Лекции по «Системы управления химико-технологическими процессами»

 

Первичным преобразователем или датчиком – называется устройство, которое преобразует измеряемые параметры в сигнал удобный для дальнейшей передачи и обработки.

Все измерительные преобразователи  делятся на 2 основные группы:

-Параметрические

-Генераторные.

Параметрические преобразователя для своей работы требуют внешние источники питания, а генераторные работают за счет энергии измеряемой величины.

 

 

 

4.1 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

 

4.1.2 Потенциометрические преобразователи.

 

Принцип действия основан на изменении  выходной величины преобразователя под воздействием

механических усилий.

     U_вых =I*R_x =

   

 

σ_х – относительное перемещение движка потенциометра определяется положением подвижного контакта С, который под воздействием механических усилий перемещается по длине потенциометра АВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 62

 

Возможные варианты применения: преобразование давления с помощью сильфонных, пружинных  и мембранных деформационных приборов.

 

4.1.3 Тензометрические преобразователи.

 

Принцип действия основан на тензоэффекте, т.е. способности материалов изменять сопротивление электрическому току под воздействием механических усилий.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 63

 

Тензоэффект характеризуется коэффициентом  тензочувствительности:

 S_т =ΔR/ΔL

ΔR – относительное изменение сопротивлению,

ΔL – относительная деформация.

S_т (Ме)=(5-7); 

S_т (п/п)=(10-15)

Металлы обладают меньшим S_т но при этом имеют большую механическую прочность. П/П материалы имеют меньшую механическую прочность.

Тензодатчики конструктивно представляют собой витки выполненные из проволоки соответствующего материала, расположенные на диэлектрической подложке. Конфигурация витков может быть различной в зависимости от вида деформации.

Тензодатчики для измерений  могут использоваться, как отдельно взятые элементы, но в большинстве случаев используются в составе мостовой схемы. Возможные варианты применения:

- тензометрические балки, - мембранные  тензометрические датчики давления.

 

4.1.4 Фотоэлектрический преобразователь

 

Принцип действия основан на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффектов.

По принципу внутреннего фотоэффекта  сопротивление фотоэлемента определяется величиной светового потока:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 64

 

 

Из анализа формулы видно, что наиболее предпочтительным вариантом изменения светового потока является изменение расстояния - r

Достоинства данной схемы:

- высокая чувствительность,

- быстродействие,

- относительная простота изготовления,

- надёжность.

Минус заключается в создании необходимых  условий работы (запыленность).

 

4.1.5 Трансформаторный преобразователь.

 

Принцип действия основан на принципе действия трансформатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 65

 

В трансформаторном преобразователе первичная обмотка выполнена в виде катушки, а вторичная в виде подвижной рамки.

Измеряемое механическое усилие Р должно создавать крутящий момент, который поворачивает рамку вокруг оси.

Если рамка параллельна базовой линии NN, т.е. α =0, то U_вых =0; Если α =π /2 , то U_вых =U_мах

Для получения однозначных результатов, необходимо, чтобы α находился в пределах

0= <α=<π/2

 

4.1.6 Индуктивный преобразователь.

 

Принцип действия основан на изменении  индуктивности (индуктивного сопротивления) преобразователя при изменении конфигурации магнитопровода под воздействием механических усилий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 66

 

Величина индуктивности данного преобразователя определяется положением подвижного сердечника, который приводится во вращательное движение с помощью измеряемого механического усилия.

 

 

 

4.1.7 Емкостной преобразователь.

 

Принцип действия основан на изменении  величины электрической ёмкости (емкостного сопротивления) под влиянием внешних факторов (см. электрические уровнемеры.)  

  

 

4.2 ГЕНЕРАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

 

4.2.1 Термопары (см. измерение температуры)

 

4.2.2 Индукционный

 

Конструктивно данный преобразователь  представляет собой подвижную рамку, расположенную между полюсными  наконечниками постоянного магнита.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 67

Данный преобразователь используется в качестве тахогенераторов для определения частоты вращения рабочих органов.  

 

4.2.3 Пьезометрический преобразователь.

Принцип действия основан на пьезоэффекте, т.е. способности материалов накапливать  заряды на сторонах пластин под воздействием механических усилий. Данные преобразователи обладают высокой чувствительностью и точностью, но при этом имеют малую механическую прочность.

 

 

4.3 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ.

 

4.3.1 Компенсирующая или уравновешивающая схема.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 68

 

Принцип действия основан на уравновешивании или компенсации ЭДС П.И.П. напряжением внешнего источника тока

 

 

Схема будет работоспособной,  если токи I₁ и I₂ будут протекать по участку АС в одном направлении.

 

 

4.3.2 Мостовая схема

 

В мостовых измерительных схемах параметрический П.И.П. включается в плечо(плечи) мостовый схемы, а генераторные П.И.П. ы дифференциально включаются в измерительную диагональ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 69

 

 

Использование мостовых схем позволяет  получить выходные величины разных знаков для управления работой автоматических устройств. 

 

4.3.3 Дифференциально-трансформаторная схема.

 

 Принцип действия основан  на реализации метода контурных токов, согласно которому, ток в смежной ветви равен разности двух контурных токов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 70

 

Измеряемые механические усилия Р  через передаточный механизм перемещает контакт С по потенциометру, при этом в смежной ветви контролируется разность двух контурных токов.

 Во вторичных приборах дифференциально-трансформаторной  системы первичные обмотки измерительных систем соединяются последовательно, а вторичные – встречно. Вследствие этого в трансформаторной системе вторичного прибора возникает разность ЭДС, которая компенсируется в момент уравновешивания.

 

5 Основы моделирования управляющих технических систем

 

Объектом химической технологии называется система аппаратов и машин, в которых химико-технологические величины поддерживаются автоматическими регуляторами на заданном значении или изменяются по определенному закону.

Входные величины объектов – это потоки жидкостей, газов, сыпучих веществ, тепловые потоки.

Возмущающие воздействия – это изменения параметров исходного сырья и энергетических объектов, состояние энергетической аппаратуры.

Выходные величины объектов – это величины, которые характеризуют протекание ХТ процесса (T,P,F,L ...)

Нагрузка объекта – это колическтвово вещества или тепла, которое проходит через объект за единицу времени.

Математическая  модель – это совокупность математических уравнений, отражающих взаимосвязь между входными и выходными величинами.

 Математическая модель должна отражать особенности объекта с точки зрения его управления, должна быть адекватной моделируемому объекту (т.е. отражать его свойства количественно и качественно).

В соответствии с физ. сущностью процессов, протекающих в объекте, математические модели делят на:

-детерминированные;                   -стохастические.

В детерминированных моделях значения выходных величин однозначно определяются значениями входных величин. Для их решения применяются методы классического анализа и численные методы.

В стохастических моделях отсутствует  четкое соответствие между значениями входных и выходных величин. Для их решения применяются методы теории вероятности и математической статистики.

 

 

 

5.1 Классификация объектов управления.

 

5.1.1. Одномерные объекты

 

Эти объекты имеют одну выходную величину и характеризуются одним  уравнением статики и одним уравнением динамики.                                                                        

F_пр, F_р – входные величины

L – выходная величина

L=f(F_пр,F_р) – Ур-е статики

L=f(F_пр,F_р,t) – Ур-е динамики

Для одномерного объекта схема  динамического канала имеет вид:

 

 

 

 

 

 

Рисунок 71

 

По данной схеме видно, что выходная величина определяется параметрами 2-х входных величин.

 

5.1.2 Многомерные объекты

 

Данные объекты содержат 2,3 и  более выходных величин. Число уравнений  должно соответствовать числу входных величин.

Объект с независимыми выходными величинами.

Изменение одной из входных величин  приводит к изменению только своей выходной величины.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 72

 

Данная схема соответствует  процессу испарения однокомпонентной жидкости с непрерывным отбором

паровой фазы

F =f(q1,q2) T=f(P) – уравн. статистики

F =f(q1,q2,t) T=f(P,t) – уравн. Динамики

Схема динамического канала имеет вид:     

 

 

 

 

 

 

Рисунок 73

 

 

 

Объект со взаимосвязанными выходными величинами.

В данном объекте изменение входных  величин приводит к одновременному изменению нескольких выходных величин.

Рассмотрим непрерывный экзотермический реактор идеального перемешивания.

В данном объекте имеются                     

5 входных величин: F,Q_н,T_н,T_x,F_x

3 выходных величины: Q,T,F

Q =f(F,F_x,Q_н,T_н,T_x,t) 

T =f(F,F_x,Q_н,T_н,T_x,t)   уравнения динамики

Схема динамического канала имеет  вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 74

 

 

5.1.3 Объект с сосредоточенными параметрами.

 

 У этих объектов регулируемые  величины в данный момент времени  имеют одно числовое значение. Динамика таких объектов описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.

 

5.1.4 Объекты с распределенными параметрами.

 

 У данных объектов одноименные  параметры имеют разные числовые  значения в разных точках аппарата  в данный момент времени. Динамика таких объектов описывается дифференциальными уравнениями в частных производных. Для их решения используются методы разбивки на участки, где параметры являются сосредоточенными.

 

5.2 Свойства объектов управления.

 

Самовыравнивание – это свойство устойчивого объекта устанавливаться в равновесное состояние после изменения входной величины.

Скорость изменения выходной величины постепенно уменьшается до нуля, что связанно с наличием внутренней отрицательной обратной связи.

Самовыравнивание определяется степенью самовыравнивания       = х / y_∞

y_{∞ -} равновесное состояние выходной величины.

Чем больше степень самовыравнивания, тем меньше отклонение выходной величины от первоначального положения.