Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра промышленной кибернетики и

систем управления

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ДВУХПОЗИЦИОННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине «Введение в специальность»

для студентов специальности 220301

и направления 220200

Магнитогорск

2011

Составитель Ю.С. Артамонов

Автоматическое двухпозиционное регулирование: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Введение в специальность» для студентов специальности 220301 и направления 220200. Магнитогорск: МГТУ, 2011. 9 с.

В инструкции приводятся основные теоретические сведения о принципах автоматического двухпозиционного регулирования, построены графики, иллюстрирующие работу регулятора, показано, что значение регулируемого параметра поддерживается лишь в среднем, приведена подробная последовательность действий при экспериментальном исследовании регулятора.

Рецензент: канд. техн. наук, доц. Леванов В.В.

© Ю.С. Артамонов, 2011

Автоматическое двухпозиционное регулирование

Цель работы:

изучить принцип работы двухпозиционного автоматического регулятора на примере регулятора температуры;

в опытах получить временную зависимость изменения температуры в ходе автоматического двухпозиционного регулирования температуры нагреваемого изделия;

изучить влияние нагрузки на вид временных характеристик.

Приборы и материалы: специализированная лабораторная установка, секундомер.

1. Принцип регулирования и основные закономерности

Системы автоматического регулирования (САР) подразделяются на непрерывные и прерывистые.

В непрерывныхСАРнепрерывному изменениюрегулируемого параметра соответствуетнепрерывное изменение величин во всех элементах системы.

В прерывистойСАРнепрерывному изменениюрегулируемого параметра соответствуетпрерывистое изменениевоздействий (сигналов) хотя бы водномиз элементов системы.

В составе релейнойпрерывистой САР среди основных элементов цепи регулирования имеетсяхотя бы один релейный элемент.

Релейный элемент –такой, в которомнепрерывномуизменению входной величиныотвечаетскачкообразное изменениевыходной величины, проявляющееся лишьпри определённых значениях входной величины. Статические характеристики релейного элемента изображены на рис. 1. Примером электрического релейного элемента является электромагнитное нейтральное реле постоянного тока /1/.

Двухпозиционным автоматическим регулированиемназывается такое регулирование, при которомблагодаря действию релейного элементарегулирующийорган, например, клапан,имеет только два положения– полного открытия и полного закрытия, а приток энергии или вещества в объект регулирования – только два значения – максимальное и минимальное.

Простой пример двухпозиционного регулирования температуры жидкости в баке показан на рис. 2а.

Приток жидкости в бак обозначен Q_пр, отток жидкости через патрубок обозначенQ_от. В баке расположен нагреватель, включаемый регулятором. Датчиком температуры жидкости является контактный ртутный термометр, установленный вблизи выходного патрубка.Релейным элементом является ртутный термометр совместно среле Ксо статической характеристикой по рис. 1а; он не имеет зоны возврата.

На рис. 2в крупно изображён контактный термометр. Столбик ртути замыкает два контакта, один из которых – верхний – может быть установлен выше или ниже в зависимости от заданной температуры срабатывания _зд. Когда температура датчика_д достигнет заданного значения температуры_зд, ртутный столбик удлинится и замкнёт контакты термометра, включённые последовательно с обмоткой реле К и источником питанияU_п2, реле сработает, его контакт К в цепи нагревателя и источника питанияU_п1 разомкнётся /1/, в связи с чем прекратится ток в нагревателе и нагрев жидкости. При уменьшении температуры датчика ниже_здртутный контакт разомкнётся, реле отпустит, контакт К замкнётся, и через нагреватель вновь потечёт ток. Так регулятор поддерживает температуру жидкости вблизи заданной температуры_зд.

В другом примере по рис. 2б датчик температуры установлен на некотором расстоянии от бака в конце трубопровода, по которому сливается жидкость. В этом случае имеет место так называемое чистое (транспортное) запаздывание, т.е. временной график температуры датчика _дсдвинут во времени относительно температуры жидкости в баке на некоторую величинуt, называемую временем запаздывания, зависящую от расстояния до датчика и скорости течения жидкости.

Процесс двухпозиционного регулирования в сильной мере зависит от двух факторов: от наличия и величины зоны возврата релейного элемента и от времени запаздывания. В одних случаях можно пренебречь величиной зоны возврата, в других случаях - запаздыванием.

Процесс двухпозиционного регулирования температуры двухёмкостного объекта, обладающего самовыравниванием /2/, при наличии зоны возврата_в релейного элемента и времени переходного запаздыванияtпоясняется графиками, приведёнными на рис. 3. Например, такой объект может представлять собой печь с малоинерционным нагревателем защитной газовой среды, в которой нагревается некоторое массивное изделие, температура которого измеряется электрическим термометром – датчиком температуры изделия.

На верхнем графике изображена временная зависимость изменения температуры нагреваемой среды 1 и чувствительного элемента датчика 2. Заданное значение температуры обозначено _зд.Зона возврата_в расположена симметрично относительно заданной температуры_зд

На нижнем графике показано изменение притока тепла Q_при оттока теплаQ_отво времени.

Построение выполнено, начиная с момента включения при t=0, когда графики пересекают ось абсцисс, расположенную на уровне температуры окружающей среды. График температуры датчика 2 сдвинут относительно графика температуры среды 1 на величину времени запаздыванияt. Величинаtполучена как точка пересечения касательной к кривой 2 в точке перегиба П с осью абсцисс.

После включения притока Q_прв момент времениt=0 температура среды начинает повышаться (кривая 1). Растёт и температура датчика (кривая 2). Когда температура датчика достигнет верхней границы зоны возврата, превысив в момент времениt₂температуру задания_здна величину_в/2 (см. одновременно рис. 1), нагреватель отключится, приток теплаQ_прпрекратится. Вследствие тепловой инерционности объекта в течение ещё некоторого времени температура среды и датчика будет увеличиваться, а затем последует уменьшение температуры. В момент времениt₃температура датчика достигнет нижней границы зоны возврата, и нагреватель включится вновь. В дальнейшем процесс включения и отключения притокаQ_прбудет повторяться в автоколебательном режиме, вызывая непрерывные колебания температуры изделия и датчика с максимальным отклонением от заданной температуры_з вверх на_m(+)и вниз на_m(-). Средняя температура_среднможет быть определена из условия, что площади, ограниченные сверху и снизу кривой 2 и уровнем_средн, должны быть равны. Эта средняя температура не совпадает с заданной температурой_з, отклонение будет тем меньше, чем меньше запаздывание, т.е. уменьшается с увеличением нагрузки.

Замечание. Кривые 1 и 2 на рис. 3 построены по теоретическим зависимостям. На реальных тепловых объектах перегибы кривых не такие острые, они сглажены вследствие плавности протекания тепловых процессов.