Лекции по «Системы управления химико-технологическими процессами»

 

Конструктивно эти приборы представляют собой сообщающих сосудов, в которой  давление одинаково распространяется во всех направлениях. Данные приборы не используются непосредственно для контроля давления, а применяются для проверки рабочих приборов.

 

2.6.3 Деформационные приборы.

 

Одновитковый пружинный  манометр.

Чувствительным элементом данного  прибора является полая одновитковая пружина плоскоовального или плоского сечения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 18

 

Один конец пружины жестко закреплен, а другой свободный конец через  передаточный механизм передается на стрелочный механизм. В зависимости от измеряемого давления свободный конец пружины будет перемещаться либо к центру кривизны, либо от него такая конструкция позволяет измерять как положительные, так и отрицательные избыточные давления. Разновидностью пружинных приборов является многовитковые (5…7 витков) пружинные манометры, которые при прочих равных условиях обладают повышенной прочностью.

 

Мембранные приборы.

 

 

        

 

Рисунок 19

 

Чувствительным элементом данного  прибора является мембрана (пластина, выполненная из упругих материалов). В большинстве случаев мембраны используются в составе мембранных коробок во внутреннюю полость которых подается избыточное давление. Если мембранная коробка герметично запаяна и имеет внутренние давление 0,01 мм. рт. ст., то данная коробка называется анероидной коробкой и является элементом барометра.

Замечание:  Деформация упругого элемента передается на преобразователь, позволяющий получить на выходе электрический сигнал.

Сильфонные приборы.

Сильфон представляет собой гофрированную  трубку, выполненную из упругого материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 20

 

Сильфон под воздействием измеряемого давления измеряет свои линейные размеры. Плоское днище сильфона через передаточный механизм перемещает стрелочный указатель или же действует на электрический преобразователь.

 

2.6.4 Основные сведения о выборе, установки и защите от агрессивных сред, приборов для измерения давления.

 

1. Измеряемое давление не должно превышать 3/4 шкалы прибора (для обеспечения долговечности прибора, точности измерений);
2. Перед прибором давления необходима установка трехходового крана: кран обеспечивает следующие функции:

- плавное включение прибора в работу

- поверка рабочего прибора с  помощью образцового

- продувка импульсной линии  сжатым воздухом.

3    Если измеряемая среда – жидкость, то место отбора измеряемого давления выбирается ниже продольной оси трубопровода, если газ или пар, то выше продольной линии. Импульсная линия соединяет прибор давления с местом отбора, должна выполняться с уклоном не менее 1:50. Уклон в сторону прибора – измеряемая среда жидкость. Уклон в сторону отбора – газ или пар.

4  Для защиты приборов давлений от высоких температур применяются U-образные или кольцевые сильфонные трубки.

5  Для защиты приборов давления от агрессивных сред применяются разделительные сосуды и предохранительные мембраны.

      

 

 

Рисунок 21

 

 

 

 

7. Измерение уровня.

 

Уровнем называется высота столба жидкости в технологическом аппарате.

 

1.  Поплавковые измерители уровня.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 22

 

В общем случае выталкивающая сила:

Переходя к  частным случаям, когда  =0 и сечение поплавка постоянно по высоте, то получим:

 

В зависимости  от способов создания уравновешивающей силы, различают следующие виды поплавковых систем:

1) F=G    

 

- глубина погружения.

F=G, x=const – поплавок постоянного погружения.

2. F=L,

,

,

 

- поплавок переменного погружения, буйковый. 13УБ08- уровнемер буйковый.

 

 

2. Гидростатические уровнемеры.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 23

Принцип действия основан на уравновешивании  давления, подаваемого в барботажную  трубку давлением в аппарате. Принято  считать, что уравновешивание произошло, если частота барботажа не превышает 1 пузырька в секунду.

 

2.7.3 Электрические уровнемеры.

 

Подразделяются на две основные группы:

- емкостные;

- омические.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 24

 

Рассмотрим  емкостной измеритель уровня: электрическая  емкость чувствительного элемента определяется по формуле: ,

Где S- площадь, - диэлектрическая проницаемость среды, - диэлектрическая проницаемость вакуума, - расстояние между пластинами.

- Система позволяет во всем  диапазоне изменения уровня контролировать  его величину;

- Система позволяет осуществлять  либо сигнализацию, либо регулирование  по величине верхнего уровня.

 

 

3 Основы теории автоматического управления

 

3.1 Общая структурная схема систем автоматического управления.

 

Автоматическое управление - совокупность автоматических воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 25

 

Объект управления - это  динамическая система, изменяющая свои параметры под влиянием внутренних и внешних возмущающих воздействий. Система управления - это совокупность автоматических устройств связанных общей задачей управления. Внешнее возмущающее воздействие поступает на объект управления из вне и с помощью системы управления могут ликвидироваться, регулироваться и стабилизироваться. Внутреннее возмущающее воздействие возникает внутри объекта управления и не зависит от системы управления.

f₁, f₂… f_n- внешнее возмущающее воздействие; q₁, q₂… q_n- внутреннее возмущающее воздействие; x….- входные величины объекта управления; y….- выходные величины объекта управления; z….- заданное значение выходных величин;  ε….- управляющее или регулирующее воздействие. 

I- система автоматического контроля (САК), II- система автоматического регулирования (САР).

 

3.2 Классификация систем автоматического управления.

 

По принципу действия системы  управления подразделяются на замкнутые, разомкнутые и комбинированные.

1) Замкнутые. В данных  СУ в обязательном порядке  контролируются выходные величины, но при этом не учитываются внешние возмущающие воздействия.

Ранее данные СУ классифицировались как системы по отклонению, т.к. в  обязательном порядке контролировалось отклонение выходной величины.

 

 

 

 

 

Рисунок 26

 

 

2) Разомкнутые. В этих СУ совершенно  не контролируются выходные величины, а внешние возмущающие воздействия ликвидируются, регулируются или стабилизируются до поступления на объект управления.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 27

 

Ранее данные системы классифицировались как системы по возмущению, т.к. система  управления осуществляла регулирующее воздействие по значениям внешних возмущающих воздействий.

3) Комбинированные. Они объединяют  в себе достоинства замкнутых  и разомкнутых систем.

 

3.3 Состав структурных схем автоматического управления.

 

Основными элементами структурных  схем являются узлы суммирования, узлы разветвления и динамические звенья.

1) Узел суммирования:                      2) Узел разветвления:                       3) Динамическое звено:

 

 

 

 

 

 

Рисунок 28

 

В узле разветвления входная величина без изменения разветвляется  по нескольким направлениям.

Динамическое звено- это устройство, в котором происходит количественное и качественное изменение входной величины. W(p)- передаточная функция звена (или всей системы в целом)- отношение лапласовых изображений выходной или входной величины. Прямым преобразованием Лапласа функции действительной переменной f(t) называется функция комплексного переменного F(p) которая записывается выражением:

  ,

где L- символ преобразования Лапласа;

f(t)- оригинал;

F(t)- изображение;

.

Для практических расчетов данная формула  используется в следующем виде:

y(p)=x(p)W(p).

 

3.4 Определение передаточной функции СУ при различных соединениях динамических звеньев.

 

Последовательное - соединение, при котором входной величиной каждого последующего звена является выходная величина каждого предыдущего звена.

 

 

 

Рисунок 29

y₁(p)=x(p)W₁(p);  y₂(p)=x(p) W₁(p)W₂(p);  y₃(p)=x(p) W₁(p)W₂(p) W₃(p);  W_C(p)=    

Параллельное – соединение, при котором на входе находится узел разветвления, а на выходе узел суммирования.

 

Рисунок 30

 

 y₁(p)=x(p)W₁(p);  y₂(p)=x(p)W₂(p); y_n(p)=x(p)W_n(p);   W_C(p)=  

 

3.5 Соединения с замкнутой обратной связью

 

Соединение при котором входной  величиной всей системы является входная величина 1-го звена, а выходной величиной всей системы является выходная величина k-го звена называется соединением с замкнутой обратной связью.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 31

Звенья c 1  по  k  - линия прямого преобразования, звенья с k+1  по  n  -  линия обратного преобразования.

Если выходная величина n-го звена имеет знак «+», то обратная связь называется жёсткой положительной, если знак «-», то жёсткой отрицательной. Если выходная величина может принимать как «+» так и «-» значения, то обратная связь называется гибкой.

Обозначим через  - передаточную функцию линии прямого  преобразования                           - передаточную функцию линии обратного преобразования, тогда передаточная функция всей системы определяется выражением:

 

 

В данной формуле в знаменателе  знак «+» используется для отрицательной обратной связи и «-» для положительной.

 

3.6 Устойчивость систем автоматического управления

 

Под устойчивостью систем управления понимают их способность возвращаться в равновесное состояние после снятия возмущающего воздействия.

Система называется устойчивой, если составляющая переходного процесса с течением времени стремиться к 0.

Устойчивость систем управления характеризует  их работоспособность. Принято считать, что работоспособными являются устойчивые системы управления.

 

3.7 Основные виды переходных процессов в системах автоматического управления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 32

 

1(t) – единичное ступенчатое воздействие, которое подаётся на вход системы управления.

1 Сходящийся апериодический процесс  соответствующий устойчивой системе управления.

2 Расходящийся апериодический  процесс, соответствующий неустойчивой  системе управления.

3 Сходящийся периодический процесс,  соответствующий устойчивой системе управления.

4 Сходящийся периодический процесс,  соответствующий неустойчивой системе управления.

Т.о. на графиках 1 и 3 значение функции  от времени  стремиться к 0, поэтому  такие системы будут являться устойчивыми и работоспособными.