Автоматизация процесса регулирования уровня воды в барабане котла Ла-Монт на ТЭС ОАО "Тулунский гидролизный завод"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КОТЛОАГРЕГАТА ЛА - МОНТ

1.1 Конструкция и работа котла

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

3.1 Аппроксимация переходной характеристики объекта апериодическим звеном I порядка

3.2 Аппроксимация переходной характеристики объекта передаточной функцией, апериодического звена 2 порядка

3.3 Аппроксимация переходной характеристики методом логарифмирования.

3.4 Метод расширенных АФЧХ

3.5 Линия интегрального качества

3.6 Прямые оценки качества переходного процесса

4. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Процесс регулирования основных участков

4.2 Базовые приборы для регулирования параметров

5. ВЫБОР РЕГУЛИРУЮЩЕГО ПРИБОРА

5.1 Описание и работа контроллера

5.2 Выбор модулей

5.3 Выбор датчиков

5.4 Выбор исполнительного механизма

6. ВЫБРАННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И ИХ РОЛЬ В СТРУКТУРЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

6.1 Система контроля и регулирования

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

7.1 Расчет затрат внедрения оборудования

7.2 Расчет фонда заработной платы персонала задействованного в ремонте и обслуживании оборудования

7.3 Расчет экономической эффективности внедряемого проекта

8. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

9. ЭКОЛОГИЯ

9.1 Природно-климатическая характеристика района предприятия

9.2 Общие сведения о предприятии

9.3 Характеристика сточных вод

9.4 Технология очистки сточных вод

9.5 Перечень природоохранных мероприятий

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России возникла ситуация, когда тепловые станции испытывают острую необходимость в модернизации технологического оборудования и особенно средств технологического контроля и управления. Оборудование большинства энергопредприятий эксплуатируется 15-20 и более лет, его физический ресурс исчерпан, оно морально устарело.

Наилучшим решением в этой ситуации является внедрение современного технологического оборудования, позволяющего максимально использовать возможности систем управления и тем самым добиться качественно нового уровня технологии.

Автоматизация производственных процессов, инженерного проектирования и многих функций управляющего персонала является одной из главных основ технического прогресса в отраслях промышленности. Именно автоматизация наряду с новыми технологиями способно многократно повысить производительность и качество на предприятиях, а также на всех этапах подготовки производства и в планово-экономических мероприятиях.

Комплексная автоматизация производства с применением робототехнических систем, с широким использованием вычислительной техники существенно облегчает человеческий труд. Благодаря автоматизации ликвидируется необходимость выполнения человеком однообразных, утомительных операций. Труд становится более интеллектуальным и интересным. В автоматизированном процессе производства роль человека сводится к наладке, регулировке, обслуживании средств автоматизации и наблюдению за их действием.

Большое значение имеет также автоматизация с использованием роботов в аварийных ситуациях, при работе в экстремальной обстановке, где затруднено или опасно пребывание человека.

По уровню автоматизации теплоэнергетика занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности.

Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов. При этом выработка тепловой и электрической энергии в любой момент времени должна соответствовать потреблению (нагрузке). Почти все операции на теплоэнергетических установках механизированы, а переходные процессы в них развиваются сравнительно быстро. Этим объясняется высокое развитие автоматизации в тепловой энергетике.

Теплоэнергетика, отличающаяся широкой механизацией технологических процессов, высокими параметрами рабочей среды, требованиями к точности их регулирования, а также наличием собственного источника энергии,

является той областью науки и техники, где постоянно находят приложения методы теории и новые технические средства автоматического управления.

Темой дипломного проекта является автоматизация процесса регулирования уровня воды в барабане котла Ла-Монт на ТЭС ОАО « Тулунский гидролизный завод ».

Задача модернизации теплоиспользующего оборудования на промышленных предприятиях и в энергетической отрасли приобретает все более актуальный характер. Во-первых, это связано с тем, что значительная часть оборудования не только морально и физически устарела, но и может являться потенциальным источником опасности даже при минимальных отклонениях рабочих параметров от штатных показаний. Во-вторых, прямые (тепловые) и косвенные потери (частый ремонт, замена дорогостоящих узлов) в процессе эксплуатации изношенного оборудования становятся весомыми при оценке себестоимости выпускаемой продукции и снижают рентабельность всего предприятия. Немаловажным фактором, влияющим на эффективность функционирования технологического оборудования, является состояние и надежность его контрольно-измерительных и управляющих средств. Модернизация устаревших контрольно-измерительных средств на основе использования устройств микропроцессорной техники позволяет оптимизировать работу старого оборудования в режиме оперативного управления и обеспечить более эффективное и безопасное функционирование основного технологического оборудования.

По сравнительным оценкам такой подход экономически оправдан и по объему затрат на внедрение, и по показателям эффективности (экономии энергоресурсов, снижению аварийности, более рациональному использованию оборудования). Кроме того, появляются возможности реализовать широкий круг экологических мероприятий и повысить общую культуру производства.

1.ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КОТЛОАГРЕГАТА Ла-Монт

В отопительных и отопительно-производственных котельных применяются паровые котельные агрегаты. Котельная установка является сложным комплексом машин и механизмов, работающих в одном технологическом потоке. В объеме котельной установки, кроме основного производства, могут входить несколько цехов: подготовки воды, подготовки и транспортировки топлива, теплоснабжения потребителя сетевой водой для отопления и водой для горячего водоснабжения.

Основным энергоемким агрегатом, от которого зависит экономичная работа тепловой станции, остается котельный агрегат. Поэтому особое значение придается системе регулирования теплового процесса котельного агрегата. Паровой котел - герметически закрытый сосуд, служащий для выработки пара с давлением выше атмосферного.

1.1 Конструкция и работа котла

Основным топливом для ТЭС является Азейский и Тулунский бурый уголь БР-3,доставляемый по местной железной дороге в полувагонах с общим весом маршрута 400 тонн нетто. Низшая, рабочая теплотворная способность угля 4240 ккал/к .Для транспортировки угля со склада в бункера котлов служат ленточные транспортеры 1-го и 2-го подъема из бункерной галереи. На станции установлены два конвейера - рабочий и резервный. Для

подачи угля со склада в приемные бункера углеподачи служат две скреперные лебедки 2м3 производительностью 70т/час. Между транспортерами 1-го и 2-го подъема установлена дробилка ,которая дробит крупные куски угля до размера 30-40 мм .

Для подачи угля с приемного бункера углеподачи на ленточные транспортеры 1-го подъема ,служат лотковые питатели .Для учета топлива поступающего со склада в бункера котельной, служат ленточные весы установленные на транспортере 2-го подъема .Механизм весов при работе производит непрерывное умножение длины ленты проходящей через весы на вес перемещаемого топлива. ТЭС оборудована бес кровельными цепными решетками с подачей угля на них питателем. Решетка представляет собой транспортер особой конструкции, наружная часть которого оборудована рядами колосников, которые могут сниматься и устанавливаться на ходовую часть. Воздух необходимый для горения топлива подводится с 2-х сторон. Для обеспечения нормального горения топлива в топке котла, нужно чтобы в топку постоянно поступал воздух, а продукты сгорания (дымовые газы) удалялись из котла. Непрерывное удаление дымовых газов происходит за счет тяги. Создается разряжение благодаря которому дымовые газы поступают в газоходы котла, затем через золоудалитель газы поступают на лопатки рабочего колеса дымососа, которыми нагнетаются в общий для всех котлов боров, из борова через дымовую трубу газы выбрасываются в атмосферу . Подача воздуха в топку осуществляется вентилятором, забор воздуха производится из помещения котельной, при необходимости можно брать с улицы. Воздух под слой топлива подается позонно.

ХВО - источником сырой воды завода является река Ия. С реки вода насосами 1-го подъема подается на насос 2-го подъема. Насосы 2-го подъема подают воду в общий коллектор, оттуда вода поступает во все цеха и пожарное кольцо. Вода с реки имеет примеси. Примеси бывают механические и химические.

Механические (примеси воды) - песок, глина, куски дерева, водоросли.

Химические (растворенные в воде вещества) - известь, марганец, железо.

Осветление + Умягчение + Деаэрация

Для подготовки воды идущей на питание котлов служит следующая схема: Для осветления воды служат механические фильтры, их установлено четыре.

Это цилиндрические сосуды с выпуклыми днищами закрученные антрацитовой крошкой, - которая служит в качестве фильтрующего материала. Осветленная вода собирается в сборные. При загрязнении фильтр отключается от работы и промывается, путем обратного потока воды с промывочных баков.

Для умягчения воды служат катионовые фильтры. Умягчение производится с целью удаления из воды солей, жесткости - вызывающих образование накипи в паровом котле. В ХВО установлено три фильтра первой ступени и два второй ступени ( производительность первой ступени 60 м3/1 фильтр; вторая ступень - 80-90 м3 ). К солям жесткости относятся соли кальция и магния.

Умягчение воды способом катионового обмена, основано на свойстве сульфоугля, обменивать свои катионы натрия на катионы кальция и магния находящиеся в воде. Процесс катионового обмена сводится к простой фильтрации воды через слой сульфоугля, которым загружается катионовый фильтр ( высота сульфоугля 2,5 м ). Вода, проходя слои угля, отдает свои катионы кальция и магния, а взамен принимает катион натрия, образующиеся в процессе обмена натриевые соли легко растворимы и накипи не образуют.

При утрате обменной способности сульфоугля, фильтр отключается на регенерацию. Регенерация производится путем пропускания через сульфоуголь раствора поваренной соли, раствор подается из бака насосом в фильтр.

Назначение деаэрации - удаление из воды агрессивных газов кислорода и свободной угольной кислоты. Углекислота препятствует образованию защитной пленки, а соединение кислорода с металлами дает

окись (ржавчину). Деаэрация осуществляется термическим путем.

Химически очищенная вода поступает в деаэратор, где нагревается до температуры кипения при давлении выше атмосферного. При кипении происходит выделение пузырьков газа из воды, которые вместе с небольшим количеством тепла отводятся в теплообменник. В деаэраторе должно поддерживаться давление равное 0,2 атм. И температура = 102-104 0 С.

Аккумуляторный бак служит для сбора и запаса деаэрированной воды.

Парообразование происходит за счет сгорания топлива и отдачи тепла циркулирующей внутри котла воде. Поверхность, которая с одной стороны омывается дымовыми газами, а с другой котловой водой, называется поверхностью нагрева парового котла. Движение воды внутри котла по соответствующему контуру, называется циркуляцией. Циркуляция происходит по схеме: вода из барабана под напором 10 мм. вод. ст. поступает на всас циркуляционного насоса, насос создает избыточное давление 3,1 с кг. /см 2 под которым вода поступает в распределительную камеру. Из распределительной камеры вода распределяется по всему котлу по коллекторам:

1.левый боковой коллектор;

2.правый боковой коллектор;

3.коллектор заднего экрана;

4.нижний коллектор.

Коллекторы экранируют стенки топки, благодаря чему являются экраном, защищающим стенки от перегрева. В коллектор вварены трубки d = 32 мм, которые, обтекая стенки топки котла ввальцовываются в барабан.

Вода поступает в коллекторы и распределяется по всем трубкам, и проходит по ним, частично испаряясь, остальная вода поступает в барабан в виде пароводяной смеси. Барабан котла представляет собой цилиндр с выпуклыми днищами. В барабане происходит разделение пароводяной смеси.

Для лучшего отделения пара от воды, в барабане установлено дополнительное устройство. Паросепаратор - это устройство работает на принципе изменения направления пароводяной смеси и многократного удара этого потока о стенки, в результате чего вода, имеющая большой удельный вес стекает по стенке вниз, а пар поступает в верхнюю часть барабана и отводится в пароперегреватель. Вода идет на дальнейшую циркуляцию, пар же в главный паропровод, затем через редукционно-охладительную установку (РОУ). РОУ регулирует и снижает температуру пара, также устанавливает требуемое потребителями давление. Далее пар поступает в коллектор и распределяется по низкой и высокой стороне.

Низкая сторона - на аппаратную с температурой = 250 0С и давлением = 4,5 атмосфер.

Высокая сторона - на варочную с температурой = 250-270 0С и давлением = 13 атмосфер.

Другая часть пара идет на отопление и на нужды завода.

В барабане должен поддерживаться определенный уровень воды, контроль за которым ведется через водоуказательную колонку и уровнемеры. Уровень воды в барабане котла должен поддерживаться на уровне 316 мм. Если уровень воды понижается (плюс, минус 50мм.), открывается клапан и происходит добавление воды до нужного уровня. На уровень в барабане котла влияет целый ряд факторов: тепловая нагрузка топки, давление пара в барабане котла, расход пара из барабана котла и подача питательной воды в барабан.

В установившемся состоянии теплового режима количество тепла, воспринимаемое экранными трубами, во времени постоянно и количество образовавшегося пара в котле соответствует количеству пара, отбираемому потребителем. При этом количество пузырьков пара в экранных трубках постоянно и постоянна плотность и объем пароводяной эмульсии.

Любое нарушение установившегося состояния теплового режима приводит к изменению соотношения между средним содержанием пара и воды в экранных трубах.

При увеличении тепловой нагрузки топки количество тепла, передаваемое поверхностям нагрева, увеличивается, следовательно, увеличивается интенсивность парообразования. Увеличение количества пузырьков пара в пароводяной эмульсии приводит к увеличению ее объема, что сказывается на уровне в барабане котла - уровень увеличивается. Увеличение давления в барабане котлоагрегата приведет к уменьшению содержания пара в пароводяной эмульсии, так как при повышенном давлении часть пузырьков пара в сконцентрируется и превратится в воду. Поэтому при повышении давления уровень будет понижаться.

Рассмотрим процесс изменения уровня при возмущении теплового процесса в случае увеличения нагрузки на котел.

Увеличение потребления пара потребителями при неизменной подаче топлива приведет к уменьшению давления в барабане котла, что вызовет увеличение объема пароводяной эмульсии, так называемое «набухание». В результате эффекта «набухания» уровень в барабане котла довольно значительно возрастет. Величина изменения уровня зависит от теплонапряженности поверхностей нагрева и количества воды, содержащейся в котле.

В котлах с большим водяным объемом, не имеющих экранных поверхностей, изменение уровня при изменении нагрузки почти не ощущается. В котлах с одним барабаном «набухание» уровня может достигнуть величины порядка сотен миллиметров.

Увеличение уровня в барабане котла воспринимается регулятором как сигнал к снижению подачи питательной воды. Уменьшение количества питательной воды, подаваемой в барабан котла, приведет к увеличению температуры воды, а следовательно, к еще большему «набуханию». Однако с увеличением нагрузки котла количество воды, уходящей в виде пара, увеличивается, что, в конце концов, приведет к устойчивому снижению уровня в барабане.

Таким образом, увеличение нагрузки сначала приведет к резкому увеличению уровня в результате «набухания», а затем к снижению его в результате повышенного расхода воды.

Для того чтобы регулятор реагировал на причины, вызывающие изменение уровня, он должен воспринимать сигналы не только уровня в барабане котла, но и расхода пара, а часто и расхода питательной воды, подаваемой в котел. Причем сигнал расхода пара подают в регулятор со знаком, обратным сигналу уровня.

В результате явления «набухания» уровень в барабане котла изменяется на столько быстро, что регулятор не может повлиять на величину этого отклонения. Даже полное закрытие клапана питательной воды в момент увеличения нагрузки почти не уменьшает отклонение уровня в процессе «набухания». Но если позволить регулятору полностью закрыть питательный клапан, то возникает опасность упуска уровня в последующий период, когда уровень начнет устойчиво снижаться за счет несоответствия подачи воды в барабан и расхода пара.

Поэтому при введении в регулятор сигнала по расходу пара процесс регулирования будет выглядеть следующим образом: в первый период после увеличения нагрузки регулятор, приняв сигнал увеличенного расхода пара, выдаст команду на питательный клапан и он начнет открываться; в следующий период начнется «набухание», этот сигнал заставит регулятор прекратить команду на открытие питательного клапана.

Если после этого уровень в барабане не установится, а будет изменяться, то этот сигнал изменения уровня, не скомпенсированный сигналом расхода, снова приведет к перемещению питательного клапана до восстановления уровня.

Если питательный насос подает на параллельно работающие котлы, то при отключении одного из них давление, создаваемое питательным насосом, увеличится (вследствие уменьшения нагрузки насоса). Увеличение давления приведет к повышенному количеству воды, подаваемой в оставшиеся в работе котлы, вследствие чего уровень в них повысится. Для предупреждения подобного явления в регулятор заводят еще один сигнал - по расходу питательной воды.

Сигнал о уровне воды в барабане идет на регулятор через импульсные линии, от регулятора сигнал поступает на исполнительный механизм МЭО - механизм электрический однооборотный, работает в системах бесконтактного управления при помощи магнитных усилителей, а также допускается работа и в системах контактного управления при помощи магнитных пускателей. Механизм оснащен двухфазными конденсаторными электродвигателями, которые благодаря малоинерционному ротору обеспечивают хорошие динамические качества и допускают длительную работу в стопорном режиме при полном напряжении питания. Угол поворота выходного вала ограничивается с помощью механических упоров. В качестве

электрических ограничителей применены микро выключатели; потенциометрические датчики обратной связи и датчик указателя положения

имеют сопротивление по 160 Ом. МЭО двигает клапан, благодаря чему поддерживается нужный уровень воды в барабане котла.

Пространство в паровом котле заполненное водой называется водяным объемом парового котла, а пространство, заполненное паром, называется паровым объемом котла. Площадь, разделяющая паровой и водяные объемы - условно называется зеркалом испарения.

Добавка воды взамен испарившейся, производится путем ввода двух линий входящих в барабан после экономайзера.

Для распределения этой воды по всей длине барабана установлено питательное корыто.

Из барабана котла насыщенный пар поступает в одну из половин верхнего коллектора пароперегревателя, в камеру насыщенного пара.

Пароперегревателем называется устройство, служащее для перегрева пара. Состоит из 75 змеевиков, из труб d = 32 мм.

Из камеры, насыщенный пар с температурой = 245 0С по змеевикам проходит в промежуточный нижний коллектор, где изменяет направление своего движения и возвращается по второй части змеевика в верхний коллектор, в камеру перегретого пара. Для регулирования температуры перегретого пара, в камере насыщенного и перегретого пара имеется поверхность пароохладителя в виде двух петель, по которым пропускают питательную воду как охлаждающую среду.

Водяной экономайзер является дополнительной поверхностью нагрева котла, где происходит предварительный подогрев питательной воды перед вступлением ее в барабан котла. За счет тепла уходящих дымовых газов, температура воды до экономайзера = 104 0С, после 170 0 С. Вода в экономайзере движется снизу вверх, а дымовые газы сверху вниз. Такая схема называется - с противотоком. Температура кипения при 36 0 С в котле = 245 0 С, в экономайзере вода нагревается до 170 0 С, т.е. в экономайзере не происходит кипения, поэтому он называется не кипящего типа.

Существует система автоматического регулирования. Регулирование процесса горения осуществляется тремя регуляторами - тепловой нагрузки, воздуха и разряжения. Регулятор тепловой нагрузки, получая импульс от главного корректирующего регулятора и импульс по тепловосприятию в топке, который состоит из импульса по расходу пара из котла и по скорости изменения давления в барабане, воздействует на регулятор воздуха.

Регулятор воздуха, получая импульс от регулятора тепловой нагрузке и по расходу воздуха через воздухоподогреватель, воздействует на исполнительный механизм, управляющий направляющим аппаратом дутьевого вентилятора.

Существует система разряжения в котле: разряжение топке, разряжение перед экономайзером, разряжение после пароперегревателя, разряжение циклон. Разряжение в топке - 4 мм. вод. ст. Регулятор разряжения получает импульс по разряжению в топке и дополнительную упреждающую связь от регулятора воздуха, обеспечивающую изменение режима работы дутьевого вентилятора.

Регулирование уровня, осуществляется электронным регулятором, который получает импульсы по расходу пара из котла, расходу воды поступающей в котел и по уровню воды в барабане котла. Регулятор воздействует на исполнительный механизм (МЭО), который управляет расходным клапаном подачи питательной воды в котел.

При сжигании топлива в топке, зола сбрасывается в бункер. Из бункеров шлак по каналам Р.З.У. поступает на земельный насос. Этим насосом по трубам d = 219 мм. шлаководяная смесь поступает на золоотвал, но часть золы 30 % (летучая зола) вместе с дымовыми газами проходит по

газоходам котла, поступает на дымосос и выбрасывается в атмосферу, загрязняя окружающую среду. Кроме того, при соприкосновении золы с металлом котла, происходит изнашивание дымососа. Для улавливания золы служат золоуловители. Также установлены батарейные циклоны, состоящие из мультициклонов. Мультициклоны представляют собой трубу, по поверхности этой трубы проходит спиральное ребро. Газы из газохода входят в золоуловитель перпендикулярно - по мультициклонам, затем они сверху по спирали вокруг трубы проходят вниз и здесь разворачиваются на угол 180 0, и по внутренним полосам снизу обратно возвращаются в дымовую камеру золоуловителя и на дымосос.

В момент разворачивания газов на угол в 180 0, частицы золы по инерции движутся вниз, где оседают в бункере золоуловителя, оттуда по рукаву через мигалки осыпается в нижний бункер, затем на золоотвал. Мигалки нужны, чтобы не было присосов воздуха, что снижает КПД золоуловителя (КПД = 70 - 80 %).

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Технические средства автоматики, включающие различные автоматические устройства, служат для получения, передачи, преобразования и хранения контрольной информации, формирования и передачи командной информации и использования ее для воздействия на управляемый процесс.

Для успешного решения поставленной задачи - поддержания температуры перегретого пара на заданном уровне на котлоагрегате необходимо выбрать отдельные составляющие системы, на основе анализа и сопоставления как можно более широкого спектра существующих и доступных аналогов.

Для реализации системы, необходимо следующие составляющие элементы:

- регулятор (микропроцессорный контроллер ТКМ52);

- первичные измерительные преобразователи (датчик давления, датчик расхода питательной воды, датчик уровня);

3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

3.1 Аппроксимация переходной характеристики объекта апериодическим звеном I порядка

Аппроксимация переходной характеристики объекта - это определение передаточной функции (математической модели объекта) по кривой разгона.

Рис. Экспериментальная переходная характеристика объекта.

Составляем передаточную функцию объекта.

Аппроксимация переходной характеристики объекта, апериодическим звеном 1 порядка с запаздывающим аргументом.

W(p) = K*e-/T*p + 1

а) определяем участок полного запаздывания, для этого проводим касательную в точке перегиба переходной характеристики объекта до пересечения ее с осью абсцисс.

= +

= 10,86 мин.; = 0,1 мин.; = 10,76 мин.

б) определяем постоянную времени Т.

отлаживаем по оси ординат значение: 0,63*h(t) = 0,63*316 = 199,08

и находим время t*.

t*= 40,1, отсюда T1 = 40,1 - 10,86 = 29,24 мин..

T2 находим из кривой разгона объекта: T2 = 44,89.

в) определяем коэффициент усиления объекта:

Kоб.= = = 316

г) определяем ошибку аппроксимации:

при Т1:



Совмещенные расчетная и экспериментальная переходные характеристики

t	0	10	20	30	40	50	60	70	80
h(t)э.	0	7,4	43,8	117,8	193,2	231,5	260	279,5	289
h(t)р.	0	90	159,3	205	236,5	260,6	277,5	289,6	297,3
	0	26,1	36,5	27,6	13,7	9,2	5,5	3,2	2,6

t	90	100	120
h(t)э.	301,4	304,4	316
h(t)р.	304	308,4	313,2
	0,8	1,3	0,9

при T2:



Совмещенные расчетная и экспериментальная переходные характеристики

t	0	10	20	30	40	50	60	70	80
h(t)э.	0	7,4	43,8	117,8	193,2	231,5	260	279,5	289
h(t)р.	0	63	114	154,4	185	213,4	233,4	250,6	264
	0	17,6	22,2	11,6	2,6	5,7	8,4	9,1	8

t	90	100	120
h(t)э.	301,4	304,4	316
h(t)р.	274,4	284	295,1
	8,5	6,5	6,6

При T1 : W(p)об. = ;

При T2 : W(p)об. = ;

Вывод: данный метод аппроксимации не позволяет определить передаточную функцию объекта с точностью до 5%.

3.2 Аппроксимация переходной характеристики объекта передаточной функцией, апериодического звена 2 порядка вида

;

Методом Ольденбурга - Сарториуса.

Экспериментальная переходная характеристика задана в виде таблицы и графика:

	0	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55
	0	7,4	21,6	43,8	87,7	117,8	163,8	193,2	219,2	231,5	246,6
	0	0,02	0,07	0,14	0,28	0,373	0,518	0,611	0,678	0,733	0,78
h`(t)	7,4	14,2	22,2	43,9	30,1	46	29,4	21	17,3	15,1	13,4

	60	65	70	75	80	85	90	95	100	110
	260	266.8	279,5	281,9	289	296.7	301,4	302,5	304,4	313,7
	0.82	0.84	0.856	0.892	0.914	0.938	0.954	0.957	0.96	0,993
h`(t)	6,8	12,7	2,4	7.1	7.7	4,7	1.1	1.9	9,3	2,3

	120
	316
	1
h`(t)

1) этот метод требует нормирования экспериментальной переходной характеристики, для этого значение всех ее ординат нужно разделить на hуст.(), это будет

2) на графике переходного процесса определяем точку перегиба, для этого находим: h`(t) = hi+1(t) + hi(t), выбираем max h`(t) - это точка перегиба (tp).

t(p) = (30,117,8); t(p) = (30,0,373)

отмечаем эту точку на характеристике.

3) к точке перегиба проводим касательную, и находим значение отрезков a и b.

a = 24,59 ; b = 39,84;

4)определяем отношение m = a/b m = 24,59/39,84 = 0,6;

5) отлаживаем величину m по обеим осям номограммы и находим точки А и В:

А = 0,192; В = 0,43.

6) определяем постоянные времени:

Т1 = B*b = 0,43*39,84= 17,13 мин;

Т2 = A*a = 0,192*24,59 = 4,72 мин.

7) коэффициент усиления объекта равен:

;

8) определяем расчетную точку перегиба:

мин;

9) находим время запаздывания:

мин.

10) строим расчетную переходную характеристику с помощью программы ASOTAR и определяем ошибку аппроксимации:



Совмещенные расчетная и экспериментальная переходные характеристики.

t	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	120
h(t)э	0	0.02	0.14	0.373	0.611	0.733	0.82	0.856	0.91	0.95	0.96	1
h(t)р	0	0	0	0.21	0.49	0.72	0.83	0.89	0.94	0.96	0.98	1
	0	2	14	16.3	12.1	1.3	1	3.4	3	1	2	0

Вывод: этот метод аппроксимации не позволяет определить передаточную функцию объекта с точностью до 5%.

3.3 Аппроксимация переходной характеристики методом логарифмирования

Кривая разгона получена экспериментально при х(t)=1.

Производим разбиение кривой прямыми параллельными оси ординат на участки Дhi, так чтобы i+1 ордината была на 5-15% больше i.

t	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55
h(t)	0	3.03	7.4	21.6	43.8	87.7	117.8	163.8	193.2	214.2	231.5	246.6

t	60	65	70	75	80	85	90	95	100	105	110
h(t)	260	266.8	279.5	281.9	289	296.7	301.4	302.5	304.4	312.6	313.7

t	115	120
h(t)	315.15	316

Вычисляем функцию , для этого строим зависимости от времени t.

316	5,755742
312,97	5,746107
308,6	5,732046
294,4	5,684939
272,2	5,606537
228,3	5,430661
198,2	5,289277
152,2	5,025195
122,8	4,810557
101,8	4,62301
84,5	4,436752
69,4	4,239887
56	4,025352
49,2	3,895894
36,5	3,597312
34,1	3,529297
27	3,295837
19,3	2,960105
14,6	2,681022
13,5	2,60269
11,6	2,451005
3,4	1,223775
2,3	0,832909
0,85	0,162519



график не линейный:

Проводим асимптоту к хвостовой части графика и определяем =11, дальше определяем

.

Вычисляем функцию , затем строим график



получили линейную зависимость, по графику определяем ,

,

Передаточная функция имеет вид:

; .

Определяем ошибку аппроксимации по формуле:



Совмещенные расчетная и экспериментальная переходные характеристики

t	0	10	20	30	40	50	60
h(t)экс.	0	7,4	43,8	117,8	193,2	231,5	260
h(t)рас.	0	20,35	58,3	132,48	179,35	217,18	245,13
%	0	4,098	4,59	4,64	4,38	4,53	4,71

t	70	80	90	100	110	120
h(t)экс.	279,5	289	301,4	304,4	313,7	316
h(t)рас.	265,7	274	286	299,32	309,13	316,49
%	4,37	4,75	4,87	1,6	1,44	0,15

Таким образом, ошибка аппроксимации в данном расчете составляет 4,87% < 5%, следовательно, передаточная функция определена верно.

3.4 Метод расширенных АФЧХ

Этот метод базируется на:

· использовании в качестве критерия, определяющего качество переходного процесса регулирования, степени затухания ;

· определении расширенных амплитудно-фазовых характеристик объекта и регулятора;

· применении основного условия устойчивости системы.

Степень затухания [] - есть величина, характеризующая затухание переходного процесса регулирования, равная отношению разности двух соседних амплитуд колебаний. Однако в расчетах используется другой показатель качества -- степень колебательности [m], функционально связанный со степенью затухания следующим образом:

где 2m -- логарифмический декремент затухания колебаний.

Система обладает определеннной степенью устойчивости, если все ее корни находятся левее некоторой прямой, проведенной в левой полуплоскости, параллельно мнимой оси на расстоянии g от нее.

Величина g характеризует интенсивность затухания процесса, и численно равна абсолютному значению действительной части корня характеристического уравнения и называется степенью устойчивости процесса системы.

Степень колебательности переходного процесса m характеризует затухание его колебательных составляющих, численно равна абсолютному значению отношения действительной части к коэффициенту мнимой части корня характеристического уравнения с наименьшим абсолютным значением этого отношения.

Рис. 1.

Геометрически график на рис.1. интерпретируется так: степень затухания рассматриваемой составляющей процесса будет определяться значением:

Если этот корень характеристического уравнения системы будет лежать в плоскости комплексного переменного (с плоскости корней) на линии АОВ, то степень затухания будет одна и та же.

Выражение передаточной функции звеньев, для которых рк находится на линии АОВ, называется расширенной АФЧХ:

Если m=0, то РАФЧХ совпадает с линией АОВ и совмещается с мнимой осью, следовательно, АОВ - мнимая ось, а система находится на границе устойчивости.

При расчете устойчивости системы используется соотношение:

Рассмотрим последовательность расчета настроечных параметров регулятора на заданную степень затухания для нашей системы автоматического регулирования:

Примем степень колебательности m = 0,366 , что соответствует значению степени затухания = 0,9:

Путем замены p = (j-m)щ в рассчитанной передаточной функции определим РАФЧХ объекта Wоб(m, j щ), разложив ее на действительную и мнимую части:

=

Отсюда получаем действительную и мнимую части РАФЧХ объекта:

(2)

(3)

Аналогично найдем РАФЧХ регулятора Wрег(m, j щ) и разложим ее на действительную и мнимую части, при этом учитывая, что мы выбрали П-регулятор С0=0 и С2 = 0. Отсюда имеем следующую функцию регулятора:

Исходя из условия:

имеем:

Преобразуем функцию 8.13. в систему уравнений:

Решая систему уравнений относительно действительной и мнимой части РАФЧХ регулятора, получаем:

Подставляя в систему 5 значения функций 2 и 3 и решая ее относительно C0 и C1, получим:

Построим в координатах С0, С1 зависимость С0 = f(С1) для выбранной степени колебательности m = 0,366, при этом выбираем такие значения частоты щ, чтобы С1 была больше нуля:

щ	С1
3,39	0,229776
3,4	0,230746
3,5	0,24011
3,7	0,256886
3,9	0,270864
4,1	0,281838
4,3	0,289642
4,5	0,294142
4,7	0,295247
4,9	0,292899
5,1	0,287076
5,3	0,277793
5,5	0,265097
5,7	0,249068
5,9	0,229817
6,1	0,207483
6,3	0,182234
6,5	0,154261
6,7	0,123778
6,9	0,091021
7,1	0,056242
7,3	0,019709

Для построения графика С0 = f(С1), воспользуемся программой Microsoft Excel:

Зависимость С0 = f(С1) при m=0,366

С помощью графика на рисунке выбираем конкретные значения С1, для которых определяем коэффициент регулирования kр (время дифференцирования Tд = 0 и Ти = 0, так как П-закон регулирования) и строим переходные процессы для полученных настроечных параметров.

1. При, С1 = 0,287076



Рис.. Переходный процесс замкнутой САР с настройками регулятора, С1 =0,287076.

2. При С1 = 0,294142:

0,294142

Рис.. Переходный процесс замкнутой САР с настройками регулятора, С1 = 0,294142

Видно, что из представленных на рисунках переходных процессов для замкнутой САР ни один не удовлетворяет тем требованиям регулирования, следовательно, делаем вывод о том, что взятая нами степень колебательности m = 0, 366 не подходит.

Возьмем степень колебательности m = 0,221, что соответствует значению степени затухания = 0,75.

Построим в координатах С0, С1 зависимость С0 = f(С1) для выбранной степени колебательности m = 0,221, при этом выбираем такие значения частоты щ, чтобы С1 были больше нуля:

щ	С1
2,2	0,091479
2,4	0,108388
2,6	0,122489
2,8	0,133639
3	0,141777
3,2	0,14691
3,4	0,149109
3,6	0,148492
3,8	0,145221
4	0,139494
4,2	0,13153
4,4	0,121572
4,6	0,109873
4,8	0,096696
5	0,082303
5,2	0,066956
5,4	0,050911
5,6	0,034414
5,8	0,017699
6,0	0,000988

помощью программы Microsoft Excel построим график С0 = f(С1):



Зависимость С0 = f(С1) при m=0,221

С помощью графика. выбираем конкретные значения С1, для которых определяем kр и строим переходные процессы для полученных настроечных параметров.

1. При С1 = 0,096696

0,096696

Рис. . Переходный процесс замкнутой САР с настройками регулятора, С1 = 0,096696

2. При С1 = 0,121572

0,121572

Рис.. Переходный процесс замкнутой САР с настройками регулятора, С1 =0,121572

Видно, что на рисунке был получен оптимальный переходной процесс для замкнутой САР и он удовлетворяет всем требованиям регулирования, которые были сформулированы, то есть процесс является апериодическим, максимальное отклонение температуры не превышает 0.3 мм., время регулирования меньше 68.4 мин.

3.5 Линия интегрального качества

Для построения линии интегрального качества воспользуемся формулой квадратичной интегральной оценки:

Для построения графика эту оценку необходимо определить при различных значениях частоты щ, а следовательно и различны значениях С1. В результате были определены следующие значения критерия интеграл...