НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Контрольна робота №3
з дисципліни: " Інжиніринг харчових виробництв."
Виконала:
студентка гр. ЗТХ-4-1ск
Симоненко А.Л.
Перевірив:
Киричук С.А.
Київ 2020
План
1. Функціональна структура замкненої АСР.
2. Динамічна характеристика об’єктів регулювання та способи її отримання.
3. Принцип роботи термометрів опору. Градуювання термометра.
Варіант №10
1. Функціональна структура замкненої АСР.
Ця схема є основою для розв’язання різних задач аналізу і синтезу, а її особливістю є те, що на ній вказуються передаточні функції автоматичного регулятора Wрег(p) і об’єкта за каналами проходження сигналу керування Wок(p) та збурення Wозб(p) (рис.3.9).Інші функціональні елементи (датчики, виконавчі механізми, регулюючі органи) на цій схемі окремо не враховуються.При необхідності вони можуть включатись в схему за допомогою окремих передаточних функцій або приєднуватись до інших елементів, наприклад об’єкта.
Р
ис.3.9.Структурна схема АСР, а – спрощена, б – з виділенням каналів керування і збурення для об’єкта.В розрахунках АСР використовуються такі передаточні функції :
відносно зміни завдання для регульованої координати : (цю передаточну функцію називають головною для замкненої системи) :
(3.19)відносно зміни завдання для похибки :
(3.20)відносно збурення для регульованої координати :
(3.21)відносно збурення для похибки :
(3.22)Передаточні функції (3.19) – (3.22) виводяться на основі принципу суперпозиції, який справедливий лише для лінійних систем : можна окремо розглядати реакцію системи на один із сигналів, приймаючи інші рівними нулю. Загальна реакція системи буде сумою частинних реакцій. Вирази для відповідних передаточних функцій виводяться на основі залежностей, які характеризують проходження відповідних сигналів через передаточні функції.
Для отримання передаточної функції (3.19) приймаємо Z=0. Тоді :
(3.23)Позначимо :
(3.24)де Wроз(p) – передаточна функція розімкненої системи;
Запишемо вираз для ΔX = Xзд - X(t) : ΔX(p) = Xзд(p) - X(p) (3.25)
і підставимо його в (3.23), тоді з урахуванням (3.24) :
(3.26)звідки :
(3.27) Передаточна функція замкненої системи :
(3.28)Передаточна функція (3.20) отримується так :
(3.29)
(3.30)Для отримання передаточних функцій (3.21),(3.22) використовуємо попередні вирази за умови Хзд(p) = 0. Тоді при дії збурення Z(p) змінювання X(p) буде :
(3.31)
(3.32)Передаточна функція (3.21) буде :
(3.33)Передаточна функція системи для похибки виводиться так (при Хзд(р)=0) :
(3.34)звідки :
(3.35)Передаточна функція (3.22) буде :
(3.36)Таким чином всі чотири передаточні функції мають однаковий знаменник, а також всі вони включають передаточні функції об’єкта за різними каналами та автоматичного регулятора. Виходячи з цього, необхідно чітко засвоїти : властивості системи однаково залежать від властивостей як об’єкта, так і автоматичного регулятора, тому в наступних розділах розглядаються характеристики об’єктів та автоматичних регуляторів. Між різними передаточними функціями системи можна виявити такі взаємозв’язки :
(3.37)На основі принципу суперпозиції для замкненої лінійної АСР можна записати :
(3.38)
(3.39)2. Динамічна характеристика об’єктів регулювання та способи її отримання.
Об'є́кт керува́ння (регулювання) — об'єкт, що потребує спеціально організованих діянь для того, щоб забезпечити близькі до бажаних процеси та (або) значення (співвідношення значень) параметрів[1].
В автоматизованих системах під об'єктом керування розуміється умовно відокремлена частина системи, на яку впливає система керування для досягнення необхідного результату[2].
Об'єктом керування може бути окрема машина, апарат, пристрій, технологічний процес або сукупність технічних засобів (машин, апаратів, пристроїв), які виконують технологічний процес, але при цьому потребують спеціально організованих впливів ззовні для досягнення поставленої мети керування.
Прикладами об'єктів керування можуть служити технологічні процеси та технологічне обладнання, що використовуються у гірництві — флотаційний, гравітаційний процеси збагачення корисних копалин, а також флотаційна, відсаджувальна машини, магнітні сепаратори тощо.
Базисті поняття
Вхідна величина об'єкта регулювання (канал керування) — фізична величина на вході об'єкта регулювання, значення якої впливає на регульовану величину об'єкта. Цей параметр будемо позначати як X(t).
Регульована (вихідна) величина — фізичний параметр, який цілеспрямовано змінюється або зберігається незмінним у процесі керування. Умовимося позначати даний параметр через Y(t). Звичайно регульовані величини в тій або іншій мірі характеризують якісно-кількісні показники процесу в керованому об'єкті.
Поточне значення регульованої величини (Yт) — абсолютне значення параметра в цей час часу.
Задане значення регульованої величини (Yз) — абсолютне значення вихідного параметра, яке є метою керування даним об'єктом. Цей параметр вводиться у САР за допомогою елемента автоматики, який називають «задаючим пристроєм», або «задатчиком».
Задавач може розташовуватися поблизу регулятора або знаходитися на значній відстані від автоматичної системи і бути пов'язаним з нею дистанційно.
Характеристика об’єктів керування
Об'єкт регулювання може мати декілька вихідних параметрів.
Наприклад, флотаційна машина у цілому і окремі субпроцеси флотації, як об'єкт регулювання, має такі вихідні параметри:
зольність і вихід продуктів збагачення,
рівень пульпи у ванні флотомашини,
ступінь аерації пульпи тощо.
Будова об’єктів керування
Для здійснення керування об'єкт повинен мати орган керування, або регулювальний орган, змінюючи положення або стан робочого елемента якого, можна впливати на об'єкт, тобто на вихідний параметр.
Кожний вихідний параметр керується, як правило, своїм локальним каналом (вхідним чинником) з допомогою відповідної САР. Наприклад, рівень пульпи у ванні флотаційної машини можна змінювати положенням шибера в камері розвантаження хвостів флотації або зміною об'ємного навантаження на машину.
Для пояснення будови і принципу дії автоматичних систем застосовують функціональні і структурні схеми автоматизації.
Класифікація об’єктів керування
Залежно від числа регульованих величин
У залежності від числа регульованих величин, необхідних для ефективної роботи регульованих об'єктів, останні розділяються на об'єкти з однією і декількома регульованими величинами.
Об'єкти з однією регульованою величиною мають одну вихідну Y_вих і декілька вхідних величин, з яких одна є регулюючим впливом Хр, а всі інші — збурюючими впливами Хв1,Хв2,…Хвп. (рис. 1 а). Збурення, що діє на об'єкт по тому ж каналу, що й регулюючий вплив, називається внутрішнім, або основним. Інші збурення називаються зовнішніми. У межах невеликих відхилень цих величин промислові об'єкти регулювання можуть розглядатися як лінійні системи. Тому відхилення регульованої величини Y_вих, викликане дією всіх вхідних величин, дорівнює сумі відхилень, викликаних дією кожного вхідного сигналу нарізно.
Для повного опису динамічних властивостей об'єкта з однією регульованою величиною необхідно знати стільки його диференціальних рівнянь (або характеристик, що замінюють їх), скільки вхідних величин він має.
У разі регульованого об'єкта з декількома регульованими величинами (рис. 1 б, в) число регулюючих впливів, а отже, і кількість регулюючих органів, як правило, дорівнює числу регульованих величин.
У даному варіанті можливі два випадки:
1. Кожний канал керування (регулюючий орган) впливає тільки на одну регульовану величину (рис. 1 б). Тут об'єкт регулювання можна розбити на відповідне число незалежних один від одного локальних об'єктів. Тоді система регулювання об'єкта загалом складається з ряду окремих підсистем з однією регульованою величиною, які можуть працювати незалежно один від одного. Число таких підсистем повинно дорівнювати числу регульованих величин об'єкта. Реалізація системи керування таким об'єктом не викликає ускладнень.
2. Кожний канал керування, крім впливу на регульовану величину (за ним закріплену), певним чином впливає і на інші регульовані величини (рис. 1 в). У цьому випадку регульований об'єкт з декількома взаємопов'язаними регульованими величинами формально може бути представлений таким, що складається з декількох локальних об'єктів з однією регульованою величиною кожний, як і в першому випадку. Однак потрібно враховувати, що на кожний з цих локальних об'єктів впливають додаткові збурюючі впливи з боку інших локальних об'єктів. Тому настройка даних об'єктів іноді пов'язана з певними труднощами. У цих випадках існують способи реалізації принципу інваріантності локальних об'єктів, які забезпечують їх автономність.
За видом перехідної функції об'єкта регулювання
Криві розгону статичних об'єктів і їх графічна обробка.
Криві розгону астатичних об'єктів і їх графічна обробка.
За видом перехідної функції об'єкта регулювання вони класифікуються на три категорії:
стійкі,
нестійкі,
нейтральні.
Об'єкт стійкий, якщо після закінчення дії зовнішнього імпульсного збурення (Х) він з плином часу повернеться до початкового стану (рис. 2 а). Стійкі об'єкти часто називають об'єктами, що володіють властивостями самовирівнювання. Тільки для даних об'єктів мають значення статичні характеристики, тому вони ще називаються — статичні об'єкти.
Нестійкі об'єкти характеризуються тим, що після припинення дії зовнішнього впливу вихідна величина (Yвих) продовжує змінюватися (рис. 2 б). Ці об'єкти не володіють властивостями самовирівнювання і вельми складні для автоматичного регулювання.
У нейтральних об'єктах або об'єктах, які частково володіють властивістю самовирівнювання, вихідна величина після зняття збурення набуває нового сталого значення (рис. 2 в). Ці об'єкти частіше називають астатичними.
Графічна обробка кривих розгону статичних і астатичних об'єктів дозволяє знайти сталі часу та коефіцієнти в рівнянні передавальної функції.
Статичні і астатичні об'єкти мають принципово різні амплітудно-фазово-частотні характеристики (рис.). Годограф АФЧХ астатичного об'єкта з транспортним запізненням при w=0 рівний нескінченності, що негативно позначається на стійкості всієї системи регулювання, яка містить даний об'єкт.
За розподілом параметрів об'єктів у просторі
Характерною особливістю об'єктів регулювання є розподіл їх параметрів у просторі. Інколи він незначний, тоді можна припустити, що параметри об'єкта зосереджені в одній точці — це об'єкти із зосередженими параметрами. У протилежному випадку виділяють об'єкти із розподіленими параметрами. Для зосереджених об'єктів змінні, що описують поведінку об'єкта, змінюються тільки в часі. Для об'єкта з розподіленими параметрами — і у часі, і у просторі. Прикладом об'єктів з розподіленими параметрами може бути довга лінія електропередач, магістральні газо-, нафто- та продуктопроводи тощо.
3. Принцип роботи термометрів опору. Градуювання термометра.
Термо́метр опору — прилад для вимірювання температури, на основі чутливого елемента, електричний опір (первинного вимірювального перетворювача) якого залежить від температури. Як чутливий елемент використовуються терморезистори з металевого чи напівпровідникового матеріалу. В останньому випадку їх називають термісторами.
Принцип дії термометрів опору базується на властивості провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при зміні температури.
Залежність опору провідника від його температури у найпростішому випадку виражається лінійною залежністю:
{\displaystyle R_{T}=R_{0}(1+\alpha \cdot \Delta T)\,} де:
RT — електричний опір при температурі T [Ом];
R0 — електричний опір при початковій температурі T0 [Ом];
α — температурний коефіцієнт електричного опору [K−1];
ΔT — зміна температури, що становить T-T0 [K].
Матеріали, які використовуються для виготовлення термометрів опору, повинні мати максимальний і постійний температурний коефіцієнт електричного опору, лінійну залежність опору від температури, мати відтворюваність властивостей і інертність до впливів навколишнього середовища.
Для виготовлення сенсорів термометрів опору використовують мідь, нікель, платину, вольфрам, що мають позитивний температурний коефіцієнт.
Термометри опору відносяться до одних із найточніших перетворювачів температури. Похибка вимірювання температури за допомогою термометра опору може складати 0,001°С.
Для виготовлення напівпровідникових термоопорів (термісторів) застосовують окисли металів (Mn2O3, Cu2O3, Fe2O3 і ін.), що пресуються і спікаються при високій температурі. Вони мають малі розміри і великі значення температурного коефіцієнту опору.
Розрізняють два види терморезисторів:
термістори - мають негативний температурний коефіцієнт опору, тобто при зростанні температури, опір зменшується.
позистора - мають позитивний температурний коефіцієнт опору, тобто при збільшенні температури, опір також зростає.
Схеми підключення терморезисторів у термометрах опору
Двопровідна схема
Трипровідна схема
Чотирипровідна схема
Градуювання термометра
Експериментальний стенд градуювання електричного термометра опору складається з термометра опору, бачка з водою, у який поміщені термометри опору й контрольний ртутний термометр, зразкового лабораторного моста, нагрівальної печі і стандартних градуювальних таблиць для градуйованих термометрів опору.
Вимірювання температури термометрами опору засновано на властивості провідників змінювати електричний опір при зміні температури. При підвищенні температури електричний опір провідників збільшується, а при зниженні температури – зменшується. Кожному значенню температури відповідає певне значення опору провідника.
Термометр опору складається з тонкого мідного або платинового дроту, що намотаний біфілярно на порцеляновий або слюдяний каркас. Дріт з каркасом є чутливим елементом термометра. Для запобігання від пошкодження чутливого елементу, його встановлюють у захисний металевий чохол з головкою, на якій укріплена клемна панель. На зовнішній поверхні головки нанесено градуювання термометра або тип номінальної статичної характеристики (НСХ). У старій системі позначень використовувався номер градуювальної залежності. Наприклад, для платинових датчиків – ТСП гр. 21, ТСП гр. 22 а для мідних датчиків ТСМ гр. 23 і ТСМ гр. 24. У сучасних приладах позначення складається з назви моделі датчика і типу НСХ. Наприклад, ТСМ-1187 50М або ТСП-1187 50П. НСХ відображає матеріал чутливого елемента і його електричний опір при 0 °С (R0).
У промисловості застосовуються платинові, мідні й інші термометри опору. Платинові термометри застосовуються для вимірювання температури від − 260 °С до + 1100 °С і мають НСХ 10П, 50П, 100П і 500П. Мідні термометри опору застосовуються для вимірювання температури від − 200 °С до + 150 °С, мають НСХ 10М, 50М, 100М і 2000М.
Він являє собою ланцюг, що складається із чотирьох, послідовно з'єднаних опорів:
R1 і R2 – баластні опори;
Rр – опір реохорда;
Rтс - опір термоперетворювача.
Міст має 2 діагоналі: «АВ» – діагональ живлення і «СD» – вимірювальна, у яку включений нуль-гальванометр НГ.
Принципова схема вимірювального моста показана на рис. 1.1. Вимірювання опору електричного термометра опору зводиться до знаходження співвідношення опорів плечей моста, при якому струм у вимірювальній діагоналі дорівнює нулю. При цьому дотримується рівність
Знайдений опір термометра визначається по шкалі движка реохорда або по положенню декад магазину опорів. Декади – це десяткові розряди з набором опорів, що позначені на магазині опорів як множники. Наприклад, × 0,1, × 1, × 10 і т.п.
Список використаних джерел
Ельперін І.В. Автоматизація виробничих процесів:підручник/І.В.Ельперін,О.М.Пупена,В.М.Сідлецький,С.М.Швед.-Вид.2-ге,випралене.-К.:Вид.Ліра-К.2015.
Рішан, О.Й. Автоматизація виробничих процесів: курс лекцій для студ. за напрямом підготовки 6.051701 «Харчова технологія та інженерія» всіх форм навчання / О.Й. Рішан – К.: НУХТ, 2012.
Ладанюк, А.П. Автоматизація технологічних процесів і виробництв харчової промисловості: підруч. / А.П. Ладанюк, В.Г. Трегуб, І.В. Ельперін, В.Д. Цюцюра. – К.: Аграрна освіта, 2001.
Киричук, С.А. Автоматизація виробничих процесів: конспект лекцій з дисципліни «Автоматизація виробничих процесів» для студентів механічних та технологічних спеціальностей денної та заочної форм навчання. / С.А. Киричук [за редакцією А.П.Ладанюка] – К.: НУХТ, 2007.