параметров типового закона регулирования САР температуры воздуха в теплице

Руководитель:

Разработал:

Манапова  О.Н.

       Ф.И.О.

Студент группы  А-317

                  Оценка, подпись

                                                         2015 г.

Температура является показателем термодинамического состояния объекта и используется как выходная координата при автоматизации тепловых процессов. Характеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору АСР температуры сформулировать невозможно и требуется тщательный анализ характеристик каждого конкретного процесса.

Регулирование температуры в инженерных системах производится значительно чаще, чем регулирование каких-либо других параметров. Диапазон регулируемых температур невелик. Нижний предел этого диапазона ограничен минимальным значением температуры наружного воздуха (-40^оС), верхний – максимальной температурой теплоносителя (+150^оС).

К общим особенностям АСР температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и измерителей (датчиков) температуры. Поэтому одной из основных задач при создании АСР температуры является уменьшение инерционности датчиков.

Рассмотрим в качестве примера характеристики наиболее распространенного в инженерных системах манометрического термометра в защитном чехле (рис. 1.1). Структурную схему такого термометра можно представить в виде последовательного соединения четырех тепловых емкостей (рис. 1.2): защитного чехла 1, воздушной прослойки 2, стенки термометра 3 и рабочей жидкости 4. Если пренебречь тепловым сопротивлением каждого слоя, то уравнение теплового баланса для каждого элемента этого прибора можно записать в виде

(1)

где G_i – масса соответственно чехла, воздушной прослойки, стенки и 

      жидкости;

      С_pi – удельная теплоемкость;

      t_i – температура;

      α_i1,α_i2 – коэффициенты теплоотдачи;

      S_i1,S_i2 – поверхности теплоотдачи.

Рисунок 1.1 Принципиальная схема манометрического термометра:

1 – защитный чехол; 2 – воздушная прослойка; 3 – стенка термометра; 4 – рабочая жидкость

Рисунок 1.2 Структурная схема манометрического термометра

Как видно из уравнения (1), основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются:

-       повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выбора места установки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной при прочих равных

условиях более предпочтительна установке термометров в жидкой фазе  (по сравнению с газообразной) в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатором) и т.п.;

-       уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины

-       уменьшение постоянной времени воздушной прослойки за счет применения наполнителей (жидкости, металлической стружки); у термопар рабочий спай припаивается к корпусу защитного чехла;

-       выбор типа первичного преобразователя: например при выборе необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей – манометрический термометр.

Каждая АСР температуры  в инженерных системах создается для конкретной цели (регулирования температуры воздуха в помещениях (тепло или холодоносителя) и, следовательно, предназначена для работы в общем небольшом диапазоне. В связи с этим условия применения той или иной АСР определяют устройство и конструкцию как датчика, так и регулятора температуры. Например, при автоматизации инженерных систем широко применяются регуляторы температуры прямого действия с манометрическими измерительными устройствами.

В схемах автоматизации инженерных систем используются также биметаллические и дилатометрические терморегуляторы, в частности электрический двухпозиционный и пневматический пропорциональный.

Электрический биметаллический датчик предназначен в основном для двухпозиционного регулирования температуры в помещениях. Чувствительным элементом этого прибора является биметаллическая спираль, один конец которой закреплен неподвижно, а другой свободен и удовлетворяет подвижным контактам, замыкающимся или размыкающимся с неподвижным контактом в зависимости от текущего и заданного значений температуры. Заданную температуру устанавливают поворотом шкалы настройки. В зависимости от диапазона настройки терморегуляторы выпускаются в 16 модификациях с общим диапазоном настройки от – 30 до +35 ⁰С, причем каждый регулятор имеет диапазон 10, 20 и 30 ⁰С . Погрешность срабатывания 1 ⁰С на средней отметке и до 2 – 5 ⁰С  на крайних отметках шкалы.

Пневматический биметаллический регулятор в качестве преобразователя-усилителя имеет сопло-заслонку, на которую действует усилие биметаллического измерительного элемента. Эти регуляторы выпускаются 8 модификаций, прямого и обратного действия с общим диапазоном настройки от +5 до +30 ⁰С. Диапазон настройки каждой модификации 10 ⁰С .

Дилатометрические регуляторы устроены на использовании разности коэффициентов линейного расширения инварного (железоникелевый сплав) стержня и латунной или стальной трубки. Эти терморегуляторы по принципу действия регулирующих устройств не отличаются от подобных регуляторов, использующих манометрическую измерительную систему.

На рис. 1.3 показана схема САР температуры воздуха θв в теплице. Обогрев теплицы обеспечивается нагретой водой, проходящей через трубу 1, температура которой θ_т зависит от соотношения горячей и подогретой воды. Это соотношение, в свою очередь, зависит от величины проходного сечения электроуправляемого клапана 2, которое однозначно определяется величиной линейного перемещения Х заслонки клапана.

Рисунок 1.3 Схема САР температуры воздуха в теплице

Температура воздуха θв в теплице измеряется терморезистором R_д, включенным в мостовую схему 3, которая обеспечивается с помощью резистора R₀ задание требуемого значения температуры в атмосфере теплицы. Посредствам мостовой схемы также сравнивается напряжение U, пропорциональное температуре θ_в, с задающим напряжением U₀, то есть мостовая схема, одновременно выполняет функции задающего и воспринимающего органов (элементов). Сигнал разбаланса мостовой схемы (сигнал рассогласования)  усиливается электронным усилителем 4, выходное напряжение U_у которого управляет электромагнитным клапаном 2. За счет соответствующего изменения перемещения Х заслонки клапана и обеспечивается изменение температуры воды θ_т.

В качестве объекта регулирования в данной системе целесообразно рассматривать помещение теплицы совместно с нагревательными трубами. В таком случае регулирующим воздействием на входе объекта будет температура воды θ_т, посредствам изменения которой обеспечивается компенсация отклонений температуры воздуха θ_вв теплице, возникающих в следствии изменения внешних возмущающих воздействий (изменение температуры и влажности атмосферного воздуха, солнечной радиации, скорости и направления ветра и др.). При исследовании САР в качестве

главного возмущения следует рассматривать изменения температуры атмосферного воздуха, приняв условно, что все остальные возмущающие факторы постоянны.

Динамика САР описывается следующей системой уравнений

Объект регулирования:

(2)

где Т₂- постоянная времени Т₂=1440с;

      Т₁ – постоянная времени Т₁=2880с;

 – температура воздуха θ_в=25±1 ⁰С;

 - коэффициент передачи =0,6;

 - коэффициент передачи =0,72.

Датчик температуры:

                                             (3)

     k_д- коэффициент передачи =0,02В/⁰С.

Резистор R₀:

                                                   (4)

 - задающее напряжение

Электронный усилитель:

                                              _у = k_уDU;                                                      (5)

      k_у – коэффициент передачи k_у=90

Электроуправляемый клапан:

                                                                                                      (6)

 - коэффициент передачи =2мм/В

Смеситель горячей и холодной воды:

                                                   (7)

 – коэффициент передачи =0,8⁰С/мм

Физическая сущность переменных, входящих в уравнение, отражена выше, в описании схемы САР. Параметры уравнения  Т₁, Т₂, и k₀, k, k_д,k_у,k_э,k_с–соответственно постоянные времени и коэффициенты передачи; -временное запоздание, зависящее от скорости воды (производительности циркуляционного насоса) и конструктивных размеров системы обогрева.

                                                                 U₀

Рисунок 1.4 Резистор как задающее устройство: U_o – выходная величина

Температура воздуха θ_вв теплице измеряется терморезистором R_д, включенным в мостовую схему 3, которая обеспечивается с помощью резистора R₀ задание требуемого значения температуры в атмосфере теплицы.

                                       U₀                                   DU

                                    U

Рисунок 1.5 Функциональная схема сравнивающего органа

Объединяя элементарные функциональные схемы (рис. 1.4 …1.10) в соответствии с принципиальной схемой (рис. 1.3),  функциональная схема САР примет вид, показанный на рис. 1.11.

        Посредствам мостовой схемы также сравнивается напряжение U, пропорциональное температуре θ_в, с задающим напряжением U₀, то есть мостовая схема, одновременно выполняет функции задающего и воспринимающего органов (элементов).

Рисунок 1.6 Функциональная схема усилителя

Сигнал разбаланса мостовой схемы (сигнал рассогласования)  усиливается электронным усилителем 4, выходное напряжение U_у которого управляет электромагнитным клапаном 2.

Рисунок 1.7 Электроуправляемый клапан как исполнительный орган

За счет соответствующего изменения перемещения Х заслонки клапана и обеспечивается изменение температуры воды θ_т.

Рисунок 1.8 Смеситель горячей и холодной воды как преобразующий орган

Рисунок 1.9 Помещение теплицы совместно с нагревательными трубами как объект регулирования:- регулирующее воздействие,  - регулируемая величина,  - возмущающее воздействие

В качестве объекта регулирования в данной системе целесообразно рассматривать помещение теплицы совместно с нагревательными трубами. В таком случае регулирующим воздействием на входе объекта будет температура воды θ_т, посредствам изменения которой обеспечивается компенсация отклонений температуры воздуха θ_вв теплице, возникающих в следствии изменения внешних возмущающих воздействий (изменение температуры и влажности атмосферного воздуха, солнечной радиации, скорости и направления ветра и др.). При исследовании САР в качестве главного возмущения следует рассматривать изменения температуры атмосферного воздуха, приняв условно, что все остальные возмущающие факторы постоянны.

                                  U

Рисунок 1.10 Функциональная схема элемента, входящего в канал обратной связи

Посредствам мостовой схемы также сравнивается напряжение U, пропорциональное температуре θ_в, с задающим напряжением U₀, то есть мостовая схема, одновременно выполняет функции задающего и воспринимающего органов (элементов).

1.3 Передаточные функции объекта регулирования элементов САР и структурная схема системы

Объект регулирования имеет две входных величины и одну выходную. Следовательно, он будет иметь передаточные функции по каждому каналу: по  регулирующему W_p(p) и по возмущающему воздействию W_в(p).

Передаточную функцию объекта регулирующему воздействию W_p(p), руководствуясь принципом суперпозиции, определим на основе уравнения (12) при f=0:

Рисунок 1.11 Функциональная схема САР: ОУ-объект регулирования;

ИО-исполнительный орган; УО - усилительный орган

ВО-воспринимающий орган; ПО - преобразующий орган;

 ЗО-задающий орган

(8)

преобразовав его по Лампасу как

(9)

где  и - соответственно изображения по Лапласу регулируемой          величины  и регулирующего воздействия.

Из последнего выражения (в левой части) вынесем за скобки :

(10)

и на его основе определим

                                                                                   (11)

;

Аналогично найдем передаточную функцию объекта регулирования по возмущающему воздействию, приняв :

                          (12)

;

;

;

;

где -изображение по Лапласу возмущающего воздействия f.

С учетом передаточных функций (11, 12), структурную схему объекта регулирования можно представить в виде, показанном на рис.1.12.

                                                              f

Рисунок 1.12 Структурная схема объекта регулирования

Передаточные функции остальных элементов САР, определенные аналогично на основе уравнения (3)-(7), имеют следующий вид:

·        исполнительного органа:

                                                         W(p)=k_э                                                                             (13)

·        усилительного органа:

                                                 W(p)=k_у                                              (14)

·         воспринимающего органа:

                                                           W(p)=k_д                                              (15)

·        преобразующего органа:

                                                 W(p)=k_с                                               (16)

На основе функциональной схемы САР (рис.1.11) и найденных передаточных функций, путем замены объекта регулирования в этой схеме его структурной схемой (рис.1.12) и замещением функциональных обозначений элементов соответствующими функциями (13, 14, 15, 16), составим структурную схему системы (рис. 1.13).

Структурная схема САР (рис.1.13) является математической моделью, на основе которой выполняется компьютерное моделирование системы в среде ПК «МВТУ».

                                                                              W_B(p)

                      W_УО(p)        W_ИО(p)       W_ПО(p)            W_Р(p)

Рисунок 1.13 Структурная схема САР

Вари-ант

Т₁, с

Т₂, с

τ,с

k ₀

k _д, В/⁰С

k _у

k_э, мм/В

k _с  ⁰С/мм

k

ƒ,⁰С

4

3120

1560

400

0,6

0,02

60

2

0,8

0,72

-14

Блок

Параметр

Значение

1

Значение сигнала

25

2

Весовые множители для каждого из выходов

+1 -1

3

Коэффициент усиления

18

4

Коэффициент усиления

0,003

5

Коэффициент усиления

10

Постоянная времени

170

Вектор начальных условий

0

6

Коэффициент усиления

0,02

Постоянная времени

11

Вектор начальных условий

0

                      7

Коэффициент усиления

0,3

Постоянная времени

170

Вектор начальных условий

0

8

Весовые множители для каждого из входов

+1 +1

9

Время,YO,YK

-20

Блок

Параметр

Значение

3

Коэффициента усиления

440

12

Коэффициент усиления

280000

13

Коэффициент усиления

0,13

14

Вектор начальных условий

0

15

Весовые множители для каждого входа

111