Автоматические системы управления технологическим процессом

1. ЦЕЛЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Синтез (разработка) системы автоматического управления в общем случае включает в себя вопросы теории автоматического управления, такие как анализ передаточной функции объекта управления, выбор закона регулирования, выбор регулятора, определение оптимальных параметров настройки регулятора, определение качества регулирования.

Кроме этого разработчик САУ должен решать ряд технических вопросов, таких как выбор датчика, расчет или выбор задающего устройства, выбор конкретного типа регулятора, исполнительного механизма. Затем необходимо разработать схему соединений этих элементов с учетом совместимости их по входу-выходу, т.е. согласования для последовательно соединенных элементов диапазона изменения выходной величины предыдущего элемента с входной величиной последующего. Кроме этого необходимо разработать конструкцию каждого блока с учетом степени защищенности, безопасности, помехозащищенности.

В настоящей работе из всего комплекса выше перечисленных вопросов, которые большей частью выходят за рамки настоящей дисциплины, Вам предлагается осуществить расчет задающего устройства, сравнивающего элемента и первичного измерительного преобразователя САУ регулирования температуры. Эти функциональные блоки выделены пунктиром на функциональной схеме одноконтурной САУ, изображенной на рис.1. В дальнейшем этот условно выделенный блок будем называть нормирующим преобразователем.

На рис.1 обозначено:

ЗУ     -  задающее устройство;

СЭ    -  сравнивающий элемент;

Рег.    -  регулятор;

ИМ   -  исполнительный элемент;

ОУ    -  объект управления;

ПИП -  первичный измерительный преобразователь.

Рассчитать нормирующий преобразователь температуры в диапазоне (20...120) 0С, обеспечивающий погрешность преобразования Езад=2 0С. Преобразователь должен иметь стандартный выходной сигнал 0...5 В. Масштабирующий усилитель выполнен на ОУ, включенном по инвертирующей схеме. Длина соединительной линии 50 м. Задающее устройство должно иметь  пульсации на выходе 2% Uзад.  Uзад max = 3,3 В.

2 ЗАДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Задающим устройством обычно служит источник образцового напряжения (ИОН), стабилизированный с высокой степенью точности. В самом простом случае этот источник выполняется на стабилитронах по схеме, приведенной на рис.2.

U,Uзад     - постоянные составляющие напряжения на выходе первичного и вторичного источников;

U,Uзад - переменные составляющие напряжения (пульсации) на выходе первичного и  вторичного источников соответственно.

ИОН состоит из двух источников: первичного выпрямителя с емкостным фильтром и вторичного источника, выполненного на стабилитроне. Расчет ИОН заключается в выборе стабилитрона и расчете значений С и R1 для заданных значений Uзад, Uзад.

Методика расчета

Рассчитаем задающее устройство.

Поскольку нормируемое выходное напряжение ПИП 0…5 В, задающее устройство также должно обеспечивать напряжение 0…5 В.

По справочнику 5 выберем стабилитрон 2С133А с параметрами:

Пульсации на входе стабилизированного источника для заданных пульсаций

на выходе

Рассчитаем пульсации на входе задающего устройства.

В

где

Рассчитаем емкость сглаживающего конденсатора

Значение резистора R2 

Примем R2 =795 Ом.

3. СРАВНИВАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ

В качестве сравнивающего элемента (СЭ) обычно применяют операционный усилитель (ОУ), сигнал на вход которого подается с делителя напряжения, который служит общей нагрузкой нескольких источников сигнала. Однако такой СЭ оригинален (т.е. применим только для конкретного случая) и требует своей методики расчета. Потому в настоящее время широко применяются в качестве СЭ сумматоры на ОУ. Схема сумматора на два входа приведена на рис.3.

Для такого сумматора передаточная функция имеет вид:

Uвых  =  2U2  -  1 U1                                                       (3.1)

Причем напряжения U1  и U2 подставляются в формулу (3.1) с учетом знаков.

                                          (3.2)

Если принять RОС = RП = R3 = R4 , то (3.1) запишется

Uвых  = U2  -  U1                                                         (3.3)

Т.е. схема, приведенная на рис.3, позволяет произвести вычитание двух сигналов (представленных в виде напряжений) или, как принято говорить, произвести сравнение двух сигналов.

Методика расчета сумматора

Операционный усилитель для сравнивающего элемента выберем по [6]- 140УД17. Для этого ОУ есм  = 0,25 мВ,  ТКесм  = 0,25 мкВ/К. Частота единичного усиления 0,4 МГц. Поскольку коэффициенты передачи по входам сумматора равны единице, Rос = Rп = R3 

Rос = Rп = R3 = 3975 Ом.

4. ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ПИП) ТЕМПЕРАТУРЫ

В качестве ПИП температуры наиболее широкое применение нашли терморезисторы. Принцип работы терморезисторных ПИП основан на свойстве металлов и полупроводников при нагреве изменять свое удельное сопротивление.

Для достижения возможно малой погрешности, что является целью любых измерений, градуировочная характеристика терморезистора (т.е. зависимость его от температуры) должна быть возможно близка к линейной. Чувствительность терморезистора (под которой понимают изменение сопротивления при изменении температуры на 10С) должна быть как можно больше.

Кроме этого, свойства материала, из которого изготавливаются терморезисторы, должны точно воспроизводиться при массовом изготовлении терморезисторов и быть стабильными во времени. Изменение условий эксплуатации (давление, влажность, влияние агрессивных сред и т.п.) не должны оказывать воздействия на характеристики терморезистора.

Для количественной оценки изменения сопротивления металлов при нагреве используют температурный коэффициент сопротивления  20-120 , который равен среднему относительному изменению сопротивления на один градус в интервале температур 20...120 0С. Так относительное изменение сопротивления терморезистора в интервале от 0 0С до 120 0С можно записать

где:  R0  -  сопротивление при 0 0C;  Rt  -  сопротивление при температуре t;  t  -  температурный интервал от 0 0C до t.

Методика расчета ПИП

Поскольку максимальная температура 120 0С, следует выбрать никелевый терморезистор ТСП-410 01, его погрешность

Eнорм.т = 0,12 + 0,002t = 0,12 + 0,002  120 = 0,36 0C

- Определим параметры мостовой схемы.

Сопротивление соединительных проводов определяется следующим образом:

- для соединения терморезистора с преобразователем медным проводом сечением 1,5 мм2 

Здесь p = 1,8  10-2 Оммм2/м.

S  - сечение [мм2];     - удельное сопротивление меди; =1,8  10-2 Ом мм2/м;  l  - длина соединительных проводов [м].

Поскольку сопротивление провода меньше 10 Ом, в расчетах будем брать

rпр = 10 Ом с учетом того, что при изготовлении преобразователя сопротивление проводов будет доведено до 10 Ом с помощью подгоночных резисторов.

Ток в плечах моста определим из условия, чтобы погрешность мостового преобразователя не превысила нормируемую погрешность Eнорм .

Для Eнорм = 0,5 0C  необходимо Iн  10мА.

Следовательно, I  10мА.

Примем I=10мА.

Суммарная погрешность преобразователя равна:

Согласно (4.4) напряжение моста будет равно

U=I(Rt0+10+R6+R5 /2) = 10  10-3 (108,31+10+118,31) = 2,37 B

где R5  и R6  определяем из условия

Rt0 + rпр = R8 + rпр = R6 + R5 /2 = R7 + R5 /2.

Rt0 = 108,31 берем из градуировочной таблицы для t=20 0C.

Принимая R6=R5  получим R5=R6= 118,31  2/3 = 78,87 Ом,   R7 = 78,87 Ом,

R8 =108,31 Ом.

Расчет градуировочной характеристики.

Расчет сведем в таблицу

Здесь Uвых  рассчитывается по формуле:

              Для t0 = 20 0C

Коэффициент масштабирующего усилителя по (4.6). Если масштабирующий усилитель представляет собой операционный усилитель, инвертирующий коэффициент усилителя можно рассчитать из соотношения

Примем R=10 кОм, тогда

Rос= R  K = 10  103  29,586 = 295,86  103 Ом

5. ЛИТЕРАТУРА

1. Ф. Линевег. Измерение температур в технике. Справочник./ Пер. с нем., М.: Металлургия 1980. - 544с.

2. Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справ. пособие/А.С. Клюев и др. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 400с.

3. М.И. Квартин. Электромеханические и магнитные устройства автоматики. М.: Высшая школа, 1979. - 352с.

4. И.Ф. Бородин, Н.И. Кирилин. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов. М.: Колос, 1977. - 328с.

5. Диоды: Справочник /О.П. Григорьев и др. М.: Радио и связь, 1990. - 336с.

6. В.С. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 304с.