В начало

Лабораторная работа

«АСР с компактным регулирующим прибором»

 

 

Цель работы – изучение вопросов технической реализации автоматической системы регулирования (АСР) с регулирующим прибором серии PC29, приобретение навыков по управлению и настройке системы на примере АСР температуры электропечи.

 

Задание на работу

1.   Изучить техническую структуру АСР с регулирующим прибором РС29.3, назначение и принцип действия основных элементов системы.

2.   Выполнить статическую настройку АСР для номинального режима.

3.   Определить экспериментально кривую разгона объекта.

4.   Определить скорость исполнительного механизма.

5.   Рассчитать динамическую настройку ПИ-регулятора по условным параметрам переходной характеристики объекта.

6.   Оценить качество регулирования в системе с ПИ-регулятором.

7.   Оценить качество регулирования с позиционным регулятором.

 

Описание стенда

Стенд представляет собой автоматическую систему регулирования температуры электропечи. Упрощенная принципиальная схема системы приведена на рис. 1. Тепловой режим в электропечи ЭП обеспечивается с помощью электронагревателя ЭН, питаемого от сети переменного тока через силовой трансформатор Тр1 и регулируемый автотрансформатор ЛАТР. Сила тока через электронагреватель контролируется по амперметру P1. Для измерения температуры в печи служат два термоэлектрических преобразователя ТП­­₁ и ТП₂ , один из которых работает в комплекте с милливольтметром MB, а другой с регулирующим прибором.

В настоящей работе используется регулирующий прибор РС29.3.

Приборы серии РС29 относятся к группе компактных приборов в связи с тем, что они имеют встроенные средства оперативного управления: блок управления БУ, содержащий переключатель режима управления (ручной; автоматический) и нажимной ключ ручного управления (меньше  – больше  ), а также оперативный задатчик и индикаторы для контроля сигналов. Модель РС29.3.42 имеет два стрелочных индикатора: для рассогласования (t)  и указатель  положения  регулирующего  органа  "" - сигнал μ(t).

 

Регулирующий прибор РС29.3 содержит два функциональных модуля: измерительный ИТ012 и регулирующий Р029.

Измерительный модуль ИТ012 выполняет следующие функции:

 - ввод сигнала регулируемой величины от термоэлектрического преобразователя (термопары);

- формирование задания из сигналов оперативного задатчика и внутренних задатчиков (грубого "Зд" и точного "мВ");

- формирование рассогласования (t) и его усиление (Ку1000).

Кроме того, модуль ИТ012 содержит устройство динамического преобразования УД (реальное дифференцирующее звено с выходом У_А) и апериодическое звено с выходом Уд) и узел аналого-релейного преобразования с двумя сигнализаторами предельных отклонений со световой индикацией по нижнему и верхнему пределам ("" и "").

Регулирующий модуль Р029 формирует импульсный выходной сигнал напряжением 24 В для управления исполнительным механизмом постоянной скорости. Для контроля направления действия выходного сигнала служат светоиндикаторы  (меньше) и  (больше).

Функциональная структура модуля Р029 соответствует типовой структуре релейно-импульсного регулятора и содержит сумматор Σ, релейный элемент РЭ с трехпоэиционной характеристикой и функциональную обратную связь ФОС в виде апериодического звена.

В комплекте с исполнительным механизмом постоянной скорости при этом реализуется ПИ-закон регулирования:

 ,                               (1)

где                   K_п = α_п∙S_им –                                      (2)

– коэффициент пропорциональности регулятора, %УП/%УС;

коэффициент пропорциональности блока РС29, с/%УС

S_им – скорость исполнительного механизма, %УП/с;

Т_и – постоянная времени интегрирования, с.

Здесь: УП – указатель положения; УС – унифицированный сигнал, причем 100 %УС = 10 В для сигнала .

При подключении узла динамического преобразования возможно формирование ПИД-закона регулирования. Релейный элемент РЭ управляет выходными ключами Z_m (меньше) и Z_б (больше), через которые выдается командный сигнал к исполнительному устройству.

Фильтр (демпфер) Ф служит для сглаживания пульсаций входного сигнала. На боковой панели модуля ИТ012 имеются органы настройки (под отвертку). с помощью которых настраиваются: сигнал внутреннего задатчика ("мВ"+"Зд"), коэффициент передачи узла масштабирования "", постоянная времени динамического преобразователя "Т", верхний "β_в" и нижний "β_н" пороги срабатывания узла аналого-релейного преобразователя, а также производится установка нуля ("0") компенсационного моста, вводящего поправку на изменение температуры t₀ холодных спаев термопары. Там же имеются гнезда для контроля задания "Зд", рассогласования " " и выходов динамического преобразователя "У_Д" и "У_А", гнездо общей точки "ОТ", а также переключатель диапазона постоянной времени "Т" (x l, х 10 или "выкл") динамического преобразователя.

Для модуля Р029 со стороны боковой панели настраиваются следующие параметры: зона нечувствительности "Δ" постоянная времени интегрирования τ_и (с переключателе диапазона x l и х 10); коэффициент пропорциональности регулирующего прибора _п; минимальная длительность импульса t_и; постоянная времени демпфера τ_дф, нижний "0" и верхний "100" пределы шкалы указателя положения (). Здесь же имеется переключатель, с помощью которого устанавливается закон регулирования: "ПИ" или трехпозиционный ""; последний получается из ПИ путем отключения функциональной обратной связи.

В режиме ПИ-закона выход блока РС29 через переключатель КЗ подключается к пусковому устройству ПУ (тиристорному усилителю У101), с помощью которого осуществляется управление трехфазным электродвигателем ЭД исполнительного механизма ИМ. Выходной вал ИМ связан с регулируемым автотрансформатором (ЛАТРом), перемещение движка которого изменяет напряжение питания U_п электронагревателя ЭН, реализуя воздействие на объект.

Во входной цепи пускового устройства имеются концевые выключатели КВМ (меньше) и КВБ (больше), обеспечивающие запрет включения электродвигателя в соответствующем направлении при достижении крайних положений выходного вала ИМ. С последним связан также резистивный датчик положения ДР, который подключен к указателю положения УП, встроенному в регулирующий прибор.

В режиме трехпозиционного регулирования к выходу Z_б/Z_м блока РС29 через ключ КЗ подключаются два промежуточных реле РБ и РМ.

Контакты этих реле коммутируют дополнительную секцию III силового трансформатора Тр1 согласно или встречно по отношению к основной обмотке II в соответствии с управляющим сигналом Z_б/Z_{м П}ри этом увеличивается или уменьшается напряжение питания электронагревателя U_п на величину Δ U_п.

Методика настройки системы регулирования

 

Разделяют статическую и динамическую настройку АСР. Задача статической настройки включает в себя две части:

1)                 вывести объект на номинальный режим с помощью органов ручного дистанционного управления;

2)                 установить задание у_зд в соответствии с номинальным значением регулируемой величины y(t), так чтобы в установившемся состоянии измерительная схема регулятора была сбалансирована (_уст  0).

Целью динамической настройки является выполнение заданных требований (условий оптимальности) к динамическим свойствам системы путем воздействия на параметры закона регулирования K_п и Т_и.

 

Методика расчета динамической настройки регуляторов, применяемая в настоящей работе, использует информацию о переходной характеристике объекта, получаемой по экспериментальной кривой разгона. Результаты такого расчета следует воспринимать как первое приближение, которые необходимо уточнять на основе анализа работы действующей системы.

 

Методика включает в себя следующие этапы:

- экспериментальное получение кривой разгона объекта при ступенчатом возмущении регулирующим органом и определение скорости исполнительного механизма;

- определение параметров переходной характеристики объекта τ_об, T_об и K_об и расчет параметров K_п и Т_и регулятора (1-ое приближение);

- установка параметров регулятора и оценка качества процессов регулирования в замкнутой системе.

Способ определение условных параметров τ_об, T_об и K_об переходной характеристики объекта поясняется на рис. 2.

Для определения τ_об и T_об проводится касательная к кривой разгона y(t) в точке перегиба, а коэффициент передачи объекта K_об вычисляется по формуле:

,                                                    (3)

где установившееся отклонение регулируемой величины, выраженное в % унифицированного сигнала (%УС);возмущающее воздействие (перемещение ИМ), выраженное в % указателя положения (%УП).

Расчет параметров ПИ-регулятора производится по формулам

;                                                  (4)

которые дают первое приближение к оптимуму, отвечающему следующим исходным условиям оптимальности:

                                                         (4)

где - квадратичный интегральный критерий; - степень затухания переходного процесса в замкнутой АСР (рис. 3).

 

Порядок выполнения работы

 

Задание 1. Изучение структуры АСР с регулирующим блоком РС29

 

Задание выполняется при подготовке к работе. Требуется выяснить назначение элементов системы и органов настройки и контроля.

 

Задание 2. Статическая настройка системы регулирования

 

2.1. Вывод объекта на номинальный режим.

Установить переключатель режима управления на лицевой панели РС29.3 в положение "" (ручное). Воздействую на нажимной ключ ручного управления в требуемом направлении (меньше и больше ) и наблюдая за показаниями амперметра, установить номинальное значение силы тока I₀ через электронагреватель (указано на стенде).

Подключить СП к точке контроля рассогласования: гнездо "+" к точке " " блока РС29, а гнездо "-" к общей точке (ОТ) блока РС29.

Установить предел намерения СП (±2,5 В), а скорость диаграммы V_д = 240 мм/ч. Включить привод диаграммы и наблюдать по записи за выходом объекта в установившийся режим.

По достижении установившегося номинального режима объекта занести в протокол его параметры:

- установившееся номинальное значение температуры печи Т₀ по показаниям пирометрического милливольтметра;

- силу тока электронагревателя I₀;

- положение ИМ, μ₀ (по указателю "", %УП).

 

2.2. Установка номинального сигнала задания (балансировка измерительной схемы регулятора).

Наблюдая за сигналом рассогласования (t) по показаниям СП или индикатора "" и воздействуя на оперативный задатчик, расположенный на лицевой панели прибора РС29, добиться равенства нулю сигнала (t) с точностью до 1.0 деления шкалы СП.

 

Задание 3. Экспериментальное определение кривой разгона объекта

 

Кривая разгона определяется по каналу "перемещение регулирующего органа μ(t)  "сигнал рассогласования (t)".

 

Порядок действий при снятии кривой разгона

 

3.1. Включить СП для записи сигнала (t) при скорости диаграммы V_д = 1800 мм/ч с пределом измерения ±2.5 В (±25 % УС). Проверить балансировку измерительной схемы и при необходимости уточнить ее.

 

3.2.      Сделать отметку времени (t = 0) на диаграмме СП и с помощью нажимного ключа дистанционного управления создать ступенчатое перемещение регулирующего органа в направлении "больше" (Δμ = 20%УП). Для этого следует, наблюдая за указателем положения, нажать ключ в сторону "Δ" и удерживать его непрерывно до получения требуемого изменения сигнала μ(t), после чего ключ отпустить.

 

Записать в протокол фактические значения положения исполнительного механизма до и после нанесения возмущения μ₀ и μ₁ и величину возмущения Δμ = μ₁ – μ₀. (в % УП).

3.3.      Наблюдать за записью кривой разгона на диаграмме СП до перехода в новое установившееся состояние, после чего выключить привод диаграммы и снять ее для обработки.

 

Задание 4. Экспериментальное определение скорости ИМ

 

Скорость исполнительного механизма S_им влияет на коэффициент пропорциональности регулятора K_п, что выражается формулой (2). Поэтому S_им необходимо знать для установки расчетного значения K_п.

 

Порядок действий при определении S_им

 

4.1. Записать начальное положение регулирующего органа μ₁, % УП.

4.2. В режиме ручного управления включить исполнительный механизм в сторону "Меньше" в течение некоторого интервала времени (например, Δt = 10 с), после чего записать новое положение регулирующего органа μ_2.

4.3.            Вычислить    

S_им = (μ₂ – μ₁) / Δt,     %УП/с.

 

4.4.            Опыт рекомендуется повторить для направления «Больше». Для последующих расчетов определить среднее значение S_им.

По окончании опыта восстановить номинальное значение силы тока I₀.

 

Задание 5. Расчет настройки регулятора по условным параметрам переходной характеристике объекта

 

5.1. Обработать полученную кривую разгона объекта по рис. 2 и оценить условные параметры переходной характеристики Т_об. τ_об и K_об.

При расчете K_об по формуле (3) значение Δу следует выразить в (%УС) с учетом соотношения: 100 %УС = 10 В. Например, для диапазона измерения [-2,5…0…2,5 В] имеем: 100 дел. = 5 В = 50 %УС, т. е. 1 дел. = 0.5 %УС.

При измерении отрезков времени Δt на диаграмме следует сначала оценить в мм длину соответствующего отрезка диаграммы, а затем выразить его в секундах по формуле Δt = ΔL∙M_t, где M_t – масштаб записи по оси времени, определяемый скоростью диаграммной бумаги V_д. Например, если V_д = 1800 мм/ч = 0.5 мм/c , то М_t = 2 с / мм, т. е. 1 мм = 2с.

5.2.      Рассчитать в качестве первого приближения к оптимуму значения параметров K_п и Т_и для ПИ-закона регулирования по формулам (4).

5.3.      Рассчитать коэффициент пропорциональности α_п для установки значения K_п в регулирующем приборе РС29 с учетом скорости исполнительного механизма по формуле:

α_п = K_п / S_им,

где значение S_им берется по результатам выполнения задания 4.

Задание 6. Оценка качества регулирования с ПИ-регулятором

 

6.1.      Установить рассчитанные значения параметров динамической настройки  и Т_и (в приборе РС29 параметр Т_и„ обозначен через ).

6.2. Установить значения для других параметров прибора РС29:

Δ = 0.4…0.5 – зона нечувствительности; t_и = 0.3…0.4 с минимальная длительность импульса;  τ_дф = 0 – постоянная времени демпфера.

Переключатель закона регулирования поставить в положение "ПИ".

6.3. Включить СП при V_д = 720 мм/ч с пределом измерения 2.5 В.

6.4.      Проверить балансировку измерительной схемы регулятора с контролем по индикатору "" и по указателю СП и при необходимости уточнить ее воздействием на оперативный задатчик.

6.5. Создать ступенчатое возмущение в виде перемещения регулирующего органа Δμ с помощью органов ручного управления в направлении «Меньше» примерно на 30% УП, после чего без задержки перевести систему в автоматический режим, установив ключ режима управления в положение "  ". Записать фактическое значение Δμ.

6.6. Наблюдать за записью процесса регулирования и работой регулятора, обращая внимание на характер управляющих импульсов. При необходимости (например, при возникновения «переброски»), следует подстроить Δ и t_и. По окончании процесса регулирования оценить его характеристики: степень затухания , максимальное отклонение А₁ и период колебаний Т_о (рис. 3).

6.7. В случае недостаточного качества регулирования следует скорректировать параметры динамической настройки  и Т_и и повторить опыт по снятию процесса регулирования (п.п. 6.4…6.6) до получения удовлетворительного качества.

 

Задание 7. Оценка процесса регулирования с позиционным регулятором

 

7.1.      Перевести систему в режим ручного управления и проверить балансировку измерительной схемы регулирующего прибора.

7.2.      Создать возмущение Δμ = 30% УП в направлении «Меньше» (как в п. 6.5), затем переставить в положение "" переключатель закона регулирования на боковой панели прибора РС29 и ключ КЗ на панели стенда, после чего перевести систему на автоматическое управление.

7.3. Наблюдать за записью процесса регулирования с позиционным регулятором, который должен иметь вид незатухающих колебаний. Отметить на диаграмме СП пороги переключения трехпозиционного релейного элемента регулятора и записать в протокол значения токов для каждого уровня переключения (минимальный I_мин, средний I_ср и максимальный I­_макс).

7.4. После достижения установившегося режима колебаний (через 4…5 периодов) опыт завершить, установив ручное управление. Возвратить ПИ-закон регулирования. Снять диаграмму и оценить параметры колебаний: период Т₀, амплитуду А­₀ и смещение средней линии С₀.

 

Содержание отчета по работе:

 

- упрощенная схема системы регулирования;

- участки диаграммной бумаги с записью процессов с указанием масштабов осей и значений параметров;

- все предусмотренные расчеты с расчетными формулами;

- оценки качества процессов регулирования;

- выводы об эффективности работы АСР.