Исполнительный механизм постоянной скорости

Выходной элемент исполнительного механизма постоянной скорости перемещается с постоянной скоростью независимо от значения управляющего сигнала Кe_*. Его уравнение движения

, (3.17)

где Т_с – время на перемещение выходного элемента из одного крайнего положения в другое (время полного хода привода);

x_им – величина перемещения элемента;

– скорость перемещения выходного элемента.

В соответствии с (3.17) скоростная характеристика исполнительного механизма постоянной скорости имеет вид (рис. 3.4).

 

Рис. 3.4. Скоростная (статическая) характеристика
исполнительного механизма постоянной скорости

 

Если на исполнительный механизм приходят импульсы длительностью t_и, скважностью , (3.18)

где t_п – длительность пауз;

Т – период следования импульсов,

то средняя скорость перемещения выходного элемента будет меньше на величину скважности g

. (3.19)

Работа исполнительного механизма постоянной скорости при импульсных входных воздействиях иллюстрирует график на рис. 3.5.

Таким образом, исполнительный механизм постоянной скорости представляет собой интегрирующее звено, передаточная функция которого

, (3.20)

где – постоянная интегрирования.

Исполнительные механизмы ИМ предназначаются для перемещения регулирующих органов МЗТА и состоят из электропривода и колонки дистанционного управления КДУ. Электропривод содержит трехфазный асинхронный двигатель переменного тока (U = 220/380 В, n = 1400 об/мин), который сочленен с двухступенчатым понижающим редуктором (общее передаточное отношение i = n_вых/n_вх = 1/2800 об/мин). Выдвижением штурвала на себя осуществляется ручное местное управление. Полный ход электропривода соответствует повороту выходного вала на 90^о. Электрическая мощность двигателя малой модели – (0, 15¸ 0, 25) кВт, крутящий момент на валу – до 25 кГм. Время полного хода Т_с = 30¸ 60 с.

КДУ содержит концевые выключатели для ограничения хода при дистанционном управлении и датчик (дифференциально-трансформаторного или реостатного типа) для дистанционного указания положения выходного элемента электропривода.

 

Рис. 3.5. Работа исполнительного механизма постоянной скорости
с импульсными входными сигналами

 

 

Регулирующее устройство Р21

Структурная схема регулятора Р21 приведена на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Структурная схема автоматического регулятора

 

Прямой канал прохождения сигнала содержит два усилителя: один (1) с линейной характеристикой и коэффициентом усиления К_у, а второй (2) – релейно-импульсный усилитель мощности. Регулятор имеет главную отрицательную обратную связь, предназначенную для формирования закона регулирования и установления необходимых параметров настройки (скорости связи v_св или коэффициента усиления и времени изодрома Т_и) и две цепи местной обратной связи для установления зоны нечувствительности регулятора и времени однократного включения регулятора (длительность импульса t_и). В динамическом отношении цепь главной обратной связи представляет собой инерционное звено первого порядка с передаточной функцией

(3.21)

и выполнена на RC-элементах, причем скорости заряда емкости С и ее разряд выполняются по разным цепям (с различными постоянными времени Т) в зависимости от положения переключателя П, состояние которого задается амплитудой сигнала Z на выходе регулятора. Пока сигнал E(t) = K_у× e^*(t) превышает величину зоны нечувствительности регулятора D_н (рис. 3.6) Z ¹ 0 и осуществляется заряд емкости С. Скорость ее заряда в первый момент времени после возникновения сигнала ошибки e определяет величину скорости связи v_св (или коэффициента усиления регулятора К_р). Чем меньше время t₁, за которое e₀(t) уравновешивается сигналом главной обратной связи , тем быстрее идет процесс заряда конденсатора и соответственно тем больше скорость связи v_св. Последующие процессы разряда конденсатора С в цепи главной обратной связи определяют величину времени изодрома Т_и регулятора. Чем меньше скорость разряда конденсатора С, тем больше время изодрома Т_и. Таким образом, при возникновении на входе регулятора ступенчатого сигнала ошибки e(t) исполнительный механизм работает прерывисто во времени (см. рис. 3.7). Такой режим работы регулятора называется релейно-импульсным, или пульсирующим.

Упрощенная принципиальная схема регулирующего устройства Р21 приведена на рис. 3.8.

Входной каскад ВК служит для демпфирования (сглаживания) входных сигналов (входы 2¸ 4), суммирования сигналов (входы 1¸ 3), выработки величины и знака сигнала ошибки e(t) и преобразования токовых сигналов в напряжение.

Линейный усилитель УВ-41 осуществляет суммирование сигналов по напряжению и их преобразование в токовый сигнал 0¸ 0, 5 А (коэффициент усиления 40¸ 60 мкА/мВ). Релейный усилитель УР-2 преобразует токовый сигнал на выходе УВ-41 в напряжение постоянного тока ±24 В в зависимости от знака сигнала ошибки e(t).

 

 

Рис. 3.8. Принципиальная схема регулирующего устройства Р21:

ВК – входной каскад; УВ-41 – усилитель-сумматор; УР-2 – трехпозиционный релейный усилитель; ИП-15 – источник питания; НЛ – неоновая лампа; ЛМ, ЛБ – сигнальные лампы

 

Релейные свойства усилителя достигаются включением тиристоров Т₁ и Т₂ в цепь его нагрузки. Электрическая нагрузка (пусковое устройство исполнительного механизма) подключается к зажимам 7-8-9. При срабатывании УР-2 одновременно с появлением напряжения ±24 В на зажимах 7-8-9 возникает импульсное напряжение U_вых = 0¸ 24 В, которое поступает в устройство главной отрицательной и дополнительной положительной обратной связи. Заряд конденсатора с постоянной времени Т_д = С_ос (R₂₈¸ R₃₇) осуществляется, если U_ос превышает напряжение зажигания U_з неоновой лампы НЛ. Выбором величины резистора из набора R₂₈¸ R₃₇ с помощью переключателя B₂ осуществляется настройка v_св(К_р). Когда ток через неоновую лампу прерывается (U_ос < U_з), конденсатор С разряжается через резисторы R₁₇¸ R₂₇ с постоянной времени Т_р= С_ос (R₁₇¸ R₂₇). Выбором величины резистора из набора R₁₇¸ R₂₇ с помощью переключателя B₁ осуществляется настройка Т_и.

 

Ручки резисторов R₆ и R₁₅ для установки зоны нечувствительности и длительности импульсов, переключателей В₁ и В₂ для установки v_св и Т_и, а также R₄ для установки постоянной демпфирования Т_дф вынесены на панель настройки, которая располагается на правой боковой стороне выдвижного шасси регулирующего устройства Р21.

На гнездах А-В-Г-Д относительно Б измеряют входные и выходные напряжения. Сигнальные лампы ЛМ, ЛБ обеспечивают визуальное наблюдение за работой регулирующего устройства Р21.

 

Задание 3

1. Измерение времени полного хода электропривода

Данные измерения проводятся в режиме ручного управления электроприводом. Включить питание стенда и кнопкой М (или Б) установить электропривод в одно из крайних положений. Нажать кнопку Б (или М) для перемещения электропривода в другое крайнее положение, одновременно включить секундомер. При отключении электропривода (из-за срабатывания концевого выключателя) остановить секундомер. Отсчитанное время Т_с будет являться временем полного хода. Повторить эксперимент и взять среднее из измеренных значений Т_с. Скорость перемещения выходного элемента электропривода за одно включение будет составлять

. (3.22)

В отчете фиксируются измеренные значения Т_с, среднее значение Т_с, скорость S_им.

2. Проведение настройки регулирующего устройства Р21.

Основными параметрами настройки регулятора являются скорость связи v_сви время изодрома Т_и. Скорость связи вычисляется из уравнения

, (3.23)

где a = 5 – коэффициент приведения сигнала обратной связи к выходу регулятора;

S_им – скорость электропривода, определяемая экспериментально (уравнение (3.22));

К_р – коэффициент передачи регулятора.

Для объектов регулирования, у которых отношение запаздывания t_об к постоянной времени Т_об не превышает 0, 2, коэффициент К_р определяется

. (3.24)

Полученное значение v_св округляется до ближайшей величины по шкале настройки v_св.

Расчетное значение времени изодрома определяется из соотношения

Т_и= 3, 3× t_об. (3.25)

Полученное значение Т_и округляется до ближайшей величины по шкале настройки Т_и.

Настроечными параметрами регулятора Р21 также являются: время демпфирования Т_дф, зона нечувствительности D_н и длительность импульса t_и. Рекомендуется ручки настроек этих параметров устанавливать в положения:

Т_дф= (3¸ 5) с;

t_н = (0, 3¸ 0, 5) с;

D_н = (0, 5¸ 0, 8) %.

Таким образом, в отчете по выполнению задания 3 фиксируется скорость перемещения выходного элемента электропривода за одно включение, скорость связи и время изодрома регулятора.

 

Анализ качества работы АСР

В автоматических системах имеет место апериодический и колебательный затухающий переходные процессы (см. рис. 3.9).

Прямыми показателями качества переходного процесса являются:

d – остаточное отклонение (статическая ошибка); х₁ – максимальное динамическое отклонение (динамическая ошибка); х₂/х₁ – перерегулирование и t_р – время регулирования. Основными требованиями к показателям качества являются: отсутствие остаточного отклонения d, меньшая амплитуда динамического отклонения х₁ и малое время регулирования t_р. Вид переходного процесса в АСР и величины показателей качества переходных процессов зависят от устанавливаемых параметров настройки автоматического регулятора.

 

Рис. 3.9. Типовые переходные процессы в АСР:

а – апериодический; б – колебательный;

1 – без остаточного отклонения; 2 – с остаточным отклонением

 

Задание 4. Анализ качества работы АСР

1. Извлечь шасси регулятора и на панели настройки установить рекомендуемые значения Т_дф, D_н и t_и, а также рассчитанные значения v_св и Т_и.

2. Включить с помощью тумблера S₃ регулятор Р21, а переключатель SA₂ установить в положение «Регулирование автоматическое».

3. Установить с помощью задатчика РУ такое задание регулятору, чтобы он был сбалансирован и не формировал управляющих воздействий (добиться погасания сигнальных ламп).

4. Зафиксировать показания измерительных приборов (I, V, mA, AmA) и установленные параметры настройки Р21; на диаграммной ленте AmA отметить положение пера и одновременно изменить (тумблер S₄) нагрузку. Записать переходный процесс, дождавшись нового установившегося состояния (стабильности температуры) объекта регулирования. Записать новое значение тока и напряжения.

5. Исследовать влияние устанавливаемых параметров настройки v_св и Т_и на вид переходного процесса и его показатели качества. Для этого при неизменной величине Т_и изменить v_св на ближайшие деления первоначально в меньшую, а затем в большую сторону от установленного первоначального (рассчитанного) значения. После каждого изменения v_св одновременно вводить возмущение по нагрузке (включая или выключая R_б тумблером S₄) и дожидаться установившегося состояния в АСР. Такие же процедуры проделать по изменению Т_и, изменяя положение переключателя на панели настройки регулятора на ближайшие деления от установленного (расчетного) значения. После каждого изменения Т_и одновременно вводить возмущения по нагрузке (включая и выключая R_б тумблером S₄) и дожидаться установившегося состояния в АСР.

По завершении экспериментов снять диаграммную бумагу и провести обработку переходных процессов в АСР. Результаты обработки свести в таблицу, образец которой рекомендуется ниже.

В отчете представить исходный материал, результаты обработки переходных процессов и заключение по влиянию устанавливаемых параметров настройки на характер и показатели качества переходных процессов в АСР.

 

Таблица 3.3

Результаты обработки экспериментальных кривых

№ п/п

I

V

DW

vсв

Ти

х1

х2/х1

d

tр

Вид

Примечание

нач.

изм.

нач.

изм.

 

Влияние Т_дф, D_н, t_и, а также изменение задания Q_зад, изменение режима работы объекта (включение вентилятора) на вид переходного процесса в АСР и качество регулирования работой не предусматривается.

Отчет должен содержать

1. Структурную схему лабораторного стенда с указанием функционального назначения выделенных элементов и их взаимосвязи.

2. Экспериментально полученную кривую разгона печи, расчет статических и динамических параметров печи и таблицу полученных результатов.

3. Структурную схему регулирующего устройства Р21 и графики, поясняющие формирование изодромного закона регулирования.

4. Численные значения экспериментально полученных Т_с и расчетную величину скорости электропривода за одно включение.

5. Расчеты параметров настройки регулятора v_св и Т_и.

6. Экспериментально снятые переходные процессы в АСР, их обработку, таблицу результатов обработки и полученных параметров качества регулирования. Краткое обсуждение влияния параметров настройки регулятора на показатели качества регулирования.

3.1.9. Контрольные вопросы

1. Что такое статическая характеристика теплового объекта, его нагрузка, коэффициент передачи?

2. Что такое кривая разгона теплового объекта, запаздывание и постоянная времени?

3. Что такое динамическая характеристика идеального изодромного регулятора, коэффициент передачи и время изодрома регулятора?

4. Каков исполнительный механизм постоянной скорости, его статическая характеристика, время полного хода и скорость за одно включение?

5. Какие существуют виды переходных процессов в АСР? Назовите параметры, характеризующие прямые показатели качества регулирования.

6. Изобразите функциональную схему АСР температуры на примере лабораторной установки.

3.2. Лабораторная работа №7.
Исследование автоматической системы регулирования
с двухпозиционным регулятором [2]

Введение

Комплексная автоматизация производства является одним из решающих факторов повышения производительности труд. При внедрении средств автоматизации в первую очередь необходимо учитывать сроки окупаемости затрат на автоматизацию и надежность работы систем автоматического регулирования.

В связи с этим, наряду со сложными системами регулирования, там, где по условиям технологии не предъявляется жестких требований к качеству регулирования, необходимо широко применять наиболее дешевые, простые в наладке и надежные в эксплуатации позиционные автоматические регуляторы.

Эти регуляторы широко используются для стабилизации уровней в емкостях и аппаратах, температуры стенок реакторов и т. д.

Данная лабораторная работа по исследованию автоматической системы регулирования с двухпозиционным регулятором направлена на приобретение студентами навыков в применении таких систем в инженерной практике.

Указания содержат основные теоретические положения по математическому описанию нелинейных процессов, имеющих место в позиционных АСР. Исследования статических и динамических свойств регулируемых объектов предлагается выполнить по экспериментальным временным характеристикам графическим и графоаналитическим методами, сочетающими оперативность обработки результатов с приемлемой для практических целей точностью. Полный объем исследований включает восемь заданий. Обязательны к исполнению задания, включающие экспериментальные исследования: определение свойств объекта и показателей качества регулирования в режиме номинальной нагрузки, а также при внесении возмущений по управляющему воздействию и по нагрузке.

Студенту предоставляется право составить, исходя из заданного преподавателем объема, план выполнения исследований, а также самостоятельно принять решение о форме предоставления результатов.

Цели и задачи исследования

· Ознакомиться с двухпозиционными системами регулирования.

· Освоить методики получения экспериментальных переходных функций и их обработки для определения параметров динамической модели объекта.

· Освоить параметрический синтез статической характеристики релейного регулятора.

· Теоретически и экспериментально определить основные характеристики установившихся автоколебаний регулируемой величины в двухпозиционной АСР.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: