Определение временной характеристики объекта регулирования.

Цель работы:

1. Ознакомление с экспериментальным методом определения временной характеристики объекта регулирования.

2. Определение временной характеристики объекта регулирования экспериментальным путём.

Общие сведения

Объект регулирования – это технологический аппарат или машина, в которой осуществляется процесс регулирования. Регулируемой величиной, или регулируемым параметром, называется какая – либо величина, постоянное значение которой должно поддерживаться в объекте регулирования или изменяться по программе. Регулирующим воздействием называется воздействие на объект регулирования со стороны регулятора.

Все объекты регулирования характеризуются тем, что через них непрерывно протекает вещество или энергия. Количество вещества или энергии, протекающей через объект или отбираемой от объекта, называется нагрузкой. Изменение нагрузки приводит к изменению регулируемого параметра; чтобы поддержать регулируемый параметр на заданном значении, нужно изменить приток вещества или энергии в объект в соответствии с новым значением нагрузки объекта.

Ёмкостью объекта регулирования называется количество содержащегося в нём в данный момент вещества или энергии.

Для расчётов обычно используются безразмерные величины. Так, вместо размерных величин Q_{р (}количества расхода) применяют относительную величину притока g_п =Q_п /Q_max и относительную величину расхода g_р =Q_р /Q_{max ,} где Q_max - максимальная нагрузка объекта регулирования.

Тогда возмущающее воздействие в безразмерном выражении ν =ġ_п –ġ_р, а текущее значение регулируемого параметра в безразмерном значении X = H ∕ H_о ,

Где H_о – заданное значение параметра;

H - фактическое значение регулируемого параметра.

Относительное отклонение регулируемого параметра φ определяют как отклонение текущего значения параметра ΔH от заданного значения H_о, т.е.

φ = ΔH ∕ H_о

наиболее неблагоприятные условия для регулирования имеют место при мгновенном (скачкообразном) нарушении баланса между притоком и расходом вещества или энергии в объекте регулирования. Кривая, которая показывает, как изменяется регулируемый параметр во времени при скачкообразном возмущении и отключённом регуляторе, называется временной характеристикой или кривой разгона объекта.

В некоторых объектах при нарушении баланса между притоком и расходом вещества или энергии в объекте регулирования. Кривая, которая показывает, как изменяется регулируемый параметр во времени при скачкообразном возмущении и отключённом регуляторе, называется временной характеристикой, или кривой разгона объекта.

В некоторых объектах при нарушении равенства притока и расхода вещества или энергии регулируемый параметр принимает новое, постоянное значение без вмешательства извне. Такие объекты обладают свойством самовыравнивания, любое изменение регулируемого параметра не оказывает обратного воздействие на приток или расход вещества (энергии), в результате чего параметр будет изменяться непрерывно.

Вследствие превышения притока над расходом, в объекте накапливается вещество и его уровень будет неограниченно возрастать.

Скорость изменения H определяется по графику тангенсом угла ά.

А) Б)

Q_р Q_р

В результате чем больше возмущение, тем больше скорость изменения параметра:

dφ

-------- = εν,

dt

Физически скорость разгона представляет собой скорость изменения параметра при возмущении, равном единице.

Величина T_a, обратная скорости разгона, называется временем разгона:

1 v

Т_а = ----- = ------

e dφ

-----

dt

В объекте с самовыравниванием в отличие от предыдущего при изменении Q_п произойдёт также изменение Q_p и регулируемый параметр Н начнёт изменяться от Н₀ до нового стабильного значения Н_п. Кривая разгона в этом случае не будет линейной, так как вследствие того, что объект регулирования обладает свойством самовыравнивания, скорость изменения параметра Н будет переменной. В первый момент после возмущения скорость изменения параметра достигнет наибольшей величины, а по мере уменьшения разницы между Q_п и Q_р будет уменьшаться, и через некоторое время, когда Q_п и Q_p сравняются, наступит новое равновесное состояние при новом значении регулируемого параметр Н.

Кривая разгона для одноемкостных объектов представляет собой экспоненту. Экспонента обладает тем свойством, что касательные, проведённые из любой её точки, отсекают на линии, соответствующей новому установившемуся значению регулируемого параметра, одинаковые отрезки. Эти отрезки времени Т называются постоянной времени объекта регулирования.

Способность объекта самовыравниваться после возмущения характеризуется коэффициентом ρ – степенью самовыравнивания:

ρ= ν_о ∕ φ где ν_о- величина возмущения, т.е. величина небаланса между притоком и расходом вещества или энергии . В системах автоматического регулирования изменение регулируемого параметра начинается не сразу, а через определённый промежуток времени после начала возмущающего воздействия.

Требуется определённый промежуток времени от начала изменения регулируемого параметра до начала перемещения регулирующего органа. Начало перемещение регулирующего органа также приводит к мгновенному изменению регулируемого параметра. Это явление называется запаздыванием. Различают два вида запаздывания: чистое запаздывание и емкостное запаздывание.

Чистое запаздывание (передаточное, транспортное и дистанционное) – это время, в течении которого регулируемый параметр после возмущения не изменяется.

Переходное (емкостное) запаздывание имеет место в многоемкостных объектах, когда несколько емкостей соединены между собой последовательно через различные сопротивления (тепловые, гидравлические и т.п.), что вызывает замедление перехода энергии или вещества из одной ёмкости в другую.

Обычно при определении временных характеристик объектов регулирования оперируют с величиной полного запаздывания

τ = τ₀ + τ_п, где τ₀ – чистое запаздывание, τ_п – переходное запаздывание.

Запаздывание ухудшает процесс регулирования, поэтому следует стремиться к уменьшению запаздываний.

Экспериментальный метод определения характеристик

объекта регулирования.

Наиболее просто определить свойства объекта регулирования по

экспериментальным кривым разгона. Кривая разгона объекта является важной динамической характеристикой, позволяющей определить параметры настройки автоматического регулятора. Кривая разгона может быть определена опытным путём. Для записи изменения регулируемой величины от начала возмущения до установившегося значения наиболее удобны самопишущие приборы. Чтобы избежать искажений за счёт случайных возмущений при снятии кривой разгона, рекомендуется создавать большие возмущения в пределах, насколько позволяет технологический процесс.

Объект регулирования приводится в установившееся состояние при выбранном режиме работы. Затем объекту мгновенно наносится скачкообразное возмущение. Величина возмущения должна составлять не менее 10% от нормального режима работы объекта.

В результате скачкообразного возмущения будет получен график изменение выходной величины – регулируемого параметра во времени. Полученная кривая позволяет определить основные свойства объекта регулирования:

1) время разгона, определяемое отрезком оси времени, проходящей через конечное равновесное состояние параметра, отсекаемым касательной, проведённый в точке перегиба кривой разгона, и началом изменения параметра;

2) относительное изменение регулируемого параметра

φ = Н_кон – Н_нач / Н_нач

3)степень самовыравнивания объекта регулирования

ρ = v₀ / φ

4) коэффициент усиления объекта К_у = 1/ρ

5) условную скорость изменения параметра dφ / dt

6) скорость разгона е = dφ/dt / v

7) время разгона Т_а = 1/е

8) постоянную времени объекта Т = Т_а / ρ

9) запаздывание, суммированием составляющих передаточного и емкостного запаздываний объекта, которые определяются графически.

Описание установки.

Установка для исследования свойств объекта регулирования состоит из трубчатой электрической печи 3, термопары 1, помещённый внутри металлического цилиндра 2, электронного автоматического потенциометра 6 (с записью на ленточной диаграмме), вольтметра 9, амперметра 8, автотрансформатора 7. Через печь прогоняется воздух вентилятором 4, снабжённым коллекторным двигателем 5. Объектом регулирования служит печь 3, а регулируемым параметром – температура металлического цилиндра 2, нагреваемого горячим воздухом, выходящим из печи.

Регулирующим агентом является мощность нагревателя печи 3, которая определяется выражением

P = IU = I²R,

Где I – ток, а
U – напряжение в

R – сопротивление нагревателя, Ом

Порядок проведения работы

1. Проверить схему установки, включить автоматический самопишущий потенциометр и электропечь. С помощью автотрансформатора7 установить ток в нагревателе и ожидать записи прямолинейного участка на диаграммной бумаге потенциометра.
2. Подготовить протоколы наблюдений и расчётов
3. Нанести объекту возмущающее воздействие передвижением ползунка автотрансформатора 7 в положение, соответствующее увеличению или уменьшению тока, на 10% ранее установленного, включить секундомер и через 60сек фиксировать изменение температуры до нового установившегося значения. Данные наблюдений занести в протокол.
4. Выключить установку и определить относительное текущее значение регулируемой величины. За номинальное значение температуры в объекте принимать начальное равновесное её значение.
5. Найти текущие отклонения параметра от номинального относительного значения в качестве данных для построения кривой разгона.
6. Построить график и сопоставить его с кривой, записанной на диаграммной бумаге автоматического электронного потенциометра.

Определить:

1)время разгона

2)степень самовыравнивания

3)коэффициент усиления объекта

4)запаздывание

5)постоянную времени объекта

Протокол работы

Определение временной характеристики объекта регулирования

Контрольные вопросы

1. что такое кривая разгона
2. с какой целью определяется кривая разгона
3. что такое запаздывание, виды запаздывания
4. постоянная времени, её определение

Лабораторная работа