Обробка результатів дослідження

1. За графіками отриманими згідно п.4-5 визначити коефіцієнти та порівняти їх з отриманими по рис.1.2, б.

Зміст звіту

Звіт повинен містити:

1. Рівняння котла, як об'єкта регулювання рівня.

2. Структурну схему котла, як об'єкта регулювання рівня.

3. Схему набору моделі котла, як об’єкта регулювання рівня в барабані, у Simulink.

4. Отримані динамічні характеристики;

5. Висновки по роботі.

Питання для самоперевірки та захисту

1. Поняття об'єкта регулювання.

2. Розподіл об'єктів регулювання по виду динамічних характеристик.

3. Поняття динамічної характеристики. Види динамічних характеристик.

4. Фізичне розуміння постійної часу і коефіцієнта передачі в рівнянні об'єкта регулювання.

5. Дії, що збурюють та регулюють на прикладі котла, як об'єкта регулювання рівня.

6. Поняття про самовирівнювання і фактор стійкості.

Лабораторна робота № 2. ДОСЛІДЖЕННЯ ДВОІМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА РІВНЯ ВОДИ В БАРАБАНІ КОТЛА

Мета роботи:1) вивчення роботи двоімпульсного регулятора рівня;

2) дослідження впливу імпульсу по витраті пари (навантаження на котел) на якість процесу регулювання.

Опис роботи системи. Регулятор рівня здійснює регулювання подачі живильної води в котел. Котел, як об'єкт регулювання рівня, є інтегруючою ланкою і можливість застосування інтегрального регулятора виключена, тому що система вийшла б структурно нестійкою. Із цієї причини виконавчий елемент-сервомотор, що є також інтегруючою ланкою, необхідно охопити жорстким зворотним зв'язком. Отриманий у такий спосіб пропорційний одноімпульсний регулятор мав би значну помилку регулювання, тому що для зменшення коливальності й часу регулювання довелося б установити мале значення коефіцієнта підсилення регулятора. А це небезпечно, особливо для високонапірних котлів. Тому з метою стабілізації системи регулювання рівня в цьому випадку застосовується регулятор із жорстким зворотним зв'язком, а для зменшення або навіть зміни знака помилки регулювання вводиться, крім основного імпульсу по відхиленню рівня H , імпульс по відхиленню витрати пари G .Такий двоімпульсний регулятор поєднує принципи регулювання по відхиленню й по навантаженню.

Схема двоімпульсного регулятора рівня, що використовується на суднах з паросиловими установками вітчизняного виробництва, представлена на рис.2.1. Вимірювальний орган регулятора має дві мембрани: "мембрану рівня" 3 й "мембрану витрати" 13, що встановлені в корпусі вимірювального органа 12. Над паровим колектором 9 котла розташовано конденсаційну посудину 7, рівень у якій підтримується постійним за рахунок зливу в нижню частину парового колектора. Конденсаційна посудина 7 трубками 8 і 6 з'єднана з паровим і водяним просторами парового колектора. Середня порожнина вимірювального органа сполучається з водяним простором парового колектора і паровим простором конденсаційної посудини, нижня – з водяним об’ємом конденсаційної посудини. Таким чином, на мембрану рівня діє спрямована нагору сила, що обумовлена площею мембрани й тиском, що залежить від висоти Н стовпа рідини між постійним рівнем у конденсаційній посудині й змінним в колекторі котла. Тим самим мембрана вимірює значення рівня в колекторі.

Верхня порожнина вимірювального органа 12 з'єднана з магістраллю свіжої пари, що відбирається від котла. Отже, мембрана витрати пари вимірює перепад тиску на ділянці від парового колектора до точки відбору імпульсу в трубопроводі свіжої пари. Так як переріз паропроводу незмінний, цей перепад пропорційний витраті пари G. Між порівняльним важелем 14 регулятора й мембраною витрати пари 13 встановлена імпульсна пружина 4, що завжди стиснена. Зі збільшенням навантаження котла тиск у верхній порожнині вимірювального органа 12 зменшується й мембрана витрати 13, переміщуючись нагору, частково розвантажує імпульсну пружину. Обидва впливи - за рівнем і витратою пари - складаються на порівняльному важелі 14 регулятора й трансформуються в переміщення регулюючої заслінки водяного підсилювального реле 15. При відхиленні заслінки - змінюється тиск води в одній з порожнин сервомотора 18, сервомотор переміщає шток живильного клапана 19. Зворотне переміщення заслінки здійснюється через жорсткий пружинний зворотний зв'язок 1.

Якщо в рівноважному стані регулятора сила, що діє на мембрану рівня й визначається висотою стовпа рідини Н, була б урівноважена тільки натягами пружин (імпульсної й зворотного зв'язку), то при хитавиці судна рівновага системи регулювання порушилася б. Дійсно, при крені висота стовпа води зменшилася б і стала рівної Hcosβ, де H - висота зазначеного стовпа при горизонтальному положенні судна, β - кут крену. Система зазнала би впливу періодичної зовнішньої сили й робила б змушені коливання. Щоб уникнути цього значна частина сили, що обумовлена тиском стовпа рідини Н, урівноважується підвішеним до мембрани рівня вантажем 2. При хитавиці судна складова маси вантажу, що діє на мембрану рівня, змінюється по такому же закону, що й висота стовпа рідини Н, і рівновага системи не порушується.

Перепад тисків пари між барабаном котла й паропроводом після пароперегрівника пропорційний квадрату швидкості пари, тобто витраті пари з котла. Для того щоб переміщення мембрани було лінійною функцією витрати пари, необхідно жорсткість пружини 11 зробити змінною. Це досягається шляхом установки над мембраною витрати 13 трьох пар пластинчастих пружин. При стискуванні пружини послідовно лягають на упори, і їхня загальна характеристика досить точно апроксимує квадратичну параболу.

Рис.2.1. Принципова схема двоімпульсного регулятора рівня води в барабані котла: 1 – жорсткий пружинний зворотний зв'язок; 2 – вантаж; 3 – мембрана рівня; 4 – імпульсна пружина; 5 – зблоковані клапани; 6 – трубка; 7 – конденсаційна посудина; 8 – трубка; 9 – паровий колектор; 10 – дросельна шайба; 11 – пружина; 12 – вимірювальний орган; 13 – мембрана витрати пари; 14 – важелі регулятора; 15 – водяне підсилювальне реле; 16 – дросельний клапан; 17 – обхідний клапан; 18 – сервомотор; 19 – живильний клапан

Для запобігання розриву мембрани витрати при дії однобічного тиску в імпульсних трубопроводах установлено два зблокованих клапани 5, так що відкриття одного можливо лише при одночасному закритті другого. За допомогою цих клапанів верхня порожнина вимірювального органа може бути з'єднана з його середньою порожниною й з паровим колектором у випадку, якщо відсутній тиск, в імпульсному трубопроводі, що з'єднує верхню порожнину з магістраллю свіжої пари. Нижня й середня порожнини вимірювального органа 12 завжди з'єднані між собою через імпульсні трубопроводи й конденсаційну посудину.

Дросельний клапан 16 у силовому трубопроводі, що йде від одного із прийомних сопел підсилювального реле 15 до корпуса сервомотора, дозволяє змінювати швидкість переміщення поршня сервомотора і є налагоджувальним елементом. Обхідний клапан 17 служить для переходу на ручне керування (для цього досить відкрити кран, з'єднавши обидві порожнини сервомотора).

Дросельна шайба 10, установлена в імпульсній трасі по витраті пари, дозволяє сповільнити дію імпульсу по навантаженню, що зменшує перший динамічний закид при різкій зміні впливу, що збурює.

Регулятори рівня розраховують і виготовляють так, щоб статична характеристика системи регулювання (у координатах рівень - навантаження на котел по витраті пари) була падаючою з невеликою нерівномірністю регулювання. На більших навантаженнях котла рівень доцільно підтримувати трохи меншим, тому що з ростом навантаження швидкість виходу пари із дзеркала випару збільшується, і високий рівень може привести до збільшення вологості пари. Але разом з тим рівень на максимальному навантаженні котла не повинен бути занадто низьким через небезпеку його зменшення нижче припустимої межі при різкому зменшенні відбору пари з котла. Звичайне значення нерівномірності регулювання в системі регулювання рівня води в котлі вибирається порядку 30 мм. У деяких випадках прийнятна з погляду експлуатації нерівномірність регулювання виявляється достатньою для стійкості й при одноімпульсному регуляторі рівня (без виміру витрати пари з котла), що спрощує схему регулятора рівня.

2. Рівняння динаміки регулятора. Регулятор складається з датчика 12 (див. рис.2.1) підсилювача 15, важільної системи й пружини зворотного зв'язку 1. Отримування рівнянь вимірювального пристрою, підсилювача й сервомотора наведено у роботі.

Структурна схема САР представлена на рис. 2.2. Тут суматори 1 й 3, а також ланки 2 й 4 являють собою вимірювальний пристрій. Його вихідний сигнал α - кут повороту валика, на якому порівнюються моменти, створювані вимірником 12 і пружиною зворотного зв'язку 1 (див. рис.2.1), що мають передаточні функції і , відповідно. Вимірник реагує на різницю тисків , які створюють датчик витрати ( ) і датчик рівня ( ).

Рис.2.2. Структурна схема САР рівня в барабані котла

Датчик витрати представлений аперіодичною ланкою 8 (рис. 2.2), коефіцієнт підсилення якого зв'язує зміну перепаду тиску [мм вод. ст.] і зміну навантаження на котел G. Постійна часу ланки залежить від діаметра дросельної шайби 10 й обсягу пари між верхньою мембраною вимірника 12 (див. рис. 2.1) і місцем установки дроселя. Для збільшення можна, крім зменшення діаметра дроселя, ще підключати додатковий об’єм (ресивер) в імпульсну трасу. Безінерційною ланкою 5 і інтегруючою 6 (див. рис. 2.2) представлені, відповідно, підсилювач і сервомотор. Тут Р - перепад тиску в прийомних соплах підсилювача, а m - переміщення штока клапана. Ланкою 7 представлений клапан (регулюючий орган).

Величину можна змінювати за допомогою клапана 16 (див. рис. 2.1), а величину - шляхом зміни профілю тарілки (профілю плунжера або співвідношення пліч важільної передачі, що приєднує виконавчий механізм до штока клапану).

Рівняння регулятора в абсолютних відхиленнях може бути представлено рівняннями датчика витрати (2.1), вимірювального пристрою (2.2) й підсилювача разом із сервомотором (2.3) і клапана (2.4):

; (2.1)

; (2.2)

; (2.3)

. (2.4)

Виключимо α і m, підставивши їхні значення з (2.2), (2.4) в (2.3), отримаємо рівняння регулятора:

,

або

, (2.5)

де ; - постійна часу й коефіцієнт передачі регулятора відповідно.

Отже, математичний опис САР буде представлено рівняннями об'єкта регулювання (1.1)-(1.3), рівнянням регулятора (2.5) і датчика витрати (2.1).

Коефіцієнти рівнянь (1.1)-(1.2) отримано в роботі 1 шляхом обробки експериментальних кривих (див. рис. 1.2), а для рівнянь (2.1), (2.5) беремо з табл.2.1, відповідно до заданого варіанту.

Таблиця 2.1

Структурна схема САР після представлення системи рівнянь, що описують регулятор одним рівнянням (2.5) має вигляд представлений на рис.2.3.

Максимальні значення змінних: H_max=h_max=h_1max=h_2max=100 мм; G_max=W_max=5 кг/с.

Рис.2.3. Структура схема САР рівня в барабані котла, коли

регулятор представлено однією ланкою

Схему набору моделі САР рівня у Simulink приведено на рис. 2.4.