Проектирование автоматического регулирующего устройства (регулятора) для поддержания заданных значений уровня жидкости (воды) в объекте

1. Задание на курсовое проектирование

Спроектировать, рассчитать и построить статическую характеристику автоматического регулирующего устройства (регулятора) для поддержания заданных значений уровня жидкости (воды) в объекте.

Регулируемым объектом является резервуар (объем конечных размеров с постоянной площадью поперечного сечения S в направлении координаты уровня Н), в котором необходимо поддерживать в заданных пределах уровень

Рис. 1

Приток жидкости (нагрузка) в процессе эксплуатации объекта изменяется произвольным образом в установленном диапазоне:

Отток жидкости управляется регулирующим органом (расходным клапаном), координата которого т изменяется в диапазоне

Исходные данные для расчета системы регулирования уровня жидкости в баке:

Таблица 1

2. Описание автоматического регулирующего устройства

В качестве прототипа рассматривается схема автоматического регулирующего устройства, построенного на типовых гидравлических элементах Рис. 2. Принципиальная схема автоматического регулирующего устройства:

1- резервуар с жидкостью; 2- уравнительный сосуд; 3- мембранный чувствительный элемент; 4- элемент сравнения; 5- струйный усилитель с регулирующей заслонкой; 6- сервомотор; 7- регулирующий орган (расходный клапан); 8- пружина обратной связи регулятора; 9- установочная пружина; 10- поворотный валик; 11- дроссельный клапан; 12- обходной кран

3. Выбор сервомотора. Расчет величины

Исходные данные:

=1350 Н

=0,05 м Рис. 3

Задаем значения длин плеч рычагов: =0,6 м; =0,3 м Максимальный ход штока сервомотора, м, составит:

Выбираем сервомотор № 2:.

При этом крайнее верхнее положение цилиндра сервомотора будет соответствовать нулевому положению клапана (m — 0, клапан закрыт), крайнее нижнее положение цилиндра сервомотора — полностью открытому клапану (m = m _шах, клапан полностью открыт).

Значение страгивающего перепада исполнительного механизма находим из равенства моментов: момента от силы, получаемой как разность силы, возникающей на поршне сервомотора от перепада давлений и силы трения сервомотора, и момента от силы трения клапана :

4. Выбор типа струйного усилителя. Определение времени сервомотора

Рис. 4

Исходные данные:

=0,08 м

=0,1 м

=0,01 м³/с

=0,048 м³/с

=1,5 м

=2,0 м

S=4,0 м²

Выбираем струйный усилитель № 3, который имеет следующие характеристики:

=2,5 мм; W=1,6· 10^-4 м³/с; =0,9 мм Вычислим объем цилиндра сервомотора:

Определим время сервомотора:

Оценим инерционные свойства объекта. Дня этого определим время разгона объекта, за которое уровень изменится с до, при резком изменении нагрузки с G_min до G_max, считая, что расход жидкости через сливной клапан остается неизменным.

Поскольку более чем в десять раз, то регулятор является достаточно быстродействующим, а значит, сервомотор и струйный усилитель выбраны верно.

5. Определение высоты расположения уравнительного сосуда

Рис. 5

Исходные данные:

=0,12 м =9,8 м/с²

=0,11 м =1,5 м

=0,14 м =2,0 м

=8800 кг/м³

=1000 кг/м³

Требование: груз должен воспринимать 0,6−0,9 усилия, возникающего от действия на мембрану перепада давлений.

Разность уровней (расстояние от уровня в резервуаре при G=G_min до уровня в уравнительном сосуде) определим из условия, что груз должен воспринимать 0,6 от усилия, возникающего на мембране при данном перепаде:

Определим высоту расположения уравнительного сосуда:

Проверим, какую часть усилия, возникающего на мембране чувствительного элемента, будет воспринимать груз при разнице уровней (т.е. при G = G_max):

Таким образом, выполняется исходное условие, что груз должен воспринимать 0,6−0_,9 усилия, возникающего от действия на мембрану перепада давлений.

Следовательно, высота расположения уравнительного сосуда выбрана правильно.

Высота расположения уравнительного сосуда = 3,0 м.

6. Определение величины нечувствительности измерительного устройства

Рис. 6

Исходные данные:

=0,12 м

L₁=0,075 м

=1000 кг/м³

g=9,8 м/с²

Допустим, что в некотором статическом режиме (неважно в каком) момент от усилия на мембране чувствительного элемента уравновешивается моментами от усилий, создаваемых установочной пружиной к пружиной обратной связи.

Требуется определить такое начальное отклонение уровня (например в сторону уменьшения) от уравновешенного уровня, которое позволит преодолеть момент, вызванный сухим трением в опорах, и стронуть подвижную конструкцию измерителя с места.

Нечувствительность измерительного устройства =0,001 мм=1 мм

7. Расчет обратной связи в регуляторе

гидравлический сервомотор регулятор жидкость Рис. 7

Исходные данные:

=0,12 м; L₁=0,075 м; =1000 кг/м³

=1,5 м; =2,0 м

=0,6 м; =0,3 м

=0,001 мм; = 3,0 м

=0,05 м

L₆=0,075 м Требуется выполнение условия:

Определим рабочий ход штока клапана (соответствующий изменению нагрузки в диапазоне).

Определим рабочий ход штока сервомотора (соответствующий рабочему ходу штока клапана):

Зададим величину нечувствительности регулятора (помня об удовлетворении неравенства).

Тогда неравномерность регулятора составит:

Зададим: = 0,05 м; =0,1 м; = 0,1 м.

Найдем максимальное растяжение пружины обратной связи (ОС) в статике:

Определим, какую жесткость необходимо иметь пружине ОС, чтобы при =0,05 м и z=0,035 м создать неравномерность =0,48 м.

Жесткость пружины ОС вычислим из равенства момента, создаваемого пружиной ОС при ее максимальном (в статике) растяжении (это соответствует режиму G =G_min), моменту, создаваемому усилием на мембране чувствительного элемента от =0,48 м.

Минимально возможное растяжение пружины ОС будет соответствовать такому расположению рычагов, когда шток клапана находится в положении m=0,05 м (открыт до упора), поршень сервомотора находится в максимально нижнем положении, весовой рычаг повернут до упора (=-0,9 мм) против часовой стрелки.

Чтобы пружина не провисла в этом своем крайнем положении, необходимо предусмотреть так называемое предварительное натяжение (т.е. в свободном состоянии пружина должна быть короче).

Зададимся предварительным растяжением пружины =0,005 м.

Рис. 8

Максимально возможному растяжению пружины ОС будет соответствовать такое положение рычагов, когда шток клапана находится в положении т = 0 м (полностью закрыт), поршень сервомотора находится в максимально верхнем положении, весовой рычаг повернут до упора (= 0,9 мм) по часовой стрелке. При этом пружина должна иметь столько витков и быть такого диаметра, чтобы при своем максимальном растяжении она не потеряла своих свойств.

Максимальное перемещение штока сервомотора:

Максимальное растяжение пружины ОС (с учетом предварительного растяжения):

8. Расчет жесткости установочной пружины

Рис. 9

Исходные данные:

=0,12 м; =1000 кг/м³;

=0,11 м; =0,14 м; =8800 кг/м³

= 3,0 м; =2,0 м; =1,5 м; =0,9 мм

=0,075 м; =0,05 м; =0,1 м; =0,1 м; =0,075 м;

=0,6 м; =0,3 м

=0,005 м; ;

Возьмем среднюю точку статистической характеристики, которой соответствуют:

Расположение рычагов горизонтальное (в статике расположен горизонтально всегда).

Определим растяжение пружины обратной связи z:

Зададимся величиной рычага м и величиной растяжения установочной пружины (для горизонтального расположения рычага): = 0,04 м.

Жесткость установочной пружины определим из уравнения моментов, действующих на весовой рычаг:

Предварительное растяжение установочной пружины:

9. Построение характеристики измерительно-усилительного устройства. Определение чувствительности устройства

Рис. 10

Исходные данные:

=0,12 м; =1000 кг/м³;

=0,075 м; =0,1 м; =0,05 м; =0,075 м; =0,001 м;

Допустим, что система находится в равновесном состоянии (какой-либо статический режим). Сервомотор заторможен (рычаг неподвижен).

Теперь, если изменить уровень, то каждому новому значению уровня будет соответствовать определенный поворот весового рычага и соответствующее смещение регулирующей заслонки (до тех пор, пока она не достигает упора).

При этом изменение момента, возникающего на весовом рычаге от изменения уровня, уравновешивается изменением моментов: от установочной пружины, пружины обратной связи, а также от действия момента трения, приводящего к нечувствительности измерителя

Таким образом, можно записать, что, Подставляя это значение в графическую зависимость для выбранного типа струйного усилительного устройства, получим график изменения перепада давления на струйном усилителе в зависимости от изменения уровня

.

Чувствительность измерительно-усилительного устройства (на линейном участке) определим по отношению:

10. Расчет нечувствительности исполнительного механизма. Проверка выполнения условия

Исходные данные:

=1 мм Определим нечувствительность исполнительного механизма:

Определим нечувствительность регулятора:

Определим отношение:

11. Построение статистической характеристики регулятора

Исходные данные:

=0,48 ммнеравномерность регулятора

=1 ммнечувствительность измерительного устройства

= мм-нечувствительность исполнительного механизма

= ммнечувствительность регулятора Определим среднюю точку статистической характеристики:

Относительно точки и с учетом значения неравномерности регулятора =0,48 мм и нечувствительность регулятора = мм строим статистическую характеристику регулятора в координатах Н-m.

Таблица 2. Статистические характеристики регулятора уровня по расчетным результатам