close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

mu regul lab 2008

код для вставкиСкачать
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет технологии и
дизайна»
Кафедра автоматизации производственных процессов
Регуляторы и исполнительные механизмы
Методические указания к лабораторным работам по курсу
«Автоматизация производственных процессов»
для студентов дневного отделения
Составители:
И. Н. Смирнов
В. Л. Литвинчук
Д. А. Шурыгин
В. Я. Энтин
А. В. Ярохнович
Санкт-Петербург
2008
Утверждено
на заседании кафедры
15.11.2007 г.,
протокол № 114
Рецензент А. В. Марковец
Оригинал подготовлен составителями и издан в авторской
редакции
Подписано в печать 26.11.2008 г. Формат 60х84х1/16.
Печать трафаретная. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 200 экз.
Электронный адрес: http://publish.sutd.ru
Отпечатано в типографии СПГУТД
191028, Санкт-Петербург, ул. Моховая, 26
Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Цель работы: ознакомление с устройством и принципом действия
полупроводникового терморегулятора типа ПТР-П и оценка
параметров его
влияния
настройки на процесс автоматического регулирования
температуры.
Методические указания к ознакомительной части работы
Важным средством автоматизации производственных процессов в
текстильной и легкой промышленности являются регуляторы непрерывного
действия, обеспечивающие поддержание на заданном уровне тех или иных
параметров технологических процессов (температуры, уровня давления,
влажности и т. п.).
Электрические
регуляторы
непрерывного
действия
могут
быть
унифицированными (например, типа РПИК, РПИБ, РУ4-16А) и специализированными.
Унифицированные регуляторы могут применяться для регулирования
различных параметров технологических процессов. Специализированные –
только для регулирования одного, вполне определенного для данного
регулятора параметра технологического процесса.
Рассмотрим серийный специализированный регулятор типа ПТР-П
(полупроводниковый терморегулятор пропорционального действия) в системе
автоматического регулирования (САР) температуры рис. 1.1.
Приняты следующие обозначения входных и выходных переменных
элементов САР: Ө − фактическая температура объекта; Ө3 − заданная
температура объекта; Ө2 − выходной сигнал датчика; ΔӨ = Ө3 - Ө2 − сигнал
рассогласования;
α
−
угол
поворота
исполнительного
механизма;
3
µ − регулирующее воздействие; Ө1 − показания индикатора температуры (если
погрешность индикатора мала, то можно считать: Ө1 = Ө).
Серийно выпускаемый промышленностью полупроводниковый терморегулятор типа ПТР-П предназначен для автоматического регулирования
температуры жидких и газообразных сред. Прибор выпускается в нескольких
модификациях, отличающихся друг от друга диапазоном регулируемых
температур.
Рис. 1.1. Структурная схема САР температуры:
О − объект регулирования; Д − датчик температуры: ИТ −
индикатор температуры; ПУ − преобразующее устройство;
ИМ − исполнительный механизм; РО − регулирующий орган;
УОС − устройство обратной связи; ЗУ − задающее устройство;
ПТР-П − полупроводниковый терморегулятор
Прибор
вместе
с
исполнительным
механизмом
реализует
пропорциональный закон регулирования:
α = Кp ΔӨ ,
(1.1)
где Кp − коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом
усиления регулятора.
Соотношение (1.1) выполняется в любом состоянии покоя исполнительного механизма внутри так называемой «зоны неравномерности», о
которой будет сказано далее.
4
Фактическое значение температуры в объекте контролируется датчиком,
которым в данном случае является термосопротивление типа ТСМ.
Рассмотрим более подробно регулятор вместе с исполнительным
механизмом и устройством обратной связи (рис.1.2).
Регулятор состоит из измерительного
моста переменного тока 1
(играющего роль сравнивающего устройства) и преобразующего устройства 2.
Регулятор может работать с исполнительным механизмом типа ИМ2/120 и
ПР-1, имеющим реохорд обратной связи R6. Измерительный мост состоит из
резисторов R1 - R6. Резисторы R1 и R3 имеют постоянное сопротивление, R2датчик температуры (терморезистор ТСМ), R4 - переменный резистор для
задания температуры (задающее устройство). С помощью резистора R5 можно
установить различные значения коэффициента Кр. Резисторы R4 и R5 служат
для
настройки
регулятора,
и
их
рукоятки
"Задание"
(Зд)
и
"Зона
неравномерности" (З.н.) выведены на его лицевую панель. Питание моста
подается на диагональ "аb",а выходной сигнал снимается с диагонали cd.
Предположим, что при некотором значении температуры объекта,
которой соответствует определенная величина сопротивления R2, и при
некотором значении заданной температуры, устанавливаемом резистором R4,
движок
реохорда
резистора
R6
занимает
положение,
при
котором
измерительный мост сбалансирован. При этом напряжение на входе и выходе
устройства 2 равно нулю, а исполнительный механизм занимает неизменное
положение, характеризуемое некоторым углом его поворота α. Этот угол
поворота отвечает существующему сигналу рассогласования ∆Ө = ӨЗ - Ө2.
При
отклонении
температуры
объекта
от
прежнего
значения
сопротивление R2 изменяется, мост разбалансируется, и на входе устройства 2
появляется напряжение переменного тока, фаза и амплитуда которого зависят
от направления и величины отклонения температуры. На выходе устройства 2
появляется соответствующий сигнал, который включает исполнительный
механизм. На оси исполнительного механизма закреплен движок реохорда
5
обратной связи R6 (устройство обратной связи). При работе исполнительного
механизма и перемещении движка реохорда R6 сопротивление плеч моста
меняется так, чтобы вновь сбалансировать мост. Когда сигнал на выходе моста
станет равным нулю, устройство 2 выключит исполнительный механизм, и он
остановится в положении, соответствующем новому сигналу рассогласования
∆Ө.
Рис. 1.2. Схема регулятора ПТР – П с исполнительным
механизмом и узлом обратной связи
Таким образом ПТР-П обеспечивает пропорциональную связь между ∆Ө
и α.
Пропорциональный закон регулирования (1.1) обеспечивается только в
пределах возможного угла поворота исполнительного механизма, на границах
6
которого (αmin и αmax) исполнительный механизм становится на упор (рис 1.3).
Поскольку предельный угол поворота исполнительного механизма –
величина постоянная, то при изменении коэффициента пропорциональности Кp
изменится и диапазон ∆Өн сигнала рассогласования ∆Ө, соответствующий
повороту исполнительного механизма от αmin до αmax.
На рис.1.3 приведена статическая характеристика регулятора ПТР-П
вместе с исполнительным механизмом. Она отражает общую зависимость
входной ∆Ө и выходной α величин указанных элементов в установившемся
режиме. Величина ΔӨН называется зоной неравномерности или зоной
пропорционального регулирования.
Рис. 1.3. Статическая характеристика ПТР-П с ИМ
Внутри зоны неравномерности связь между величинами α и ∆Ө
описывается выражением (1.1). В лабораторной работе Кр определяется по
формуле:
Кр = (αmin-αmax) / ΔӨн
(1.2)
Изменением значения Кр (с помощью R5), а также установкой заданного
значения температуры с помощью рукоятки задатчика R4 осуществляют
настройку регулятора, т. е. приведение его в состояние, при котором он будет
7
обеспечивать стабилизацию в объекте заданной температуры. Величины Ө3 и
Кр называются параметрами настройки регулятора.
Рис. 1.4. Схема лабораторного стенда
Показатели качества процесса регулирования в системе − точность,
характеризуемая отклонением температуры в объекте от заданного значения в
установившемся
режиме,
колебательность,
перерегулирование
и
время
переходного процесса − будут зависеть, в частности, от коэффициента
пропорциональности Кр, обеспечиваемого регулятором. При увеличении Кр
повышается
8
точность
регулирования,
но
возрастают
колебательность,
перерегулирование и время переходного процесса; при уменьшении Кр эффект
оказывается обратным. Настраивая регулятор, следует подбирать такое
значение Кр, при котором все показатели качества регулирования оказываются
приемлемыми по технологическим соображениям.
Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд (рис. 1.4) состоит из регулятора ПТР-П с датчиком −
терморезистором
ТСМ(R2),
помещенным
в
объект
регулирования;
исполнительного механизма (ИМ) с реохордом обратной связи R6; объекта
регулирования (0); регулирующего органа; индикатора температуры с
датчиком – полупроводниковым диодом и отметчика времени. Индикатор
температуры и отметчик времени выполнены в виде отдельного блока БТВ
(рис. 1.5), на лицевой панели которого имеются два цифровых табло на жидкокристаллических индикаторах.
Рис. 1.5. Лицевая панель блока БТВ
Объект регулирования представляет собой термокамеру, нагрев которой
осуществляется лампочкой HL, а охлаждение вентилятором М.
Исполнительный
механизм
с
реохордом
обратной
связи
и
автотрансформатором помещены в общий корпус, на верхней панели которого
установлены тумблеры: S1 − включение питания "Сеть", S2 − отключение
регулирующего воздействия "Р.В.", S3 − отключение исполнительного
механизма
"И.М." и рукоятка "Р" ручного перемещения исполнительного
механизма со стрелкой и шкалой для отсчета положения выходного вала.
9
Порядок выполнения работы
1. Подготовить стенд к работе: выключить регулирующее воздействие и
исполнительный механизм (установить тумблеры "Р.В." и "И.М." в положение
"выкл."), включить тумблер "Сеть" установки и кнопку "Питание" на блоке
индикатора температуры.
2. Снять статические характеристики регулятора с исполнительным
механизмом при разных зонах неравномерности: установить рукоятку «Зона
неравномерности» регулятора в положение "1", соответствующее некоторому
значению Кр; включить тумблер "И.М.", после чего исполнительный механизм
займет некоторое произвольное положение; благодаря выключенному тумблеру
"Р.В." регулирующее воздействие к объекту не прикладывается.
Медленно поворачивая рукоятку "Задание" по часовой стрелке и против нее,
т. е. создавая рассогласование ΔӨ с помощью Ө3, добиться последовательной
установки исполнительного механизма в двух крайних положениях.
По разности соответствующих положений рукоятки определить ширину зоны
неравномерности ΔӨн в ºС и построить характеристику, как показано на рис. 1.3
(участок ΔӨн расположен симметрично относительно начала координат).
Повторить
указанные
операции
для
положения
рукоятки
"Зона
неравномерности" на делениях "2" и "3", соответствующих другим значениям
Кр; вычислить коэффициент Кр для всех трех положений рукоятки "Зона
неравномерности" по формуле (1.2).
3. Снять процесс регулирования при одном из вариантов настройки
регулятора температуры (например, установить Ө3 = 29 ºС), а рукоятку "Зона
неравномерности" − в положение "1", соответствующее определенному
значению Кр, найденному выше;
включить тумблер "Р.В.", т. е. замкнуть систему и наблюдать процесс
регулирования, фиксируя через каждые 20 с значения температуры в объекте Ө 1
(на цифровом табло блока индикации температуры) и угла поворота
10
исполнительного механизма α, занести результаты в табл. 1.1;
процесс измерения начать нажатием на блоке БТВ кнопки «сброс»;
построить соответствующие графики при общей оси времени (рис.1.6); для
улучшения точности построения желательно фиксировать моменты времени, в
которые α и Ө1 достигают экстремальных значений, а также сами эти значения.
Таблица 1.1. Зависимость Ө1 и α от времени
t, с
20
40
60
…
Ө1, ºС
α, град
Рис. 1.6. Кривые изменения Ө1 и α
Эксперимент продолжать до выхода системы на установившийся режим,
но не более 15 мин. После этого, поворачивая рукоятку "Задание", установить
исполнительный механизм в положение α = 0 (при котором происходит
охлаждение объекта), включить тумблер "И.М." и охладить объект до
температуры, близкой к комнатной (по указанию преподавателя), чтобы создать
начальное рассогласование для следующего эксперимента. Выключить тумблер
"Р.В." и включить "И.М.".
4. Повторить п. 3 для других значений Кр, соответствующих положениям
"2" и "3" рукоятки "Зона неравномерности".
11
5. Определить для температуры Ө1: перерегулирование σ время
переходного процесса tп , значение установившейся ошибки ΔӨу1=Ө1уст - Өзад и
период колебаний Тк, если колебания имели место (рис. 1.6). σ, tпп и ΔӨу1
определяются при выходе Ө1 на установившийся режим.
6. По экспериментальным данным оценить влияние коэффициента Кр на
показатели качества регулирования, т. е. констатировать, как изменяются эти
показатели при увеличении или уменьшении Кр.
Содержание отчета
1. Краткое описание принципа действия регулятора.
2. Описание лабораторного стенда.
3. Таблицы и графики, построенные по результатам экспериментов.
4. Выводы о влиянии Кр на процесс регулирования.
Контрольные вопросы
1. Из каких основных узлов состоит регулятор ПТР-П?
2. Какой закон регулирования обеспечивается регулятором?
3. Из каких элементов состоит лабораторный стенд?
4. Что является регулирующим органом в системе?
5. Как влияет изменение зоны неравномерности регулятора на его
коэффициент усиления и на характер процесса регулирования?
1. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы:
справочное пособие/под ред. Б. Д. Кошарского. − М.:
Машиностроение , 1986. – 540 с.
12
Лабораторная работа 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЗИЦИОННОГО РЕГУЛЯТОРА
Цель работы:
1. Ознакомление с устройством и принципом действия двухпозиционного
регулятора температуры на базе электронного автоматического потенциометра
типа ЭПВ-11А.
2. Определение характеристик объекта регулирования.
3. Исследование процесса регулирования.
Методические указания к ознакомительной части работы
Позиционными
регулирующее
называют
воздействие)
регуляторы,
имеет
выходной
сигнал
несколько
которых
установившихся
(фиксированных) значений (в двухпозиционных регуляторах таких значений
два, в трехпозиционных − три и т. д.) Позиционные регуляторы обязательно
включают в себя так называемые элементы прерывного действия, а именно
релейные элементы. Статические характеристики, связывающие входной (Хвх) и
выходной (Хвых) сигналы наиболее распространенных релейных элементов,
приведены на рис. 2.1. Реле с характеристикой по рис. 2.1, а называют
идеальным, по рис. 2.1, б называют идеальным с зоной нечувствительности.
Двухпозиционные регуляторы включают в себя релейные элементы со
статическими
характеристиками
типа
изображенных
на
рис.
2.1
а
трехпозиционные регуляторы − со статическими характеристиками типа
рис. 2.1, б.
В
позиционных
регуляторах
с
релейными
статическими
характеристиками под Xвх понимается отклонение регулируемой величины от
заданного значения (Xзад), а под Xвых − регулирующее воздействие.
13
Хвых
Хвых
Хвых2
Хвых2
Хвх
Хвх
Хвых1
Хвых1
а
б
Рис. 2.1. Статические характеристики релейных элементов
Наиболее простыми из позиционных регуляторов, применяемых в
промышленности, являются двухпозиционные регуляторы. Обычно они
работают следующим образом: полностью прекращают приток вещества или
энергии к объекту регулирования при превышении регулируемой величиной
заданного уровня Xзад и полностью восстанавливают этот приток при
отклонении регулируемой величины от заданного уровня Хзад в меньшую
сторону. Регулирующее воздействие Хвых имеет при этом лишь два установившихся значения: Хвых1 и Хвых2 (рис. 2.1, а). Одно из установившихся значений
выходного сигнала, двухпозиционного регулятора в этом случае соответствует
отключенному состоянию реле, а второе − включенному.
В
настоящей
работе
изучается
и
исследуется
двухпозиционный
регулятор, входящий в состав системы регулирования температуры теплового
объекта − печи (рис. 2.2). В систему автоматического регулирования входят:
объект регулирования 1 − электропечь, нагрев которой осуществляется
нагревательным элементом 2, а охлаждение − вентилятором 3; автоматический
потенциометр 4 типаЭПВ2-11А, к которому подключены термопары 5,
помещенные в
объект 1 и выполняющие роль датчика температуры;
автотрансформатор 6, с помощью которого можно устанавливать ток
злектронагревателя, измеряемый амперметром 7; реостат 8, управляющий
14
скоростью вращения двигателя М вентилятора 9; выключатель питания стенда
S1(«сеть»);
выключатель
переключатель
режима
питания
работы
злектронагревателя
системы
с
S2(«печь»);
неавтоматического
на
автоматический S3.
В неавтоматическом режиме работы осуществляется непрерывное
питание нагревательного элемента от автотрансформатора. В автоматическом
режиме работы питание нагревательного элемента от автотрансформатора
осуществляется через контактную группу S4 автоматического потенциометра
4, обеспечивающего двухпозиционное регулирование температуры. Если
фактическая
температуpa
в
объекте
ниже
заданной,
S4
замкнут
и
нагревательный элемент находится под током (при замкнутом S2). Если
фактическая температура в объекте становится выше заданной, то S4
размыкается и питание нагревательного элемента прекращается.
Рис. 2.2. Принципиальная схема системы регулирования температуры
Электронный автоматический потенциометр ЭПВ2-11А обеспечивает
преобразование
сигнала
датчика
температуры
–
термопары
в
15
пропорциональный поворот подвижной следящей шкалы 1 (рис. 2.3), сравнение
этого угла с углом установки задающего диска 2 (задатчика), с помощью
которого в регулятор вводится значение заданной температуры, выработку
регулирующего воздействия путем замыкания или размыкания контактной
группы 3 регулятора, изображённой на рис. 2.4.
Рис. 2.3. Следящая шкала и установочный диск ЭПВ2 – 11А
Установка (поворот на некоторый угол) шкалы задающего диска 2
(рис 2.3) в нужное положение осуществляется вручную с помощью рукоятки 3,
находящейся за защитной крышкой прибора. Отсчет заданного значения
температуры с диска 2 и фактического значения температуры в объекте со
шкалы 1 производится с помощью неподвижной стрелки 4 (рис. 2.3).
Рис. 2.4. Устройство для сравнения заданного и текущего значений
регулируемой величины
Сравнение в приборе угловых положений следящей шкалы и задающего
диска производится с помощью профильной кулачковой пластины 1 (рис. 2.4),
жестко связанной с подвижной следящей шкалой, и скользящего по ее
поверхности щупа 2, связанного с задающим диском и осуществляющего
замыкание или размыкание контактной группы 3 (на рис. 2.2 ей соответствует
контактная группа S4) регулятора. Последняя используется для формирования
16
регулирующего воздействия путем включения и отключения электрического
нагревателя.
Характерной особенностью
регуляторами
является
любой системы
колебательный
режим
с
двухпозиционными
работы,
называемый
автоколебаниями. Регулируемая величина Y в объекте непрерывно колеблется
в окрестности некоторого заданного значения Yзад с постоянной амплитудой и
частотой (рис. 2.5). Колебания связаны с периодическим включением и
отключением нагрева при работе двухпозиционного регулятора.
Рис. 2.5. Зависимость регулируемой величины Y
от времени в процессе регулирования
При этом средняя линия колебаний Yо может совпадать с заданным значением Yзад регулируемой величины (режим симметричных
автоколебаний) или быть несколько смещена относительно него (режим
несимметричных автоколебаний). Условия получения того или другого режима
будут рассмотрены ниже.
Параметры процесса регулирования (амплитуда
А, период Тк и смещение α средней линии колебаний температуры
относительно ее заданного значения) зависят от настройки регулятора и
характеристик объекта регулирования.
Как указывалось ранее, в данной работе объектом регулирования
является печь (тепловой объект регулирования). Для лучшего понимания
17
зависимости, приведенной на рис. 2.5, рассмотрим переходную характеристику
печи, которая характеризует изменение температуры Ө во времени Ө=Ө(t) при
скачкообразном изменении регулирующего воздействия Q (рис. 2.6, а),
представляющего собой приток тепла или тока в нагревателе, так как от него
зависит приток тепла. Пусть скачок Q произошел на величину ΔQ с уровня Q1
до уровня Q2 (Q1 > Q2), ΔQ = Q1 - Q2. Характерный вид зависимости Ө = Ө(t) для
исследуемого
в
работе
объекта
регулирования-печи
приведен
на
рис. 2.6, б. Температура печи меняется от уровня Өн (начальной температуры)
на величину ΔӨуст =Өн - Өк. Переходная характеристика имеет точку перегиба
(точка С на рис. 2, 6).
Q, 0С
Q1
∆Q
Q2
t, c
a
t, c
б
Рис. 2.6. График изменяющегося скачком регулирующего воздействия (а)
и переходная характеристика объекта (б)
Проведем касательную к переходной характеристике Ө = Ө(t) в точке С и
18
обозначим проекции на ось времени 0t точек пересечения этой касательной с
уровнями Өн и Өк буквами "а" и "в". Назовем величину τ o = а запаздыванием
объекта регулирования, а величину То = в-а − постоянной времени объекта
регулирования. Эти величины понадобятся ниже для определения амплитуды А
и периода Тк (см. рис. 2.5) режима автоколебаний. Режим симметричных
автоколебаний возможен лишь при условии, что приток тепла Qmax при
включенном
нагревательном
элементе
в
процессе
двухпозиционного
регулирования вдвое превышает приток тепла Qб, необходимый для вывода
объекта на заданную температуру Ө3 в режиме постоянного подвода тепла.
Обозначим
B
Qmax
.
Qб
Поскольку приток тепла пропорционален мощности, выделяемой в
нагревателе, или квадрату протекающего через него тока, то
,
где Imax и Iб − два значения тока, соответствующего Q max и Qб.
Условие получения симметричных колебаний Q max=2Qб имеет, таким
образом, вид:
.
(2.1)
Для режима симметричных колебаний можно получить формулы,
позволяющие определить параметры процесса регулирования амплитуду А, и
период Тк колебаний:
(2.2)
,
.
(2.3)
19
Удалено: к
Если
условие
(2.1)
не
выполняется,
то
при
двухпозиционном
регулировании будет получен режим несимметричных автоколебаний. В этом
случае параметры процесса регулирования − амплитуда А, период Тк и
смещение α средней линии колебаний относительно заданной температуры −
могут быть получены аналитически по формулам:
(2.4)
,
(2.5)
,
(2.6)
.
В лабораторной работе для этого случая целесообразно принять В = 1,36,
т. е. согласно формуле (2.1)
.
(2.7)
Описание лабораторного стенда
Лабораторный
стенд
представляет
собой
стойку,
на
которой
смонтированы элементы системы управления, показанные на принципиальной
схеме рис. 2.2.
На передней панели стенда рис. 2.7 размещены выключатели S1, S2,
переключатель S3, амперметр, ЗПВ2-11А, автотрансформатор и реостат.
Остальные элементы системы регулирования размещены на тыльной стороне
панели.
Порядок выполнения работы:
1. Получить переходную характеристику объекта регулирования:
20
− убедиться в том, что рукоятка автотрансформатора 6 находится в
крайнем левом положении (повернута до упора против часовой стрелки),
выключатель S2 включен, а S3 находится в положении «Д» (постоянный
нагрев);
− подать питание на стенд (включить стенд) с помощью выключателя S1;
− по следящей (нижней) шкале потенциометра 4 убедиться, что
отклонение температуры объекта от комнатной равно 0;
− поворотом ручки автотрансформатора 6 установить по амперметру 5
току Iб (величина указана на стенде) и дождаться, пока температура в
электропечи установится на некотором неизменном уровне (прекратится
движение следящей шкалы автоматического
потенциометра). Это значение
температуры (обычно оно близко к 70) принимается в дальнейшем в качестве ее
заданного;
Рис. 2.7. Передняя панель стенда:
1 − выключатель S1 "Сеть"; 2 − переключатель S3; 3 − выключатель S2 "Печь";
4 − автоматический потенциометр ЭПВ2-11А; 5 − амперметр; 6 − ручка
автотрансформатора; 7 – реостат
− выключить с помощью S2 питание нагревателя, после чего с
интервалом в 1 мин регистрировать значения температуры в объекте по
следящей шкале потенциометра 4; через 15 мин прекратить запись.
В координатах: время – t, c, температура − Ө,
0
С, построить по
21
полученным данным переходную характеристику объекта Ө(t), как показано на
рис. 2.6, б. Остальная часть характеристики достраивается с учетом ее
стремления к комнатной температуре, которая была записана ранее (показания
нижней шкалы потенциометра будут стремиться к нулю).
По полученной характеристике определяются запаздывание τ0, с, и
постоянная времени объекта То, с.
2. Получить процесс регулирования в системе в режиме симметричных
автоколебаний и определить его параметры следующим образом: открыв
защитную крышку автоматического потенциометра 4 (рис. 2.7), установить
рукояткой 3 (рис. 2.3) заданную температуру Өзад = Өб (см. п.1);
− включить выключатель S2 и с помощью рукоятки автотрансформатора
6 установить ток печи Imax = 1.4Iб в соответствии с условием (2.1);
− перевести переключатель S3 в положение "Авт.", после чего с
интервалом 30с записать в табл. 2.1. значения температуры в объекте по
следящей шкале 1 (рис. 2.3.) потенциометра (регистрировать не менее двух
периодов колебаний).
Кроме того, необходимо зафиксировать моменты, в которые температура
достигает экстремальных значений (максимального и минимального) в
процессе автоколебаний, и сами эти значения, а также моменты включения и
отключения нагревателя (в моменты отключения ток на амперметре принимает
значение I = 0, а в моменты включения I = Imax)и соответствующую им
температуру.
По полученным данным построить кривую процесса регулирования Ө(t) и
зависимость I(t) (на одном графике) и определить амплитуду А и период Тк
автоколебаний.
Таблица 2.1. Экспериментальные данные
t, с
Ө1, ºС
I, А
22
0
30
60
90
120
….
3. Получить процесс регулирования в системе в режиме несимметричных
автоколебаний и определить параметры следующим образом: перевести
переключатель
S3
в
положение
«Д»
и
установить
рукояткой
автотрансформатора 6 (рис. 2.7) ток нагревателя Imax = 1,2I0
Вновь установить S3 в положение «Авт», после чего осуществить
регистрацию изменения температуры и тока печи во времени, как указанно
ранее при анализе симметричного режима автоколебаний.
Построив кривую процесса регулирования Ө(t) и график I(t) определить
амплитуду А, период Тк и смещение α средней линии колебаний относительно
заданной температуры Өзад.
4. Провести аналитический расчет параметров процесса регулирования в
режиме симметричных и несимметричных автоколебаний по формулам (2.2) и
(2.6) и сравнить их с полученными выше экспериментальными значениями.
Результаты представить в виде табл. 2.2.
Таблица 2.2. Сравнение экспериментальных и расчетных данных
Колебания
Значения
симметричные
А
Тк
несимметричные
А
Тк
α
Экспериментальные
Расчетные
Содержание отчета по работе
1. Краткое описание принципа действия регулятора.
2. Описание лабораторного стенда.
3. Таблицы и графики, построенные по результатам экспериментов.
4. Результаты аналитической оценки параметров регулирования и их
23
сравнение с экспериментальными данными.
5. Выводы по работе (о степени совпадения экспериментальных данных с
аналитическими,
о
точности
выполнения
режима
симметричных
автоколебаний: совпадении средней линии колебаний с заданной температурой;
о величине смещения средней линии колебаний от заданной температуры в
режиме несимметричных автоколебаний).
Контрольные вопросы
1. В чем заключается принцип двухпозиционного регулирования?
2.
В
каких
режимах
автоколебаний
могут
работать
системы
двухпозиционными регуляторами?
3. Каковы условия получения того или иного автоколебательного режима
работы системы?
4. Каким образом в автоматическом потенциометре обеспечивается
сравнение
фактического значения температуры с заданным и выработка
регулирующего воздействия?
5. Что такое переходная характеристика объекта?
6. Какими параметрами характеризуется объект регулирования и как они
определяются?
1. Клюев А. С. Двухпозиционные автоматические регуляторы и их
настройка/под ред. А. С. Климова. − М.:Энергия, 1967. − 96 с
2. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы
справочное пособие /под ред. Б. Д. Кошарского. − М.: Машиностроение, 1986. −
540 с.
24
Лабораторная работа 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Цель
работы:
изучение
конструкции,
принципа
действия,
схем
управления, свойств и рабочих характеристик исполнительных механизмов.
Методические указания к ознакомительной части работы
Во многих случаях автоматического или дистанционного управления и
регулирования для изменения воздействия на управляемый процесс (например,
при регулировании температуры или расхода) следует менять положение
регулирующих органов: задвижек, клапанов, золотников, вентилей, муфт и т. п.
Для этой цели применяются исполнительные механизмы, устанавливаемые на
выходе автоматического устройства.
В зависимости от вида энергии, которую потребляют исполнительные
механизмы,
они
разделяются
на
электрические,
гидравлические
и
пневматические.
В машинах и аппаратах текстильной и легкой промышленности наиболее
широко применяются электрические исполнительные механизмы, обладающие
рядом преимуществ перед гидравлическими и пневматическими.
Электрический исполнительный механизм состоит из привода, редуктора,
конечных выключателей и в некоторых случаях узла обратной связи по
положению регулирующего органа. Выходной вал исполнительного механизма
соединяется с регулирующим органом. Преобразование получаемого сигнала в
движение регулирующего органа осуществляется исполнительным механизмом
за счет использования энергии вспомогательного источника.
В
электрических
исполнительных
механизмах
используются
электродвигательный и соленоидный приводы. Наиболее широко применяются
электрические исполнительные механизмы с электродвигательным приводом,
25
которые, в свою очередь, разделяются на исполнительные механизмы с
контактным и бесконтактным управлением электродвигателем. Электрические
контактные исполнительные механизмы разделяются на однооборотные и
многооборотные.
Однооборотными
исполнительными
механизмами
называются механизмы, у которых рабочий угол поворота выходного вала не
превышает 360º.
Многооборотные исполнительные механизмы совершают некоторое
ограниченное число оборотов выходного вала; оно составляет обычно от 10 до
160 оборотов.
Электрические бесконтактные исполнительные механизмы управляются
приборами без замыкания электрических контактов; при этом основные узлы
исполнительного механизма, в том числе электродвигатели, применяются те
же, что и в контактных исполнительных механизмах.
К
основным
механизмов
относятся
свойствам
точность
электродвигательных
и
быстродействие.
исполнительных
Быстродействие
характеризуется временем перехода рабочего вала исполнительного механизма
из одного крайнего положения в другое.
Точность определяется максимальной относительной ошибкой:
max 
 max
100 % ,
 max
(3.1)
где ∆αmax-максимальная абсолютная погрешность установившегося выходного
сигнала (угла поворота); φmax − максимальный угол поворота рабочего вала.
Среди электрических исполнительных механизмов, применяемых на
предприятиях текстильной и легкой промышленности, распространение
получили
исполнительные
механизмы
ДР
(двухпозиционные)
и
ПР
(пропорционального действия), исследованию которых и посвящена данная
лабораторная работа.
26
Исполнительный механизм ДР
Двухпозиционный исполнительный механизм типа ДР состоит из
однофазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, редуктора и
контактного устройства. Схема управления таким механизмом показана на
рис. 3.1.
Один
конец
обмотки
возбуждения
L1
двигателя
М
соединен
непосредственно с питающей сетью, а второй − с кольцевым контактом 3.
Ползун 5, приводимый в движение двигателем М, соединяет кольцевой контакт
3 в зависимости от своего положения с контактами 1, 2 или контактной
пластиной 4, которая, в свою очередь, соединена со вторым сетевым проводом.
Рис.3.1.Схема механизма ДР:
М − асинхронный электродвигатель; L1 − обмотка возбуждения;
S1 и S2 – управляющие контакты; 1,2 – пусковые контакты;
3 – кольцевой контакт; 4 – контактная пластина; 5 – ползун.
Включение схемы производится замыканием одного из управляющих
контактов S1 или S2 (факт замыкания которых является входным сигналом в
схеме управления). В результате контакт 1 или 2 соединяется с сетью.
Допустим, что ползун 5 находится на контакте 2. При этом он не касается
контактной пластины 4, так как контакты 1 и 2 выступают над ее плоскостью. В
27
момент замыкания управляющего контакта S1 на обмотку возбуждения L1 двигателя М подается напряжение сети, и вал двигателя начинает вращаться.
Ползун 5, соединенный через редуктор с валом двигателя, переходит с контакта
2 на контактную пластину 4. Обмотка возбуждения получает питание через
перемычку ab. Контакт 2 с этого момента разомкнут.
Вращение двигателя будет продолжаться до тех пор, пока ползун 5 не
достигнет контакта 1 и не разомкнётся с контактной пластиной 4. В этот
момент цепь питания обмотки возбуждения
размыкается, и двигатель
останавливается. Чтобы вал двигателя стал вращаться вновь, необходимо
замкнуть контакт S2 (новый входной сигнал). Вал двигателя начнет вращаться в
том же направлении в сторону контакта 2. Таким образом, исполнительный
механизм ДР имеет всего два состояния равновесия, когда ползун 5 находится
на одном из пусковых контактов.
Исполнительный механизм ПР
Исполнительный механизм ПР может изменять направление вращения
рабочего вала и имеет неограниченное число состояний равновесия.
Возможность
реверса
рабочего
вала
достигается
использованием
двухдвигательного электропривода. Двигатели вращают рабочий вал в разных
направлениях и одновременно не включаются. Исполнительный механизм типа
ПР (рис. 3.2) состоит из двух однофазных короткозамкнутых асинхронных
двигателей
(М1
и М2) с
экранирующими
обмотками, редуктора Е,
потенциометра обратной связи Rос и системы управления, в которую входят
конечные выключатели S1, S2, S3, S4, ограничивающие угол поворота рабочего
вала и включающие сигнальные лампы. Потенциометр обратной связи связан с
указателем
угла
поворота
рабочего
вала
исполнительного
механизма.
Напряжение трансформатора Т подается на выпрямитель V1 − V4, а затем на
измерительный
28
мост,
образованный
задающим
потенциометром
R3
и
потенциометром
обратной
связи
R ос.
В
диагональ
моста
включены
измерительный прибор mА и обмотка поляризованного реле К1, управляющего
своими контактами К11 и К12 включением двигателей через реле К2 и К3.
В положении движка задающего потенциометра R3, при котором
произведения
сопротивлений
противоположных
плеч
моста
равны,
измерительный мост уравновешен, и ток в его измерительной диагонали
отсутствует. Якорь поляризованного реле находится в нейтральном положении,
его контакты К11 и К12 разомкнуты, ток в обмотках промежуточных реле К2 и
К3 не протекает. Их замыкающие контакты К21 и К31 разомкнуты, и обмотки
L2 и L3 двигателей М1 и М2 обесточены.
При смещении движка задающего потенциометра мост разбалансируется
и в его диагонали появляется ток, вызывающий срабатывание поляризованного
реле в ту или иную сторону в зависимости от направления смещения движка.
Допустим, что поляризованное реле, сработав, подключит к сети обмотку реле
К2. Тогда его контакт К21 замкнется, а К22 разомкнется (последнее
необходимо, чтобы исключить одновременную подачу напряжения в обмотки
возбуждения обоих двигателей), и на обмотку возбуждения L1 двигателя Ml
поступит напряжение. Фазу этого напряжения выбирают так, чтобы при
вращении двигателя рабочий вал перемещал движок потенциометра обратной
связи в сторону того положения, в котором измерительный мост сбалансирован. По мере вращения двигателя ток в измерительной диагонали
уменьшается. В момент, когда ток станет близок к нулю, поляризованное реле
разомкнет свой контакт, обмотка реле К2 обесточится, контакт К21
разомкнётся, и двигатель M1 остановится. В случае, если вал дойдет до
крайнего положения, а контакт реле К21 не разомкнется, специальные тяги
воздействуют на конечные выключатели S1 и S3. Первый разомкнет цепь
питания обмотки возбуждения L1 двигателя M1, а второй замкнет цепь
сигнальной лампочки H1.
Аналогично схема работает и в случае, когда якорь поляризованного реле
29
замыкает противоположную пару контактов. В этом случае будет включен
двигатель М2, и вращение рабочего вала исполнительного механизма будет
осуществляться в другую сторону.
Таким образом, перемещение движка потенциометра R3 в то или иное
положение влечет за собой перемещение и движка Rос в соответствующее
положение. Одновременно вращается рабочий вал. Проградуировав шкалу
положений движка Rос в единицах угла поворота рабочего вала, можно на
расстоянии контролировать и задавать его положение путем вращения движка
R3.
Выключатель S5 позволяет замкнуть накоротко обмотку поляризованного
реле с тем, чтобы регистрировать ток в диагонали измерительного моста при
остановленном механизме ПР.
Описание лабораторного стенда
Стенд для испытаний исполнительных механизмов ДР и ПР состоит из
механизма ДР с кнопочной станцией, содержащей контакты S1 и S2 (рис. 3.2),
и механизма ПР со схемой управления, размещенной в кожухе стенда, и
пультом задающего потенциометра.
На передней части панели лабораторного стенда расположено смотровое
окно, выключатель S5, сигнальные лампы конечных положений рабочего вала
H1 и Н2 механизма ПР, миллиамперметр mА (обозначения соответствуют
рис. 3.2), а также общий для механизмов ПР и ДР выключатель сети с
сигнальной лампой.
Перед началом работы необходимо ознакомиться с конструкцией стенда
и установить соответствие расположенных в нем элементов принципиальным
схемам механизмов.
30
Рис. 3.2. Схема исполнительного механизма ПР
Испытание механизма ДР
1. Подключить с помощью шнура установку к лабораторной сети
переменного тока напряжением 220 В.
2. Включить выключатель сети на лицевой панели стенда.
3. Определить точность и быстродействие механизма ДР:
− поочередно включая кнопки на кнопочной станции механизма ДР,
произвести с помощью секундомера шестикратное измерение
времени ti
поворота рабочего вала на 180º ( при его изменении от 0 до 180º и от 180º до 0),
где i = 1……6;
31
− одновременно фиксировать по шкале, закрепленной на механизме ДР,
показания действительного угла поворота рабочего вала;
для каждого измерения вычислить абсолютную погрешность поворота вала как
разницу между заданным (0 или 180º) и истинным значением угла поворота;
− определить максимальную погрешность по формуле (3.1);
− по результатам опыта определить среднее время поворота рабочего вала
на 180°, пользуясь для этой цели выражением
tср 
1 6
ti
6
i 1
(3.2)
В процессе измерений обратить внимание на то, что после включения
кнопки S1 или S2 требуется некоторое время их удерживать для того, чтобы
ползун S перешел на контактную пластину 4 и дальнейшее вращение двигателя
происходило бы при разомкнутых контактах.
Испытание механизма ПР
Перед началом испытаний выключатель S5 должен быть разомкнут.
1. Определить быстродействие механизма, для этого, поочередно
устанавливая на шкале задающего потенциометра углы 0 и 180°, сделать шесть
измерений времени перехода исполнительного механизма из одного крайнего
положения в другое. Определить среднее время поворота рабочего вала по
формуле (3.2).
2. Определить погрешность механизма:
− устанавливая шкалу задающего потенциометра в положения α = 0, 20,
40° и так до 180°, фиксировать показания α шкалы на рабочем валу механизма;
− определить ошибки ∆α = α − αз и найти относительную погрешность по
формуле (3.1).
3.
Снять
зависимость
тока
в
измерительной
от разности угловых положений движков Rз и Rос:
32
диагонали
моста
− установить задающий потенциометр в положение 100º и дождаться
остановки механизма;
− замкнуть выключатель S5 и, вращая потенциометр Rз в разные стороны
от положения 100º, определить зависимость показаний миллиамперметра mА
от разности β = α − αз положений Rз и Rос.
Во время измерений обратить внимание на работу поляризованного реле,
конечных выключателей и сигнальных ламп.
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Принципиальные схемы исполнительных механизмов с краткими
пояснениями.
3. Результаты измерений в табличной и графической формах.
4. Результаты расчетов.
5. Выводы о точности и быстродействии исполнительных механизмов.
Контрольные вопросы
1. Что такое исполнительный механизм ?
2. Перечислить основные элементы механизмов ПР и ДР.
3. Каково назначение конечных выключателей в схемах исполнительных
механизмов?
4. Чем характеризуются точность и быстродействие исполнительных
механизмов?
5. Укажите, в каких известных вам технологических процессах и с какой
целью могут быть использованы механизмы ПР и ДР.
1. А. В. Башарин, В. А. Новиков, Г. Г. Соколовский, Управление
электроприводами – Л.: Энергоиздат, 1982. − 392 с.
33
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
17
Размер файла
3 418 Кб
Теги
2008, lab, regul
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа