Система автоматического регулирования угловой скорости гидротурбины

Размещено на http://www.allbest.ru/

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. 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. Изучение процессов управления, получения, преобразования информации в технических, живых и общественных системах составляет предмет кибернетики, важным разделом который является техническая кибернетика, включая анализ информационных процессов управления техническими объектами, синтез алгоритмов управления и создание систем управления, реализующих эти алгоритмы. Техническая кибернетика призвана решать задачи теоретического анализа и развития методов технического конструирования элементной базы систем управления. Выделение этого раздела технической кибернетики в самостоятельную научную дисциплину «Элементы систем автоматического управления и контроля» явилось следствием накопления большого объёма материала, посвященного исследованиям различных устройств автоматики и его систематизации, которая впервые в нашей стране проведена членом-корреспондентом АН СССР Б.С. Сотсковым.

Теория автоматического регулирования и управления относится к числу научных дисциплин, образующих в совокупности науку об управлении. В начале она создавалась с целью изучения закономерностей в процессах автоматического управления техническими процессами - производственными, энергетическими, транспортными и т.п. В настоящее время основное значение теория автоматического регулирования и управления имеет для изучения технических процессов, хотя в последние годы её выводами и результатами начинают пользоваться для изучения динамических свойств систем управления не только технического характера. Для осуществления автоматического управления создаётся система, состоящая из управляющего объекта и тесно связанного с ним управляющего устройства. Как и всякое техническое сооружение, систему управления стремятся создать как бы конструктивно жёсткой, динамически «прочной». Эти чисто механические термины довольно условны и употреблены здесь в том смысле, что система должна быть способна выполнять предписанную ей программу действий, несмотря на неизбежные помехи со стороны внешней среды. Впервые, по-видимому, с необходимостью построения регуляторов столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь - часов. Даже небольшие, всё время действующие в них помехи приводили в конечном итоге к отклонениям от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать этим помехам чисто конструктивными средствами, например, улучшая обработку деталей, повышая их массу или увеличивая развиваемыми устройствами полезные усилия, не удавалось, и для решения проблемы точности в состав системы стали вводить регуляторы. На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы. Гюйгенс в 1657 году встроил в часы маятниковый регулятор хода. Ещё одной причиной, побуждавшей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, протекавшими при наличии столь сильно изменяющихся помех, в первую очередь нагрузки, что при этом утрачивалась не только точность, но и работоспособность системы. Предвозвестниками регуляторов для подобных условий можно считать применявшиеся ещё в средние века регуляторы хода водяных мукомольных мельниц с центробежными маятниковыми элементами. Хотя отдельные автоматические регуляторы появлялись данные времена, они оставались любопытными для истории техники эпизодами и сколько-нибудь серьёзного влияния на формирование техники и теории автоматического регулирования не оказали. Развитие промышленных регуляторов началось лишь на рубеже XVIII и XIX столетий, в эпоху промышленного переворота в Европе. Первыми промышленными регуляторами этого периода являются автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, построенный в 1765 И.И.Ползуновым, и центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. Получил патент Дж. Уатт. Эти регуляторы как бы открыли путь потоку предложений по принципам регулирования и изобретений регуляторов, продолжавшемуся на протяжении XIX в. В этот период появились регуляторы с воздействием по скорости (Сименса), по нагрузке (Понселе), сервомоторы с жёсткой обратной связью (Фарко), регуляторы с гибкой обратной связью (изодромные), импульсные регуляторы «на отсечку пара», вибрационные электрические регуляторы и т.п.

Значение теории автоматического управления в настоящее время переросло в рамки непосредственно технических систем. Динамически управляемые процессы имеют место в живых организмах, в экономических и организационных человеко-машинных системах. Законы динамики в них не являются основными и определяющими принципы управления, как это свойственно техническим системам, но, тем не менее, их влияние зачастую существенно и отказ от их учёта приводит к крупным потерям. В автоматизированных системах управления (АСУ) технологическими процессами роль динамики бесспорна, но она становится всё более очевидной и в других сферах действия АСУ по мере расширения их не только информационных, но и управляющих функций.

1. Основные понятия о системах автоматического регулирования и управления

Преобразование входного сигнала системы (управляющего воздействия) в выходной сигнал (регулируемую величину) определяет закон изменения регулируемой величины. Реализация желаемого закона осуществляется в результате формирования управляющих переменных, которые воздействуют на регулируемую систему. Законы изменения регулируемой величины во времени могут быть различными; математически они описываются оператором системы. Этот оператор может реализовать пропорциональную зависимость выходного сигнала от входного, связь в виде производной или интеграла и т.д. В более общем случае, этот оператор может быть и нелинейным.

Необходимо отметить, что законы изменения регулируемых величин в машинах и агрегатах нарушаются под влиянием внешних, а иногда и внутренних воздействий, называемых возмущениями (или возмущающими воздействиями). Из определения этих воздействий видно, что система автоматического регулирования должна как можно точнее воспроизводить управляющее воздействие и возможно меньше реагировать на возмущающее воздействие.

Существует три различных принципа построения систем регулирования, обеспечивающих реализацию требуемого закона изменения регулируемой величины: по разомкнутому циклу, по замкнутому циклу, по комбинированному циклу регулирования (замкнуто-разомкнутый). Принцип разомкнутого цикла заключается в обеспечении требуемого закона изменения регулируемой величины непосредственно путем преобразования управляющего воздействия. Принцип замкнутого цикла характеризуется сравнением управляющего воздействия с действительным изменением регулируемой величины за счет применения обратной связи и элемента сравнения. Образующийся в результате сравнения сигнал ошибки не должен превышать некоторой заданно величины. За счет этого и обеспечивается в замкнутых системах требуемый закон изменения регулируемой величины. Комбинированный принцип заключается в сочетании замкнутого и разомкнутого циклов в одной системе.

Автоматическим управлением называется процесс, при котором операции выполняются посредством системы, функционирующей без вмешательства человека в соответствии с заранее заданным алгоритмом.

Автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в которой управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой (регулируемой) величины с заданным (предписанным) ее значением, называется АСР.

Производственный процесс - совокупность взаимосвязанных трудовых и технологических процессов, при реализации которых исходные материалы и полуфабрикаты превращаются в готовые изделия.

Автоматическими называются устройства, которые управляют различными процессами и контролируют их без непосредственного участия человека.

Предмет или процесс, подлежащий изучению, называется объектом, а все окружающие предметы, взаимодействующие с ними - внешней средой.

Система - совокупность элементов или устройств, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность (единство).

Объект управления - совокупность технологических устройств (машин, орудий труда, средств механизации), выполняющих данный процесс с точки зрения управления.

Операция управления - обеспечивает в нужные моменты начало, порядок следования и прекращения рабочих операций, выделяет необходимые для их выполнения ресурсы.

Под управлением понимают процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект управления, в результате, которого последний переходит в требуемое (целенаправленное) состояние.

Параметры производственного технологического процесса или технологического процесса или технологического объект, который необходимо поддерживать постоянно или изменять по определенному закону называется управляемой величиной.

Значение управляемой величины, которое согласно заданию должно быть в данный момент времени, называют заданным значением управляемой величины (управляемого параметра).

Схему изображающую последовательность процессов внутри устройства или системы, называется структурной схемой.

Звено - элемент, входящий в САУ в котором определенным образом преобразуется входной параметр в выходной (схематически изображается в виде блока, но не отражает особенности его конструкции).

Информация всегда связана с материальным носителем какой-либо физической величины. В технических системах такие носители называют носителями сигналов (например, электрические напряжения и ток, давление, механическое перемещение и др.), которые можно изменять в соответствии с передаваемой информацией.

2. Исходные данные для моделирования САР

Динамические свойства САР описываются следующей системой уравнений:

(1)

где, - угловая скорость;

- мощность;

- время;

(2)

где, - эдс

(3)

где, - сигнал рассогласования;

- задающее напряжение

(4)

(5)

Физический смысл переменных, входящих в уравнение, отражен в описании схемы САР. Параметры ,, и ,,,, - соответственно постоянные времени и передаточные коэффициенты. Заданное значение скорости .

3. Описание САР и её функциональная схема

На электрических станциях при производстве электроэнергии предъявляются определенные требования к стабильности частоты f генерируемой ЭДС. Частота f однозначно определяется угловой скоростью щ рабочего колеса гидротурбины. В связи с этим гидротурбины на электростанциях оснащаются САР угловой скорости. На рисунке 1 показана схема одного из вариантов такой САР.

Рисунок 1 - Схема САР угловой скорости рабочего колеса гидротурбины: 1 - гидротурбина; 2 - генератор; 3 - заслонка; 4 - тахогенератор; 5 - усилитель; 6 - электродвигатель; 7 - редуктор

В данной системе объектом регулирования является гидротурбина, регулируемая величина которого - угловая скорость щ. Она при постоянном расходе воды изменяется в зависимости от нагрузки на валу турбины, т.е. от мощности, которая потребляется от генератора (с увеличением мощности угловая скорость снижается, а с уменьшением - возрастает). Таким образом, мощность с является внешним возмущающим воздействием на объекте регулирования. Для регулирования угловой скорости имеется заслонка, с помощью которой изменяется расход воды через турбину. Он однозначно зависит от вертикального перемещения х заслонки. Следовательно, перемещение заслонки х можно рассматривать как регулирующее воздействие объекта регулирования. Угловая скорость щ контролируется посредством тахогенератора, ЭДС Е которого сравнивается с задающим напряжением и0. Сигнал рассогласования ?U через усилитель управляет посредством электродвигателя и редуктора заслонкой.

Рисунок 2 - Функциональная схема САР: ЗО - задающий орган; РО - регулирующий орган; ИМ - исполнительный механизм; ВО - воспринимающий орган; ОР - объект регулирования; УО - усилительный орган

4. Передаточные функции объекта, элементов САР и её структурная схема

по управлению:

(6)

по возмущению:

(7)

(8)

(9)

(10)

На основании найденных передаточных функций элементов построим структурную схему системы автоматического регулирования угловой скорости гидротурбины.

Рисунок 3 - Структурная схема САР

5. Определение параметров заданного типового закона регулирования

гидротурбина автоматический управление

При оценки качества процесса регулирования, необходимо исходить из следующих требований:

Статическая ошибка

Время регулирования

Перерегулирование

Количество перерегулирование

6. Моделирование исходного варианта САР

Моделирование системы автоматического регулирования угловой скорости гидротурбины выполняется в среде программного комплекса (ПК «МВТУ»), в которой используется метод структурного моделирования, базирующийся на математических моделях в виде структурных схем.

В первую очередь необходимо на основе структурной схемы исходной системы, составить структурную схему моделирования, заменяя звенья системы, соответствующим блоком из общетехнической библиотеке ПК «МВТУ».

Для формирования задающего воздействия используется блок «константа», а для создания возмущающего воздействия используют блок «ступенчатое воздействие.

Рисунок 4 - Структурная схема моделирования система автоматического регулирования угловой скорости гидротурбины в среде ПК «МВТУ»

Параметры передаточных функций исходной структурной схемы: ; ; ; ; ; ; ; ;

Руководствуясь методикой подготовки исходных, выбирается метод и задаются параметры интегрирования:

- Метод интегрирования «Рунге - Кутта классический 45»;

- Исходя из наибольшей постоянной времени , принимается первоначальное время интегрирования 15;

- Исходя из наименьшей постоянной времени , принимается первоначальное значение шага интегрирования: максимально 0,0002с; минимально 0,00002с;

- Число точек выдачи данных 20000;

- Точность интегрирования 0,001с;

В результате моделирования САР, в соответствии с данными таблицы получен график переходного процесса.

Таблица 1 - Значение параметров блоков структурной схемы

Размещено на Allbest.ru