Математическая модель системы автоматического управления температурой жидкости на выходе теплообменника - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа
Главная
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Математическая модель системы автоматического управления температурой жидкости на выходе теплообменника
Построение концептуальной, логической аналитической и инструментальной модели систем автоматического регулирования. Параметры настройки регуляторов. Удельная теплоемкость охлаждающей воды. Уравнение теплового баланса. Математическая модель редуктора.
посмотреть текст работы
скачать работу можно здесь
полная информация о работе
весь список подобных работ
Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Научиться разрабатывать математические модели систем автоматического регулирования и определять параметры настройки регуляторов.
построить концептуальную модель объекта;
построить математическую логическую аналитическую модель объекта;
построить инструментальную модель объекта;
исследовать модель и определить настройки регулятора;
Разработать математическую модель системы автоматического управления температурой жидкости на выходе теплообменника погружного типа «смешение-вытеснение», провести ее исследование и определить тип и рациональные значения параметров настройки регулятора.
Теплоноситель жидкость двигается по змеевику с переменной скоростью W в режиме идеального вытеснения. Змеевик погружен в проточный резервуар, заполненный жидкостью, которая в резервуаре идеально перемешивается. Управление производится изменением скорости движения жидкости по змеевику.
Модель получена при следующих ограничениях:
тепловые емкости стенок резервуара и змеевика пренебрежимо малы;
потери тепла в окружающую среду пренебрежимо малы;
объем жидкости в резервуаре V1 постоянен.
Теплообмен происходит через поверхность змеевика F3.
Температура охлаждающей воды в резервуаре ИX = 20 0С;
Температура охлаждаемой жидкости, поступающей в змеевик ИГ, = 95 0С.
Температура жидкости на выходе змеевика должна быть равной 40 С;
Сечение трубки змеевика S = 10-4, м2;
Коэффициент теплопередачи б = 1.2102 Вт/(м2С);
Номинальный объемный расход охлаждающей жидкости VX = 610-4, м3/с;
Плотность охлаждаемой жидкости = 700, кг/м3;
Удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости сР = 2.09 103, Дж/(кгС).
Исполнительный механизм - электрический.
В курсовой работе приведена математическая модель системы автоматического управления температурой жидкости на выходе теплообменника погружного типа «смешение-вытеснение», проведено ее исследование и определены тип и рациональные значения параметров настройки регулятора.
Курсовой проект содержит пояснительную записку из 20 страниц текста, 10 рисунков и 2 литературных источника.
Теплоноситель - жидкость двигается по змеевику с переменной скоростью W в режиме идеального вытеснения. Змеевик погружен в проточный резервуар, заполненный жидкостью, которая в резервуаре идеально перемешивается. Управление производится изменением скорости движения жидкости по змеевику.
Модель получена при следующих ограничениях:
- тепловые емкости стенок резервуара и змеевика пренебрежимо малы;
- потери тепла в окружающую среду пренебрежимо малы;
- объем жидкости в резервуаре V1 постоянен и равен 3 м3.
Исполнительный механизм - гидравлический.
Принципиальную схему регулирования температуры жидкости на выходе теплообменника можно представить в виде:
Рис. 1. Принципиальная схема регулирования температуры:
1 - резервуар; 2 - змеевик; 3 - исполнительное устройство; 4 - регулятор температуры; 5 - датчик температуры.
Функциональную схему регулирования уровня жидкости в резервуаре можно представить в виде:
Рис.2. Функциональная схема системы автоматического управления температурой жидкости на выходе из теплообменника:
лвозм - возмущающее воздействие; лрег - регулирующее воздействие; Твых - сигнал температуры жидкости на выходе; Тзад - сигнал заданной температуры жидкости; Д - рассогласование; u - сигнал управления.
Объект регулирования - змеевик, погруженный в проточный резервуар с линиями подвода и отвода жидкости.
Регулируемый параметр - температура жидкости на выходе змеевика
Сечение трубки змеевика S = 10-4, м2;
Номинальные значения параметров процесса.
Температура охлаждающей воды в резервуаре ИX = 20 0С;
Номинальный объемный расход охлаждающей жидкости VX = 610-4, м3/с;
Плотность охлаждающей воды в резервуаре = 1000, кг/м3;
Удельная теплоемкость охлаждающей воды сх = 4,2 103, Дж/(кгС)
Температура охлаждаемой жидкости, поступающей в змеевик ИГ, = 95 0С.
Температура жидкости на выходе змеевика должна быть равной 40 С;
Коэффициент теплопередачи б = 1.2 102 Вт/(м2С);
Плотность охлаждаемой жидкости = 700, кг/м3;
Удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости сз = 2,09 103, Дж/(кгС).
Датчик температуры формирует на выходе сигнал напряжения, пропорциональный значению температуры жидкости на выходе змеевика.
Регулятор представляет собой типовой электрический ПИД-регулятор, на вход которого поступает сигнал рассогласования, сформированный элементом сравнения «ЭС», как разность сигналов датчика и задатчика, а на его выходе формируется управляющий сигнал в границах ± 10 В.
Исполнительное устройство включает два согласующих устройства и исполнительный механизм
Функциональная схема исполнительного устройства может быть представлена в виде:
Рис. 4. Функциональная схема исполнительного устройства.
СУ1 - согласующее устройство - используется преобразователь давления, на вход которого поступает сигнал управления, сформированный регулятором «U», в виде напряжения - 0…10В, на выходе формируется сигнал «Р1», в виде давления равный 0,25МПа;
ИМ - гидравлический исполнительный механизм - преобразует сигнал на входе «Р1», в виде давления сформированного на выходе СУ1 и равного 0,25МПа, в сигнал на выходе «Р2», в виде давления, изменяющегося в пределах 2,5…20МПа;
СУ2 - согласующее устройство - используется преобразователь перемещения, на вход которого поступает сигнал, сформированный ИМ в виде давления «Р2», равного 2,5МПа, на выходе формируется сигнал «ХШТ», в виде перемещения штока равного 16мм
Анализ концептуальной модели позволяет отнести объект регулирования к непрерывно-детерминированным моделям (D - схемы).
Объект регулирования рассматривается как одноемкостной и может быть описан дифференциальным уравнением первого порядка вида:
где Т - постоянная времени (время разгона) объекта;
И - относительная величина регулируемого параметра;
Fд - коэффициент самовыравнивания объекта;
л - относительная величина возмущающего воздействия.
Для составления аналитической модели, мы должны связать параметры дифференциального уравнения: время разгона объекта и коэффициент самовыравнивания с физическими параметрами объекта.
Изменение температуры охлаждаемой жидкости в змеевике, который погружен в проточный резервуар, зависит от:
1) количества теплоты, вносимой в резервуар входным потоком;
2) количества теплоты, уносимой из резервуара выходным потоком;
3) количества теплоты, получаемого в результате теплообмена между охлаждающей водой в резервуаре и охлаждаемой жидкостью в змеевике (теплообмен происходит через поверхность змеевика).
Следует иметь в виду, что теплоемкость, плотность и температура выходного потока равны теплоемкости, плотности и температуре среды, находящейся в аппарате.
Количество теплоты, заключенной в охлаждаемой жидкости, находящейся в змеевике, равно произведению:
где - теплоемкость охлаждаемой жидкости, Дж/(кг·°С),
- плотность охлаждаемой жидкости, кг/м3,
- температура охлаждаемой жидкости, °С,
Расход охлаждаемой жидкости найдем по формуле:
- скорость течения потока охлаждаемой жидкости, м/с,
Примем скорость потока охлаждаемой жидкости равной 2,5м/с, тогда расход охлаждаемой жидкости будет равен:
Количество теплоты, вносимой в резервуар входным потоком охлаждающей воды, равно:
где - теплоемкость охлаждающей воды, кг/м3,
- плотность охлаждающей воды, кг/м3,
- температура охлаждающей воды на входе в резервуар, °С.
Количество теплоты, уходящей из резервуара с выходным потоком охлаждающей воды, равно:
где - температура охлаждающей воды на выходе из резервуара, °С.
Количество теплоты, передаваемое в результате теплообмена между охлаждающей водой в резервуаре и охлаждаемой жидкостью в змеевике (учитывая, что теплообмен происходит через поверхность змеевика), равно:
где - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·°С),
- температура охлаждаемой жидкости на входе в змеевик, °С,
- температура охлаждаемой жидкости на выходе из змеевика, °С
Поверхность змеевика найдем по формуле:
Уравнение теплового баланса на основании (2) - (7) имеет вид:
- величина возмущающего воздействия.
Таким образом, подсчитав значения постоянной времени и коэффициента усиления, получим дифференциальное уравнение, описывающее объект регулирования:
Приведем уравнение к канонической форме записи для чего разделим обе части уравнения на Fд:
Вычислим постоянную времени объекта и коэффициент усиления:
С учетом полученного, передаточная функция объекта управления будет иметь вид:
На объекте использован датчик температуры, передаточная функция звена которого имеет вид:
Передаточная функция звена будет иметь вид:
В модели будем использовать ПИД-регулятор математическая модель которого, имеет вид:
Передаточная функция звена имеет вид:
В качестве электродвигателя будем использовать асинхронный четырех полюсный двигатель, для которого синхронная частота вращения ротора n при частоте тока питающей сети 50 Гц равна 25 об/c, а зависимость частоты вращения ротора от частоты тока питающей сети линейная.
Двигатель для схемы (f > n) представляет собой звено первого порядка, передаточная функция которого имеет вид:
Коэффициент передачи для двигателя в этом случае равен
Постоянную времени для электродвигателей можно определить по моментам инерции, либо маховым моментам ротора, приводимым в каталогах. Для асинхронных трехфазных двигателей единой серии мощностью 0.6…1.5 кВт постоянную времени ТДВ можно принимать в пределах от 0.6 до 1.8 с.
Однако для дальнейшего использования нам необходимо получить преобразование несколько другого вида: (f > ш1), где ш 1 - угол поворота якоря двигателя, об.
В этом случае передаточная функция примет вид:
Ограничим перемещение штока вентиля до 0,5 Dу, для чего используем интегратор «с насыщением».
1.3.5.3 Математическая модель редуктора (ш1 > ш2), где ш2 - угол поворота выходного вала редуктора, об.
Полагаем, что редуктор привода настраиваемый, поэтому модель привода должна содержать настройку.
1.3.5.4 Математическая модель механизма привода штока вентиля (ш2 > ХШТ.1), где Хшт - перемещение штока вентиля, м
Будем считать, что перемещение штока вентиля производится механизмом «винт-гайка». Шаг гайки h примем равным 0.004 м. Тогда kп.шт = 0.004 м/об.
1.3.5.5 Математическая модель исполнительного устройства в целом (u > ХШТ.1), где u - сигнал управления, В
Модель исполнительного устройства в целом имеет вид :
Полагая, что полное перемещение штока вентиля ХШТ равно половине диаметра условного прохода трубы, рассчитаем значение коэффициента передачи для крана. Учитывая, что Dу = 0.1м , тогда для крана запишем:
Возмущающим воздействием для объекта регулирования (см. выше из уравнения 9) является л(t) - относительное возмущение (в долях номинальных значений возмущающих сигналов), которое складывается из трех возмущений: колебаний параметров притока в резервуар л1(t), колебаний параметров оттока из резервуара л2(t) и колебаний параметров притока в змеевик л3(t):
Структурная схема системы автоматического управления уровнем жидкости в резервуаре может иметь вид:
Рис. 5. Структурная схема системы автоматического регулирования уровня жидкости в резервуаре.
form. vozd. - звено, формирующее возмущение;
Тvx.zmei - температура охлаждаемой жидкости на входе в змеевик;
Тvx.rez - температура охлаждающей воды на входе в резервуар;
Тvix.rez - температура охлаждающей воды на выходе из резервуара;
Xsht - перемещение штока крана на входе в змеевик;
Кsu1, Кsu2 - коэффициенты передачи согласующих устройств;
Кim - коэффициент передачи исполнительного механизма;
Т(t) - относительное значение температуры жидкости на выходе из теплообменника.
Реализовать модель будем в пакете MATLAB, при этом воспользуемся инструментом визуального моделирования SIMULINK.
Представим четыре модели в виде подсистем: модель объекта регулирования, модель формирователя возмущений, модель исполнительного устройства и модель регулятора.
Рис.6. Инструментальная модель объекта регулирования.
Рис. 7. Инструментальная модель звена, формирующего возмущения.
Рис. 8. Инструментальная модель исполнительного устройства.
Рис. 9. Инструментальная модель регулятора.
Общая схема инструментальной модели, системы автоматического регулирования уровня жидкости в емкости, представлена на рисунке
Рис. 10. Инструментальная модель системы автоматического управления.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
увеличение коэффициента пропорциональной части регулятора незначительно изменяет общую картину переходного процесса;
введение дифференцирующего звена уменьшает перерегулирование и время регулирования;
последовательное увеличение коэффициента дифференцирующего звена приводит к вполне приемлемому результату;
отсутствие статической ошибки можно объяснить наличием интегрирующего звена в цепи управления;
приемлемым регулятором можно считать ПД-регулятор;
приемлемыми параметрами настройки можно считать: P=20, I=0, D=100.
В ходе выполнения курсовой работы получены навыки разработки математических моделей систем автоматического регулирования и определения параметров настройки регуляторов. Разработана математическая модель системы автоматического управления температурой жидкости на выходе теплообменника погружного типа «смешение-вытеснение. При выполнении работы построена концептуальная, математическая логическая аналитическая и инструментальная модели объекта; модель исследована и определены оптимальные настройки регулятора; обсуждены результаты исследований.
Техническая реализация системы автоматического управления температурой воды на выходе из водогрейного отопительного котла ПТВМ-50. Схема рециркуляции воды с индивидуальными рециркуляционными насосами и перемычками перепуска в ячейке каждого котла. курсовая работа [1,0 M], добавлен 25.01.2013
Передаточная функция разомкнутой системы. Анализ устойчивости системы автоматического управления. Амплитудно-фазовая частотная характеристика системы. Критерий устойчивости Гурвица. Анализ переходного процесса при подаче ступенчатого воздействия. курсовая работа [1,1 M], добавлен 18.10.2012
Описание системы автоматического контроля и регулирования уровня воды в котле. Выбор регулятора и определение параметров его настройки. Анализ частотных характеристик проектируемой системы. Составление схемы автоматизации управления устройством. курсовая работа [390,0 K], добавлен 04.06.2015
Математическая модель объекта управления в пространстве состояния. Структурная схема и сигнальный граф. Формула Мейсона и передаточная функция объекта управления. Матричное уравнение для выходной переменной. Условия устойчивости системы и ее корни. курсовая работа [514,1 K], добавлен 12.05.2009
Система автоматического управления. Алгоритм модального формирования динамических свойств системы. Матрица линейных стационарных обратных связей на основе алгебраического уравнения типа Сильвестра. Математическая модель наблюдателя Люенбергера. реферат [294,7 K], добавлен 26.08.2010
Выбор, обоснование типов регуляторов положения, скорости, тока, расчет параметров их настройки. Синтез системы регулирования методами модального и симметричного оптимума. Построение переходных характеристик объекта регулирования по регулируемым величинам. курсовая работа [777,3 K], добавлен 01.04.2012
Трубопровод с участком регулирования расхода пара. Инструментальная модель объекта регулирования. Модель системы автоматического регулирования расхода. Функциональная схема блока электропривода. Графики зависимостей для различных настроек регулятора. курсовая работа [202,5 K], добавлен 14.10.2012
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .
© 2000 — 2021
Математическая модель системы автоматического управления температурой жидкости на выходе теплообменника курсовая работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Практическая База Исследования В Курсовой Работе Пример
Сочинение На Тему Любовь По Плану
Скачать Работу Народность Поэзии Лермонтова Дипломная Работа
Курсовая работа по теме История физической культуры
Реферат 5 Класс История Река Нил
Курсовая Работа На Тему Амортизаційна Політика Підприємства В Ринкових Умовах Господарювання
Богатыри Васнецов Картина Сочинение 2
Современное дошкольное образование детей с ограниченными возможностями
Контрольная работа: Чертеж катушки трансформатора радиоэлектронной аппаратуры
Реферат по теме Эффективность инвестиций в человеческий капитал в Ставропольском крае. Концепция эффективности труда...
Реферат: Femininity Essay Research Paper The New FemininityFemininity
Курсовая работа по теме Технологии формирования имиджа политического лидера (на примере В.В. Путина)
Реферат по теме Наполеон Бонапарт и Александр I
Курсовая работа: Горнодобывающая промышленность Соединенных Штатов Америки
Ответственность за нарушение трудового законодательства
Устройство доменной печи исостав доменного цеха
Контрольная работа: Факторный анализ выполнения плана и динамики изменения показателей на предприятии
Контрольная работа по теме Вещное право
Лечебно Охранительный Режим В Хирургическом Отделении Реферат
Сочинение: Предметный мир в романе Гончарова Обломов
Животные Южной Америки - География и экономическая география презентация
Погост Кижи - География и экономическая география презентация
Конституционно-правовое регулирование роспуска Государственной Думы ФС РФ - Государство и право курсовая работа