SIMULINK-ПРОГРАММА ДЛЯ РАСЧЕТА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛООБМЕННИКА - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

SIMULINK-ПРОГРАММА ДЛЯ РАСЧЕТА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛООБМЕННИКА

Кубылькина С.Ю. 1, Земскова В.Т. 1
1Владимирский государственный университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменник – это устройство для передачи тепла от более нагретого теплоносителя (жидкого или газообразного) к более холодному. Теплообменники должны отвечать таким требованиям, как высокая тепловая производительность и экономичность в работе при обеспечении заданных технологических условий процесса, простота конструкции, компактность, удобство монтажа и ремонта, надежность в работе, техническое и эстетическое соответствие времени, соответствие требованиям охраны труда и техники безопасности, правилам Госгортехнадзора.

Теплообменники применяются в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, атомной, холодильной, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве. От условий применения зависит конструкция теплообменника. Существуют аппараты, в которых одновременно с теплообменом протекают и смежные процессы, такие как фазовые превращения, например, конденсация, испарение, смешение. Такие аппараты имеют свои наименования: конденсаторы, испарители, градирни, конденсаторы смешения.

Поверхностные теплообменники

Теплообмен между разными средами осуществляется через стенки из специального теплопроводящего материала, т.е. контура здесь полностью герметичны. Оборудование поверхностного типа в свою очередь делится на:

рекуперативные (температурный обмен между теплоносителями осуществляется через тонкие стенки контуров, а поток среды имеет неизменное направление);

регенеративные (отличаются от рекуперативных изменяющимся направлением потока).

Смесительные теплообменники

Здесь передача тепла достигается путем смешивания двух сред и данный вид теплообменника применяется намного реже вышеуказанных.

Виды оборудования по применению:

кожухотрубные теплообменники – состоят из пучка труб, соединенных в решетку при помощи пайки или сварки;

пластинчатые теплообменники – имеют площадь теплообмена, состоящую из пластин, соединенных термостойкими уплотнителями;

витые теплообменники – собираются из концентрических змеевиков, а рабочая среда в них движется по изогнутым трубам и по межтрубному пространству;

спиральные теплообменники – представляют собой тонкие стальные листы, свернутые в спираль;

водяные, воздушные и т.д.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Кривой разгона называют процесс изменения во времени выходной переменной, вызванный ступенчатым входным воздействием. Кривая разгона служит для определения динамических свойств объекта. Запаздывание объекта выражается в том, что его выходная величина начинает изменяться не сразу после нанесения возмущения, а только через некоторый промежуток времени, называемым временем запаздывания.

Время запаздывания – это время в течении которого выходной параметр достигает максимальной скорости изменения.

Постоянное вращение объекта – время в течение которого выходной параметр достиг бы постоянного значения, если бы изменялся с максимальной скоростью.

– время, в течение которого выходной параметр с момента подачи ступенчатого возмущения выходной параметр изменяется на 95 %.

Под постоянной времени объекта понимается время, в течение которого выходная величина достигла бы своего нового установившегося значения, если бы она изменялась с постоянной скоростью, равной скорости ее изменения в начальный момент времени. Коэффициент передачи объекта представляет собой изменение выходной величины объекта при переходе из начального в новое установившееся состояние, отнесенное к изменению возмущения на входе.

Снятие кривой разгона предусматривает нанесение на объект ступенчатого возмущения путем энергичного изменения степени открытия проходного сечения регулирующего органа, при этом отмечают величину и момент нанесения возмущения. Изменения выходной величины регистрируют до тех пор, пока объект не примет установившееся значение.

П-регулятор по динамическим характеристикам является безинерционным звеном, коэффициент передачи которого Кр численно равен перемещению РО при единичном отклонении регулируемой величины от заданного значения, передаточная функция W(p) = Kp, где Kp - коэффициент усиления регулирования. Главным достоинством П-регуляторов является простота их реализации и настройки. При наличии возмущающих воздействий регулятор быстро приводит в равновесное состояние почти любой объект. Положение РО однозначно связано с отклонением регулируемого параметра от заданного значения, что обуславливает статическую ошибку – основной недостаток П-регуляторов.

Для определения оптимальных параметров настройки регуляторов (параметрической оптимизации) АСР необходимо иметь сведения о статических и динамических характеристиках объекта регулирования и действующих возмущений. Наиболее достоверными являются экспериментально определенные статические характеристики.

Закон регулирования – это математическая зависимость, с помощью которой определяется регулирующее воздействие u(t) по сигналу рассогласования e(t). По характеру изменения регулирующего воздействия различают линейные и нелинейные, дискретные и непрерывные законы регулирования.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Математическое описание эквивалентного объекта управления в виде передаточной функции имеет вид:

n = 4

Рис. 1. S-диаграмма для расчета кривой разгона эквивалентного объекта управления

График 1. Кривая разгона объекта управления

Рассчитываем параметры настройки П-регулятора, обеспечивающие статическую ошибку ~10%:

= (0,04 0,25) = 0,15·120=18

Рис. 2. S- диаграмма для расчета переходного процесса в замкнутой системе регулирования с П- регулятором.

plot(s1(:,1),s1(:,2:3)); grid on;

График 2. Переходный процесс в замкнутой АСР

Воссоздали переходный процесс в замкнутой АСР и определили показатели качества регулирования по графику.

Кр=2

Рассчитанная по методу Такахаши коэффициент усиления Кр=2 не удовлетворяет заданному переходному процессу в замкнутой АСР. Поэтому методом последовательных приближений подобрали Кр=4.8, что соответствует статической ошибке 0,17.

plot(s1(:,1),s1(:,2:3)); grid on;

График 3. Переходный процесс в замкнутой АСР

Таблица 1

Кр

     

ψ

 

4,8

3080

0,17

0,474

0,02

0,83

0,83 0,05 =0,04

А1=1,48-0,83=0,65

А2=1,47-0,83=0,64

Ψ=0,65-0,64/0,65= 0,02

Выводим уравнения для расчета АЧХ и ФЧХ разомкнутой АСР:

АЧХ:

ФЧХ:

Рис. 3. S-диаграмма для расчета АЧХ и ФЧХ разомкнутой АСР.

АЧХ:

u(1)/(sqrt(1+(u(6)*u(2))^2)*sqrt(1+(u(6)*u(3))^2)*sqrt(1+(u(6)*u(4))^2)*sqrt(1+(u(6)*u(5))^2))

ФЧХ:

-atan(u(6)*u(2))-atan(u(6)*u(3))-atan(u(6)*u(4))-atan(u(6)*u(5))

>> S2;

plot(S2(:,1),S2(:,2:3));grid on;

Рис.4. Графики АЧХ и ФЧХ.

polar(S2(:,3),S2(:,2)); grid on;

На рис. 5. представлена объединенная амплитудно-фазовая частотная характеристика (годограф), с помощью которой определяем запасы устойчивости по модулю и по фазе.

Запасом устойчивости по модулю называется длина отрезка, равная расстоянию от точки пересечения годографа разомкнутой АСР с отрицательной действительной полуосью до точки с координатами (-1,i0). Численно этот запас устойчивости показывает, на какую величину должен измениться модуль АФЧХ при неизменных фазовых соотношениях на границу устойчивости.

Запасом устойчивости по фазе называют угол, образованный действительной отрицательной полуосью и лучом, проведенным из начала координат в точку пересечения АФЧХ с окружностью единичного радиуса с центром в начале координат.

Определяем запасы устойчивости по модулю и фазе:

Рис. 5. Годограф

Запас устойчивости по модулю равен 0.2, по фазе равен 10 град.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в данной работе были разработаны S- диаграммы для расчета кривой разгона, переходного процесса в замкнутой АСР, а так же посчитаны параметры настроек цифровых регуляторов методом Такохаши, определены показатели качества регулирования, выведены уравнения АЧХ и ФЧХ с помощью которых был построен годограф для расчета запасов устойчивости.

Следует отметить, что исследуемый переходный процесс, который обеспечивает рассчитанная АСР, (переходный процесс в замкнутой АСР, запасы устойчивости) не может удовлетворять инженерным требованиям, т.к. запасы устойчивости по модулю и по фазе очень малы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Барабанов Н.Н., Земскова В.Т. Расчеты химико-технологических процессов в системе MATLAB: Учебное пособие / Владим. Гос. Ун-т. Владимир, 2011. – 103 с.

2. Барабанов Н.Н., Земскова В.Т. Расчет одноконтурных и многоконтурных автоматических систем регулирования на ЭВМ : Учебное пособие / Владим. Гос. Ун-т. Владимир, 2002. – 52 с

4. Построение кривой разгона [Электронный ресурс] https://studopedia.ru/7_128991_postroenie-krivoy-razgona.html

5. Классификация законов регулирования[Электронный ресурс] http://www.globalinformatics.ru/gloins-1054-1.html

Просмотров работы: 9