Осипова В.А., Астахова Т.В. Автоматизация металлургических производств. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБ. РАБ. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА ЛИН-НОЙ СИСТЕМЫ АВТОМ. УПРАВ-ИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-31-

уст

п0

Следовательно, при ступенчатом воздействии система является аста-

тической, содержащей хотя бы одно интегрирующее звено. С точки зрения

точности, системы с И и ПИ-регуляторами предпочтительнее системы

с П-регулятором.

Лабораторная работа ориентирована на применение системы управляющей

лабораторной СУЛ-3 (далее система управляющая).

Система управляющая (рис. 2.3

) предназначена для структурного мо-

делирования автоматической системы регулирования. В состав системы вхо-

дят:

– панель управления;

– устройство связи с объектом;

– аналоговое управляющее устройство (АУУ);

– модель объекта управления (МОУ);

– управляющий триггер для фиксирования режима работы управляю-

щей системы;

– измерительное устройство для определения параметров сигналов в

цепях управляющей системы (ИУ);

– вычислитель оценки (ВО) качества процесса управления.

Система работает в двух режимах: исходное положение и работа.

В режиме ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ производится задание началь-

ных условий для выходных сигналов интегрирующих элементов. В режиме

РАБОТА производится моделирование переходных процессов. Для индика-

ции режима предусмотрен цифровой секундомер, табло которого светится

только в режиме работы.

Панель управления содержит следующие элементы:

– переключатели, потенциометры и кнопки, c помощью которых зада-

ются структура и параметры АУУи МОУ;

– кнопки управления РАБОТА и ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ для пере-

ключения управляющего триггера;

– светодиоды индикации цифровых кодов аналогоцифрового и циф-

роаналогового преобразователей (ВХОД АЦП, ВЫХОД ЦАП);

– органы управления и индикации ИУ (вольтметр, секундомер, схема

управления индикатором, переключатель входа вольтметра и индикатора).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО. УПРАВЛЕНИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-32-

Рис. 2.3. Схема панели управления

ЛАБ. РАБ. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА ЛИН-НОЙ СИСТЕМЫ АВТОМ. УПРАВ-ИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-33-

При пользовании органами управления следует руководствоваться сле-

дующими правилами:

– соединение связей производится установкой соответствующих тумб-

леров в верхнее положение или установкой «клювиков» переключателей в

сторону замыкания линии;

– увеличению коэффициентов передачи потенциометров соответствует

вращение их ручек по часовой стрелке;

– контролируемые потенциометры снабжены кнопками, при нажатии

на которые коэффициент передачи индицируется вольтметром (единичному

коэффициенту передачи потенциометра соответствует отклонение стрелки до

сотого деления).

Аналоговое управляющее устройство (рис. 2.4

) состоит из следующих

основных блоков:

– задающего устройства;

– устройства сравнения;

– интегрирующего, пропорционального и дифференцирующего блоков;

– источника случайных сигналов;

– выходного сумматора;

– нелинейного элемента.

1(t) At sinωt

10K

N(t)

Вход

ЦАП

Рис. 2.4. Схема аналогового управляющего устройства

Задающее устройство позволяет формировать три типовых воздейст-

вия:

– ступенчатое воздействие;

– линейное воздействие;

– гармоническое воздействие.

Амплитуда задающего воздействия регулируется потенциометром и

устанавливается при подключении вольтметра к точке g.

Устройство сравнения служит для формирования сигнала рассогласования:

ЛАБ. РАБ. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА ЛИН-НОЙ СИСТЕМЫ АВТОМ. УПРАВ-ИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-34-

() () () ()=−−et gt Nt yt

где N(t) – случайный сигнал помехи; y(t) – сигнал управляемой величины, по-

ступающий по цепи отрицательной обратной связи.

Интегрирующий, пропорциональный, дифференцирующий блоки и вы-

ходной сумматор позволяют реализовать передаточную функцию управляю-

щего устройства:

ии

дд пп

()

==++

UpКС

WpКСр КС

ep p

где К

– коэффициент передачи интегрирующего блока,

1=K

-1

, 10 с

-1

; С

–

коэффициент передачи потенциометра интегрирующего блока (

01C≤≤

);

– коэффициент передачи дифференцирующего блока, К

= 1 с; С

– коэф-

фициент передачи потенциометра дифференцирующего блока (

01≤≤C

Выполнить теоретическое и экспериментальное исследование точности

исследуемой системы в установившемся режиме для трех типов регуляторов:

П-, И- и ПИ-регулятора. Провести экспериментальное исследование устой-

чивости системы с И- и ПИ-регуляторами, выполнить анализ качества с ис-

пользованием прямых и интегральных оценок качества. Задать параметры в

соответствии с табл. 2.1

Таблица 2.1

Значения параметров системы к работе 2

Тип регуля-

тора

Параметры системы

пΣ

иΣ

0Σ

ПИ

0,05–1

0,05 ÷ 10 с

-1

0,05

10 с

-1

1с

1. К работе с системой управляющей СУЛ-3 допускаются студенты,

изучившие ее техническое описание и инструкцию по технике безопасности

в лаборатории, а также прошедшие инструктаж на рабочем месте.

2. Собрать схему моделирования линейной системы (рис. 2.5

). При

подготовке схемы моделирования следует отключить ненужные блоки путём

установки потенциометров С

, C

в положение нулевого коэффициента пере-

дачи. Тумблеры в цепях обратной связи модели объекта управления и вы-

ЛАБ. РАБ. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА ЛИН-НОЙ СИСТЕМЫ АВТОМ. УПРАВ-ИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-35-

ходного сигнала управляющего устройства следует поставить в нижнее по-

ложение.

3. Для всех экспериментов следует выбрать задающее воздействие

g(t) = 0,5·1(t), отрегулировав его соответствующим потенциометром после

команды ПУСК.

4. Объект управления описывается передаточной функцией вида

01 02

()

( 1)( 1)

Tp Tp

5. В качестве управляющего устройства поочерёдно использовать три

типа регуляторов:

пропорциональный (П) регулятор:

() ,

Wp K=

интегральный (И) регулятор:

()

где

, или

и пропорционально-интегральный регулятор:

()

Wp K

Тp

= +

6. Задать параметры в соответствии с табл. 2.1

. При задании суммарных

коэффициентов передачи К

пΣ

= К

, К

иΣ

= К

следует учитывать, что по-

стоянные коэффициенты имеют значения К

= 1, К

= 1 с

-1

. Коэффициенты

передачи потенциометров С

и С

могут задаваться в пределах от 0,05 до 1.

Интегрирующий блок имеет два диапазона: К

и 10К

, т.е. позволяет полу-

чить постоянные коэффициенты передачи 1 с

-1

и 10 с

-1

7. Для САУ с П-регулятором рассчитать установившуюся ошибку е

уст

Построить график зависимости е

уст

= f(K

пΣ

), где K

пΣ

= С

10K

S+1

1(t)

Рис. 2.5. Схема моделирования к работе 2

ЛАБ. РАБ. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА ЛИН-НОЙ СИСТЕМЫ АВТОМ. УПРАВ-ИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-36-

8. Снять экспериментально зависимость е

= f(К

пΣ

) для САУ с П-регуля-

тором. Сопоставить результаты эксперимента с расчетными данными. Про-

наблюдать величину установившейся ошибки при использовании И- и ПИ-

регуляторов.

9. Рассчитать область возможных значений суммарного коэффициента

передачи интегрирующего блока К

иΣ

, при которых выполняется условие ус-

тойчивости САУ. Расчет выполнить отдельно для И- и ПИ-регуляторов с

учетом приведенных в табл. 2.1

параметров.

При неизменных параметрах объекта управления значения настроен-

ных параметров управляющего устройства, при которых сохраняется устой-

чивость системы, определяются из следующего условия:

для И-регулятора

0 01 02

01 02

()

KT T

для ПИ-регулятора

01 02 0 0

01 02п0

( ) (1 )

TT CK

TT KК

⋅

10. Проверить экспериментально выполнение условий устойчивости

для И- и ПИ-регуляторов.

11. Рассчитать оптимальные значения суммарного коэффициента пере-

дачи интегрирующего блока К

иΣ

для И- и ПИ-регуляторов. Проверить вы-

полнение условий устойчивости при К

иΣ

= К

иΣопт

При схемотехнической и программной реализации рассмотренных ре-

гуляторов удобнее пользоваться коэффициентом передачи интегрирующего

блока, который является обратной величиной по отношению к постоянной

времени. В управляющей системе СУЛ-3 суммарный коэффициент передачи

интегрирующего блока определяется двумя параметрами – К

и С

и ии и

K KC T

−

= =

Значение оптимального суммарного коэффициента передачи интегри-

рующего блока при использовании ПИ-регулятора равно

п0

иΣ опт

п 01 п 0

2(1 )

(3 )

KT KK

ΣΣ

Σ ΣΣ

Для И-регулятора оптимальный коэффициент передачи интегрирующе-

го блока равен

иΣопт

01 0

0,67

12. Для САУ с И, ПИ-регуляторами экспериментально исследовать пе-

реходной процесс. Определить величину перерегулирования и время пере-

ходного процесса при следующих значениях суммарного коэффициента пе-

редачи интегрирующего блока:

ЛАБ. РАБ. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА ЛИН-НОЙ СИСТЕМЫ АВТОМ. УПРАВ-ИЯ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-37-

и и опт

0,2KК

ΣΣ

= ⋅

и и опт

KК

ΣΣ

и и опт

2KК

ΣΣ

= ⋅

При определении времени переходного процесса переключатель секун-

домера следует установить в положение «от е».

13. Определить экспериментальную зависимость интегральной оценки

от суммарного коэффициента передачи, представив полученные результаты в

виде графика:

и опт

∑







14. При экспериментальном определении квадратичной оценки могут

использоваться два диапазона (I и 10I) вычислителя оценки. При выборе диа-

пазона следует руководствоваться удобством значений и отсутствием зашка-

ливания измерительного прибора.

По результатам исследований лабораторной работы оформляется отчет

в соответствии со стандартом организации СТО 4.2

–07–2008 «Система ме-

неджмента качества. Общие требования к построению, изложению

и оформлению документов учебной и научной деятельности» и методиче-

скими указаниями к выполняемой лабораторной работе.

Отчет состоит из титульного листа и информационной части, где отра-

жается задание согласно варианту работы.

Структурная схема исследуемой системы. Расчёты: условий устойчи-

вости, установившейся ошибки и оптимальных значений К

и. опт

для разных

типов регуляторов.

Графики: теоретической и экспериментальной зависимостей е

= f(К

пΣ

)

для трёх типов регулятора; экспериментальные зависимости I

= f(К

иΣ

/К

иΣопт

)

для системы с И- и ПИ-регуляторами; переходные процессы системы с И- и

ПИ-регуляторами по п. 10

и п. 12 с выполненным анализом качества процес-

са регулирования.

1. Каковы статические и астатические системы? Каково понятие, опре-

деления и их свойства?

2. Каковы критерии устойчивости?

3. Какова связь установившейся ошибки с передаточной функцией сис-

темы и входным сигналом?

4. Каково влияние параметров регулятора на переходный процесс сис-

темы и устойчивость системы?

5. Каковы оценки качества переходного процесса?

6. Каково влияние типа регулятора на устойчивость и ошибку системы?

7. Каковы оптимальные настройки регуляторов и критерии оптималь-

ности?



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-38-

Цель лабораторной работы: изучение основных характеристик, воз-

можностей и способов включения датчиков для контроля температуры и вто-

ричных приборов, работающих в комплекте с ними.

Продолжительность работы 4 часа.

Рассмотреть способы включения датчиков для контроля температуры и

вторичных приборов, работающих в комплекте с ними; научиться планиро-

вать и организовывать эксперименты, пользоваться контрольно-

измерительными приборами и средствами автоматизации, проводить расче-

ты, делать выводы по полученным результатам и грамотно, профессионально

представлять отчеты о проделанной работе.

Температура – это условная статистическая величина, прямо пропор-

циональная средней кинетической энергии элементарных частиц вещества

(молекул или атомов).

Для измерения температуры обычно используют изменение какого-

либо физического свойства тела, однозначно зависящего от температуры и

легко поддающегося измерению. К числу свойств, положенных в основу ра-

боты приборов для измерения температуры, относятся: объёмное расширение

тел, изменение давления вещества в замкнутых объемах, возникновение тер-

моэлектродвижущей силы, изменение электрического сопротивления про-

водников и полупроводников, интенсивность излучения нагретых тел и т.д.

Температуру тела или системы обычно определяют по изменению од-

ного из указанных физических свойств специального термоэлектрического

элемента, находящегося в тепловом равновесии с телом или системой, тем-

пература которых определяется.

Применяются две температурные шкалы.

Абсолютная термодинамическая. Началом отсчета термодинамической

шкалы выбрана точка абсолютного нуля, а в качестве единственной реперной

точки принята тройная точка воды, которой соответствует значение 273,1 К.

Однако термодинамическая шкала не получила широкого практического

применения из-за больших трудностей ее реализации с помощью газовых

термометров.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-39-

Международная практическая (более удобная при измерениях). Осно-

вана на ряде воспроизводимых температур фазового равновесия веществ (ос-

новные реперные точки), которые находятся в диапазоне температур от

259,34 °C (тройная точка равновесного водорода) до 1064,43 °C (точка плав-

ления золота). Числовые значения температуры в этой шкале сопровождают

знаком °С (Цельсия).

Существуют контактные и бесконтактные методы измерения темпера-

туры. В первом случае имеет место надежный тепловой контакт чувстви-

тельного элемента прибора с объектом измерения. Во втором случае нет не-

посредственного контакта чувствительного элемента прибора с объектом из-

мерения [6, с.34

Принцип действия термометров расширения основан на изменении

объема жидкости или линейных размеров твердых тел при изменении темпе-

ратуры. Применяются для местных измерений температур в пределах от –200

до +750

С. Погрешность измерения ±1%. Одним из представителей этой

группы является жидкостный стеклянный термометр расширения.

Принцип действия термометра основан на зависимости между темпе-

ратурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной

оболочке. Зафиксировать изменение положения верхней границы столбика

жидкости возможно вследствие различия коэффициентов объемного тепло-

вого расширения жидкости и стекла. Из-за увеличения объема резервуара ви-

димое изменение объема жидкости бывает ниже действительного.

Стеклянный жидкостный термометр состоит из двух основных частей:

резервуара с термодинамической жидкостью и капилляра. Термометрическая

жидкость заполняет резервуар и часть капилляра. При изменении температу-

ры объём жидкости изменяется, вследствие чего столбик жидкости в капилля-

ре поднимается или опускается на величину, пропорциональную изменению

температуры. Положение верхней части столбика (мениска) определяет изме-

ряемую температуру.

Наиболее широко в качестве термометрической жидкости используется

ртуть. Применяют также органические заполнители: толуол, этиловый спирт,

керосин и т.п. Ртуть по сравнению с другими жидкостями обладает следую-

щими преимуществами:

– не смачивает стекла;

– легко получается в химически чистом виде;

– при нормальном атмосферном давлении в широком интервале темпе-

ратур (от -38,86 до 358,70

С) остаётся жидкой;

– имея малую теплоёмкость, при нагревании почти не даёт инерцион-

ных запаздываний.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-40-

Недостатками ртути являются сравнительно небольшой температурный

коэффициент расширения и осторожность при обращении с ней. Коэффици-

ент расширения ртути β

″

0-100

= 18⋅10

-5

-1

, а средний коэффициент расшире-

ния ртути в стеклянной оболочке β

″

0-100

= 18⋅10

-5

– 2⋅10

-5

= 16⋅10

-5

-1

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации

температуры в лабораторных и промышленных установках разработаны спе-

циальные электроконтактные технические термометры двух типов: 1) с по-

стоянными впаянными контактами, обеспечивающими замыкание и размы-

кание электрических цепей при одной, двух или трёх заранее заданных тем-

пературах; 2) с одним подвижным контактом и вторым неподвижным кон-

тактом, впаянным в капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание

электрической цепи при любом значении температуры измеряемой термо-

метром. Перемещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает цепи

между контактами, к которым подводится напряжение постоянного или пе-

ременного тока.

По методу градуировки и установки при измерении жидкостные тер-

мометры подразделяются на два типа: 1) градуируемые и эксплуатируемые

при полном погружении, т.е. при погружении термометра в измеряемую сре-

ду до отсчитываемого деления; 2) градуированные и эксплуатируемые при

заданной глубине погружения, т.е. нижняя часть термометра погружается в

измеряемую среду до отметки, указанной на корпусе прибора.

В процессе измерения температур стеклянными жидкостными термо-

метрами появляются погрешности, обусловленные рядом причин. Это ошиб-

ки, вносимые наблюдателем, а также возникающие при нормальной эксплуа-

тации (погрешности в нанесении отметок шкалы, нелинейная температурная

зависимость изменения объёмов термометрической жидкости и стеклянной

оболочки) и при отклонении условий эксплуатации от нормальных.

Термометры линейного расширения подразделяют на биметаллические

и дилатометрические. Действие биметаллических термометров основано на

измерении разности линейных расширений двух пластин из разных материа-

лов, жестко соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения,

при нагревании.

В качестве чувствительного элемента в дилатометрических термомет-

рах применяется трубка, изготовленная из материала (латуни или меди),

имеющего значительный температурный коэффициент линейного расшире-

ния. Пределы измерения составляют от –150 до 700

С, погрешность не пре-

вышает 1–2 %.

Чаще всего термометры линейного расширения используют в качестве

датчиков в системах сигнализации и регулирования температуры [7, с.17

Принцип действия манометрического термометра основан на ис-

пользовании зависимости между температурой и давлением термометриче-