Автоматическая система регулирования уровня топлива в поплавковой камере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматическая система регулирования уровня топлива в поплавковой камере

Введение

В основных направлениях экономического и социального развития становится задача развивать производство электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования. Во всем этом могут помочь автоматизированные системы управления.

Автоматизированная система управления или АСУ -- комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчеркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

Опыт, накопленный при создании автоматизированных и автоматических систем управления, показывает, что управление различными процессами основывается на ряде правил и законов, часть из которых оказывается общей для технических устройств, живых организмов и общественных явлений.

автоматизированный топливо поплавковый камера

1.Основные понятия и определения

Работа любого технического устройства характеризуется одной или несколькими физическими показателями (параметрами, выходными сигналами, регулируемыми величинами). Например, работа генератора характеризуется величиной напряжения и частотой тока, работа двигателя - угловой частотой вращения ротора; паровой котел - давлением пара, резервуар - уровнем жидкости.

При решении производственных задач возникает необходимость стабилизировать данную физическую величину в техническом устройстве или, согласно технологическим требованиям, должным образом изменить ее значение (регулировать). Главной причиной незапланированного изменения регулируемой величины является изменение нагрузки и других возмущающих воздействий. Поэтому задача уменьшения отклонения регулируемой величины от заданной является основной задачей системы автоматического управления (САУ).

Для решения этой задачи необходимо провести анализ работы САУ и определить какой элемент САУ на какой показатель качества управления и каким образом влияет. Для этого по заданной принципиальной схеме определяются функциональные элементы системы управления, которые показывают назначение каждого элемента в процессе управления и составляется функциональная схема.

Автоматическим называется управление техническим процессом без участия человека.

Автоматическим регулятором называется регулирующее устройство, осуществляющее управление объектом регулирования согласно заданному алгоритму.

Алгоритм управления - это правило выработки управляющего воздействия для решения поставленной задачи.

Система автоматического управления (САУ) - это взаимодействующий с объектом управления автоматический регулятор, в котором преобразование и передача информации, формирование управляющих команд и их реализация осуществляется автоматически, согласно, заданного алгоритма управления.

Для анализа САУ используются принципиальная схема и функциональная схема.

Принципиальная схема показывает физическую природу элементов автоматики, технические характеристики, принцип действия и взаимодействие между ними.

Элементом автоматики называется часть системы, в которой происходит качественное или количественное преобразование физической величины и передачи ее к последующему элементу.

На принципиальной схеме все элементы и связи между ними изображаются в виде условного графического обозначения. Это позволяет изготовить автоматическую систему или произвести ее ремонт.

Функциональная схема состоит из функциональных элементов, которые показывают их функциональное назначение при автоматическом управлении технологическим процессом и связь между ними.

Функциональный элемент - это условно выделенная часть САУ, выполняющая определенную функцию по реализации заданного алгоритма управления.

На функциональной схеме все элементы (кроме сравнивающего устройства) изображаются в виде прямоугольников с указанием их функционального назначения. Сравнивающее устройство изображается в виде окружности с крестиком внутри. Связь между элементами изображается сплошными линиями со стрелками, показывающие направление прохождения управляющих сигналов.

1.1 Классификация функциональных элементов

Объект управления (регулирования) (ОР) - машины, аппараты или другие устройства, требуемый режим которых поддерживается регулятором путем управления (регулирования) заданных величин.

Исполнительное устройство (ИУ) - функциональный элемент, осуществляющий выработку управляющих сигналов согласно алгоритма управления и непосредственно воздействующих на объект управления для изменения режима его работы.

Усилитель (У) - функциональный элемент, в котором, не изменяя физическую природу входного сигнала, осуществляется увеличение его мощности за счет энергии вспомогательного источника питания.

Преобразующее устройство (ПУ) - функциональный элемент, принимаемый для преобразования управляющего сигнала с целью изменения закона управления. Усилительное и преобразующее устройства могут быть объединены в один функциональный блок: усилительно преобразующее устройство.

Датчик (Д) - функциональный элемент, измеряющий и преобразующий информацию о физической величине (показателю работы) в сигнал, удобный для обработки и использования в системе управления.

Корректирующее устройство (КУ) - функциональный элемент, служащий для повышения устойчивости САУ и улучшения ее динамических характеристик.

Задающее устройство (ЗУ) - функциональный элемент, служащий для формирования сигнала, согласно заданному значению регулируемой величины. Сравнивающее устройство - это функциональный элемент, осуществляющий алгебраическую операцию по отношению к воздействиям, поступающим на его вход (например, операции сложения или вычитания поступающих сигналов).

1.2 Классификация сигналов, действующих в САУ

Регулируемая величина X(t) - это показатель, характеризующий состояние объекта управления. Например, температура, уровень, давление и т.д.

Возмущающее воздействие (помехи) f(t) - это воздействие, нарушающее требуемую функциональную зависимость (связь) между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Управляющее воздействие Q(t) - это воздействие, поступающее с исполнительного устройства на объект управления для управления регулируемой величиной.

Задающее воздействие U(t) - это величина, соответствующая заданному (предписанному) значению регулируемой величине.

Различают следующие значения регулируемой величины.

Предписанное значение регулируемой величины Xпр(t) - это значение регулируемой величины, соответствующее требуемому режиму работы объекта регулирования.

Действительное значение регулируемой величины Xдей(t) - это значение регулируемой величины, соответствующее фактическому режиму работы объекта регулирования.

Ошибка регулирования X(t) - разность между предписанным и действительным значениями регулируемой величины.

Статическая ошибка регулирования ДX(?) - это ошибка регулирования в установившемся режиме.

2.Составление функциональной схемы

Дана принципиальная схема автоматического регулирования уровня топлива в карбюраторе (рисунок 1). Определить функциональные элементы САУ и составить функциональную схему.

РЕШЕНИЕ: Принцип работы. При увеличении расхода топлива из поплавковой камеры уровень топлива уменьшается и поплавок опускается. Вместе с ним опускается игла, открывается запорный клапан и увеличивается приток топлива. В результате уровень топлива в поплавковой камере восстанавливается.

Рисунок 1 Принципиальная схема регулирования уровня топлива в поплавковой камере

Определяем объект регулирования и действующие на него факторы.

Объект регулирования (ОР) - поплавковая камера карбюратора, в которой происходит процесс регулирования.

Регулируемая величина X(t) - уровень топлива.

Возмущающее воздействие f(t) - изменение расхода топлива.

Управляющее воздействие Q(t) - подача топлива в поплавковую камеру для восстановления заданного уровня. Функциональная схема ОР и сигналы, воздействующие на него, показаны на рисунок 2.



Рисунок 2. Функциональная схема ОР и сигналы, воздействующие на него

Элементы функциональной схемы.

Исполнительное устройство (ИУ) - запорный клапан, от которого зависит количество поданного топлива в поплавковую камеру. Чем ниже будет расположена игла, тем больше будет подано топлива в поплавковую камеру.

Датчик (D) - поплавок, который служит для измерения регулируемой величины (уровня топлива) и в преобразование его в перемещение иглы клапана.

Задающее устройство (ЗУ) - заданная длина стержня иглы клапана.

Рассмотрим, как в данном автоматическом устройстве происходит работа сравнивающего устройства (рис. 2).

Выходной сигнал от задающего устройства - предписанная длина стержня Lпр, на котором установлена игла клапана.

Выходной сигнал от задающего устройства - предписанная длина стержня Lпр, на котором установлена игла клапана.

Выходной сигнал от датчика - действительное расстояние от запорного клапана до уровня топлива Lдей, которое передается на сравнивающее устройство с помощью поплавка.

Работа сравнивающего устройства заключается в сравнении этих двух сигналов. В результате, чем меньше уровень топлива или чем ниже расположен поплавок, тем ниже опускается запорная игла относительно заданного значения, и тем больше будет поступать топливо в поплавковую камеру. Величина опускания иглы от заданного уровня ДL определяется уравнением:

Рисунок 3. Схема работы сравнивающего устройства

На основании рисунков 2 и 3 составляем функциональную схему регулирования уровня топлива в поплавковой камере, которая показана на рисунке 4.

2.1 Функциональный анализ работы САУ

С помощью функциональной схемы можно провести анализ работы данной САУ и определить, какие элементы функциональной схемы как обеспечивают заданные показатели качества работы системы.

Так задающее устройство (ЗУ) - обеспечивает заданное значение регулируемой величины; датчик (Д) - обеспечивает необходимую точность регулирования; исполнительное устройство (ИУ) - обеспечивает быстродействие системы; преобразующее устройство (ПУ) - обеспечивает изменения закона регулирования и т.д. При выборе функциональных элементов САУ эти показатели их работы являются важнейшими. Если, например, точность работы датчика не удовлетворяет поставленным технологическим требованиям, то, изменяя другие функциональные элементы, трудно добиться заданной точности регулирования. С другой стороны, имея высокочувствительный датчик, а исполнительное устройство с большой зоной нечувствительности, добиться необходимости точности регулирования тоже трудно. Поэтому параметры функциональных элементов САУ должны быть согласованы между собой.

Рисунок 4. Функциональная схема системы автоматического регулирования топлива в поплавковой камере

В некоторых случаях можно добиться положительного эффекта путем включения корректирующего звена или при увеличении коэффициента усиления. Но в любой автоматической системе должен действовать главный принцип: каждый функциональный элемент должен полностью выполнять свою функцию согласно заданному алгоритму управления.

Методику проведения функционального анализа работы САУ рассмотрим на примере 1 (рисунков 1 и 4).

2.2 Классификация САУ

По функциональной схеме можно сделать и более глубокий анализ = провести классификацию данной САУ по самым различным признакам от алгоритма процесса увеличения до анализа сигналов управления.

По цепи управления: Все автоматические системы по цепи управления можно разделить на две группы.

Первая группа - это системы с заранее заданными (жестким) алгоритмами управления, регуляторы которых содержат только исполнительные элементы. К первой группе относятся:

САК - система автоматического контроля, которая производит в автоматическом режиме измерения контролируемой величины и все операции, связанные с обработкой, регистрацией и передачей полученных данных.

Цель контроля: сигнализация, защита, регистрация, блокировка.

САУ - система автоматического управления, которая обеспечивает изменение регулируемой величины объекта управления согласно технологическим требованиям и с учетом возмущающих воздействий.

Цель управления: Изменять параметры объекта управления в зависимости от времени, вида и величины возмущающих воздействий и действительного значения регулируемого параметра.

САР - система автоматического регулирования (или стабилизации), которая обеспечивает поддержание управляемой величины в заданных пределах при произвольно изменяющихся возмущающихся воздействий.

Цель регулирования: стабилизация заданного режима работы объекта регулирования при случайном изменении возмущающих воздействий (и особенно, если возмущение - это нагрузка).

САР можно рассматривать как частный случай работы САУ, когда задающее воздействие U(t) является постоянной величиной.

СПУ - система программного управления, в котором управляющее воздействие изменяется по заранее составленной программе.

Цель управления: изменение режима работы объекта управления согласно составленной программе в функции времени. Например, изменение температуры в калорифере. Или управление в функции изменения параметров обрабатываемой детали. Например, в станках с числовым программным управлением.

СПУ можно рассмотреть как частный случай работы САУ, когда закон изменения, задающий воздействие U(t) заранее известен, заранее запрограммирован и в процессе работы не изменяется. Вводится только поданные на вход системы.

САС - система автоматического слежения (или следящая система), которая на выходе в точности воспроизводит случайные сигналы, поданные на вход системы.

Цель управления: копирование (кодирование, преобразование, видоизменение) на выходе системы сигналов, поданных на ее вход. Сигналы, проходящие через САС, не корректируются, а только (но не всегда) масштабируются по величине или по мощности.

САС можно рассмотреть, как частный случай САУ закон изменения задающего воздействия U(t) заранее неизвестен.

Вторая группа - это оптимальные управления (ОСУ) с заранее известным (гибким) алгоритмом управления за счет автоматического поиска и поддержания оптимального управления согласно заданному критерию качества регулирования. Регуляторы таких систем кроме основного контура регулирования, содержащие исполнительные устройства, имеют дополнительный контур самонастройки, который изменяет алгоритм управления и параметры регулятора для обеспечения оптимального производственного процесса. Ко второй группе относятся:

СОУ - система оптимального управления, в которой задача оптимального управления сводится к определению оптимального алгоритма управления при заданной и не изменяющейся структуре и параметров системы.

Цель управления: определение оптимального алгоритма работы системы, когда известна и структура, и параметры системы управления.

АСУ - адаптивные системы управления, которые автоматически приспосабливаются (адаптируются) к изменению свойств объекта правления и к изменяющимся внешним условиям работы путем накопления и использования информации, получаемой в процессе работы, для достижения оптимального поведения системы путем целенаправленного изменения параметров регулятора, структуры системы и совершенствования алгоритма управления.

Цель управления: обеспечение заданного показателя качества регулирования (критерия качества) в условиях не стационарности объекта управления.

Различают следующие виды адаптивных систем:

- самонастраивающиеся системы,- в которых адаптация производится путем изменения некоторых параметров регулятора и управляющих воздействий.

- самоорганизующиеся системы,- в которых адаптация производится не только за счет изменения ее параметров и управляющих воздействий, а также за счет изменения структуры системы управления путем автоматического подключения или отключения корректирующих звеньев.

- самообучающиеся системы,- в которых адаптация производится не только за счет изменения ее параметров, управляющих воздействий и подключения корректирующих звеньев, а также дополнительно за счет совершенствования алгоритма управления путем автоматического поиска оптимальных управлений, упоминания их и с одновременным забыванием старых, менее эффективных алгоритмов управления.

Система экспериментального управления (СЭУ) - это система, которая самостоятельно в процессе своей работы вырабатывает и поддерживает экспериментальное значение регулируемого параметра.

Цель управления: непрерывный поиск экстремума по управляющему воздействию, когда динамические свойства объекта управления случайным образом изменяются.

СЭУ - это один из видов самонастраивающихся систем. Выделение ее в самостоятельный класс связан со специальной особенностью управления такой системы, когда заранее не известна ни величина, ни даже направления (больше или меньше) изменения управляющих воздействий. Все это определяется в процессе работы системы аналитически (рассчитывается) или экспериментально (путем подачи пробных сигналов).

По алгоритму управления

Принцип программного управления, когда алгоритм управления вырабатывается по заранее составленной программе в задающем устройстве и последовательно выдается на объект управления.

В таких САУ вся информация об управлении априорно (заранее) занесена в задающее устройство. По такому принципу работают станки с числовым программным управлением для получения ткани с вышитым рисунком, светофоры на перекрестках и т.д.

Принцип управления по возмущению, когда алгоритм управления вырабатывается с помощью датчика возмущающего воздействия и компенсирует вызываемое им отклонение регулируемой величины.

В таких САУ вся информация об управлении на регулятор поступает с возмущающего воздействия. Обычно это нагрузка. По такому принципу работают, например, генераторы с дополнительной обмоткой возбуждения в цепи якоря, в которой создается дополнительный магнитный поток для компенсации потери напряжения, который пропорционален силе тока нагрузке генератора.

Принцип управления по отклонению, когда алгоритм управления вырабатывается по отклонению между заданным и действительным значением регулируемой величиной.

В таких САУ информация определяется с помощью датчика регулируемой величины, сравнивается с заданным и пропорционально ошибке происходит процесс регулирования. Особенность такой САУ - наличие главной обратной связи от регулируемой величины на регулятор. По такому принципу работают большинство САУ для регулирования температуры, давления, частоты вращения двигателей и т.д.

Принцип комбинированного управления, когда алгоритм управления вырабатывается одновременно и по возмущению и по отклонению

Такие САУ имеют два контура управления. В первом контуре (по возмущению) производится быстрое предварительное регулирование, а во втором контуре (по отклонению) производится медленная и точная регулировка. По такому принципу происходит регулирование, например, давление пара в паровом котле. Пропорционально расходу пара производится регулирование по возмущению (по нагрузке), а по отклонению давления пара от заданного производится более точное регулирование.

По закону регулирования

П-закон регулирования (пропорциональный), когда действие на ОР пропорционально сигналу управления.

И-закон регулирования (интегральный), когда воздействие на ОР пропорционально интегралу (обычно по времени) от сигнала управления.

ПД-закон регулирования (пропорционально дифференцирующий), когда на ОР подается два сигнала управления. Один пропорциональный, а второй - производительной от этого пропорционального сигнала.

ПИ-закон регулирования (пропорционально интегральный), когда на ОР подается два сигнала управления. Один пропорциональный, а второй - по интегралу от этого пропорционального сигнала.

По виду обратной связи

Одноконтурные САУ имеют одну главную обратную связь, служащую для сравнения действительного и предписанного значения регулируемой величины.

Многоконтурные САУ кроме главной обратной связи имеют еще дополнительные (местные) обратные связи, соединяющие выход и вход одного или нескольких элементов системы.

Положительная обратная связь, если с увеличением сигнала на выходе, сигнал на входе тоже увеличивается.

Отрицательная обратная связь, если с увеличением сигнала на выходе, сигнал на входе уменьшается.

Жесткая обратная связь обеспечивает прохождение сигнала в переходном и в установившемся режиме с одинаковым коэффициентом передачи.

Гибкая обратная связь обеспечивает прохождение сигнала только в переходном режиме работы системы. В установившемся режиме коэффициент передачи равен нулю (обратная связь обрывается).

По количеству регулируемых величин.

Одномерная САУ, с одной регулируемой величиной.

Многомерная САУ, с несколькими регулируемыми величинами, которые разделяются на:

- системы несвязанного регулирования, в которых регуляторы, предназначены для регулирования различных величин, не связанны друг с другом;

- системы связанного регулирования, в которых регуляторы различных регулируемых величин имеют друг с другом взаимные связи.

По ошибке в установившемся режиме.

Статическая система, которая, в установившемся режиме работы по отношению к заданному воздействию, имеет отклонение регулируемой величины от заданной в зависимости, от величины этого приложенного воздействия.

Астатическая система, которая в установившемся режиме работы по отношению к заданному воздействию не имеет отклонение регулируемой величины от заданной.

По наличию и виду вспомогательной энергии.

Прямое регулирование, когда в системе управления не используется вспомогательная энергия стороннего источника. Энергия датчика достаточно для управления регулирующим органом энергии.

Непрямое регулирование, когда датчик использует вспомогательную энергию стороннего источника, для управления регулирующим органом.

Системы непрямого регулирования по виду вспомогательной энергии разделяются: электронные, электромеханические, гидравлические, механические, комбинированные.

По стабильности параметров системы

Стационарные системы, в которых все параметры элементов системы не изменяются во времени или математическая модель которых описывается дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Это, например, электродвигатели, гидравлические и механические устройства станка и т.д.

Нестационарные системы (во времени), которые имеют хотя бы одно звено с изменяющимися параметрами в процессе работы, или математическая модель, которые описываются дифференциальными уравнениями с переменными параметрами. Это, например, самолет, в котором при полете по мере расхода топлива изменяется его вес, расположение центра тяжести.

По виду сигналов управления

Непрерывные сигналы управления представляют собой непрерывную функцию времени. Между входными и выходными величинами всех элементов системы существует функциональная непрерывная связь.

Прерывистые сигналы управления (или дискретные сигналы) характеризуются наличием разрыва непрерывности и скачков подачи сигнала управления. Между входными и выходными величинами системы управления функциональная связь в некоторые промежутки времени прерывается.

Прерывистые сигналы в свою очередь разделяются:

-релейные, когда сигнал управления постоянный по величине или равен нулю. Фактически он соответствует двум командам: “пуск” или “стоп”;

- позиционные, когда сигналы управления по абсолютной величине остаются постоянными, но в зависимости от алгоритма управления меняют знак или равны нулю;

- вибрационные, когда чередуются разные по величине сигналы;

- импульсные, когда сигналы управления преобразованы в последовательность модулированных импульсов, чередующихся через определенные промежутки времени (такты).

- кодированные, когда сигналы управления преобразованы в определенный код.

По математическим признакам.

Линейные системы, все звенья описываются линейными дифференциальными управлениями при значительных отклонениях.

Нелинейные системы, в которых хотя бы одно звено описывается нелинейным дифференциальным уравнением.

Нелинейные системы в свою очередь разделяются на:

- несущественно нелинейные системы, которые при малых отклонениях регулируемого параметра можно линеаризовать.

Заключение

Анализ по классификационным признакам системы автоматического регулирования уровня топлива в поплавковой камере.

1. Цель управления в этой автоматической системе - стабилизировать уровень топлива при разных возмущающих воздействиях и прежде всего от изменения нагрузки. Это САР - система автоматического регулирования.

2. Согласно полученной функциональной схеме (рисунок 4) сигнал с регулируемого параметра (уровень топлива) через главную обратную связь (поплавок) подается на сравнивающее устройство регулятора. Регулирование происходит пропорционально ошибке регулирования или по отклонению действительного значения уровня топлива от заданного. Алгоритм регулирования соответствует принципу регулирования по отклонению.

3. Открытие клапана (опускание его иглы) происходит пропорционально опусканию поплавка при уменьшении уровня топлива. По функциональной схеме видно, что в системе нет преобразующего устройства для интегрирования или дифференцирования управляющего сигнала. Эта система пропорционального регулирования или алгоритм работы ее соответствует П-закону регулирования.

4. Согласно функциональной схеме эта САР не имеет других обратных связей, кроме главной. Это одноконтурная САР.

5. В объекте регулирования (поплавковой камере) регулируется только один параметр- уровень топлива. Это одномерная САР.

6. В установившемся режиме количество уходящего топлива из поплавковой камеры должно соответствовать количеству поступающего топлива через клапан. Чем больше будет расход топлива (нагрузка), тем ниже должна располагаться игла клапана и соответственно уменьшится уровень топлива (регулируемый параметр). Возникает статическая ошибка пропорционально увеличению расхода топлива (нагрузка). Это статическая система.

7. По функциональной схеме видно, что усилие управляющего сигнала нет. Энергия датчика (поплавка) достаточна для срабатывания исполнительного устройства (запорного клапана). Это система прямого регулирования.

8. В данной автоматической системе все элементы регулятора имеют постоянные параметры (износ при этом не учитывается). Это стационарная система.

9. Сигнал управления от датчика постоянного связан с исполнительным устройством (стержень иглы даже припаян к поплавку). Эта система с непрерывным сигналом управления.

10. В этой системе есть нелинейная зависимость между опусканием иглы и количеством поступающего топлива. При заданных пределах регулирования такую зависимость можно линеаризовать. При заданных пределах регулирования такую зависимость можно линеаризовать. Это нелинейная САР, допускающая линеаризацию.

Это система автоматического регулирования, принцип регулирования по отклонению, одноконтурная, одномерная, со статическим регулятором, система прямого регулирования, с П-законом регулирования, с непрерывным сигналом управления, стационарная, возможно линеаризовать математическую модель управления.

Список литературы

1. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматизированного регулирования / Ю.И. Топчеев. - М: Машиностроение, 1989. - 752 с

2. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование / Н.Н.Иващенко.- М.: Машгиз, 1962. - 736 с

3. Справочное пособие по теории автоматического управления / под ред. Е.А.Санковского. - Мн.: Высшая шк., 1973. - 584 с

4. Гузенко А.И. Основы теории автоматического регулирования / под ред. В.В. Солодовникова. - М.: Высшая шк., 1977. - 408 с

5. Анхимюк В.Л. Теория автоматического управления.-3-е изд. / В.Л.Ахимюк. - Минск: Высшая шк., 1979. - 351 с

6. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование / Н.Н.Иващенко. - М.: Машиностроение. 1972. - 736 с.

Размещено на Allbest.ru