Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Тема: «Синтез и исследование локальной системы автоматического регулирования на базе технических средств агрегатного комплекса «СТАРТ»

Введение

Проектирование систем автоматического регулирования (САР) представляет собой решение двух взаимосвязанных задач, первой из которых является задача синтеза структуры САР и второй - выбор комплекса технических средств САР.

Задача синтеза структуры САР сводится к разработке схемы взаимодействия автоматического регулятора с измерительными, преобразующими и исполнительными устройствами САР с целью обеспечения требуемого качества регулирования, удобства пуска, наладки и эксплуатации САР. Синтезированная структура САР реализуется с помощью технических средств того или иного агрегатного комплекса Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Применение агрегатных комплексов существенно упрощает проектирование САР, поскольку состав технических средств в этом случае практически однозначно определяется структурой САР и выбранным агрегатным комплексом.

Исходными данными для решения задачи является функциональная схема объекта регулирования и алгоритмы регулирования (П-закон).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Функциональная схема системы приоритетного регулирования

В пневматических САР функции контроля, автоматического регулирования и ручного дистанционного управления совмещаются в одних и тех же многофункциональных приборах. Для пневматических САР характерно наличие довольно широкой номенклатуры унифицированных регуляторов, которая позволяет реализовать большинство типовых алгоритмов регулирования без использования каких-либо дополнительных устройств.

В ходе данной работы рассчитаем реальный регулятор (с учетом балластных составляющих), и проведем моделирование регулятора с П - законом регулирования в пакете прикладных математических программ MATLAB.

Также будут произведены расчёт и выбор исполнительного устройства (исходные данные для расчёта будут приведены в соответствующем разделе данной работы).

В системах автоматизации технологических процессов в большинстве случаев используются серийно изготавливаемые исполнительные устройства. Выбор конкретного исполнительного устройства производится по каталогам и другим материалам в процессе выполнения расчёта, выявляющего пригодность выбранного исполнительного устройства в заданных условиях эксплуатации. При этом должны учитываться свойства и параметры рабочей среды, протекающей через регулирующий орган, а также другие условия и требования, обусловленные спецификой технологического процесса и конкретного объекта управления.

1. Описание структурной и принципиальной схем комплекса технических средств

1.1 Структурная схема системы регулирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Структурная схема системы регулирования

Д1, Д2 - датчики;

ПР2.8 - унифицированный регулятор агрегатного комплекса «СТАРТ», предназначен для формирования П - закона регулирования, используется в САР в качестве функционально законченного блока;

ВИП - вторичный измерительный прибор ПВ10.1Э. Служит для управления режимами работы САР;

ПОЗИЦИОНЕР - предназначен для установки регулирующего органа (РО) в заданное положение.

1.2 Принципиальная схема системы регулирования

Полученная структурная схема САР позволяет разработать принципиальную схему соединений технических средств.

Рис. 3. Принципиальная схема системы регулирования (пятитрубная схема).

Пятитрубная схема используется, когда переходные процессы в линиях связи могут вносить существенные погрешности в работу регулятора.

Регулятор монтируется на местном щите в непосредственной близости от датчика и исполнительного устройства. ВИП монтируется в щитовом помещении и соединяется с регулятором пятью линиями связи. Целью разделения линий связи регулятора с датчиком, исполнительным устройством и вторичным прибором в схеме используются усилители мощности, выполняющие функции повторителей давления.

Из всех линий связи регулятора с ВИП в разделении нуждаются только две. Это линии, связывающие штуцеры 1 и 2. Для разделения линий связи в них установлены усилители мощности ПП1.5. Сигнал в линии связи, соединяющей штуцеры 1 регулятора и вторичного прибора, при переключении режимов работы изменяет направление распространения.

В режиме автоматической стабилизации сигнал с выхода регулятора должен поступать на ВУ (ПП4/5.1) и на позиционер исполнительного устройства и через усилитель мощности на узел индикации вторичного прибора. Для изменения направления распространения сигнала в схеме установлено реле переключения ПП2.5, управляемое командным сигналом одновременно с отключающим реле регулятора.

В ручном режиме на кнопочном переключателе нажаты кнопки «откл» и «р», при этом давление питания (Рпит=1.4кГс/см²⁾ подаётся на отключающее реле регулятора, а выход ручного задатчика РЗД соединяется с линией исполнительного устройства.

2. Анализ принципиальной схемы регулятора

2.1 Передаточная функция П - регулятора

В принципиальной схеме САР используется П-регулятор ПР2.8, который реализует следующее уравнение динамики:

где Рвых (0) - давление контрольной точки.

Рис. 4. Принципиальная схема П - регулятора ФР 0098

Основным элементом регулятора является элемент сравнения 1, который совместно с дроссельным сумматором формируют закон регулирования. Кроме элемента сравнения в регулятор входят дроссельные узлы. При включении регулятора на прямое действие рост рассогласования Рпер - Рзад приводит к росту выходного давления. При включении регулятора на обратное действие выходное давление снижается. При переводе системы в режим ручного дистанционного управления подается Рк высокого уровня, мембранный блок переходит в нижнее положение, клапан в камере Б закрывается, и выход регулятора блокируется.

Рпер-РзадРвых. Для этого необходимо исключить из схемы вспомогательные элементы, а именно маломощные и мощные повторители, отключающие реле.

На структурной схеме представим элементы сравнения в виде последовательных соединений сумматора и пропорционального звена

Рис. 5. Структурная схема регулятора ФР0098.

Передаточная функция реального регулятора:

Где Кр находится, исходя из данной схемы, как

2.2 Расчет настроек П-регулятора

схема регулятор балластный переходный

Данные для расчета:

К; L=50 мм; D=0.2 мм; Vk=5 смі; кг*К/мІ; кг/мі; R=8.31Дж?Моль*К;

Моль?кг;

Так как Кр = 0,1 < 1, то - полностью закрыт, тогда можно считать, что и

2.3 Построение переходного процесса

Составим схему в Simulink

Рис. 6. Модель П-регулятора

Рис. 7. Реакция регулятора на возмущение по переменной

Как видно из графика переходный процесс реального регулятора отличается от переходного процесса идеального регулятора, в связи с тем, что в реальном регуляторе объем камер элемента сравнения конечен, а так же из-за паразитных инерционных звеньев. Характерно, что неидеальность элементной базы регулятора наиболее сильно проявляется при существенном отклонении коэффициента передачи от 1, что и представлено в нашем случае. Особенно хорошо это видно на пропорциональной части, которая значительно отклоняется от перпендикулярного положения.

Построение амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик для идеального и реального регулятора.

Частотные характеристики для идеального П-регулятора

Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика для идеального и реального регулятора

Частотные характеристики для реального П-регулятора

Рис. 9. Фазочастотная характеристика для идеального и реального регулятора

Как видно из графика переходный процесс реального регулятора отличается от переходного процесса идеального регулятора, в связи с тем, что в реальном регуляторе присутствует динамическая ошибка. Динамическая ошибка регулятора не должна превышать установленных пределов

Область нормальных режимов работы, где оба условия будут выполняться, определяем из графиков (0 до 0.7)

В системах автоматизации технологических процессов в большинстве случаев используются серийно изготовляемые исполнительные устройства. Выбор конкретного исполнительного устройства производится по каталогам и другим материалом в процессе выполнения расчёта, выявляющего пригодность выбранного исполнительного устройства в заданных условиях эксплуатации. При этом должны учитываться свойства и параметры рабочей среды, протекающие через регулирующий орган, а также другие условия и требования, обусловленные спецификой технологического процесса и конкретного объекта управления.

В основу современной методики выбора исполнительного устройства положен метод проб и ошибок, предполагающий расчет основных параметров исполнительного устройства и выбор конкретного изделия.

В упрощённом варианте эта методика включает в себя четыре относительных самостоятельных этапа:

1) выбор конструктивного типа

2) выбор условной пропускной способности

3) выбор типоразмера

4) выбор пропускной характеристики.

3.1 Выбор конструктивного типа

Конструктивный тип исполнительного устройства выбирается на основании информации, содержащейся в каталогах или других справочных материалах с учётом свойств и параметров технологического объекта управления. Во многих случаях конструктивным типом исполнительного устройства просто задаются.

В данной работе также просто зададимся типом исполнительного устройства - двухседельное проходное (Кс=0,5).

3.2 Расчёт пропускной способности

Пропускная способность Кv - это основной гидравлический параметр, по которому производится аттестация исполнительного устройства. Условная пропускная способность - входит в паспортные данные наряду с условным проходом и условным давлением исполнительного устройства. Здесь и в дальнейшем ограничимся расчётом и выбором исполнительного устройства для случая жидкой рабочей среды.

Исходными данными для расчёта пропускной способности являются следующие:

Рнп=0.483кГс/см2; Р1=8.1кГс/см2; Р2=7.2кГс/см2; Qмах=350м3/час; Qмin=58м3/час; u=0.02см2/с; ;

Вид и последовательность расчетных соотношений для определения пропускной способности зависят от наличия кавитации рабочей среды в регулирующем органе. Поэтому перед расчетом пропускной способности вычисляют перепад давления, соответствующий началу кавитации:

, следовательно кавитация отсутствует.

Определяем предварительное значение максимальной пропускной способности:

Вычисляем индекс вязкости:

Z>10000, следовательно жидкость невязкая.

К= К

При эксплуатации реальных исполнительных устройств необходимо, чтобы максимальная пропускная способность обеспечивалась исполнительным устройством при 80% хода. Для этого вводится коэффициент запаса , равный:

1.25 - для линейной расходной характеристики;

И рассчитывается предварительное значение условной пропускной способности, как

Условная пропускная способность выбирается из параметрического ряда, характерного для заданного конструктивного типа исполнительного устройства, как ближайшее большее значение к

3.3 Выбор типоразмера исполнительного устройства

Диаметр условного прохода Dy выбирается минимальным из возможных для выбранного значения Kuy. При выборе Dy должны выполняться ограничения:

Dт - диаметр трубопровода, на котором установлено исполнительное устройство.

Для выбранного Dy = 200 мм производится проверка скорости потока в регулирующем органе:

Так как неравенство выполняется для выбранного значения Kuy, то условная пропускная способность и типоразмер исполнительного устройства выбраны, верно.

3.4 Выбор пропускной характеристики

Выбор пропускной характеристики - окончательный этап статического расчёта исполнительного устройства, выявляющий все неточности и противоречия предварительного выбора. Исходными данными для выбора пропускной характеристики служат:

- конструктивный тип исполнительного устройства;

- вид требуемой расходной характеристики;

- минимальная, максимальная и условная пропускные способности выбранного исполнительного устройства;

- давления на концах расчётного участка трубопровода;

- давления на входе и выходе исполнительного устройства;

- диаметры условного прохода исполнительного устройства и трубопровода, на котором оно установлено;

- допустимые отклонения коэффициента передачи исполнительного устройства от расчётного значения.

Методика выбора пропускной характеристики зависит от наличия кавитации в регулирующем органе, а также от вязкости рабочей среды.

В нашем случае рабочая среда - невязкая жидкость, кавитация в регулирующем органе отсутствует.

Используя результаты расчётов пропускной способности Ки К, определяем максимальную и минимальную относительную пропускную способность:

Полученные значения подставляем в уравнения пропускных характеристик (линейной) и вычисляем максимальный и минимальный относительный ход:

Для найденных значений проверяем выполнение ограничений, накладываемых на величину и диапазон хода:

Проверим выполнение ограничений, и для равнопроцентной характеристики

Ограничения выполняются для обеих характеристик, дальнейшие действия будем, проводит для линейной пропускной характеристики.

Где Kut - пропускная способность трубопровода

Максимальные и минимальные расходы

Коэффициент передачи характерного параметра

Максимальное и минимальное значение характерного параметра вычисляем

Определяем верхнее и нижнее относительные отклонения характерного параметра от расчетного значения и сравним с допустимым значением (0.3).

Верхнее и нижнее относительные отклонения характерного параметра от расчетного значения не превышают допустимого отклонения, следовательно, линейная пропускная характеристика выбрана правильно.

Коэффициент передачи характерного параметра

Определяем верхнее и нижнее относительные отклонения характерного параметра от расчетного значения и сравним с допустимым значением (0.3).

В ходе данной работы был проведен синтез функциональной схемы системы приоритетного регулирования. Определены режимы работы САР и методики их переключения. Для нее рассчитан П-регулятор. При моделировании П - регулятора в MATLAB была получена реакция регулятора на 100% возмущение по каналу управления.

В заключительной части работы был произведен расчёт исполнительного устройства по учебной методичке(597). После был сделан вывод о выборе регулирующего органа с линейной пропускной характеристикой. Выбрали тип исполнительного устройства: клапан регулирующий двухседальный чугунный 25ч30нжМ, с линейной пропускной характеристикой, с условной пропускной способностью (630 м/ч), материал серый чугун, температура рабочей среды от -15 до +300 єС, условное давление 1.6 МПа.

1. Анализ и синтез аналоговых узлов пневматических систем автоматизации: Методические указания к самостоятельной работе по курсу «Технические средства автоматизации» для студентов дневного и заочного обучения специальности 21.02.00 / Сост. А.П. Самарский; ИГХТУ. Иваново, 2004.40 с.

2. Технические средства пневматических и электронных систем автоматического регулирования: Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу «Технические средства автоматизации» для студентов специальности 21.02.00./ИГХТУ; Сост. Самарский А.П. Иваново. 1996. 56 с.