можно прекратить в момент, когда э.д.с. на нижней шкале прибора опустится ниже 1 мВ.

3). Выключить стенд.

2.2. Расчетная часть

Используя данные таблиц нагрева и охлаждения, построить графики переходных процессов и рассчитать динамические характеристики объекта управления с безинерционной термопарой. Типичный вид графиков приведен на рис.4.2.

График нагрева с безинерционной термопарой аппроксимируется выражением

где Т_Н – постоянная времени нагрева объекта, определяемая из следующего расчета:

а). Заполнить таблицу 4.3, в которой

Таблица 4.3 – Расчет характеристик процессов.

б). Постоянную времени Т_Н определить по формуле

График охлаждения с безинерционной термопарой аппроксимируется выражением

где Т_О – постоянная времени охлаждения объекта, определяемая из следующего расчета:

а). Заполнить таблицу 4.3, в которой

б). Постоянную времени Т_О определить по формуле .

Дифференциальное уравнение для объекта имеет вид

где k – коэффициент передачи объекта, который определяется для режима нагрева выражениями, соответственно, при использовании безинерционной термопары и термопары в гильзе

Для режима охлаждения значение k из приведенных опытов определить невозможно, Это допустимо, так как при любом k правая часть дифференциального уравнения равна нулю из-за того, что U =0.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ДВУХПОЗИЦИОННОЙ

САР ТЕПЛОВОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

3.1. Экспериментальная часть

Исходными данными для проведения опытов являются:

1). Величина тока I и напряжения U нагревателя R4 в интервалах нагрева.

2). Минимальная e_min и максимальная e_max э.д.с. и соответствующие им минимальная q _min и максимальная q _max температуры процесса регулирования.

Значения тока I и напряжения U принять такими же, как в п.2. Значения минимальной e_min и максимальной e_max э.д.с. процесса взять из таблицы вариантов индивидуального задания (табл.4.4).

При снятии переходного процесса нагрева необходимо:

1). Выключить питание стенда. Открыть стеклянную дверцу прибора КСП, выкатить механизм прибора.

2). Ослабить стопорный винт зеленой стрелки верхней шкалы, установить зеленую стрелку на отметку e_{min .би}, а красную – на отметку e_{max .би}. Зеленую стрелку застопорить.

3). Задвинуть механизм прибора и закрыть дверцу.

4). Включить питание стенда, выключить вентилятор (ключ тумблера SA4 вверху), выбрать безинерционную термопару R3t^o (ключ тумблера SA2 внизу), включить КСП (ключ тумблера SA1 внизу).

5). Установить с помощью резистора R5 ток в нагревателе R4 равным заданному и с этого момента, для которого принять время t=0, снимать показания с нижней шкалы прибора через каждые 0,5 минут. Результаты опыта оформить в виде таблицы 4.2. Опыт закончить, когда периодически изменяющаяся э.д.с. совершит два полных колебания.

6). Выключить питание стенда. Открыть стеклянную дверцу прибора КСП, выкатить механизм прибора, ослабить стопорный винт зеленой стрелки верхней шкалы, установить зеленую стрелку на отметку e_{min .г}, а красную – на отметку e_{max .г}. Зеленую стрелку застопорить. Задвинуть механизм прибора и закрыть дверцу.

7). Включить питание стенда, выключить вентилятор (ключ тумблера SA4 вверху), выбрать термопару в гильзе R2t^o (ключ тумблера SA2 вверху), включить КСП (ключ тумблера SA1 внизу).

8). Снимать показания с нижней шкалы прибора через каждые 0,5 минут. Результаты опыта оформить в виде таблицы 4.2. Опыт закончить, когда периодически изменяющаяся э.д.с. совершит два полных колебания.

Используя данные таблицы регулирования, построить графики переходных процессов. Типичный вид графиков приведен на рис.4.3. Переходный процесс регулирования в двухпозиционной САР температуры в объекте является периодическим и несинусоидальным. Такой процесс называется автоколебаниями. Температура колеблется от минимальной _min температуры до максимальной q _max около среднего значения q _ср.

Параметрами регулирования являются период Т_ак и амплитуда А_ак автоколебаний. Амплитуда автоколебаний А_ак характеризует ошибку регулирования.

3.2. Расчетная часть

Используя параметры рассчитанных в п.2 дифференциальных уравнений объекта

и .

с использованием безинерционной термопары, и заданные значения температур q _min и q _max рассчитать автоколебательный участок переходного процесса. Построить расчетные графики q (t) и из них определить параметры автоколебательного процесса - период Т_ак и амплитуду А_ак.

На участке 1-2 температура изменяется от температуры q _min по закону

(отсчет времени от точки 1, т.е. t₁=0), а на участке 2-3 – по закону

.

(отсчет времени от точки 2, т.е. t₂ =0).

4. ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

1. Варианты для выполнения лабораторной работы:

* - Значение напряжения U снять с вольтметра.

2. В лаборатории выполнить работы экспериментальной части п.2.1 и п.3.1.

3. Выполнить расчеты и построения расчетной части п.2.2 и п.3.2.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Таблицы типа 4.2 для всех опытов экспериментальной части.

2. Рисунок 4.1 и графики типа изображенных на рис.4.2 4.3, построенные по опытным данным.

3. Результаты аппроксимации, сведенные в таблицу 4.3, и расчеты постоянных времени Т_Н и Т_О и коэффициента передачи k_би для объекта с безинерционной термопарой.

4. Расчеты автоколебательного участка регулирования температуры и соответствующие этим расчетам графики для объекта с безинерционной термопарой.

6. Контрольные вопросы

1. Что такое двухпозиционное регулирование?

2. За счет чего достигается инерционность термопары?

3. Какие показатели качества используются для настройки двухпозиционного регулятора?

4. Что такое автоколебательный переходный процесс?

5. Как изменится вид переходного процесса в п. 3.1, если не включится вентилятор?

Поиск по сайту: