Автоматизированный стенд для проведения лабораторных работ по изучению двухпозиционных регуляторов

Введение . Практически по каждому техническому направлению обучения студентов среднего специального и высшего образования в рамках изучения основных принципов автоматического управления проводятся лабораторные и/или практические занятия, связанные с базовыми законами автоматического регулирования, к которым относится двухпозиционное (релейное) регулирование [1, 2]. Простота реализации, применимость к значительному числу объектов управления, отсутствие возможности неустойчивых режимов работы (свойственной непрерывным регуляторам), несложность настройки привели к широкому распространению такого рода регуляторов во всех сферах промышленности и быта. Это, прежде всего, терморегуляторы типа «нагреватель» и «холодильник».

Принцип действия двухпозиционных регуляторов заключается в выработке одного из двух возможных по величине управляющих воздействий, соответствующих позициям исполнительного элемента (обычно «включено» и «выключено») в зависимости от текущего измеренного значения управляемой величины [3]. Двухпозиционный закон управления обеспечивает приемлемое качество регулирования, если передаточное запаздывание в канале управления существенно меньше переходного запаздывания в объекте управления. Другими словами, двухпозиционные регуляторы подходят для инерционных объектов управления и в случае, если в регуляторе нет элементов с существенной задержкой сигнала (трубопроводов, конвейеров и т.д.).

Вследствие релейного принципа работы, такого рода регуляторам свойственен колебательный режим работы, что определяет периодический закон изменения управляемой величины. Нелинейный характер объекта управления и самого регулятора приводит к неоднозначной зависимости между настройками регулятора (верхним и нижним порогами срабатывания, либо уставкой и величиной зоны нечувствительности) и параметрами автоколебательного изменения управляемой величины. Имеется также зависимость между величиной возмущающего воздействия со стороны окружающей среды, а также параметрами элементов регулятора и показателями качества регулирования.

Основная часть. Наличие описанных особенностей работы двухпозиционных регуляторов наряду с распространенностью делает необходимым их изучение студентами инженерных специальностей на лабораторных установках и желательность подкрепление знаний путем моделирования на ЭВМ. В связи с этим был создан автоматизированный стенд для изучения двухпозиционных регуляторов и разработано практическое занятие по их моделированию в среде SimInTech [1, 4, 5].

Рисунок 1 – 3D модель лабораторной установки

В качестве объекта управления используется физическая модель брудера, в которой исполнительным элементом (нагревателем) является лампа накаливания (рисунок 1).

Использование лампы делает наглядным

процесс регулирования.

В качестве Структурно-

двухпозиционного регулятора применен прибор ОВЕН ТРМ-202 [6]. функциональная схема стенда показана на рисунке 2, а.

а)

б)

ОР – объект регулирования (подзонтичное пространство брудера); ИО – исполнительный элемент (нагреватель);

ВЭ – воспринимающий элемент (датчик); ТР – терморегулятор

Рисунок 2 – Структурно-функциональная схема лабораторного стенда (а) и Р = f( ∆θ ) – релейная характеристика регулятора (б)

Приняты следующие обозначения физических величин: θ – температура воздуха (регулируемая величина); θ н – температура нагревательного элемента (регулирующее воздействие); Р – мощность нагревательного элемента; θ зад – уставка регулятора (заданная температура); θ 0 – температура окружающей среды (возмущающее воздействие), Δθ – отклонение температуры от заданного значения, σ – дифференциал, В=2σ – зона нечувствительности.

Так как двухпозиционный регулятор ОВЕН ТРМ-202 поддерживает передачу данных по сети промышленного стандарта RS-485, для автоматизации процесса записи переходных характеристик в лабораторной установке применен адаптер интерфейсов ОВЕН АС-3 и персональный компьютер с установленной технологической SCADA-системой OWEN PROCESS MANAGER (OPM). На рисунке 3 представлены примеры интерфейса программы OPM, позволяющей считывать в реальном времени данные с ТРМ-202, отображать их в виде графика и сохранять зависимости управляемой величины от времени в виде файлов.

Рисунок 3 – Примеры интерфейса OWEN PROCESS MANAGER

В процессе исследования работы двухпозиционного регулятора производится формирование графиков изменения температуры и их запись в файл, включающий участки первоначального разгона до установленного значения уставки и регулирование в течение нескольких периодов колебаний управляемой величины с различными параметрами элементов регулятора. Величину уставки, какие параметры и каким образом изменять, задает преподаватель. Например, при снятии зависимости, представленной на рисунке 4, изменялась постоянная времени датчика при помощи металлического уголка, располагаемого на термометре сопротивления.

Период колебаний Т 1 с амплитудой А 1 (рисунок 4) соответствует более значительной величине постоянной времени датчика, чем аналогичные величины Т 2 и А 2 при меньшей постоянной времени. Таким образом, лабораторная установка позволяет наглядно демонстрировать двухпозиционное регулирование и изучать особенности его практического применения.

Рисунок 4 – Пример экспериментального графика изменения температуры при двухпозиционном регулировании

Распространенным методом исследования свойств динамических систем является математическое (структурное) моделирование при помощи компьютерных программ, при этом исходными данными являются передаточные функции элементов. В процессе физического моделирования на лабораторной установке по переходной характеристике можно определить передаточные функции некоторых элементов [2]. Например, задав величину уставки двухпозиционного регулятора, превышающую максимально возможную установившуюся температуру при постоянно включенном нагревателе, студенты снимают переходную характеристику (рисунок 5), по виду которой определяется, что передаточная функция W р (s) объекта регулирования совместно с исполнительным элементом (нагревателем) имеет вид апериодического звена первого порядка с постоянной времени T, приблизительно равной 7,5 минут (методика определения коэффициентов передаточной функции приведена в [7]). Коэффициент передачи можно определить как отношение приращения температуры до установившегося значения 62,4–18,4=44 ⁰ к мощности установленной ламы накаливания 40 Вт: k=44/40=1,1 ⁰ C/Вт. Тогда передаточная функция по управляющему воздействию имеет вид:

Рисунок 5 – Переходная характеристика объекта регулирования с постоянно включенным исполнительным элементом

Передаточная функция по возмущающему воздействию также представляет собой апериодическое звено первого порядка с коэффициентом передачи 1 и постоянной времени 7,5 мин. Постоянная времени используемого датчика температуры Т д равна 0,3 мин, поэтому ее также можно представить апериодическим звеном первого порядка. Для цифрового регулятора, у которого уставка задается в тех же единицах измерения, что и управляемая величина, коэффициент передачи датчика равен 1. Структурная схема двухпозиционной автоматической системы регулирования показана на рисунке 6, а ее реализация в среде динамического моделирования технических систем SimInTech – на рисунке 7, а. Результат моделирования работы двухпозиционного регулятора с уставкой 30 ⁰ C и дифференциалом 1 ⁰ в SimInTech показан на рисунке 7, б.

Рисунок 6 – Структурная схема автоматической системы регулирования

• а)                                               б)

Рисунок 7 – Машинная структурная схема автоматической системы регулирования (а) и расчетная переходная характеристика (б)

Заключение. Так как подготовка студентов среднего специального и высшего образования по инженерным направлениям должна сочетать получение систематизированных теоретических сведений с наглядностью физических и вычислительных экспериментов, разработанная нами лабораторная установка позволяет изучать процесс двухпозиционного регулирования в разных режимах и при разных параметрах элементов, демонстрируя современные технологии промышленной автоматизации, включая работу двухпозиционных микропроцессорных регуляторов, их конфигурирование, технические и программные средства передачи данных и их отображение на мониторе оператора с архивацией измеренных значений. Также при помощи программы моделирования динамических систем SimInTech может производится исследование регуляторов, в том числе в режимах, не доступных на физической модели.

Лебедев Константин Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Математика и биоинформатика»,

Лебедев Павел Константинович, студент факультета среднего профессионального образования по направлению 35.02.08 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»,

Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, г. Зерноград, Российская Федерация.

Azov-Black Sea Engineering Institute, Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education Donskoy State Agrarian University, Zernograd

Azov-Black Sea Engineering Institute, Donskoy State Agrarian University, Zernograd,

Russian Federation.