Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет

Кафедра Машины и технология литейного производства

Методическая разработка к лабораторной работе № I

Экспериментальное определение кривой разгона нагревательной печи

по курсу

Управление в технических системах

Комсомольльск-на-Амуре 2007ВВЕДЕНИЕ

Цель работы: провести экспериментальное определение кривой разгона нагревательной печи и по полученным данным рассчитать основные характеристики динамики объекта регулирования (нагревательной печи).

Автоматизация процессов литья является одним из самых эффективных путей повышения производительности труда и качества отливок, а также улучшения условий труда рабочих, занятых в литейном производстве. Однако решение этой задачи затруднено в связи с недостатком информации по вопросам статики и динамики объектов автоматизации, выбора средств измерения параметров процессов, агрегатов, устройств и т.д. В литейном производстве указанные трудности определяются многообразием и сложностью технологических процессов, отсутствием математических описаний объектов и датчиков для измерения переменных величин.

Задачей лабораторной работы является знакомство с основными характеристиками динамики объекта регулирования и экспериментальное определение некоторых ив них на основе анализа кривой разгона нагревательной печи.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Проектирование автоматической системы управления должно начинаться о изучения объекта о целью установления его связей. В общем виде эти связи могут быть представлены четырьмя группами переменных:

- управляющие воздействия (входные переменные) -Х=Х₁,Х₂….Х_n, которые зависят от внешней среды, оказывают наиболее существенное влияние на технологический процесс и используются для целенаправленного изменения протекания процесса. В литейном производстве к управляющим воздействиям относятся положение регулирующих заслонок в воздуховодах дутья вагранок, температура заливки и усилие прессования при формировании кристаллического строения отливок при литье под давлением и т.д. кривая разгона нагревательная печь

- выходные переменные -У=У₁,У₂…У_n. Эти переменные являются выходом объекта, характеризующим состоянием объекта и определяющим качественные показатели продукта. Например, геометрическая точность и качество поверхности отливок, плотность и неравномерность уплотнения форм и стержней, точность дозирования металла и т.д.

- контролируемые возмущающие: воздействия -H=h₁,h₂…h_n .К ним относятся измеряемые переменные зависящие от внешней среды и влияющие на протекание процесса. Например, качество исходных литейных материалов. Для контролируемых возмущающих воздействий задаются ограничения по условиям технологии.

- неконтролируемые возмущающие воздействия - F=f_1,f₂,f₃...f_n, которые не могут быть изменены по тем или иным причинам (например, из-за отсутствия датчиков), но оказывающие влияние на выходные параметры. К ним относятся изменения технологических характеристик литейного оборудования в результате износа, колебания качества исходных шихтовых материалов и т.д.

Часто в литейном производстве не представляется возможным дать обоснованные и однозначные суждения о характере за зависимостей между отдельными, переменными технологических, процессов из-за объективных трудностей, связанных со сложности расчетов массо - и теплопереноса. В этих случаях при автоматизации используют прием, который заключается в представлении объекта в виде "черного ящика". При этом исследуют только внешние связи, внутреннюю структуру системы не учитывают, т.е. изучают, что делает объект, а не как он функционирует. Поведение, объекта определяют по реакции выходных величин па изменение: входных. Такие Методы исследования объектов автоматизации называются экспериментальными. Они позволяют при минимальных сведениях о сущности протекающих процессов сравнительно просто и быстро с приемлемой, для практики точностью получить, математическое описание объекта.

Экспериментальные методы исследования автоматических систем делятся на активные и пассивные.

Активные методы заключаются в следующем: определяет главные параметры, устанавливают дискретный ряд изменения главных параметров объекта в пределах установленного дискретного ряда, фиксируют все изменения выходов и статистически обрабатывают полученные результаты

Пассивные методы основаны на использовании информации, полученной от действующего объекта в процессе его нормальной эксплуатации, при этом не применяют специальных возмущающих воздействий. Пассивные эксперименты удобны для воздействия и исследования промышленных объектов - устойчивых объектов, в которых происходят непрерывные технологические процессы.

Объекты регулирования характеризуются тем, что через них непрерывно протекает вещество или энергия. Количество вещества или энергии, протекающее через объект или отбираемое от объекта, называется нагрузкой. Изменение нагрузки приводит к изменению регулируемого параметра.

Важной характеристикой автоматической системы является емкость объекта - количество вещества или энергии, содержащееся в нем в конкретный момент времени. Для количественной оценки емкостных свойств объекта введено понятие коэффициента емкости, который численно равен значению входного воздействия, необходимого для изменения значения выходного параметра на единицу. Коэффициент емкости характеризует инертность процесса, и чем он больше, тем объект менее чувствителен к воздействию, т.е. меньше меняется его выходная координата при том же воздействии.

Для полного описания объекта автоматизации необходимо знание его статических и динамических характеристик. Статическая характеристика в математической или графической форме выражает зависимость выходных параметров от входных в установившемся режиме, т.е. когда скорости изменения входных и выходных параметров равны нулю:

Главной особенностью статической характеристики следует считать ее неизменность во времени для статических звеньев. К статическим характеристикам относятся коэффициенты усиления, управления, зона нечувствительности, порог чувствительности и другие. Например, статическая характеристика весовых дозаторов литейных материалов имеет вид:

Рисунок 1. Изменение управляющего воздействия

На практике для управления объектом используют не статические характеристики, а их отклонение от установившихся значений. Изменения этих отклонений называют переходными процессами и описывают дифференциальными уравнениями динамики объекта: динамическими характеристиками.

Важной характеристикой динамических свойств объекта является кривая разгона, которая представляет собой графическое, изображение реакции исследуемого объекта на ступенчатое изменение входного сигнала при нулевых начальных условиях (Рисунок 1). Кривая разгона одноемкостного объекта приведена на рисунке 2.

Кривые разгона, полученные в результате испытаний объекта автоматического регулирования, дают лишь косвенные представления о его динамических свойствах. Для расчета и анализа систем автоматического регулирования необходимо найти аналитические выражения, соответствующие экспериментальным кривым. При этом наиболее целесообразно получить линейное дифференциальное уравнение невысокого порядка с постоянными коэффициентами, решение которого с достаточной точностью совпадает с опытной кривой. Такая операция называется приближением или аппроксимацией.

Большое количество объектов регулирования могут точно или с некоторым приближением обладать двумя параметрами, связанными функционально одним уравнением. Такие объекты называются одноемкостными. Дифференциальное уравнение такого объекта имеет вид:

Где F₀ - постоянная времени объекта

K - коэффициент усиления объекта

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение регулируемого параметра будет больше изменения входного воздействия.

Где y_max = (y₂ - y₁) - максимальное изменение регулируемого параметра

В безразмерном выражении эта зависимость имеет вид:

Величина называется коэффициентом самовыравнивания (коэффициент статизма, неравномерности).

При протекании любого процесса всегда возможны какие-либо возмущения, для устранения и.компенсации которых требуется некоторое время. За период своего действия эти возмущения, пусть даже очень кратковременные, вызовут определенные отклонения выходного параметра процесса. При эти отклонения не накапливаются, а за счет собственных свойств процесса, способности к самовыравниванию, постепенно устраняются, компенсируются (статический объект). В случае = 0 рассматриваемые отклонения не устраняются, а постепенно и неограниченно накапливаются (суммируются), такие объекты называются нейтральными или астатическими. При <0 объект считается неустойчивым, т.е. образовавшееся отклонение выходного параметра начинает неограниченно возрастать, даже при немедленном устранении породившего его возмущения.

В связи с изложенным, коэффициент самовыравнивания является важнейшей характеристикой объекта: он характеризует его динамические и статические свойства, т.е. поведение объекта а переходному установившемся режимах.

Отрезок АВ (см рисунок 1 ) характеризует чистое запаздывание(t_n) - время, в течение которого регулируемый параметр не изменяется после возмущения. Часто t_n называют передаточным, транспортным или дистанционным запаздыванием. Отрезок ВС характеризует переходное (емкостное) запаздывание t_r. Оно связано с замедлением перехода энергии или вещества в данный объект из другого объекта. Для одноемкостного объекта полное запаздывание t_пол = t_n + t_r Интервал между точками Д и Е называется временем разгона t_а . Время разгона и коэффициент самовыравнивания определяют постоянную времени объекта F₀

Скоростью разгона ( С ) называется величина обратная времени разгона.

Определение параметров передаточной функции объекта по переходной кривой

Процесс получения передаточной функции объекта, исходя из данных о переходном процессе, называется идентификацией объекта.

Предположим, что при подаче на вход некоторого объекта ступенчатого воздействия была получена переходная характеристика (см. рисунок 3). Требуется определить вид и параметры передаточной функции.

Предположим, что передаточная функция имеет вид

,

(инерционное звено с запаздыванием).

Параметры передаточной функции: К - коэффициент усиления, Т - постоянная времени, - запаздывание.

Коэффициентом усиления называется величина, показывающая, во сколько раз данное звено усиливает входной сигнал (в установившемся режиме), и равная отношению выходной величины у в установившемся режиме ко входной величине х:

,

Установившееся значение выходной величины у_уст - это значение у при t.

Запаздыванием называется промежуток времени от момента изменения входной величины х до начала изменения выходной величины у.

Постоянная времени Т может быть определена несколькими методами в зависимости от вида передаточной функции. Для рассматриваемой передаточной функции 1-го порядка Т определяется наиболее просто: сначала проводится касательная к точке перегиба, затем находятся точки пересечения с осью времени и асимптотой y_уст; время Т определяется как интервал времени между этими точками.

В случае, если на графике между точкой перегиба имеется вогнутость, определяется дополнительное запаздывание _доп, которое прибавляется к основному: = + _доп.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Описание экспериментальной установки

Объектом регулирования служит электрическая печь 1 (рисунок 4). Регулируемым параметром ( у ) - температура металлического цилиндра 3. Управляющим воздействием ( х ) является мощность нагревателя электропечи, которую можно определить из выражения:

ГдеI - ток в цепи, А; U - Напряжение, В; R - сопротивление нагревателя, Ом.

Рисунок 4. Схема установки для определения кривой разгона нагревательной печи 1-электрическая печь сопротивления, 2 - термопара, 3 - металлический цилиндр, 4 - автоматический потенциометр, 5 - вольтметр, 6 - амперметр, 7 -регулируемый источник питания

2.1 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Кривую разгона нагревательной электрической печи определить при возмущении, имеющем ступенчатую форму, в данном случае возмущением является мощность электрического тока, создаваемого на вход объекта. Для реализации этого эксперимента необходимо проверить схему установки, включить автоматический самопишущий потенциометр 4 (см.рисунок 4) и электропечь 1. С помощью автотрансформатора 7 и амперметра 6 установить заданное преподавателем значение рабочего тока I₁. Следя за показаниями потенциометра и секундомера, определить момент времени, когда в объекте установится статический режим, т.е. при установленной мощности на входе нагревательной печи температура последней не будет изменяться в течение 5 мин. После выхода на статический режим объект подготовлен для определения кривой разгона.

Нанести объекту возмущающее воздействие, соответствующее увеличению тока на 10 % от ранее установленного и фиксировать изменение температуры во времени до тех пор, пока в объекте вновь не установится статический режим. При этом необходимо очень внимательно отнестись к определению момента подачи на вход объекта возмущающего воздействия и начала изменения температуры печи, поскольку от этого зависит точность вычисления значения чистого запаздывания. Результаты измерений занести в протокол работы (см.табл.).

3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

По полученным данным построить графики зависимостей последний из которых и является кривой разгона нагревательной печи.

Исследуя график ,определить следующие параметры:

- время разгона t_a

- степень самовыравнивания

- коэффициент усиления объекта K;

- полное запаздывание t_пол;

- постоянную времени объекта F₀;

- скорость разгона С .

Построить графики изменения во времени значений управляющего воздействия и выходной переменной в безразмерном выражениии: сравнить их с зависимостями (I).

Таблица 1. Протокол лабораторной работы

4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСТНОСТИ

1) К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности в установленном порядке и зарегистрированные в специальном журнале

2) Перед проведением работы проверить соответствующие схемы установки описанию, приведённому в методической разработке, и наличие заземления на всех электроприборах

3) Строго запрещается приводить в действие установку без разрешения преподавателя или лаборанта

4) Во время проведения экспериментов не отвлекаться и следить за исправностью работы отдельных узлов установки.

5) По окончанию работы привести в порядок рабочее место, сообщить преподавателю о замеченных во время работы недостатках. Обязательно обесточить установку и всё прочее.

6) О всяком несчастном случае необходимо поставить и известность преподавателя или лаборанта. Немедленно оказать первую медицинскую помощь пострадавшему. Аптечка находится на кафедре.

ЛИТЕРАТУРА

1. Майзель М.М Основы автоматики и автоматизации производственных процессов. -М.: Высшая школа, 1964, 379с.

2. Средства и системы автоматизации литейного производства / К.С. Богдан, В.Н. Горбенко, В.М. Денисенко. М.: Машиностроение, 1981. - 272 с.

Размещено на Allbest.ru