ТОП 10:

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА НА БАЗЕ



Лабораторная работа № 1

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА НА БАЗЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ Hitachi L100

 

Цель работы:Изучить принципы работы ПИД-регуляторов и настроить автоматический электропривод систему с ПИД-регулятором на базе преобразователя частоты Hitachi L100.

 

Краткие теоретические сведения

Современный этап развития промышленных приводов характеризуется значительным расширением области применения регулируемых электроприводов переменного тока. Это касается большинства тех отраслей промышленности, в которых ранее использовались приводы постоянного тока с двигателями независимого возбуждения, обладающие наилучшими регулировочными свойствами (металлообрабатывающая промышленность, производство бумаги), а также отраслей, где технологические параметры средствами электропривода не регулировались (насосные станции, воздуходувки, тепловые пушки). Многие преобразователи частоты имеют встроенную функцию ПИД-регулирования. Сигнал обратной связи от датчиков поступает по току 4-20 mA или напряжению 0-10В.

 

Принцип работы П-регулятора

На рисунке 1.1 показана система автоматического регулирования (САР) уровня воды в баке. Автоматические системы регулирования относятся к замкнутым системам регулирования. САР состоит из объекта регулирования - бака с водой и регулятора - поплавкового регулятора прямого действия. В свою очередь, поплавковый регулятор состоит из следующих деталей:

- чувствительного элемента;

- поплавка;

- задающего устройства;

- стяжного механизма;

- управляющего устройства;

- рычага;

- регулирующего органа;

- вентиля на подающем трубопроводе.

 

 

 

 

Рисунок 1.1. Система автоматического регулирования уровня воды в баке

 

В регуляторе прямого действия все перемещения регулирующего органа осуществляются за счет энергии, получаемой непосредственно от объекта регулирования. На рис.1.1 вентиль [B] закрыт, уровень воды в баке находится у заданного значения [Хо]. Вентиль [A] настраивается с помощью стяжного устройства таким образом, чтобы в бак не поступала вода, и рассматриваемое состояние системы автоматического регулирования считается исходным. Функциональная схема САР показана на рисунке 1.2.

 

 

Рисунок 1.2. Функциональная схема САР

 

В САР с поплавковым регулятором обратная связь (ОС) действует как в переходные моменты, так и в установившемся режиме. Такая ОС называется жесткой обратной связьюили главной обратной связью.

Вода из бака выливается, уровень воды в баке понижается, и поплавок регулятора, перемещаясь вниз посредством рычага, открывает клапан регулирующего вентиля [A]. В результате в бак вливается вода [Y], входное регулирующее воздействие. До тех пор, пока поток [Z] больше потока [Y], понижение уровня воды в баке продолжается с соответствующим перемещением в более низкое положение поплавка. Когда поток [Y] сравняется по величине с потоком [Z], процесс регулирования завершится. В рассмотренном регуляторе для каждого положения поплавка в баке пропорционально отклонению уровня воды устанавливается определенная величина потока вливающейся воды. Регулятор такого типа называется пропорциональным.

В пропорциональном регуляторе работа регулятора сводится к перемещению регулирующего органа [А] пропорционально величине ошибки [е], где ошибка - это отклонение регулируемой величины от заданного значения [Xо].

Уменьшить величину ошибки возможно за счет увеличения коэффициента передачи (усиления) регулятора Kп. В нашем регуляторе Kп зависит от соотношения между плечами рычага [m] и [n](см.рис.1.1). Например, если уменьшить длину плеча рычага [m], коэффициент передачи регулятора Kп увеличится, и поток вливающейся воды будет той же величины, но при меньшем значении ошибки [e].

С увеличением Kп уменьшается зона пропорциональности регулятора PB.Например, если регулирующий вентиль полностью открыт, когда поплавок опустился вниз на максимально возможное расстояние для данного регулятора, – PB регулятора равно 100%, а Kп равно 1. Если отклонение поплавка на одну пятую от этого расстояния полностью откроет клапан регулирующего вентиля, PB регулятора равно 20%, а Kп равно 5. Т.е. можно построить регулятор, который при минимальных отклонениях поплавка способен генерировать значительные управляющие воздействия [Y].

Для каждой САР имеется пороговое значение PB, начиная с которого инерционные свойства регулятора и объекта регулирования оказывают существенное влияние на работу регулятора и проявляются в виде эффекта перерегулирования ― САР теряет устойчивость. Можно сравнить поведение регулятора с автомобилем, который должен разогнаться до определенной скорости и затем затормозить, чтобы остановиться у обозначенной отметки. Если постепенно уменьшать расстояние, которое отводится для выполнения этого задания, мы выйдем на пороговое расстояние, после которого автомобиль по инерции начнет переезжать отметку. Потребуется сдавать автомобиль назад, чтобы остановиться в нужном месте.

В случае с регулятором в результате возмущающего воздействия поплавок регулятора переместится вниз, по инерции опустится ниже отметки уровня для нового равновесного состояния САР и вызовет поток вливающейся воды [Y], который больше потока выливающейся воды [Z]. Направление перемещения поплавка изменится. Он поднимется вверх и вновь пересечет отметку уровня для нового равновесного состояния САР, затем опустится вниз и т.д. Несмотря на это, если колебания носят затухающий характер, процесс регулирования с оптимальной зоной пропорциональности завершится быстрее и при меньшем значении ошибки, чем у регулятора с широкой зоной пропорциональности. На рисунке 1.3 t1<t2 и e1<e2.

Надо иметь в виду, что для значений степени неравномерности имеется предел, начиная с которого пропорциональный регулятор срывается в режим автоколебаний (см. рисунок 1.3) – узкая зона пропорциональности.

Главным недостатком пропорциональных регуляторов является обязательное отклонение регулируемой величины от заданного значения.

Еще одним существенным недостатком пропорциональных регуляторов является замедленная реакция регулятора на возмущающее воздействие в начале переходного процесса.

Например, если полностью открыть выходной вентиль, уровень воды в баке начнет понижаться с максимальной скоростью, но в начальный момент времени, когда отклонение уровня воды в баке незначительное, незначительным будет и регулирующее воздействие. В результате процесс регулирования затянется.

 

 

Рисунок 1.3. Настройка П-регулятора.

Принцип работы И-регулятора

Если закрыть выходной вентиль на рисунке 1.1, получим пример превращения пропорционального регулятора в интегральный регулятор (см. рисунок 1.4).

Особенность интегрального регулятора заключается в том, что он вырабатывает долгосрочное корректирующее воздействие, постепенно уменьшающее ошибку до нуля.

Теперь уровень воды в баке зависит не только от того, насколько открыт регулирующий вентиль [A], но и как долго он открыт. Вентиль [A] закроется, когда уровень в баке вернется к заданному значению [Xо]. Уровень воды в баке, начиная с уровня [X1] и выше, пропорционален аккумулированному объему воды [V], поступившему через регулирующий вентиль [A].

По мере уменьшения ошибки [е] нарастает объем налившейся в бак воды. Т.е. регулирующее воздействие как бы накапливается и в каждый момент времени равно сумме всех предыдущих регулирующих воздействий.

 

 

 

Рисунок 1.4. Модель САР с интегральным регулятором

 

Для расчета величины регулирующего воздействия И-регулятора удобно применять интегральное исчисление, откуда и название. В нашем случае интегрирующим звеном является бак с водой, но такое звено может содержать и сам регулятор САР. Интегральная составляющая затягивает переходные процессы, поэтому комбинируют пропорциональное воздействие с интегральным.

К сожалению, построить ПИ-регулятор прямого действия не представляется возможным и обычно пропорционально-интегральный регулятор представляет собой регулятор непрямого действия, для работы которого используется источник дополнительной энергии. В таком регуляторе помимо жесткой обратной связи (ОС) имеется положительная гибкая обратная связь (ПОС). В отличие от жесткой обратной связи, гибкая обратная связь действует только в переходные моменты. В отличие от жесткой обратной связи, гибкая обратная связь действует только в переходные моменты.

Интегральное воздействие И-регулятора аналогично ручной подстройке параметра, поэтому часто эту составляющую регулирования называют Reset-восстанавливающая, возвращающая в исходное состояние. Интегральная составляющая устраняет ошибку регулирования неизбежную при пропорциональном регулировании путем увеличения или уменьшения управляющего воздействия пропорционального регулятора. При этом скорость устранения ошибки задается временем, в течение которого осуществляется коррекция. Это время называется временем интегрирования Ти.

Пример ручного регулирования №1.

Упростим рисунок 1.4, и вместо поплавкового регулятора установим ручной регулирующий вентиль [A]. Получим систему, в которой управление регулирующим вентилем осуществляется оператором. Предположим, что система находится в равновесии, т.е. поток [Y1] равен потоку [Z1]. Обозначим положение регулирующего вентиля [а1], а зафиксированное значение уровня [Xо] (см. рисунок 1.5).

 

 

Рисунок 1.5. Модель управляемой системы

 

Этап первый. Откроем больше вентиль [B], повернем его в положение [b2].

Поток выливающейся воды из бака увеличится – [Z2], и уровень в баке начнет понижаться (см. рисунок 1.5).

Остановим понижение уровня. Начнем плавно открывать вентиль [A], тем самым увеличивая поток [Y1] и одновременно следим за понижением уровня.

В какой-то момент времени уровень зафиксируется в новом более низком положении, что стало возможным благодаря достигнутому равенству входного и выходного потоков

Обозначим новое значение потока воды в бак как [Y2], и положение регулирующего вентиля как [а2].

На этом этапе регулирование было выполнено по аналогии с действием пропорциональной составляющей автоматического регулятора с широкой зоной пропорциональности.

Этап второй. Этот этап регулирования будет осуществляться подобно действию интегральной составляющей автоматического регулятора. Возвратим уровень к значению [Xо]. Для этого откроем больше вентиль [A], положение вентиля [а3], тем самым увеличим поток воды в бак [Y2] на дополнительную величину [w]. За счет дополнительного потока [w], вода в баке начнет прибывать, накапливаться и, соответственно, начнет повышаться уровень (см. рисунок 1.5).

По мере повышения уровня воды постепенно прикрываем вентиль [A], чтобы уменьшить величину дополнительного потока воды [w].

Когда уровень воды в баке повысится до значения [Xо], довернем регулирующий вентиль [A] в положение [а2], при котором поток [Y2] равен потоку [Z2] (см. рисунок 1.5).

В результате несложных действий удалось вернуть уровень воды в баке к прежнему значению [Xо]. На графиках на рисунке 1.6 можно проследить как проходил процесс регулирования, где:

V1 - потеря объема воды в баке в результате регулирующего воздействия, аналогичного пропорциональному;

V2 - объем воды, который добавлен (подлит), чтобы вернуть уровень воды к значению [Xо].

 

Рисунок 1.6. Графики расхода воды в модели и изменения её уровня

 

Очевидно, что уровень воды вернется к значению [Xо], когда V2 равно V1.

 

Принцип работы Д-регулятора

 

Как отмечалось ранее, недостатком пропорциональных регуляторов является неспособность адекватно реагировать на возмущающее воздействие в начале переходного процесса, что приводит к снижению качества регулирования, а именно: возникают колебания регулируемой величины, и процесс регулирования затягивается.

Для устранения этого недостатка разработаны регуляторы, вырабатывающие регулирующее воздействие по скорости изменения ошибки.

Порядок выполнения работы

Внимание!!!

1.Категорически запрещается включать нагревательный элемент при неработающем двигателе.

Лабораторная работа № 1

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА НА БАЗЕ







Последнее изменение этой страницы: 2017-01-19; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.235.29.190 (0.007 с.)