Исследование системы автоматического регулирования теплоэнергетической установки (120

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Управление техническими системами»

Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2011

1

УДК 621

ББК 31.16 И88

Рецензент И.В. Леонов

Исследование системы автоматического регулирова- И88 ния теплоэнергетической установки : метод. указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Управление техническими системами» / А.Г. Кузнецов, В.А. Марков, В.Л. Трифонов, Л.В. Лебедев, Г.Е. Лисовский, И.М. Сидякин, А.В. Фролов. — М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,

2011. — 17, [3] с. : ил.

В методических указаниях приведено описание экспериментальной установки по исследованию системы автоматического регулирования (САР) давления в проточной пневматической емкости. Описаны лабораторные работы по исследованию статических и динамических характеристик элементов САР и всей системы в целом.

Для студентов 4-го и 5-го курсов факультета «Энергомашино-

строение».

Рекомендовано Учебно-методической комиссией НУК Э МГТУ им. Н.Э. Баумана.

УДК 621

ББК 31.16

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка представляет собой систему автоматического регулирования (САР) давления в проточной воздушной камере, оборудованную необходимыми измерительными и регистрирующими приборами. Конструктивная схема установки представлена на рис. 1. В состав экспериментальной установки входит следующее оборудование:

—агрегаты, обеспечивающие движение воздуха в проточных частях установки: вакуумный насос ВН, приводимый во вращение электродвигателем ЭД; вентиль В для плавного изменения расхода воздуха в статике; электропневматические клапаны ЭПК1 и ЭПК2 для ступенчатого изменения расхода воздуха и давления в динамике;

—собственно САР, включающая объект регулирования ОР и регулятор Р;

—измерительные и регистрирующие устройства: шайба Ш;

водяные дифференциальные манометры ДМ1 и ДМ2; аналоговый вычислительный комплекс АВК; виброизмерительный прибор ВИ6; индуктивные датчики перемещений ДП1 и ДП2; вольтметры цифровые V1 и V2; вольтметр стрелочный V3; двухкоординатный самописец фирмы Еndim, плата аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей (ЦАП — АЦП), персональный компьютер ПК.

Объектом регулирования является проточная камера. Воздух поступает в камеру из атмосферы по впускному трубопроводу, в котором установлен регулирующий орган (сопло-заслонка) РО, и откачивается вакуумным насосом по выпускному трубопроводу. Вакуумный насос приводится во вращение электродвигателем с постоянной частотой вращения. Изменение расхода воздуха, откачиваемого из камеры, является внешним возмущающим воздействием. Количество откачиваемого воздуха устанавливается путем изменения проходного сечения трубопровода: плавно — вентилем В и ступенчато — электропневмоклапаном ЭПК1, подключающим до-

3

полнительный трубопровод. Количество откачиваемого из камеры воздуха фиксируется в виде перепада давлений pн на измерительной шайбе Ш с помощью дифференциального манометра ДМ1, а значения разрежения в камере pк при установившихся режимах — с помощью дифференциального манометра ДМ2. Разрежение в камере pк определяется соотношением расхода поступающего воздуха, который зависит от перемещения h сопла-заслонки во впускном трубопроводе, и расхода откачиваемого воздуха, характеризуемого перепадом давлений pн на манометре ДМ1.

Рис. 1. Конструктивная схема экспериментальной установки

Регулятор состоит из датчика давления Д, прибора ПРОТАР (микропроцессорного контроллера) и исполнительного устройства (электромагнита) ИУ, перемещающего РО (сопло-заслонку). Датчик включает в себя мембранный чувствительный элемент ЧЭ давления и первичный преобразователь сигнала ПрД индуктивного типа (датчик перемещений ДП1 штока ЧЭ), работающий совместно с виброизмерительным прибором ВИ6. Текущее значение регулируемого параметра pк измеряется с помощью ЧЭ, мембранная

4

коробка которого соединена с пневматической камерой. Изменение давления в камере приводит к деформации мембранной коробки и перемещению связанного с ней штока, на котором установлен сердечник индуктивного преобразователя. При изменении разрежения в камере pк шток мембранной коробки перемещает сердечник индуктивного датчика перемещений ДП1, катушка которого запитывается переменным током, поступающим с виброизмерительного прибора ВИ6. При движении сердечника индуктивность катушки изменяется, ток, пройдя через прибор ВИ6, преобразуется в выходной сигнал постоянного тока и далее усиливается до необходимого уровня в АВК. Полученный электричеcкий сигнал, пропорциональный текущему значению разрежения в камере, поступает для обработки в контроллер ПРОТАР и также используется для визуального контроля разрежения в ОР в виде напряжения Uд на вольтметре V1.

Регулирующие приборы типа ПРОТАР представляют собой микропроцессорные вычислительные и преобразовательные устройства, предназначенные для применения в системах автоматического управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Прибор включает в себя устройства ввода и вывода информации с аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователями; встроенный пульт оператора, выведенный на переднюю панель; источники основного и резервного питания; программируемое цифровое вычислительное устройство.

Устройство ввода информации содержит средства обработки шести непрерывных (аналоговых) и одиннадцати дискретных сигналов. Устройство вывода преобразует цифровой сигнал либо в аналоговые выходные сигналы по напряжению и току, либо в дискретный сигнал. На передней панели (пульт оператора) расположены (рис. 2):

—восьмиразрядный цифровой индикатор (дисплей);

—кнопка «ПН», предназначенная для переключения режимов работы дисплея, выбора, просмотра («П») и настройки («Н») переменных, просмотра и программирования структуры прибора;

— кнопки « » и « » для перемещения вперед (« ») и назад (« ») по таблице параметров и выбора нужного параметра, а также для настройки выбранного параметра: « » — увеличение параметра, « » — уменьшение параметра;

5

		— кнопки, предназначенные для переклю-
		чения режимов управления: Ψ — ручной (горит
		красный светодиод); ○ — автоматический (го-
		рит зеленый светодиод);
		— светодиодные индикаторы «↑» и «↓»
		для вывода информации о разности сигналов,
		поступающих с датчика и задатчика (потен-
		циометра) режимов работы САР (необходимо-
		го давления воздуха в ОР).
		В контроллере ПРОТАР вычисляется от-
		клонение регулируемого параметра (или ошиб-
		ка регулирования) в виде разности сигналов,
		поступающих с задатчика режимов и датчика
		давления. Из отклонения формируется сигнал
		управления исполнительным устройством Uк в
	Рис. 2. Передняя	соответствии с заданным преобразованием (П-,
		ПИ-, ПИД-законы регулирования).
	панель контроллера	При перемещении h РО (см. рис. 1) проход-
	ПРОТАР
		ное сечение магистрали для подачи воздуха в

камеру изменяется, что приводит к изменению массы воздуха и разрежения в камере pк (регулируемого параметра). Таким образом, положение РО является регулирующим воздействием. Оно фиксируется в виде напряжения Uр, снимаемого с индуктивного датчика перемещений (аналогичного первичному преобразователю датчика давления), который соединен с соплом-заслонкой (РО).

Для ступенчатого изменения расхода воздуха, откачиваемого из камеры, используется электропневмоклапан ЭПК1. При включении клапана ЭПК1 в магистрали откачки воздуха используется дополнительный трубопровод, что приводит к резкому (ступенчатому) увеличению расхода откачиваемого воздуха.

Для ступенчатого изменения давления в мембранной коробке ЧЭ используется клапан ЭПК2. При обесточенной обмотке клапана мембранная коробка соединена с ОР, в котором имеется определенное разрежение. При подаче напряжения на клапан ЭПК2 трубопровод, соединяющий ОР с ЧЭ, перекрывается и мембранная коробка соединяется с атмосферой. При этом происходит резкое (ступенчатое) изменение давления на ЧЭ, необходимое для получения переходного процесса на ЧЭ.

6

При проведении экспериментального исследования САР используются как автоматический, так и ручной режимы работы регулятора, задаваемые кнопками на контроллере ПРОТАР. В автоматическом режиме цепь регулирования, состоящая из ОР и Р, замкнута главной отрицательной обратной связью (ГООС). Устройства, входящие в состав САР, осуществляют процесс регулирования — стабилизацию разрежения в камере. Режим ручного регулирования используется при исследовании отдельных элементов САР — ОР, Д, ИУ. При этом ГООС разомкнута, что позволяет задавать различные режимы работы отдельных узлов САР.

Экспериментальная установка оборудована двухкоординатным самопишущим прибором, позволяющим зафиксировать изменения параметров САР в переходных процессах. Установка оснащена системой автоматизации проведения экспериментов, включающей плату ЦАП–АЦП и ПК.

РАБОТА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ САР

На функциональной схеме САР (рис. 3) показаны основные элементы системы, связи между ними и точки приложения внешних воздействий. На схеме представлены объект регулирования ОР; вакуумный насос ВН; задатчик режимов З; датчик Д, состоящий из чувствительного элемента ЧЭ и первичного преобразователя ПрД; контроллер К, в котором программно выполняются функции определения отклонения давления (сигнал с датчика Uд) от уставки (сигнал с задатчика Uз) на сравнивающем элементе СЭ и преобразования сигнала отклонения в преобразователе регулятора Пр ; исполнительное устройство ИУ (электромагнит); регулирующий орган РО (сопло-заслонка). Обведенная пунктиром часть схемы является автоматическим регулятором Р. Характерным признаком замкнутой системы регулирования является ГООС между ОР и Р.

7

Рис. 3. Функциональная схема САР

При экспериментальном исследовании элементов рассматриваемой САР необходимо получить их статические характеристики и переходные процессы. Зависимость между выходными и входными сигналами при установившихся режимах является статической характеристикой САР. Разрежение в ОР зависит от двух внешних воздействий — возмущающего воздействия в виде количества откачиваемого вакуумным насосом воздуха, которое характеризуется перепадом давлений на шайбе pн, и регулирующего воздействия в виде перемещения h РО, которое фиксируется в виде напряжения Uр с датчика сопла-заслонки.

Установившиеся режимы ОР отражены на двух статических характеристиках: зависимостях разрежения в камере pк от перепада давлений на шайбе pн (при постоянном регулирующем воздействии Uр) и от регулирующего воздействия Uр (при постоянных перепадах давлений pн). Статической характеристикой датчика является зависимость напряжения Uд на выходе индуктивного преобразователя хода штока мембраны от разрежения pк в ОР. Для исполнительного устройства статической характеристикой является зависимость напряжения Uр на выходе индуктивного преобразователя положения РО от напряжения Uк, вырабатываемого контроллером. Переходный процесс — это процесс изменения выходного сигнала во времени при ступенчатом изменении входного сигнала. Переходный процесс ОР отдельно не рассматривается; переходный процесс ОР фиксируется датчиком, выходной электрический сигнал которого Uд выводится на самописец.

8

Поскольку при экспериментальном исследовании элементов САР цепь регулирования разомкнута, контроллер ПРОТАР необходимо перевести в ручной режим управления, нажав кнопку ψ (при этом загорается красный светодиод). Экспериментальное исследование САР включает следующие этапы.

1. Экспериментальное исследование установившихся режимов элементов САР.

В ходе исследований установившихся режимов элементов САР проводят единый эксперимент, по результатам которого строят статические характеристики каждого элемента. Экспериментальные данные получают следующим образом.

Включите вакуумный насос и установите регулирующий орган (сопло-заслонку) в начальное положение, подав на электромагнит исполнительного устройства управляющее напряжение Uк = 3 В с контроллера ПРОТАР.

Для программирования контроллера и установки режимов работы САР в программное обеспечение контроллера ПРОТАР входят наборы функций и 78 параметров, обозначенных определенными символами. Алгоритм работы прибора формируется путем задания определенной последовательности функций с использованием необходимых параметров. Выбор параметров и установка их числовых значений осуществляются в режимах «Просмотр параметров» и «Настройка параметров». Эти режимы отображаются на первом индикаторе дисплея буквами «П» и «Н» соответственно. Переход с одного режима на другой производится последовательным нажатием кнопки «ПН» на передней панели прибора. Для установки значения управляющего напряжения в режиме «П» дождитесь появления символа на дисплее, удерживая кнопку в нажатом состоянии. При этом происходит последовательный перебор символов с 1-го до 78-го (кнопка « ») или последовательный перебор символов в обратном направлении — с 78-го до 1-го (кнопка « »). Перебор символов осуществляется с любого места списка в ту или иную сторону. При появлении на дисплее нужного символа кнопку отпускают. После установки символа I перейдите в режим настройки, удерживая кнопку «ПН» в нажатом состоянии до появления вместо буквы «П» буквы «Н». В режиме работы прибора «Н», удерживая в нажатом состоянии кнопку « » или « », установите значение управ-

9

ляющего напряжения Uк = 3 В по цифровому вольтметру V2 (см. рис. 1).

Плавно открывая вентиль В, установите расход откачиваемого вакуумным насосом воздуха, соответствующий значению pн = = 20 мм вод. ст. по шкале дифференциального манометра ДМ1 (см. рис. 1). Запишите в таблицу следующие значения: разрежения в ОР по дифференциальному манометру ДМ2, напряжения с датчика давления по цифровому вольтметру V1, напряжения с датчика положения РО по стрелочному вольтметру V3. Такие же замеры проведите для расходов откачиваемого воздуха, соответствующих значениям pн = 40, 60, 80 мм вод. ст., и запишите результаты замеров в таблицу.

2. Построение статических характеристик элементов САР.

По результатам экспериментального исследования (данные таблицы) постройте статические характеристики элементов САР:

— объекта регулирования: pк( pн) при Uр = const (рис. 4, а), pк(Uр) при pн = const (рис. 4, б);

—датчика: Uд(pк) при Uк = 3 В и Uк = 6 В (рис. 5);

—исполнительного устройства с регулирующим органом:

Uр(Uк) (рис. 6).

а

б

Рис. 4. Статические характеристики объекта регулирования (ko — коэффициент передачи объекта регулирования)

10