Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Теоретическая часть.
|
|
1.1 Обзор существующих САР температуры. Принцип работы манометрического термометра
Температура является показателем термодинамического состояния объекта и используется как выходная координата при автоматизации тепловых процессов. Характеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно и требуется тщательный анализ характеристик каждого конкретного процесса.
Регулирование температуры в инженерных системах производится значительно чаще, чем регулирование каких-либо других параметров. Диапазон регулируемых температур невелик. Нижний предел этого диапазона ограничен минимальным значением температуры наружного воздуха (-40оС), верхний – максимальной температурой теплоносителя (+150оС).
К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и измерителей (датчиков) температуры. Поэтому одной из основных задач при создании АСР температуры является уменьшение инерционности датчиков.
Рассмотрим в качестве примера характеристики наиболее распространенного в инженерных системах манометрического термометра в защитном чехле (рис. 1.1). Структурную схему такого термометра можно представить в виде последовательного соединения четырех тепловых емкостей (рис. 1.2): защитного чехла 1, воздушной прослойки 2, стенки термометра 3 и рабочей жидкости 4. Если пренебречь тепловым сопротивлением каждого слоя, то уравнение теплового баланса для каждого элемента этого прибора можно записать в виде
 (1)
где Gi – масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и
жидкости;
Сpi – удельная теплоемкость;
ti – температура;
α i1, α i2 – коэффициенты теплоотдачи;
Si1, Si2 – поверхности теплоотдачи.
Рисунок 1.1 Принципиальная схема манометрического термометра:
1 – защитный чехол; 2 – воздушная прослойка; 3 – стенка термометра; 4 – рабочая жидкость
Рисунок 1.2 Структурная схема манометрического термометра
Как видно из уравнения (1), основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются:
- повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной при прочих равных
условиях более предпочтительна установке термометров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной) в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатором) и т.п.;
- уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины
- уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполнителей (жидкости, металлической стружки); у термопар рабочий спай припаивается к корпусу защитного чехла;
- выбор типа первичного преобразователя: например при выборе необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей – манометрический термометр.
Каждая АСР температуры в инженерных системах создается для конкретной цели (регулирования температуры воздуха в помещениях (тепло или холодоносителя) и, следовательно, предназначена для работы в общем небольшом диапазоне. В связи с этим условия применения той или иной АСР определяют устройство и конструкцию как датчика, так и регулятора температуры. Например, при автоматизации инженерных систем широко применяются регуляторы температуры прямого действия с манометрическими измерительными устройствами.
В схемах автоматизации инженерных систем используются также биметаллические и дилатометрические терморегуляторы, в частности электрический двухпозиционный и пневматический пропорциональный.
Электрический биметаллический датчик предназначен в основном для двухпозиционного регулирования температуры в помещениях. Чувствительным элементом этого прибора является биметаллическая спираль, один конец которой закреплен неподвижно, а другой свободен и удовлетворяет подвижным контактам, замыкающимся или размыкающимся с неподвижным контактом в зависимости от текущего и заданного значений температуры. Заданную температуру устанавливают поворотом шкалы настройки. В зависимости от диапазона настройки терморегуляторы выпускаются в 16 модификациях с общим диапазоном настройки от – 30 до +35 0С, причем каждый регулятор имеет диапазон 10, 20 и 30 0С. Погрешность срабатывания  1 0С на средней отметке и до 2 – 5 0С на крайних отметках шкалы.
Пневматический биметаллический регулятор в качестве преобразователя-усилителя имеет сопло-заслонку, на которую действует усилие биметаллического измерительного элемента. Эти регуляторы выпускаются 8 модификаций, прямого и обратного действия с общим диапазоном настройки от +5 до +30 0С. Диапазон настройки каждой модификации 10 0С.
Дилатометрические регуляторы устроены на использовании разности коэффициентов линейного расширения инварного (железоникелевый сплав) стержня и латунной или стальной трубки. Эти терморегуляторы по принципу действия регулирующих устройств не отличаются от подобных регуляторов, использующих манометрическую измерительную систему.
1.2 Описание САР температуры воздуха в теплице и ее функциональная схема
На рис. 1.3 показана схема САР температуры воздуха θ в в теплице. Обогрев теплицы обеспечивается нагретой водой, проходящей через трубу 1, температура которой θ т зависит от соотношения горячей и подогретой воды. Это соотношение, в свою очередь, зависит от величины проходного сечения электроуправляемого клапана 2, которое однозначно определяется величиной линейного перемещения Х заслонки клапана.
Рисунок 1.3 Схема САР температуры воздуха в теплице
Температура воздуха θ в в теплице измеряется терморезистором Rд, включенным в мостовую схему 3, которая обеспечивается с помощью резистора R0 задание требуемого значения температуры в атмосфере теплицы. Посредствам мостовой схемы также сравнивается напряжение U, пропорциональное температуре θ в, с задающим напряжением U0, то есть мостовая схема, одновременно выполняет функции задающего и воспринимающего органов (элементов). Сигнал разбаланса мостовой схемы (сигнал рассогласования)  усиливается электронным усилителем 4, выходное напряжение Uу которого управляет электромагнитным клапаном 2. За счет соответствующего изменения перемещения Х заслонки клапана и обеспечивается изменение температуры воды θ т.
В качестве объекта регулирования в данной системе целесообразно рассматривать помещение теплицы совместно с нагревательными трубами. В таком случае регулирующим воздействием на входе объекта будет температура воды θ т, посредствам изменения которой обеспечивается компенсация отклонений температуры воздуха θ вв теплице, возникающих в следствии изменения внешних возмущающих воздействий (изменение температуры и влажности атмосферного воздуха, солнечной радиации, скорости и направления ветра и др.). При исследовании САР в качестве
главного возмущения следует рассматривать изменения температуры атмосферного воздуха, приняв условно, что все остальные возмущающие факторы постоянны.
Динамика САР описывается следующей системой уравнений
Объект регулирования:
 (2)
где Т2- постоянная времени Т2=1440с;
Т1 – постоянная времени Т1=2880с;
 – температура воздуха θ в=25±1 0С;
 - коэффициент передачи  =0, 6;
 - коэффициент передачи  =0, 72.
Датчик температуры:
 (3)
kд - коэффициент передачи  =0, 02В/0С.
Резистор R0:
 (4)
 - задающее напряжение
Электронный усилитель:
 у = kуDU; (5)
kу – коэффициент передачи kу =90
Электроуправляемый клапан:
 (6)
 - коэффициент передачи  =2мм/В
Смеситель горячей и холодной воды:
 (7)
 – коэффициент передачи =0, 80С/мм
Физическая сущность переменных, входящих в уравнение, отражена выше, в описании схемы САР. Параметры уравнения Т1, Т2, и k0, k, kд, kу, kэ, kс– соответственно постоянные времени и коэффициенты передачи; -временное запоздание, зависящее от скорости воды (производительности циркуляционного насоса) и конструктивных размеров системы обогрева.
Рисунок 1.4 Резистор как задающее устройство: Uo – выходная величина Температура воздуха θ вв теплице измеряется терморезистором Rд, включенным в мостовую схему 3, которая обеспечивается с помощью резистора R0 задание требуемого значения температуры в атмосфере теплицы. U0 DU
U
Рисунок 1.5 Функциональная схема сравнивающего органа Объединяя элементарные функциональные схемы (рис. 1.4 …1.10) в соответствии с принципиальной схемой (рис. 1.3), функциональная схема САР примет вид, показанный на рис. 1.11. Посредствам мостовой схемы также сравнивается напряжение U, пропорциональное температуре θ в, с задающим напряжением U0, то есть мостовая схема, одновременно выполняет функции задающего и воспринимающего органов (элементов).
Рисунок 1.6 Функциональная схема усилителя Сигнал разбаланса мостовой схемы (сигнал рассогласования)
 Х
Рисунок 1.7 Электроуправляемый клапан как исполнительный орган За счет соответствующего изменения перемещения Х заслонки клапана и обеспечивается изменение температуры воды θ т.
Рисунок 1.8 Смеситель горячей и холодной воды как преобразующий орган
Рисунок 1.9 Помещение теплицы совместно с нагревательными трубами как объект регулирования:
В качестве объекта регулирования в данной системе целесообразно рассматривать помещение теплицы совместно с нагревательными трубами. В таком случае регулирующим воздействием на входе объекта будет температура воды θ т, посредствам изменения которой обеспечивается компенсация отклонений температуры воздуха θ вв теплице, возникающих в следствии изменения внешних возмущающих воздействий (изменение температуры и влажности атмосферного воздуха, солнечной радиации, скорости и направления ветра и др.). При исследовании САР в качестве главного возмущения следует рассматривать изменения температуры атмосферного воздуха, приняв условно, что все остальные возмущающие факторы постоянны.
Рисунок 1.10 Функциональная схема элемента, входящего в канал обратной связи
Посредствам мостовой схемы также сравнивается напряжение U, пропорциональное температуре θ в, с задающим напряжением U0, то есть мостовая схема, одновременно выполняет функции задающего и воспринимающего органов (элементов).
1.3 Передаточные функции объекта регулирования элементов САР и структурная схема системы Объект регулирования имеет две входных величины и одну выходную. Следовательно, он будет иметь передаточные функции по каждому каналу: по регулирующему Wp(p) и по возмущающему воздействию Wв(p). Передаточную функцию объекта регулирующему воздействию Wp(p), руководствуясь принципом суперпозиции, определим на основе уравнения (12) при f=0:
Рисунок 1.11 Функциональная схема САР: ОУ-объект регулирования; ИО-исполнительный орган; УО - усилительный орган ВО-воспринимающий орган; ПО - преобразующий орган; ЗО-задающий орган
преобразовав его по Лампасу как
где Из последнего выражения (в левой части) вынесем за скобки
и на его основе определим
Аналогично найдем передаточную функцию объекта регулирования по возмущающему воздействию
где С учетом передаточных функций (11, 12), структурную схему объекта регулирования можно представить в виде, показанном на рис.1.12.
Рисунок 1.12 Структурная схема объекта регулирования
Передаточные функции остальных элементов САР, определенные аналогично на основе уравнения (3)-(7), имеют следующий вид: · исполнительного органа: W(p)=kэ (13) · усилительного органа: W(p)=kу (14) · воспринимающего органа: W(p)=kд (15) · преобразующего органа: W(p)=kс (16) На основе функциональной схемы САР (рис.1.11) и найденных передаточных функций, путем замены объекта регулирования в этой схеме его структурной схемой (рис.1.12) и замещением функциональных обозначений элементов соответствующими функциями (13, 14, 15, 16), составим структурную схему системы (рис. 1.13). Структурная схема САР (рис.1.13) является математической моделью, на основе которой выполняется компьютерное моделирование системы в среде ПК «МВТУ».
|
- регулирующее воздействие, 
- регулируемая величина, 
- возмущающее воздействие
(8)
(9)
и 
- соответственно изображения по Лапласу регулируемой величины 
и регулирующего воздействия 
.
(10)
(11)
;
, приняв 
:
(12)
;
;
;
;
-изображение по Лапласу возмущающего воздействия f.
