Условия аспекты и ступени автоматизации систем тгв. Технические средства автоматизации и вычислительная техника в системах тгв
Н.А. Попов
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ
ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ
И ВЕНТИЛЯЦИИ
Новосибирск 2007
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (СИБСТРИН)
Н.А. Попов
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ
ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ
И ВЕНТИЛЯЦИИ
Учебное пособие
Новосибирск 2007
Н.А. Попов
Автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции
Учебное пособие. – Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2007.
ISBN
В учебном пособии рассмотрены принципы разработки схем автоматизации и существующие инженерные решения по автоматизации конкретных систем теплогазоснабжения и теплопотребления, котельных установок, вентиляционных систем и систем кондиционирования микроклимата.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 270109 направления «Строительство».
Рецензенты:
– П.Т. Понамарев, к.т.н. доцент кафедры
электротехники и электротехнологий СГУПС
– Д.В. Зедгенизов, к.т.н., с.н.с. лаборатории руд- ничной аэродинамики ИГД СО РАН
© Попов Н.А. 2007 г.
| ОГЛАВЛЕНИЕ | |
| С. |
|
| Введение................................................................................. | 6 |
| 1. Основы проектирования автоматизированных систем теплогазоснабжения и вентиляции……………………… | 8 |
| 1.1.Стадии проектирования и состав проекта системы автоматизации технологического процесса........................ | 8 |
| 1.2. Исходные данные для проектирования........................... | 9 |
| 1.3. Назначение и содержание функциональной схемы........ | 10 |
| 2. Автоматизация систем теплоснабжения.............................. | 14 |
| 2.1. Задачи и принципы автоматизации................................. | 14 |
| 2.2. Автоматизация подпиточных устройств ТЭЦ................. | 15 |
| 2.3. Автоматизация теплофикационных деаэраторов……… | 17 |
| 2.4. Автоматизация основных и пиковых подогревателей… | 20 |
| 2.5. Автоматизация насосных подстанций............................... | 25 |
| 3. Автоматизация систем теплопотребления........................... | 33 |
| 3.1. Общие замечания………………...................................... | 33 |
| 3.2. Автоматизация ЦТП……………..................................….. | 34 |
| 3.3. Автоматическое регулирование гидравлических режи- мов и защита систем теплопотребления……………….. | 43 |
| 4. Автоматизация котельных установок…………………… | 47 |
| 4.1. Основные принципы автоматизации котельных……… | 47 |
| 4.2. Автоматизация паровых котлов………………………… | 48 |
| 4.3. Автоматизация водогрейных котлов…………………… | 57 |
| 5. Автоматизация вентиляционных систем………………… | 65 |
| 5.1. Автоматизация приточных камер………………………. | 65 |
| 5.2. Автоматизация систем аспирации……………………… | 72 |
| 5.3. Автоматизация вытяжных вентиляционных систем….. | 77 |
| 5.4. Автоматизация воздушно-тепловых завес……………… | 79 |
| 6. Автоматизация систем кондиционирования воздуха…… | 82 |
| 6.1. Основные положения……………………………………. | 82 |
| 6.2. Автоматизация центральных СКВ……………………… | 83 |
| 7. Автоматизация систем газоснабжения……………………. | 91 |
| 7.1. Городские газовые сети и режимы их работы…………. | 91 |
| 7.2. Автоматизация ГРС……………………………………… | 92 |
| 7.3. Автоматизация ГРП……………………………………… | 95 |
| 7.4. Автоматизация газоиспользующих установок…………. | 97 |
| Список литературы……………………………………………. | 101 |
ВВЕДЕНИЕ
Современные промышленные и общественные здания оборудуются сложными инженерными системами обеспечения микроклимата, хозяйственных и производственных нужд. Надежная и безаварийная работа этих систем не может быть обеспечена без их автоматизации.
Задачи автоматизации решаются наиболее эффективно тогда, когда они прорабатываются в процессе разработки технологического процесса.
Создание эффективных систем автоматизации предопределяет необходимость глубокого изучения технологического процесса не только проектировщиками, но и специалистами монтажных, наладочных и эксплуатационных организаций.
В настоящее время уровень техники позволяет автоматизировать практически любой технологический процесс. Целесообразность автоматизации решается путем нахождения наиболее рационального технического решения и определения экономической эффективности. При рациональном применении современных технических средств автоматики повышается производительность труда , снижается себестоимость продукции, повышается ее качество, улучшаются условия труда и повышается культура производства.
Автоматизация систем ТГиВ включает вопросы контроля и регулирования технологических параметров, управления электроприводами агрегатов, установок и исполнительных механизмов (ИМ), а также вопросы защиты систем и оборудования в аварийных режимах.
В учебном пособии рассмотрены основы проектирования автоматизации технологических процессов, схемы автоматизации и существующие инженерные решения по автоматизации систем ТГиВ с использованием материалов типовых проектов и отдельных разработок проектных организаций. Большое внимание уделено выбору современных технических средств автоматизации для конкретных систем.
Учебное пособие включает материалы по второй части курса ”Автоматизация и управление системами ТГиВ" и предназначено для студентов, обучающихся по специальности 270109 "Теплогазоснабжение и вентиляция". Оно может быть полезным преподавателям, аспирантам и инженерам, занимающимся вопросами работы, регулирования и автоматизации систем ТГиВ.
1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
AВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ
Стадии проектирования и состав проекта
При разработке проектной документации по автоматизации технологических процессов объектов руководствуются строительными нормами (СН) и строительными нормами и правилами (СНиП), ведомственными строительными нормами (ВСН), государственными и отраслевыми стандартами .
В соответствии со СНИП 1.02.01-85 проектирование систем автоматизации технологических процессов выполняют в две стадии: проект и рабочая документация или в одну стадию: рабочий проект.
В проекте разрабатывается следующая основная документация: I) структурная схема управления и контроля (для сложных систем управления); 2) функциональные схемы автоматизации технологических процессов; 3) планы расположения щитов , пультов, средств вычислительной техники и т.д.; 4) заявочные ведомости приборов и средств автоматизации; 5) технические требования на разработку нестандартизированного оборудования; 6) пояснительная записка; 7) задание генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на разработки, связанные с автоматизацией объекта.
На стадии рабочей документации разрабатываются: 1) структурная схема управления и контроля; 2) функциональные схемы автоматизации технологических процессов; 3) принципиальные электрические, гидравлические и пневматические схемы контроля, автоматического регулирования, управления, сигнализации и питания; I) общие виды щитов и пультов; 5) монтажные схемы щитов и пультов; 6) схемы внешних электрических и трубных проводок; 7) пояснительная записка; 8) заказные спецификации приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, щитов, пультов и т.д.
При двухстадийном проектировании структурные и функциональные схемы на стадии рабочей документации разрабатываются с учетом изменений технологической части или решений по автоматизации, принятых при утверждении проекта. В случае отсутствия таких изменений , упомянутые чертежи включаются в состав рабочей документации без переработки.
В рабочей документации целесообразно давать расчеты регулирующих дроссельных органов, а также расчеты по выбору регуляторов и определения примерных значений их параметров настройки при различных технологических режимах работы оборудования.
В состав рабочего проекта при одностадийном проектировании входят: а) техническая документация, разрабатываемая в составе рабочей документации при двухстадийном проектировании; б) локальная смета на оборудование и монтаж; в) задание генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на работы, связанные с автоматизацией объекта.
1.2. Исходные данные для проектирования
Исходные данные для проектирования содержатся в техническом задании на разработку системы автоматического управления технологическим процессом. Техническое задание составляется заказчиком с участием специализированной организации, которой поручается разработка проекта.
Задание на проектирование системы автоматизации содержит технические требования, предъявляемые к ней заказчиком. Кроме того, к нему прикладывается комплект материалов, необходимых для проектирования.
Основными элементами задания являются перечень объектов автоматизации технологических агрегатов и установок, а также функции, выполняемые системой контроля и регулирования, обеспечивающей автоматизацию управления этими объектами. Задание содержит ряд данных, определяющих общие требования и характеристики системы, а также описывающих объекты управления: 1) основание для проектирования; 2) условия эксплуатации системы; 3) описание технологического процесса.
Основание для проектирования содержит ссылки на плановые документы, определяющие порядок проектирования автоматизированного процесса, плановые сроки проектирования , стадийность проектирования, допустимый уровень затрат на создание системы управления, технико-экономическое обоснование целесообразности проектирования автоматизации и оценку подготовленности объекта к автоматизации.
Описание условий эксплуатации проектируемой системы содержит условия протекания технологического процесса (например, класс взрыво- и пожароопасности помещений, наличие агрессивной, влажной, сырой, запыленной окружающей среды и т.д.), требования к степени централизации контроля и управления, к выбору режимов управления, к унификации аппаратуры автоматизации, условия ремонта и обслуживания парка приборов на предприятии.
Описание технологического процесса включает: а) технологические схемы процесса; б) чертежи производственных помещений с размещением технологического оборудования; в) чертежи технологического оборудования с указанием конструкторских узлов для установки датчиков контроля; г) схемы электроснабжения; д) схемы воздухоснабжения; е) данные для расчета систем контроля и регулирования; ж) данные для расчета технико-экономической эффективности систем автоматизации.
1.3. Назначение и содержание функциональной схемы
Функциональные схемы (схемы автоматизации) являются основным техническим документом , определяющим функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля, управления и регулирования технологического процесса и оснащения объекта управления приборами и средствами автоматизации.
Функциональные схемы автоматизации служат исходным материалом для разработки всех остальных документов проекта автоматизации и устанавливают:
а) оптимальный объем автоматизации технологического процесса; б) технологические параметры, подлежащие автоматическому контролю, регулированию, сигнализации и блокировкам; в) основные технические средства автоматизации; г) размещение средств автоматизации - местных приборов, отборных устройств, аппаратуры на местных и центральных щитах и пультах, диспетчерских пунктах и т.д.; д) взаимосвязь между средствами автоматизации.
На функциональных схемах автоматизации коммуникации и трубопроводы жидкости и газа изображают условными обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.784-70, а детали трубопроводов, арматура, теплотехнические и санитарно-технические устройства и аппаратура - по ГОСТ 2.785-70.
Приборы, средства автоматизации, электрические устройства и элементы вычислительной техники на функциональных схемах показываются в соответствии с ГОСТ 21.404-85. В стандарте первичные и вторичные преобразователи, регуляторы, электроаппаратуру показывают кружками диаметром 10 мм, исполнительные устройства - кружками диаметром 5 мм. Кружок разделяется горизонтальной чертой при изображении устройств , устанавливаемых на щитах, пультах. В верхней его части условным кодом записывают измеряемую или регулируемую величину и функциональные признаки прибора (показание, регистрация, регулирование и т.п.), в нижней - номер позиции по схеме.
Наиболее применяемые в системах ТГВ обозначения измеряемых величин: D - плотность; Е - любая электрическая величина; F - pаcход; Н - ручное воздействие; К - время, программа; L - уровень; М - влажность; Р - давление (разрежение); Q - качество, coстав, концентрация среды; S - скорость, частота; Т - температура; W - масса.
Дополнительные буквы, уточняющие обозначения измеряемых величин: D - разность, перепад; F - соотношение; J - автоматическое переключение, обегание; Q - интегрирование, суммирование по времени.
Функции, выполняемые прибором: а) отображение информации: А -cигнализация; I - показание; R – регистрация; б) формирование выгодного сигнала: С - регулирование; S - включение, отключение, переключение, сигнализация (Н и L - соответственно верхний и нижний пределы параметров).
Дополнительные буквенные обозначения, отражающие функциональные признаки приборов: Е - чувствительный элемент (первичное преобразование); Т - дистанционная передача (промежуточное преобразование); К - станция управления. Род сигнала: Е - электрический; Р - пневматический; G - гидравлический.
В условном обозначении прибора должны отражаться те признаки, которые используются в схеме. Например, РD1 - прибор для измерения перепада давления, показывающий дифманометр, РIS - прибор для измерения давления (разрежения), показывающий с контактным устройством (электроконтактный манометр, вакуумметр), LCS -электрический контактный регулятор уровня, ТС - терморегулятор, ТЕ - датчик температуры, FQ1 - прибор для измерения расхода (диафрагма, сопло и др.)
Пример выполнения функциональной схемы (см. на рис. 1.1),
Рис. 1. 1. Пример выполнения функциональной схемы
автоматизации редукционно-охладительной установки
где технологическое оборудование изображено в верхней части чертежа, а ниже в прямоугольниках показаны приборы, устанавливаемые по месту и на щите оператора (автоматизации). На функциональной схеме все приборы и средства автоматизации имеют буквенное и цифровое обозначения.
Контуры технологического оборудования на функциональных схемах рекомендуется выполнять линиями толщиной 0,6-1,5 мм; трубопроводные коммуникации 0,6-1,5 мм; приборы и средства автоматизации 0,5-0,6 мм; линии связи 0,2-0,3 мм.
ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ
И ВЕНТИЛЯЦИИ
Новосибирск 2008
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (СИБСТРИН)
Н.А. Попов
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ
ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ
И ВЕНТИЛЯЦИИ
Учебное пособие
Новосибирск 2008
Н.А. Попов
Автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции
Учебное пособие. – Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2008.
В учебном пособии рассмотрены принципы разработки схем автоматизации и существующие инженерные решения по автоматизации конкретных систем теплогазоснабжения и теплопотребления, котельных установок, вентиляционных систем и систем кондиционирования микроклимата.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 270109 направления «Строительство».
Рецензенты:
– В.И. Костин, д.т.н., профессор кафедры
теплогазоснабжения и вентиляции
НГАСУ (Сибстрин)
– Д.В. Зедгенизов, к.т.н., с.н.с. лаборатории
рудничной аэродинамики ИГД СО РАН
© Попов Н.А. 2008 г.
|
Введение................................................................................. | |
|
1. Основы проектирования автоматизированных систем теплогазоснабжения и вентиляции……………………… | |
|
1.1.Стадии проектирования и состав проекта системы автоматизации технологического процесса........................ | |
|
1.2. Исходные данные для проектирования........................... | |
|
1.3. Назначение и содержание функциональной схемы........ | |
|
2. Автоматизация систем теплоснабжения.............................. | |
|
2.1. Задачи и принципы автоматизации................................. | |
|
2.2. Автоматизация подпиточных устройств ТЭЦ................. | |
|
2.3. Автоматизация теплофикационных деаэраторов……… | |
|
2.4. Автоматизация основных и пиковых подогревателей… | |
|
2.5. Автоматизация насосных подстанций............................... | |
|
3. Автоматизация систем теплопотребления........................... | |
|
3.1. Общие замечания………………...................................... | |
|
3.2. Автоматизация ЦТП……………..................................….. | |
|
3.3. Автоматическое регулирование гидравлических режи- мов и защита систем теплопотребления……………….. | |
|
4. Автоматизация котельных установок…………………… | |
|
4.1. Основные принципы автоматизации котельных……… | |
|
4.2. Автоматизация паровых котлов………………………… | |
|
4.3. Автоматизация водогрейных котлов…………………… | |
|
5. Автоматизация вентиляционных систем………………… | |
|
5.1. Автоматизация приточных камер………………………. | |
|
5.2. Автоматизация систем аспирации……………………… | |
|
5.3. Автоматизация вытяжных вентиляционных систем….. | |
|
5.4. Автоматизация воздушно-тепловых завес……………… | |
|
6. Автоматизация систем кондиционирования воздуха…… | |
|
6.1. Основные положения……………………………………. | |
|
6.2. Автоматизация центральных СКВ……………………… | |
|
7. Автоматизация систем газоснабжения……………………. | |
|
7.1. Городские газовые сети и режимы их работы…………. | |
|
7.2. Автоматизация ГРС……………………………………… | |
|
7.3. Автоматизация ГРП……………………………………… | |
|
7.4. Автоматизация газоиспользующих установок…………. | |
|
Список литературы……………………………………………. | |
Автоматизация процессов теплогазоснабжения и вентиляции
1. Системы обеспечения микроклимата как объекты автоматизации
Поддержание в зданиях и сооружениях заданных параметров микроклимата обеспечивается комплексом инженерных систем теплогазоснабжения и кондиционирования микроклимата. Этим комплексом осуществляется выработка тепловой энергии, транспортирование горячей воды, пара и газа по тепловым и газовым сетям к зданиям и использование этих энергоносителей для производственных и хозяйственных нужд, а также для поддержания в них заданных параметров микроклимата.
Система теплогазоснабжения и кондиционирования микроклимата включает в себя наружные системы централизованного теплоснабжения и газоснабжения, а также внутренние (расположенные внутри здания) инженерные системы обеспечения микроклимата, хозяйственных и производственных нужд.
Система централизованного теплоснабжения включает генераторы тепла (ТЭЦ, котельные) и тепловые сети, по которым осуществляется снабжение теплотой потребителей (систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения).
Система централизованного газоснабжения включает газовые сети высокого, среднего и низкого давления, газораспределительные станции (ГРС), газорегуляторные пункты (ГРП) и установки (ГРУ). Она предназначена для снабжения газом теплогенерирующих установок, а также жилых, общественных и промышленных зданий.
Система кондиционирования микроклимата (СКМ) представляет собой комплекс средств, которые служат для поддержания в помещениях зданий заданных параметров микроклимата. К СКМ относятся системы отопления (СВ), вентиляции (СВ), кондиционирования воздуха (СКВ).
Режим отпуска теплоты и газа различен для различных потребителей. Так расход теплоты на отопление зависит в основном от параметров наружного климата, а потребление теплоты на горячее водоснабжение определяется расходом воды, который изменяется в течение суток и по дням недели. Теплопотребление на вентиляцию и кондиционирование воздуха зависит как от режима работы потребителей, так и от параметров наружного воздуха. Потребление газа изменяется по месяцам года, дням недели и по часам суток.
Надежное и экономичное снабжение теплотой и газом различных категорий потребителей достигается применением нескольких ступеней управления и регулирования. Централизованное управление отпуском теплоты осуществляется на ТЭЦ или в котельной. Однако оно не может обеспечить необходимый гидравлический и тепловой режимы у многочисленных потребителей теплоты. Поэтому применяются промежуточные ступени поддержания температуры и давления теплоносителя на центральных тепловых пунктах (ЦТП).
Управление работой систем газоснабжения осуществляется поддержанием постоянного давления в отдельных частях сети независимо от потребления газа. Требуемое давление в сети обеспечивается редуцированием газа в ГРС, ГРП, ГРУ. Кроме того.в ГРС и ГРП имеются устройства для отключения подачи газа при недопустимом повышении или понижении давления в сети.
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха осуществляют регулирующие воздействия на микроклимат с целью приведения его внутренних параметров в соответствие с нормируемыми значениями. Поддержание температуры внутреннего воздуха в заданных пределах в течение отопительного периода обеспечивается системой отопления и достигается изменением количества теплоты, передаваемой в помещение отопительными приборами. Системы вентиляции предназначены для поддержания в помещении допустимых значений параметров микроклимата исходя из комфортных или технологических требований к параметрам внутреннего воздуха. Регулирование работой систем вентиляции осуществляется изменением расходов приточного и удаляемого воздуха. Системы кондиционирования воздуха обеспечивают поддержание в помещении оптимальных значений параметров микроклимата исходя из комфортных или технологических требований.
Системы горячего водоснабжения (СГВ) обеспечивают потребителей горячей водой для бытовых и хозяйственных нужд. Задача управления СГВ заключается в поддержании у потребителя заданной температуры воды при ее переменном потреблении.
2. Звено автоматизированной системы
Всякая система автоматического управления и регулирования состоит из отдельных элементов, выполняющих самостоятельные функции. Таким образом, элементы автоматизированной системы можно подразделить по их функциональному назначению.
В каждом элементе осуществляется преобразование каких-либо физических величин, характеризующих протекание процесса регулирования. Наименьшее число таких величин для элемента равно двум. Одна из этих величин является входной, а другая - выходной. Происходящее в большинстве элементов преобразование одной величины в другую имеют только одно направление. Например, в центробежном регуляторе изменение частоты вращения вала приводят к перемещению муфты, но перемещение муфты внешней силой не вызовет изменения частоты вращения вала. Такие элементы системы, обладающие одной степенью свободы, называют элементарными динамическими звеньями.
Объект управления можно рассматривать как одно из звеньев. Схема, отражающая состав звеньев и характер связи между ними, называется структурной схемой.
Связь между выходной и входной величинами элементарного динамического звена в условиях его равновесия называется статической характеристикой. Динамическое (во времени) преобразование величин в звене определяется соответствующим уравнением (обычно дифференциальным), а также совокупностью динамических характеристик звена.
Звенья, входящие в состав той или иной системы автоматического управления и регулирования, могут иметь разный принцип действия, разное конструктивное исполнение и т.п. В основу классификации звеньев положен характер зависимости между входной и выходной величинами в переходном процессе, который определяется порядком дифференциального уравнения, описывающего динамическое преобразование сигнала в звене. При такой классификации все конструктивное многообразие звеньев сводится к небольшому числу их основных типов. Рассмотрим основные типы звеньев.
Усилительное (безынерционное, идеальное, пропорциональное, безъемкостное) звено характеризуется мгновенной передачей сигнала со входа на выход. При этом выходная величина не меняется во времени, а динамическое уравнение совпадает со статической характеристикой и имеет вид
Здесь х, у - входная и выходная величины соответственно; к - коэффициент передачи.
Примерами усилительных звеньев могут служить рычаг, механическая передача, потенциометр, трансформатор.
Запаздывающее звено характеризуется тем, что выходная величина повторяет входную, но с запаздыванием Лт.
у(т) = х(т- Лт).
Здесь т- текущее время.
Примером запаздывающего звена является транспортное устройство или трубопровод.
Апериодическое (инерционное, статическое, емкостное, релаксационное) звено преобразует входную величину в соответствие с уравнением
Здесь Г - постоянный коэффициент, характеризующий инерционность звена.
Примеры: помещение, воздухонагреватель, газгольдер, термопара и т.п.
Колебательное (двухъемкостное) звено преобразует входной сигнал в сигнал колебательной формы. Динамическое уравнение колебательного звена имеет вид:
Здесь Ti, Тг- постоянные коэффициенты.
Примеры: поплавковый дифманометр, мембранный пневмокла-пан и т.п.
Интегрирующее (астатическое, нейтральное) звено преобразует входной сигнал в соответствии с уравнением
Примером интегрирующего звена может служить электрическая цепь с индуктивностью или емкостью.
Дифференцирующее (импульсное) звено формирует на выходе сигнал, пропорциональный скорости изменения входной величины. Динамическое уравнение звена имеет вид:
Примеры: тахометр, демпфер в механических передачах. Обобщенное уравнение любого звена, объекта управления или автоматизированной системы в целом можно представить в виде:
где а, Ь - постоянные коэффициенты.
3. Переходные процессы в системах автоматического регулирования. Динамические характеристики звеньев
Процесс перехода системы или объекта регулирования из одного равновесного состояния в другое называется переходным процессом. Переходный процесс описывается функцией, которая может быть получена в результате решения динамического уравнения. Характер и продолжительность переходного процесса определяются структурой системы, динамическими характеристиками ее звеньев, видом возмущающего воздействия.
Внешние возмущения могут быть различными, но при анализе системы или ее элементов ограничиваются типовыми формами воздействий: единичным ступенчатым (скачкообразным) изменением во времени входной величины или ее периодическим изменением по гармоническому закону.
Динамические характеристики звена или системы определяют их реакцию на такие типовые формы воздействий. К ним относятся переходная, амплитудно-частотная, фазо-частотная, амплитудно-фазовая характеристики. Они характеризуют динамические свойства звена или автоматизированной системы в целом.
Переходная характеристика представляет собой реакцию звена или системы на единичное ступенчатое воздействие. Частотные характеристики отражают реакцию звена или системы на гармонические колебания входной величины. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - это зависимость отношения амплитуд выходного и входного сигналов от частоты колебаний. Зависимость сдвига по фазе колебаний выходного и входного сигналов от частоты называется фазо-частотной характеристик (ФЧХ). Объединив обе упомянутые характеристики на одном графике, получим комплексную частотную характеристику, которую называют еще амплитудно-фазовой характеристикой (АФХ).
Переходная характеристика определяется решением соответствующего динамического уравнения или экспериментальным путем, частотные характеристики также могут быть найдены из опыта или получены в результате анализа динамического уравнения с использованием методов операционного исчисления.
Интегральное преобразование Лапласа
Чтобы упростить и сделать более наглядным анализ динамического уравнения звена или автоматизированной системы в целом, в теории автоматического управления широко применяется операционный метод. Этот метод, основанный на интегральном преобразовании Лапласа, состоит в том, что изучается не сама функция (оригинал), а некоторое ее видоизменение (изображение).
Преобразование Лапласа, которое определяет связь между оригиналом ff(т) и изображением Ffs), имеет вид:
где s - некоторая комплексная величина (s= i- мнимая единица.
Суть операционного метода состоит в том, что исходное дифференциальное уравнение, содержащее оригинал f(т), сводится с использованием преобразования Лапласа к алгебраическому уравнению относительно изображения F(s), причем величина s рассматривается как некоторое число. Полученное алгебраическое уравнение разрешается относительно функции F(s), а затем осуществляется обратный переход от изображения F(s) к оригиналу/(т), который и является искомым.
Процедура перехода от оригинала к изображению (прямое преобразование Лапласа) изображается символом £[Дт)|, а процедура перехода от изображения к оригиналу (обратное преобразование Лапласа) - символом L-"\F{s)].
Из выражения (2.1) могут быть выявлены основные свойства преобразования Лапласа.
2. Изображение произведения функции на постоянный коэффициент равно произведениюэтого коэффициента на изображение функции
1. Изображение суммы нескольких функций равно сумме изображений этих функций
3. Изображение постоянной определяется выражением
6. Изображение интеграла функции определяется зависимостью
 |
Если в начальный момент времени (т^О) функция/(т) и ее производные до я-1 порядка включительно принимают нулевые значения, то выражение (2.8) примет вид:
Для удобства практического использования операционного метода в инженерных задачах на основе выражения (2.1) получены готовые соотношения для изображений различных функций. Изображения некоторых наиболее употребительных функций приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Изображения некоторых функций
Рассмотренные свойства преобразования Лапласа и имеющиеся формулы связи оригиналов и изображений позволяют быстро отыскать оригинал по изображению функции или наоборот.
Анализ дифференциального уравнения динамики звена операционным методом. Передаточная функция
Применяя к дифференциальному уравнению (1.7) интегральное преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях (когда при г=0 искомая функция и все ее производные обращаются в ноль), получим
Здесь F(s), Х($) - изображения функций у и jcсоответственно. Уравнение (2.11) можно представить в виде
Здесь комплексы A(s), B(s), fV(s) определяется выражениями
Таким образом, динамическое уравнение в изображениях имеет вид, сходный
по (Ьооме со статической характеристикой звена (1.1)
Входящая в выражения (2.12), (2.16) функция W(s) представляет собой отношение изображения выходного сигнала к изображению входного сигнала и называется передаточной функцией.
Передаточная функция fV(s) в динамическом уравнении является аналогом коэффициента передачи к в статической характеристике.
Передаточные функции типовых звеньев и некоторых объектов регулирования приведены в табл. 2.2.
Передаточная функция системы звеньев зависит от способа их объединения.
Передаточная функция последовательно соединенных звеньев равна произведению передаточных функцией этих звеньев
Здесь i- номер звена; я - количество звеньев.
Передаточные функции типовых звеньев и некоторых объектов регулирования
Передаточная функция параллельно соединенных звеньев равна алгебраической сумме передаточных функций этих звеньев
Передаточная функция цепи с обратной связью определяется выражением
где fV\(s) - передаточная функция прямой цепи; fV^s) - передаточная функция обратной связи; знак "+" соответствует отрицательной обратной связи, а знак положительной обратной связи.
Решение динамического уравнения. Расчет переходной характеристики
Из выражения (2.16) с учетом (2.13) - (2.15) следует, что применив интегральное преобразование Лапласа к линейному дифференциальному динамическому уравнению при нулевых начальных условиях, можно получить зависимость для изображения искомой функции в виде
где P(s), Q(s) - некоторые полиномы относительно переменной s.
Применив к функции Y(s) обратное преобразование Лапласа, получим решение исходного динамического уравнения
где si - 1-й корень полинома Q(s); q - количество корней; Q\s)- производная функции Q(s) по переменной s.
С учетом (2.22) решение динамического уравнения примет вид
где S- некоторый числовой коэффициент.
Решение (2.23) может быть использовано в частности для расчета переходной характеристики. Для этого нужно описать приближенной аналитической функцией единичное ступенчатое изменение входной величины и с использованием этой функции сформировать полиномы P(s) и Q(s). Для приближенного описания единичного ступенчатого изменения входной величины может быть использована функция
Таким образом, если известно выражение для передаточной функции, то с использованием зависимости (2.25) нетрудно сформировать полиномы P(s) и Q(s). Например, для апериодического звена, передаточная функция которого в соответствии с табл. 2.2 определяется соотношением
полиномы P(s) и Q(s) имеют вид
Полином третьей степени (2.28) имеет 3 корня: s/=0; S2=-S; s 3 =-
ПроизводнаяQ"(s) функции Q(s) имеет вид
а ее значения, подставляемые в выражение (2.23), определяются соотношениями
С учетом (2.27), (2.30) выражение (2.23) для расчета переходной характеристики примет вид
Аналогично получается решение динамического уравнения при произвольном изменении входной величины. При этом вместо функции (2.24) выбирается другая функция, описывающая изменение входной величины.
частотные характеристики
Если известна передаточная функция звена, объекта или системы, то их частотные характеристики можно отыскать путем замены в этой функции переменной s на произведение ш, где i- мнимая единица,» -круговая частота. Полученную в результате такой замены функцию комплексного переменного fV(ico) можно представить в тригонометрической или показательной формах
Здесь А(со) - отношение амплитуд выходного и входного сигналов; ср^со) - сдвиг по фазе между выходным и входным сигналами.
Зависимость относительной амплитуды А(со) от частоты со представляет собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), а зависимость сдвига по фазе ср(со) от частоты со - фазо-частотную характеристику (ФЧХ).
На комплексной плоскости функцию W(ico) можно представить как геометрическую сумму вещественной R(co) и мнимой И(со) частей.
Зависимость (2.34) определяет комплексную частотную характеристику, которая называется амплитудно-фазовой характеристикой (АФХ).
Между функциями А(а>), (р^со), R(a>), 1(а>) существует однозначная связь
Получение АЧХ, ФЧХ, АФХ рассмотрим на примере колебательного звена с передаточной функцией, определяемой соотношением
Умножив числитель и знаменатель выражения (2.38) на величину (l-T^aP-iTito), освободимся от иррациональности в знаменателе
Из условия тождественности выражений (2.34), (2.39) получаем соотношения для величин R(a>) и 1(а>)
Дальнейший анализ выполняется с помощью выражений (2.34) -(2.36).
Таблица 2.3
Графики переходных процессов и амплитудно-фазовые характеристики типовых звеньев
Примеры графиков переходных процессов и амплитудно-фазовых характеристик для различных звеньев приведены в табл. 2.3.
Динамическое уравнение отапливаемого помещения
Динамическое уравнение отражает зависимость температуры внутреннего воздуха от регулирующих и управляющих воздействий, а также от времени.
Рассматривая помещение как объект с сосредоточенными параметрами и считая температуру внутреннего воздуха неизменной по его объему, получим уравнение теплового баланса воздуха в помещении в виде:
где р - плотность воздуха в помещении; с р - удельная изобарная теплоемкость воздуха; U - температура внутреннего воздуха; V - объем помещения; г - время; Q c - тепловой поток, передаваемый в помещение системой отопления; Q„ om - тепловой поток, обусловленный теплопо-терями через ограждающие конструкции.
Тепловой поток Q c для приборных систем отопления определяется соотношением
а для систем воздушного отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха
Здесь коэффициент теплопередачи и площадь нагрева отопи-
тельных приборов соответственно; to- средняя температура теплоносителя; G - массовый расход воздуха в системе воздушного отопления, вентиляции или кондиционирования; t np - температура приточного воздуха.
Тепловой поток Опот выражается зависимостью
где к, F - коэффициент теплопередачи и площадь ограждающих конструкций соответственно; U- температура наружного воздуха.
Регулирование температуры внутреннего воздуха и при использовании приборных систем отопления может осуществляться путем изменения температуры теплоносителя и или его расхода, от которого зависит коэффициент теплопередачи кп. В системах воздушного отопления регулирование осуществляется изменением температуры приточного воздуха t np или его расхода G.
В зависимости от системы отопления и способа регулирования меняется и вид динамического уравнения. Так для системы воздушно-
го отопления при регулировании температуры t e изменением расхода приточного воздуха или его температуры t„ P динамическое уравнения отапливаемого помещения принимает вид
Для систем приборного отопления при регулировании температуры teизменением температуры теплоносителя и динамическое уравнение отапливаемого помещения имеет вид
Более сложный вид имеет динамическое уравнение при использовании систем приборного отопления с регулированием температуры и за счет изменения расхода теплоносителя. Для его получения необходимо знать связь между этим расходом и коэффициентом теплопередачи к„. Влияние расхода теплоносителя на коэффициент теплопередачи зависит от вида теплоносителя (вода или пар), конструкции и материала отопительных приборов, толщины их стенок, интенсивности теплоотдачи к окружающему воздуху.
Динамическое уравнение вентилируемого помещения
Динамическое уравнение характеризует изменение концентрации вредных веществ в помещении во времени в зависимости от характеристик воздухообмена.
Пусть в начальный момент времени концентрация вредных веществ в помещении равна с». В этот момент времени в помещении начинает действовать источник выделения вредных веществ с интенсивностью Мер и включается система общеобменной вентиляции. Будем считать объемные производительности приточной и вытяжной систем вентиляции одинаковыми и равными L. Примем допущение о том, что вредные вещества распределяются по объему помещения равномерно, а их концентрация во всех его точках одинакова и равна с. Обозначим концентрацию вредных веществ в приточном воздухе с„ и с учетом принятых допущений составим уравнение их баланса в помещении
Из уравнения (3.7) получаем динамическое уравнение вентилируемого помещения
Здесь регулируемым параметром является концентрация с, а само регулирование осуществляется путем изменения производительности вентиляционной системы L.
Динамическое уравнение смесительного теплообменника
Схема смесительного теплообменника вместе со схемой автоматического регулирования температуры теплоносителя приведена на рис. 3.1. *
На вход смесительного теплообменника подается холодная вода массовым расходом G\ и сухой насыщенный пар массовым расходом Gi. На выходе из теплообменника получают смесь подогретой воды и конденсата. Система автоматического регулирования обеспечивает поддержание температуры смеси на заданном уровне. Датчик 2 воспринимает изменение температуры смеси на выходе теплообменника и воздействует на сильфон 3. Сильфон 3 через рычажную передачу 4 перемещает струйную трубку 5, управляющую гидравлическим сервомотором 6. Сервомотор 6 перемещает затвор клапана 7, регулируя расход пара Gi.
Получим динамическое уравнение для смесительного теплообменника, характеризующее изменение во времени температуры смеси. Для этого составим уравнение теплового баланса
Здесь G CM - расход смеси на выходе теплообменника; с - удельная теплоемкость воды; М - масса жидкости в теплообменнике; г - скры-
тая теплота парообразования; t- температура смеси; и - температура холодной воды на входе в теплообменник.
Считая, что регулируемым параметром является температура смеси t, а регулирование осуществляться за счет изменения расхода пара Gi, из уравнения (3.9) получим динамическое уравнение
Аналогичным образом может быть получено динамическое уравнение всей системы автоматического регулирования температуры в смесительном теплообменнике. В таком уравнении регулируемым параметром также является температура смеси t, но входным параметром будет не расход пара Gi, а перемещение hзатвора клапана.
Динамическое уравнение автоматического регулятора давления газа
Схема автоматического регулятора давления приведена на рис. 3.2. Регулятор обеспечивает поддержание заданного давления Ра в газгольдере или любом другом объекте.
При давлении в газгольдере,равном заданному /> 0 ,сила давления Fна мембрану 1 уравновешивается противодействием пружины 2, при этом шток клапана остается неподвижным. При повышении давления под действием каких-либо причин шток клапана опустится, клапан откроется, выпустив излишки газа в магистраль, и давление р 0 восстановится.
Если регулятор устанавливается на объект с другим давлением р« или в этом же газгольдере требуется изменить настройку на другое давление р 0 " (или р 0 "), то настройка регулятора на другое давление осуществляется поджимной гайкой 3. При настройке на большее давление поджимную гайку перемещают вверх. В этом случае мембрана под воздействием дополнительного усилия пружины также переместится вверх, и клапан прикроется. Уменьшение пропускной способности клапана приведет к повышению давления. При настройке на меньшее давление поджимную гайка перемещают вниз. В этом случае установится новый режим с меньшим давлением.
Получим динамическое уравнение регулятора, характеризующее изменение во времени перемещения у штока клапана в зависимости от изменения давления р. Для этого рассмотрим условие равновесия подвижных деталей регулятора
Здесь F n - сила упругости пружины; F u - сила инерции подвижных деталей; F m - сила трения подвижных деталей о неподвижные.
Входящие в уравнение (3.11) величины определяется выражениями
