Материал: Автоматическая система регулирования уровня топлива в поплавковой камере

Автоматическая система регулирования уровня топлива в поплавковой камере

Автоматическая система регулирования уровня топлива в поплавковой камере

Введение

В основных направлениях экономического и социального развития становится задача развивать производство электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования. Во всем этом могут помочь автоматизированные системы управления.

Автоматизированная система управления или АСУ - комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчеркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

Опыт, накопленный при создании автоматизированных и автоматических систем управления, показывает, что управление различными процессами основывается на ряде правил и законов, часть из которых оказывается общей для технических устройств, живых организмов и общественных явлений.

автоматизированный топливо поплавковый камера

1.Основные понятия и определения

Работа любого технического устройства характеризуется одной или несколькими физическими показателями (параметрами, выходными сигналами, регулируемыми величинами). Например, работа генератора характеризуется величиной напряжения и частотой тока, работа двигателя - угловой частотой вращения ротора; паровой котел - давлением пара, резервуар - уровнем жидкости.

При решении производственных задач возникает необходимость стабилизировать данную физическую величину в техническом устройстве или, согласно технологическим требованиям, должным образом изменить ее значение (регулировать). Главной причиной незапланированного изменения регулируемой величины является изменение нагрузки и других возмущающих воздействий. Поэтому задача уменьшения отклонения регулируемой величины от заданной является основной задачей системы автоматического управления (САУ).

Для решения этой задачи необходимо провести анализ работы САУ и определить какой элемент САУ на какой показатель качества управления и каким образом влияет. Для этого по заданной принципиальной схеме определяются функциональные элементы системы управления, которые показывают назначение каждого элемента в процессе управления и составляется функциональная схема.

Автоматическим называется управление техническим процессом без участия человека.

Автоматическим регулятором называется регулирующее устройство, осуществляющее управление объектом регулирования согласно заданному алгоритму.

Алгоритм управления - это правило выработки управляющего воздействия для решения поставленной задачи.

Система автоматического управления (САУ) - это взаимодействующий с объектом управления автоматический регулятор, в котором преобразование и передача информации, формирование управляющих команд и их реализация осуществляется автоматически, согласно, заданного алгоритма управления.

Для анализа САУ используются принципиальная схема и функциональная схема.

Принципиальная схема показывает физическую природу элементов автоматики, технические характеристики, принцип действия и взаимодействие между ними.

Элементом автоматики называется часть системы, в которой происходит качественное или количественное преобразование физической величины и передачи ее к последующему элементу.

На принципиальной схеме все элементы и связи между ними изображаются в виде условного графического обозначения. Это позволяет изготовить автоматическую систему или произвести ее ремонт.

Функциональная схема состоит из функциональных элементов, которые показывают их функциональное назначение при автоматическом управлении технологическим процессом и связь между ними.

Функциональный элемент - это условно выделенная часть САУ, выполняющая определенную функцию по реализации заданного алгоритма управления.

На функциональной схеме все элементы (кроме сравнивающего устройства) изображаются в виде прямоугольников с указанием их функционального назначения. Сравнивающее устройство изображается в виде окружности с крестиком внутри. Связь между элементами изображается сплошными линиями со стрелками, показывающие направление прохождения управляющих сигналов.

1.1 Классификация функциональных элементов

Объект управления (регулирования) (ОР) - машины, аппараты или другие устройства, требуемый режим которых поддерживается регулятором путем управления (регулирования) заданных величин.

Исполнительное устройство (ИУ) - функциональный элемент, осуществляющий выработку управляющих сигналов согласно алгоритма управления и непосредственно воздействующих на объект управления для изменения режима его работы.

Усилитель (У) - функциональный элемент, в котором, не изменяя физическую природу входного сигнала, осуществляется увеличение его мощности за счет энергии вспомогательного источника питания.

Преобразующее устройство (ПУ) - функциональный элемент, принимаемый для преобразования управляющего сигнала с целью изменения закона управления. Усилительное и преобразующее устройства могут быть объединены в один функциональный блок: усилительно преобразующее устройство.

Датчик (Д) - функциональный элемент, измеряющий и преобразующий информацию о физической величине (показателю работы) в сигнал, удобный для обработки и использования в системе управления.

Корректирующее устройство (КУ) - функциональный элемент, служащий для повышения устойчивости САУ и улучшения ее динамических характеристик.

Задающее устройство (ЗУ) - функциональный элемент, служащий для формирования сигнала, согласно заданному значению регулируемой величины. Сравнивающее устройство - это функциональный элемент, осуществляющий алгебраическую операцию по отношению к воздействиям, поступающим на его вход (например, операции сложения или вычитания поступающих сигналов).

1.2 Классификация сигналов, действующих в САУ

Регулируемая величина X(t) - это показатель, характеризующий состояние объекта управления. Например, температура, уровень, давление и т.д.

Возмущающее воздействие (помехи) f(t) - это воздействие, нарушающее требуемую функциональную зависимость (связь) между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Управляющее воздействие Q(t) - это воздействие, поступающее с исполнительного устройства на объект управления для управления регулируемой величиной.

Задающее воздействие U(t) - это величина, соответствующая заданному (предписанному) значению регулируемой величине.

Различают следующие значения регулируемой величины.

Предписанное значение регулируемой величины Xпр(t) - это значение регулируемой величины, соответствующее требуемому режиму работы объекта регулирования.

Действительное значение регулируемой величины Xдей(t) - это значение регулируемой величины, соответствующее фактическому режиму работы объекта регулирования.

Ошибка регулирования X(t) - разность между предписанным и действительным значениями регулируемой величины.

Статическая ошибка регулирования ΔX(∞) - это ошибка регулирования в установившемся режиме.

2.Составление функциональной схемы

Дана принципиальная схема автоматического регулирования уровня топлива в карбюраторе (рисунок 1). Определить функциональные элементы САУ и составить функциональную схему.

РЕШЕНИЕ: Принцип работы. При увеличении расхода топлива из поплавковой камеры уровень топлива уменьшается и поплавок опускается. Вместе с ним опускается игла, открывается запорный клапан и увеличивается приток топлива. В результате уровень топлива в поплавковой камере восстанавливается.

Рисунок 1 Принципиальная схема регулирования уровня топлива в поплавковой камере

Определяем объект регулирования и действующие на него факторы.

Объект регулирования (ОР) - поплавковая камера карбюратора, в которой происходит процесс регулирования.

Регулируемая величина X(t) - уровень топлива.

Возмущающее воздействие f(t) - изменение расхода топлива.

Управляющее воздействие Q(t) - подача топлива в поплавковую камеру для восстановления заданного уровня. Функциональная схема ОР и сигналы, воздействующие на него, показаны на рисунок 2.

Рисунок 2. Функциональная схема ОР и сигналы, воздействующие на него

Элементы функциональной схемы.

Исполнительное устройство (ИУ) - запорный клапан, от которого зависит количество поданного топлива в поплавковую камеру. Чем ниже будет расположена игла, тем больше будет подано топлива в поплавковую камеру.

Датчик (D) - поплавок, который служит для измерения регулируемой величины (уровня топлива) и в преобразование его в перемещение иглы клапана.

Задающее устройство (ЗУ) - заданная длина стержня иглы клапана.

Рассмотрим, как в данном автоматическом устройстве происходит работа сравнивающего устройства (рис. 2).

Выходной сигнал от задающего устройства - предписанная длина стержня Lпр, на котором установлена игла клапана.

Выходной сигнал от задающего устройства - предписанная длина стержня Lпр, на котором установлена игла клапана.

Выходной сигнал от датчика - действительное расстояние от запорного клапана до уровня топлива Lдей, которое передается на сравнивающее устройство с помощью поплавка.

Работа сравнивающего устройства заключается в сравнении этих двух сигналов. В результате, чем меньше уровень топлива или чем ниже расположен поплавок, тем ниже опускается запорная игла относительно заданного значения, и тем больше будет поступать топливо в поплавковую камеру. Величина опускания иглы от заданного уровня ΔL определяется уравнением:

Рисунок 3. Схема работы сравнивающего устройства

На основании рисунков 2 и 3 составляем функциональную схему регулирования уровня топлива в поплавковой камере, которая показана на рисунке 4.

2.1 Функциональный анализ работы САУ

С помощью функциональной схемы можно провести анализ работы данной САУ и определить, какие элементы функциональной схемы как обеспечивают заданные показатели качества работы системы.

Так задающее устройство (ЗУ) - обеспечивает заданное значение регулируемой величины; датчик (Д) - обеспечивает необходимую точность регулирования; исполнительное устройство (ИУ) - обеспечивает быстродействие системы; преобразующее устройство (ПУ) - обеспечивает изменения закона регулирования и т.д. При выборе функциональных элементов САУ эти показатели их работы являются важнейшими. Если, например, точность работы датчика не удовлетворяет поставленным технологическим требованиям, то, изменяя другие функциональные элементы, трудно добиться заданной точности регулирования. С другой стороны, имея высокочувствительный датчик, а исполнительное устройство с большой зоной нечувствительности, добиться необходимости точности регулирования тоже трудно. Поэтому параметры функциональных элементов САУ должны быть согласованы между собой.

Рисунок 4. Функциональная схема системы автоматического регулирования топлива в поплавковой камере

В некоторых случаях можно добиться положительного эффекта путем включения корректирующего звена или при увеличении коэффициента усиления. Но в любой автоматической системе должен действовать главный принцип: каждый функциональный элемент должен полностью выполнять свою функцию согласно заданному алгоритму управления.

Методику проведения функционального анализа работы САУ рассмотрим на примере 1 (рисунков 1 и 4).

2.2 Классификация САУ

По функциональной схеме можно сделать и более глубокий анализ = провести классификацию данной САУ по самым различным признакам от алгоритма процесса увеличения до анализа сигналов управления.

По цепи управления: Все автоматические системы по цепи управления можно разделить на две группы.

САК - система автоматического контроля, которая производит в автоматическом режиме измерения контролируемой величины и все операции, связанные с обработкой, регистрацией и передачей полученных данных.

Цель контроля: сигнализация, защита, регистрация, блокировка.

САУ - система автоматического управления, которая обеспечивает изменение регулируемой величины объекта управления согласно технологическим требованиям и с учетом возмущающих воздействий.

Цель управления: Изменять параметры объекта управления в зависимости от времени, вида и величины возмущающих воздействий и действительного значения регулируемого параметра.

САР - система автоматического регулирования (или стабилизации), которая обеспечивает поддержание управляемой величины в заданных пределах при произвольно изменяющихся возмущающихся воздействий.

Цель регулирования: стабилизация заданного режима работы объекта регулирования при случайном изменении возмущающих воздействий (и особенно, если возмущение - это нагрузка).

САР можно рассматривать как частный случай работы САУ, когда задающее воздействие U(t) является постоянной величиной.

СПУ - система программного управления, в котором управляющее воздействие изменяется по заранее составленной программе.

Цель управления: изменение режима работы объекта управления согласно составленной программе в функции времени. Например, изменение температуры в калорифере. Или управление в функции изменения параметров обрабатываемой детали. Например, в станках с числовым программным управлением.

СПУ можно рассмотреть как частный случай работы САУ, когда закон изменения, задающий воздействие U(t) заранее известен, заранее запрограммирован и в процессе работы не изменяется. Вводится только поданные на вход системы.

САС - система автоматического слежения (или следящая система), которая на выходе в точности воспроизводит случайные сигналы, поданные на вход системы.

Цель управления: копирование (кодирование, преобразование, видоизменение) на выходе системы сигналов, поданных на ее вход. Сигналы, проходящие через САС, не корректируются, а только (но не всегда) масштабируются по величине или по мощности.

САС можно рассмотреть, как частный случай САУ закон изменения задающего воздействия U(t) заранее неизвестен.

Вторая группа - это оптимальные управления (ОСУ) с заранее известным (гибким) алгоритмом управления за счет автоматического поиска и поддержания оптимального управления согласно заданному критерию качества регулирования. Регуляторы таких систем кроме основного контура регулирования, содержащие исполнительные устройства, имеют дополнительный контур самонастройки, который изменяет алгоритм управления и параметры регулятора для обеспечения оптимального производственного процесса. Ко второй группе относятся: