ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Машины и автоматизация сварочного производства»

 

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Автоматизация сварочных процессов»

 

Составитель     доктор техн. наук, проф. Ленивкин В.А.

 

В методическом указании рассматривается принцип построения систем автоматического управления с обратными связями на примере системы управления температурой печи. Приводится методика выполнения работы.

Электронная версия лабораторной работы составлена на базе издания: Автоматизация сварочных процессов: Метод. указания /ДГТУ, Ростов н/Д, 2007.

Для студентов всех форм обучения по спе­циальности 150202.

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить принцип работы и исследовать работу системы автома­тического регулирования температуры.

 

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Автоматическое регулирование – это процесс стабилизация не­которой величины, характеризующей технологический процесс, отно­сительно заданного (постоянного или изменявшегося) ее значения путем измерения состояния регулируемого параметра (или возмуще­ний) и воздействия на регулирующий орган объекта.

Регулятор – совокупность устройств, подключенных к объекту для осуществления автоматического регулирования. Измеряя одну или несколько физических величин, характеризующих процесс, регулятор воздействует на процесс, поддерживая, значение регулируемой величи­ны на требуемом уровне.

В производстве получили распространение разнообразные систе­мы автоматического регулирования (САР), различающиеся типом и ко­личеством используемых регуляторов. Выбор того или иного типа регулятора зависит от конкретных задач, возникающих при управлении технологическими процессами, требований, предъявляемых к точности регулирования, специфических условий, в которых должен работать регулятор, и т.д.

Существующие САР строятся в основном по трем принципам.

Принцип автоматического регулирования по отклонению или принцип Ползунова-Уатта в этом случае регулятор воздействует на объект регулирования только при отклонении регулируемой величины от заданного значения.

Принцип регулирования по возмущению (принцип Понселя). Воздействие регулятора на объект является функцией возмущения или на­грузки только одного типа.

Принцип комбинированного регулирования, при этом используются одновременно принцип по отклонению и нагрузке. Независимо от того, по какому принципу построена САР, сигнал отклонения преобразуется в регулирующее воздействие, которое называется законом (алгоритмом) регулирования. Основные виды закона регулирования: пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный (изодронный), пропорционально-интегральный с воздействием по производной.

 

2.1. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫПОЛНЯЕМЫХ ИМИ ЗАДАЧ

 

2.1.1. Системы стабилизации или собственно САР

Эти системы поддерживают постоянное значение регулируемого параметра в достаточно узких, допустимых для эксплуатации пределах.

Установленное с помощью задающего устройства регулятора заданное значение параметра поддерживается постоянным во времени с определенной точностью.

Системы стабилизации получили наиболее широкое распространение при управлении технологическими процессами и, а частности в сварочной технике, например, для поддержания постоянства напряжения дуги при сварка плавящимся и неплавящимся электродом (АРНД), электрических в физических параметров режима при контактной сварке к др.

 

2.1.2. Системы программного регулирования

В этих системах заданное значение регулируемой величины меняется во времени по заранее известной программе. Программное регулирование широко используется при автоматизации термических процессов (для сушки электродов и флюса, термической обработки сварных конструкций), при сварке неплавящимся электродом неповоротных стыков труб, для регулирования параметров режима при контактной сварке и т.д.

 

2.1.3. Следящие САР

Помимо задач поддерживать постоянное значение параметра или изменять его по определенной, заранее неизвестной программе иногда возникает необходимость обеспечить соответствие регулируемого параметра какой-либо другой величине, произвольно изменяющейся во времени. В подобных случаях задача регулятора состоит в том, чтобы изменения регулируемого параметра с возможно большей точностью следовали за изменением задающего параметра. Примером таких систем, применяемых в сварочной технике, могут являться системы направления сварочной головки по стыку, направление резательного инструмента по контуру детали и т.д.

 

2.1.4. Системы экстремального регулирования

Эти системы обеспечивают поддержание минимального или максимального значения параметра. Например, если в качестве регули­руемого параметра принять к.п.д., то задача регулирование состоит в обеспечении наивысшего его значения.

 

2.2. Особенности построения САР в зависимости от способа действия чувствительного элемента на регулирующий орган

 

В САР различают два вида регулирования: прямое и непрямое (косвенное). В САР прямого действия энергия, вырабатываемая измерительным элементом (датчиком), достаточна для приведения в действие исполнительного. органа.

Когда мощность, вырабатываемая измерительным элементом, недостаточна для обеспечения перемещения регулирующего органа, а также в случае, когда требуется иметь высокую чувствительность системы, применяют системы непрямого регулирования. В этом случае для перемещения регулирующего органа исполнительный механизм получает сигнал от измерительного элемента через усилитель.

В зависимости от вида используемой энергии САР непрямого действия делятся на электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные.

К преимуществам регуляторов прямого действия можно отнести простоту конструкции и надёжность их в работе. Недостатком этих регуляторов является ограниченная возможность их применения из-за недостаточной мощности измерительного устройства, необходимой для приведения в действии регулирующих органов. Точность поддержания заданного значения регулируемого параметра в САР прямого действия ниже, чем при использовании регуляторов непрямого из-за большей зоны нечувствительности, связанной с наличием зазоров и сил трения.

 

2.3. Классификация САР го характеру действия регулятора на объект регулирования

 

В этом случае САР делятся на системы непрерывного и прерывистого регулирования (релейные и импульсные). Непрерывные САР – самый распространённый вид систем. Системой непрерывного регулирования называется такая система, в которой непрерывному изменению регулируемой величины соответствуем непрерывное изменение механических, электрических и других величин во всех звеньях системы. Примером могут служить системы поддержания постоянства напряжения генератора с угольным регулятором, у которых ток в обмотке возбуждения непрерывно изменяется благодаря изменению сопротив­ления угольного столба.

Прерывистой системой регулирования называется такая автоматическая система, в которой хотя бы в одном звене нарушается непрерывное изменение механических, электрических или других величин. Эти системы можно разделить на две группы: релейные и импульсные система.

 

2.4. Структурная схема САР

 

САР должна выполнять следующие функции:

1. Измерять регулируемую величину.

2. Сравнивать измеренное значение регулируемой величины с заданным значением, т.е. определить ошибку регулирования.

3. Осуществить воздействие на регулируемый процесс в соответствии с величиной и знаком ошибки таким образом, чтобы умень­шить ошибку регулирования до нуля или до некоторого допустимого значения.

В соответствии с этим в СAP должны входить следующие элементы:

1. Задающее устройство, на вход которого поступает управляющее воздействие q(t) и служащее для задания требуемого значения регулируемой величины.

2. Измерительное устройство, измеряющее фактическое значение регулируемой величины.

3. Сравнивающее устройство, осуществляющее сравнение измеренного и заданного значения регулируемой величины.

4. Исполнительное устройство, посредством которого регулятор осуществляет воздействие на регулируемый процесс (на объект регу­лирования).

Кроме перечисленных принципиально необходимых элементов в регулятор обычно входят:

·        преобразователь – устройство, преобразующее физическую величину на входе элемента одной природы в другую – удобную для использования в регуляторе;

·        усилитель – промежуточное устройство, служащее для усиления сигнала сравнения. Усиление происходит за счёт постороннего источника энергии;

·        стабилизирующее (корректирующее) устройство, обеспечивающее требуемый характер переходных процессов регулирования.

Техническое устройство, в котором осуществляется автоматически управляемый процесс, называется объектом регулирования. Объект регулирования совместно с автоматическим регулятором образуют систему автоматического регулирования.

Типовая функциональная схема САР показана на рис. 1. Благодаря действию главной обратной связи, которая связывает выход системы с её входом, в системе образуется сигнал ошибки, характеризующий точность работы всей системы регулирования, т.е.:

DХ = Х_З – Х_Д,

где    Х_З – заданное значение регулируемой величины;

Х_Д – действующее или текущее значение регулируемой величины.

 

 

 

Рис. 1. Типовая функциональная структурам схема: 1 – задающее устройство, 2 – сравнивающее устройство, 3 – преобразователь, 4 – усилительное устройство, 5 – исполнительное устройств, 6 – объект регулирования, 7 – измерительное уст­ройство

 

При размыкании цепи главной обратной связи САР, работающая по замкнутому циклу, превращается в систему разомкнутого цикла и не является системой автоматического регулирования.

 

2.5. Классификация САР по зависимости параметра регулирования от величины нагрузки

 

Все САР в этом случае делятся на статические и астатические. В статических САР (рис.2,а) установившееся значение регулируемой величины зависит от нагрузки.

 

 

Рис.2. Статические характеристики CAP: a – система статического регулирования; б – система астатического регулирования; Z – регулируемая величина; Z_max – максимальная величина; Z₀ – номинальная регулируемая величина; Z_min – минимальная величина; нагрузка – X_ном – номинальная; X_max – макси­мальная

 

Статическая САР характеризуется статизмом или коэффициентом неравномерности:

S = (X_max - X_min)/X₀,

где X₀ = (X_max + X_min)/2; X_max , X_min - изменение регулируемой величины при изменении нагрузки от 0 до Q_макс соответственно.

Статизм считается положи­тельным, если значение регулируемой величины уменьшается с рос­том нагрузки. Системы с отрицательным статизмом встречаются ред­ко.

В астатических САР установившееся значение регулируемой ве­личины не зависит от нагрузки и величина статизма равна нулю, рис. 2,б.

Астатические САР отличаются от статических наличием интегри­рующих звеньев, которые создает инерционность, т.е. приводит к за­медлению регулирования.

Астатические регуляторы, как правило, менее устойчивы, чем статические. Для повышения устойчивости астатических регуляторов применяют дополнительные средства коррекции, например гибкие об­ратные связи.

Отклонение регулируемого параметра от заданного значения, в пределах которого регулятор не воздействует на процесс, называет­ся зоной нечувствительности регулятора, которая показана на рис. 2. Она вызывается наличием' лифтов подвижной системы регулятора, величи­ной расстояния между контактами при релейном регулировании и дру­гими факторами. При наличии нечувствительности регулятора регули­ровочная характеристика всякой регулирующей системы уже не будет представляться в общем случае кривой линией, а будет некоторой зоной вдоль этой линии. Ширина этой зоны в каждой точке регулиро­вочной характеристики определяется степенью нечувствительности регулятора.

 

2.6. Общие сведения САР температуры

 

Автоматическое регулирование температуры находит широкое применение во многих технологических процессах, в том числе и в сварочном производстве, при термической обработке и подогреве де­талей и узлов, при сушке и прокалке флюса и т.д.

Работоспособность и эффективность САР температуры определя­ется его измерительным устройством, которое измеряет величину, определяет знак отклонения регулируемой температуры и преобразует это отклонение в управляющее воздействие на регулируемый ор­ган (в САР прямого действия) или на усилительное устройство (в САР непрямого действия).

В качестве измерительных элементов температуры в САР приме­няются контактные термометры, манометрические термометры, биметаллические элементы, дилатометры, термопары и терморезисторы.

 

2.7. Назначение и устройство к0нтактного термометра

 

Ртутные контактные термометры служат для измерения темпера­туры и одновременно для преобразования отклонения температуры от заданного значения в электрическую величину. Для чего в капилляр термометра впаивается два электрических контакта. Один контакт (тонкая проволочка) перемеща­ется с помощью магнитной головки и устанавливает заданное значе­ние регулируемой температуры по нижней шкале. Другим контактам является ртуть, соединенная вторым проводником.

При повышении температуры ртутный столбик поднимается по капилляру и при достижении заданной температуры замыкает контакты, и включается цепь управления процессом регулирования. При сниже­нии температуры контакты термометра размыкаются.

Контактный термометр типа ТПК с помощью двух выводных клемм включается в электрическую схему регулирования температуры. На­грузка на контактный термометр при работе его не должна превы­шать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В. Гарантированное число замыканий и размыканий контактов термометра при указанной нагру­зке и частоте контактирования не более 5 раз в минуту – не менее 10⁶.

 

3. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

 

1. Изучить конструкцию САР температуры (регулятор, датчик, объект регулирования).

2. Ознакомиться с принципом работы САР.

3. Составить принципиальную электрическую схему САР темпера­туры.

4. Выделить элементы САР по функциональному назначению.

5. Дать полную классификацию САР температуры.

6. Определить зону нечувствительности регулятора при различ­ных значениях нагрузки, построить статическую характеристику САР и определить статизм системы.

7. Замерить напряжения в характерных точках системы. По величине напряжений в этих точках судят об исправности работы системы в процессе эксплуатация.

Состав оборудования к лабораторной работе приведен в табл.1.

 

Таблица 1

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Работа выполняется в последовательности, указанной в рабочем задании.

Указания к выполнению рабочего задания.

 

1. По п. 2 рабочего задания

Принципиальная электрическая схема составляется непосредст­венно по действующему макету системы регулирования температуры пу­тем непосредственного прослеживания электрического соединения от­дельных элементов и измерения величины сопротивления соединительных проводов и элементов системы.

При измерении величины сопротивлений соединительных проводов и элементов системы необходимо пользоваться комбинированным при­бором типа Ц 4315 предварительно подготовленным к измерению сопро­тивлений. Подготовка прибора к измерению сопротивлений производится в соответствии с краткой инструкцией по эксплуатации, приведен­ной на самом приборе.

 

2. По п. 6 рабочего задания

Соединив элементы СAP (регулятор, контактный термометр, объект регулирования – макет печи с вентилятором для создания раз­личных режимов нагрузка при работе) после проверки преподавателем, подключить к сети 220 В.

Определить зову нечувствительности при различных нагрузках. Для этого производятся замеры перепадов, температуры относительно установленного значения регулируемой величины (номинального значе­ния) во времени при имитации различных режимов нагрузки без вклю­ченного вентилятора, с минимальной, средней и максимальной произ­водительностью. Таким образом, строятся 4 зависимости Т = f(t). Для каждой зависимости определяется среднее значение температуры.

По средним значениям температур для различных значений нагру­зки строится статическая характеристика САР. Из статической харак­теристики определяется статизм САР.

 

3. По п. 6 рабочего задания

Подготовить к замерам комбинированный прибор Ц 4315.

Произвести замеры постоянных и переменных напряжений в следующих характерных точках:

а) анодное напряжение (лампа открыта и закрыта или транзистор);

б) сеточного напряжения;

в) напряжение накала ламам;

г) напряжение на обмотке реле;

д) напряжение сетки или базы транзистора.

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

В отчёте необходимо:

1. Отразить цель работы и рабочее задание.

2. Вычертить принципиальную электрическую схему САР температуры и привести описание её работы.

3. Составить Функциональную схему САР.

4. Дать классификацию исследуемой САР температуры

5. Получить зависимость Т = f(t) при различных нагрузках .

6. Привести значения напряжений в характерных точках регулятора.

 

6. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Львов Н.С., Гладков Э.А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. – М.: Машиностроение, 1982. – 302 с.

2. Автоматизация производства и промышленная электроника, т. 3. – М.: Советская энциклопедия, 1964.

3. Иваненко Н.Н. Автоматическое регулирование – М.: Машиностроение, 1973. –607 с.

4. Ленивкин В.А. Автоматизация сварочных процессов. Учеб. пособие. /ДГТУ, Ростов н/Д. 2008. – 162 с.

 

7. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ при выполнении лабораторной работы

 

1. Перед началом работы необходимо проверить наружным осмотром исправность приборов и изоляции токоведущих частей.

2. Не допускается выполнять сборку системы под напряжением.

3. Запрещается работать на неисправных приборах, при нарушении изоляции токоведущих частей.

4. Собранная схема должна быть проверена преподавателем или лаборантом и только с их разрешения может быть включена под напряжение.

5. Электрическая цепь должна включаться только на время эксперимента.

6. Запрещается оставлять схему включенной даже при кратковремен­ном уходе.