proiectarea unui sistem de reglare automata a temperaturii produsului util la un schimbator de...

38
1 Universitatea Tehnică "Gh. Asachi" Iaşi Facultatea de Automatică şi Calculatoare Anul universitar 2007 / 2008 Proiectarea unui sistem de reglare automata a temperaturii produsului util la un schimbator de caldura cu parametric concentrate

Upload: aleeks

Post on 27-Jul-2015

3.529 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

1

Universitatea Tehnică "Gh. Asachi" Iaşi

Facultatea de Automatică şi Calculatoare

Anul universitar 2007 / 2008

Proiectarea unui sistem de reglare automata a

temperaturii produsului util la un schimbator de caldura

cu parametric concentrate

Page 2: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

2

Cuprins:

Capitolul I.Introducere

I.1.Schimbul de caldura

I.2.Schimbul de caldura cu amestec

I.3.Descrierea procesului tehnologic

Capitolul II.Alegerea solutiei de reglare

II.1.Principiile de reglare

II.2.Reglarea in cascada

II.3.Reglarea in cascada a temperaturii fluidului de iesire cu

debitul de agent termic

II.4.Schema bloc atasata procesului

Capitolul III.Identificarea proceselor

III.1.Notiuni de identificare

III.2.Modelarea matematica a schimbatorului de caldura

III.3.Modelarea matematica a conductei de agent termic

Capitolul IV.Elemente de executie

IV.1.Generalitati

IV.2.Alegerea robinetului de reglare

IV.3.1.Alegerea servomotorului pneumatic

IV.3.2.Calculul constantei de timp a servomotorului

Capitolul V.Alegerea si modelarea convertorului de curent unificat-

presiune unificata

Capitolul VI.Traductoare

VI.1.Introducere

VI.2.Detector electromagnetic

VI.3.Modelarea matematica a ansamblului detector

electromagnetic cu adaptor

CAPITOLUL VII.Adoptarea si reglarea regulatoarelor

Page 3: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

3

Tema:Sa se proiecteze un sistem de reglare automata a temperaurii

produsului util la un schimbator de caldura cu parametrii

concentrati.

Date de proiectare:

1.Temperatura de iesire θe[

0C]=50

2.Temperatura agentului termic C]=75

3.Debitul nominal al agentului termic Qan[m3/h]=6

4.Debitul maxim al agentului termic Qamax[m3/h]=7,5

5.Debitul minim al agentului termic Qamin[m3/h]=5,5

6.Debitul produsului util Qp[m3/h]=3,5

7.Volumul schimbatorului de caldura V[m3]=1,5

8.Presiunea sursei de alimentare Ps[bar]=2

9.Presiunea la consumator Pc[bar]=0

10.Caderea maxima de presiune pe conducta de agent termic inainte de robinetul

de reglare ∆pl1max[bar]=0,4

11.Caderea maxima de presiune pe conducta de agent termic dupa robinetul de

reglare ∆pl2max[bar]=0,45

12.Lungimea conductei de agent termic Lcd(m)=9

13.Lungimea conductei de aer Laer(m)=13

14.Diametrul conductei de aer daer(mm)=8

15.Performante:

a) εst=0;

b) σ≤10%;

c) tr≤2*Tmax;

Page 4: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

4

Capitolul I.Introducere

I.1.Schimbul de caldura

Transferul de caldura reprezinta schimbul de energie termica intre doua

corpuri ,doua regiuni ale aceluiasi corp,doua fluide ,ca rezultat al unei diferente de

temperatura intre acestea.Transferul de calura cuprinde procese in care energia

termica la parametrii mai ridicati este transformata in energie termica la parametrii

mai coborati.Parametrul cu care se apreciaza calitatea caldurii este

temperatura.Transferul de caldura respecta principiile termodinamicii:principiul I

al termodinamicii care exprima legea conservarii energiei si principiul al II-lea care

stabileste sensul natural al propagarii caldurii,intotdeauna de la sursa cu

temperature mai ridicata catre sursa cu temperature mai coborata.

Exista 3 moduri distincte de transfer al caldurii:conductia,convectia si

radiatia.

Page 5: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

5

Page 6: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

6

I.2.Schimbatorul de caldura cu amestec

Schimbatoarele de caldura sunt aparate care au drept scop transferul de

caldura de la un fluid la altul in procesul de racier,incalzire,fierbere,condensare sau

alte procese termice in care sunt prezente doua sau mai multe fluide cu temperaturi

diferite.

Dupa principiul de functionare schimbatoarele de caldura pot fi cu amestec

cand procesul de transfer de caldura este realizat prin contactul direct si amestecul

intim al fluidului cald si rece.

Page 7: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

7

I.3.Descrierea procesului tehnologic

Procesul tehnologic consta in amestecarea a doua debite ale aceluiasi fluid.

Page 8: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

8

θa> θe> θp

Marimi intrare: Qa=debitul agentului termic

θa=temperatura agentului termic

Qa=debitul produsului util

θa=temperatura produsului util

Marimi iesire: Qe=debitul produsului util incalzit

θe =temperatura produsului util incalzit

In urma schimbului de caldura ,debitul de produs util se combina cu debitul

agentului termic ,astfel incat produsul util se incalzeste de temperatura θp la

temperatura θe.

Pentru modelarea matematica a schimbatorului de caldura se iau in calcul

urmatoarele ipoteze simplificatoare:

1.temperatura in intreg volumul V al schimbatorului de caldura este

constanta

2.pierderile de caldura cu exteriorul sunt neglijabile

3.caldura inmagazinata in izolatie este nula.

II.Alegerea solutiei de reglare

II.1.Principiile de reglare

Page 9: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

9

II.1.1.Principiul abaterii sau cu reactia dupa marimea de iesire

In cadul principiului abaterii,IT I se asociaza un dispozitiv de

automatizare(DA) compus din traductorul de reactie Tr,amplificatorul de eroare

A(sau regulator) si un element de executie EE.Utilizandu-se o reactie negativa

dupa marimea de iesire se asigura mentinerea acestei marimi la o valoare

corespunzatoare marimii de intrare ,independent de cauzele care provoaca abaterea

primei marimi fata de cea de-a doua.Avem deci un sistem de reglare automata in

circuit inchis,deoarece marimea de iesire Xe actioneaza prin intermediul legaturii

de reactie negative tot asupra marimii de iesire.

II.1.2.Principiul compensarii influentei marimilor perturbatoare sau

reactia dupa marimea perturbatoare.

In cazul acestui principiu se foloseste reactia pozitiva si se ia dupa o anumita

perturbatie,prin intermediul unui traducator corespunzator Tp.In marimea de

executie se introduce o componenta ,dependenta de nivelul perturbatiei

controlate,care asigura mentinerea parametrului reglat la valoarea impusa,in

prezenta variatiilor marimii perturbatoare.

II.1.3.Principiul combinat sau cu reactiile dupa marimea de iesire si

marimile perturbatoare

Page 10: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

10

Principiul combinat are avantajul ca permite compensarea totala sau partiala a

influentei perturbatiei principale masurate si diminuarea influentelor celorlalte

marimi perturbatoare asupra marimii de iesire.

II.1.4.Principiul de reglare cu reactie dupa stare

Pentru procesele tehnologice reprezentate in forma intrare-stare-iesire,cel mai

simplu algoritm decisional consta in utilizarea unei reactii proportionale dupa

starea sisatemului.Legea de reglare de tipul reactie dupa stare,este de forma: u=-

k*v+M*v.

Alocarea completa a valorilor proprii ale sistemului automat este posibila numai in

situatia in care procesul este complet controlabil.

II.1.5.Reglarea in cascada

La reglarea în cascadă, fiecare mărime de reacţie este adusă la un regulator propiu,

regulatoarele fiind conectate în cascadă, astfel încât mărimea de ieşire dintr-un

regulator este mărime de prescriere pentru regulatorul următor.

II.2.Reglarea in cascada

Page 11: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

11

În figura de mai sus este reprezentată schema bloc pentru o schemă de reglare în

cascadă care utilizează trei mărimi de reacţie. În această schemă: R1, R2, R3 sunt

regulatoare, T1, T2, T3 - traductoare, EE – element de execuţie; blocurile P1 şi P2

formează procesul şi au fost separate pentru a evidenţia mărimea intermediară x,

folosită în cadrul reglării în cascadă.

Se observă că s-au format mai multe bucle de reglare interioare una alteia. Regula

de aranjare a buclelor este următoarea: bucla exterioară corespunde întotdeauna

mărimii reglate y; cu cât se merge spre interior, se introduc bucle din ce în ce mai

rapide, caracterizate de constante de timp tot mai mici.Din această dispunere

rezultă principalul avantaj al acestei structuri: efectul unei perturbaţii care

acţionează într-o buclă interioară este anihilat rapid, resimţindu-se doar în mică

măsură asupra mărimii reglate y; rezultă deci posibilitatea de a obţine o bună

comportare a sistemului în ansamblu, cu performanţe ridicate.

Reglarea în cascadă prezintă şi alte avantaje, cum ar fi:

- posibilitatea de a asigura limitarea unor mărimi din sistem; aceasta derivă din

existenţa reacţiilor negative după mărimile respective, dar se poate asigura chiar

limitarea la o anumită valoare precizată; în acest scop, se prevede limitarea mărimii

de prescriere a buclei interioare de reglare pentru mărimea respectivă; astfel, dacă

se doreşte, de exemplu, limitarea mărimii x din fig. 1 la o valoare xM, se limitează

mărimea de ieşire din regulatorul R1 la valoarea xM.kT2, unde kT2 este factorul

de amplificare al traductorului T2; în acest scop se poate prevedea un circuit

special de limitare (realizat, de exemplu, cu diode şi rezistenţe), sau, mai simplu, se

va va asigura ca valoarea menţionată să coincidă cu semnalul de saturaţie de la

ieşrea regulatorului R2;

- posibilitatea de a diviza un proces în subprocese (de exemplu, subprocesele P1 şi

P2 din fig. 1),ceea ce permite un control mai bun al diverselor mărimi; mai mult, în

unele cazuri, această divizare asigură posibilitatea realizării sintezei prin anumite

proceduri; o astfel de situaţie apare, de exemplu, în cazul în care sinteza se

realizează pe baza criteriilor modulului sau simetriei (frecvent folosite, mai ales

pentru sistemele de reglare a proceselor rapide); aceste criterii apelează la

compensarea constantelor de timp ale procesului (regulatorul este astfel ales încât

zerourile din funcţia sa de transfer să fie aceleaşi cu polii f.d.t. a procesului, deci să

Page 12: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

12

se simplifice); dacă se utilizează un regulator PID, trebuie avut în vedere că acesta

poate compensa doar doi poli (două constante de timp); prin urmare, dacă procesul

este de ordin mai mare ca doi, soluţionarea se poate face prin divizarea în

subprocese de ordin cel mult doi şi compensarea separată, într-o structură adecvată

( cel mai frecvent – în cascadă). Acordarea regulatoarelor la schemele în cascadă se

realizează relativ simplu. Se începe cu bucla interioară; după acordarea

regulatorului respectiv (R3), întreaga buclă devine fixată şi ea completează partea

fixată a buclei următoare; la această buclă, singurul element necunoscut este acum

regulatorul R2, care se stabileşte printr-o procedură oarecare, apoi se trece la bucla

următoare etc. Nu este obligatoriu să se folosească acelaşi criteriu de acordare

pentru toate buclele.

Structurile în cascadă se folosesc atât la reglarea proceselor rapide, cât şi a

celor lente. Astfel, la reglarea vitezei (proces rapid) unui motor electric, în prezent

se folosesc aproape în exclusivitate scheme în cascadă. În mod frecvent se

foloseşte o buclă interioară de reglare a curentului şi o buclă exterioară de reglare a

vitezei; în unele cazuri se mai folosesc şi alte mărimi de reacţie. Pentru sistemele

de urmărire de poziţionare se folosesc, de asemenea, structuri în cascadă: faţă de

sistemul de reglare a vitezei, se mai introduce o buclă exterioară de reglare a

poziţiei. În acest caz se poate folosi schema din fig.1, în care R1 este regulatorul de

poziţie, R2 - regulatorul de viteză, iar R3 – regulatorul de curent. Lucrarea de faţă

se referă tocmai la reglarea în cascadă a vitezei unui motor de c.c. cu excitaţie

separată.

II.3.Reglarea in cascada a temperaturii fluidului de iesire cu debitul de

agent termic

Se alege ca solutie de reglare reglarea in cascada a lui θe cu Qa,datorita

faptului ca pe marimea de executie apare o perturbatie principala.Poate fi

considerate perturbatie principala pompa care datorita problemelor de la parametrii

curentului electric se propulseaza spre iesire.

Page 13: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

13

SP-sursa de presiune

∆pl1-caderea de presiune pe conducta de agent termic ianinte de

robinetul de reglare

∆pl1-caderea de presiune pe conducta de agent termic dupa robinetul de

reglare

∆pl-caderea de presiune pe conducta de agent termic pe robinetul de

reglare

SMP-servomotor pneumatic

FT-elementul sensibil de debit

AF-adaptor pntru detectorul de debit

FC-regulator pentru debit

TC-regulator pentru temperature

AT-adaptor pentru elementul sensibil

TT-elementul sensibil

FV-convertor electro-pneumatic

Laer-lungimea conductei de aer

daer-diametrul conductei de aer

Lcd-lungimea conductei de agent termic

Page 14: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

14

II.4.Schema bloc atasata procesului

Capitolul III.Identificarea proceselor

III.1.Notiuni de identificare

Identificarea este determinarea, pe baza intrarii si iesirii, a unui

model dintr-o clasa determinata de modele, echivalent într-un anume

sens cu sistemul testat.Indiferent de problemele ridicate, modelul pentru un

proces poate fi obtinut fie pe cale analitica, fie pe cale experimentala, fiecare

abordare având avantajele si dezavantajele sale. Identificarea analitica .In cadrul acesteia,modelele sunt obtinute pe baza

unor legitati fizico-chimice, legea conservarii masei, energiei etc. Aceste modele

au un domeniu larg de valabilitate, coeficientii ecuatiilor care intervin având

semnificatii fizice directe. Deducerea lor presupune însa cunostinte complete

despre sistem si mediul sau ambiant, ceea ce necesita timp îndelungat. Modelele

obtinute pe aceasta cale sunt în general complicate,conducând la sisteme de reglare

complexe. Daca tinem seama ca exista înca numeroase procese care au la baza

legitati insuficient cunoscute, este justificata cea de a doua abordare a problemei de

identificare.

Page 15: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

15

Identificarea experimentala consta în determinarea unui model pentru

proces cunoscând date de intrare si iesire din proces. Desi majoritatea metodelor

conduc la modele simple, acestea sunt presupuse liniare, ceea ce restrânge

aplicabilitatea lor la variatii mici, în jurul unui punct de functionare. De cele mai

multe ori este avantajoasa cuplarea identificarii analitice cu cea experimentala, prin

modelare analitica ajungând la o clasa de modele ai caror parametri vor fi estimati

utilizând date experimentale.

Principalele etape de identificare sunt reprezentate în figura de mai jos:

Page 16: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

16

Verificarea adecvantei consta în compararea unui set de performante ale

modelului cu performantele prestabilite în conformitate cu un anumit criteriu.Daca

modelul nu este adecvat trebuie sa reconsideram fie modelul dedus, fie ipotezele

simplificatoare, fie ambele. Verificarea modelului consta în determinarea preciziei lui astfel încât

sa fie valabila ipoteza separarii, precum si verificarea adecvantei modelului la

proces. În cazurile în care modelul nu corespunde dintr-un anumit punct de vedere

este necesara reconsiderarea fie a structurii pentru o clasa precizata fie a clasei de

modele (de exemplu considerarea unor modele neliniare în locul celor liniare).

Daca în urma acestor interventii modelul nu corespunde este posibil ca

experimentul sa nu fie corespunzator planificat datorita informatiilor apriorice

neconsistente si în acest caz experimentul trebuie reproiectat.

III.2.Modelarea matematica a schimbatorului de caldura

a)Regimul stationar: #We=Wi;

#Qan+Qp=Qen;

ρa·Ca·Qa·θa+ ρp·Cp·Qp·θp= ρe·Ce·Qen·θen;

b)Regimul dinamic:

#Wi(t)=We(t)=dt

dW

#Qa(t)+Qp=Qe(t)=>ΔQa(t)=ΔQe(t)

ρa·Ca·Qa(t)·θa+ ρp·Cp·Qp·θp-ρe·Ce·Qe·θe(t)= ρe·Ce·Vdt

d e(t)

Qa(t)=Qan+ ΔQa(t)

Qe(t)=Qen+ ΔQe(t)

θe(t)= θen+ Δθe(t)

ρa·Ca·ΔQa(t)·θa-ρe·Ce·ΔQa(t)·θen=ρe·Ce·Vdt

d e(t)+ρe·Ce·Qen·ΔQ(t)·

(ρa·Ca·θaρe·Ce·θen)Qan

dQa(t)=(ρe·Ce·V

dten

d

/

p(t)

+ρe·Ce·Qen

en

d

e(t))

Qan

en

G(s)= sTsc 1

Ksc

Qen=Qan+Qp=6+3,5=9,5m

3/h=0,002m

3/s

Qan=6m3/h=0,001m

3/s

θen=θe=500C

Page 17: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

17

ρa=971,8kg/m3

ρe=988,1kg/m3

Ca=4195kg0C

Ce=4174kg0C

Tsc=Qen

V=750 s

Ksc=en

ena

eCe

)eCeaCa(

Qen

Qan=0,24

G(s)= sTsc 1

Ksc

III.2.Modelul matematic al conductei de agent termic

Q=A·Cd

p2,Cd=[1..1,5];

A-sectiunea conductei;

Cd-coeficientul de debit;

Δp-caderea de presiune;

ρ-densitatea fluidului;

Alegem coeficientul de debit Cd=1;

Δp=22

2

Cd2

Q

A

;

a)Regimul stationar

A ·ΔPn-2

2

Cd2

Q

A

aan =0;

b)Regimul dinamic

A ·Δp(t)- 22

2

Cd2

)(Q

A

ata =

dtA

tdQaM

)(

Qa(t)=Qan+ΔQa(t)

Δp(t)= Δpn+Δ(Δp(t))

Page 18: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

18

M=ρa·Vcond=>A

M= ρa·Lcond

A·(ΔPn+Δ·(Δp(t))- 2

2

Cd2

))((Q

A

atQaan =

A

M·dt

d(Qan+ΔQa)

A·Δ(Δp(t)+A·Δpn(t)-(Qan2+2Qan·ΔQa(t)+ΔQa(t)

2)

2Cd2 A

a=

A

M·dt

dΔQa(t)

A

M·dt

d·ΔQa(t)+

2Cd

)(

A

tQaQana =A·Δpn+ A·Δ(Δp(t))-

2

2

Cd2

)(

A

tQaQana-

2

2

Cd2

)(

A

tQaa

PnA

M

·dt

d

Qan

Qa(t)+

Qan

Qa(t)

PnA

Qana

2

Cd

=

Pn

tpA

Qan

))((=>

PnA

M

.y’(t)+

PnA

Qana

2

Cd

y(t)=

Qan

A·u(t);

Unde y=Qan

Qa(t);u=

Pn

tp

))((

Gcd(s)=sTcd 1

Kcd

Kcd(s)= aan

PnA

2

22

Q

Cd=

aan

A

2

22

Q

Cd22

2

Cd2

Q

A

aan =0,5

M=ρa·Vcond=ρa·Lcond·Scond=4,29 kg

Tcd=aan

M

Q

Cd2

=an

V

Q

Cd2

=4,42

Diam

Cond[mm]

Conexiune

bobina

Qmin Qmax

20 CS 1,131 6,786

20 CP 0,565 5,65

25 CS 2,05 10,8

25 CP 1,05 10,8

Page 19: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

19

Deoarece [Qamin ;Qamax ]=[5,5 ; 7,5],se aleg:

Diametrul conductei este 25mm,Conexiune seriala

[Qmin ;Qmax ]=[2,05 ; 10,8]

Capitolul IV.Elemente de executie

IV.1.Generalitati

Elementul de executie este amplasat la intrarea procesului industrial.El determina

vehicularea unui flux de energie sau de masa spre intrarea procesului pe seama

unor surse de energie exterioare.El indeplineste 2 roluri:

-informational xm=f(xc(t))

-energetic

In marea majoritate a cazurilor se compune din doua parti:

-organ de actionare-conectat direct la intrarea sistemului tehnic permitand

vehicularea fluxurilor de energie si de masa spre intrarea procesului

organ de executie –primeste semnalul de comanda Xc,comanda un alt flux

de energie de la o alta sursa exterioara spre intrarea organului de executie.Organul

de executie este ales de proiectantul sistemului ethnic,in functie de fluxurile

vehiculate .Acestea pot fi:electrice,hidraulice,pneumatice,etc.

Elementele de executie intervin in bucla de reglare atat prin intermediul

caracteristicii statice cat si prin intermediul caracteristicii dinamice.Alegerea EE

implica posibilitati functionale de exploatare si de costuri,iar OA este in marea

majoritate adoptat de catre tehnolog.

Page 20: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

20

Cele mai raspandite OA sunt cele electrice ,datorita performantelor stationare si

dinamice ridicate si datorita posibilitatilor de comanda a acestora de la orice

distanta.

OA pneumatice sunt utilizate la puteri mici si pot fi utilizate in medii

periculoase,sunt ieftine,raza de catiune fiind scurta(3-500m)

OA hidraulice sunt folosite in aceeasi conditii ,ele se folosesc in cazul generarii de

fluxuri de putere mare la gabarite reduse.

EE pot fi-cu actiune continua -cu actiune discontinua(cvasicontinue)

-bipozitionale

-tripozitionale

-pozitionale

-numerice

4.2 Alegerea robinetului de reglare

Pierderea de presiune pe robinetul de reglare este dată de următoarea relaţie:

2

2

vp

r

rp

v

2

, unde:

ρ – densitatea fluidului;

v – viteza fluidului;

ξ – coeficientul de pierdere a presiunii.

rp

AQ

2

2 AK

v , unde:

Kv – coeficientul specific de debit

Prin înlocuirea lui Kv în relaţia (28) se obţine:

r

v

pKQ

Caracteristica intrinsecă a robinetului de reglare : Kv = Kv(H)

Caracteristica liniară a robinetului de reglare este:

100

00 )1(H

H

K

K

K

K

K

K

vs

v

vs

v

vs

v , unde:

Kv – coficientul specific de debit pentru o cursă oarecare;

Page 21: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

21

Kvs – coeficientul specific de debit din catalog pentru cursa maximă a

opturatorului;

Kv0 – coeficientul specific de debit pentru cursa minimă a obturatorului

(H=0);

H100 – cursa maximă a obturatorului.

Fig.6. Caracteristica liniară a RR.

Faţă de valoarea de catalog Kvs, valoarea maximă Kv100 diferă cu 10:

Kv100 = Kvs 10%*Kvs

Se defineşte factorul de amplificare: Rr=0v

vs

K

K. Acest factor de amplificare

este standardizat la una din valorile {20, 25, 30, 40, 50, ...}.

Dependenţa debitului pentru sistemul hidraulic de cursa obturatorului

reprezintă caracteristica de lucru a RR.

SP – sursa de presiune;

RR – robinet de reglare;

Ps – presiunea sursei;

Pc – presiunea la consumator;

Δpr – căderea de presiune pe robinet;

Δpl1, Δpl2 – căderea de presiune pe conducta de agent termic înainte şi după

RR.

Expresia de lucru a RR în sistemul hidraulic fără ramnificaţie este:

1

1

Kv0 / KvS

H / H100

Kv / KvS

SP

Pl1 Pl2RR

Pr

PS

PC=0

Page 22: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

22

)11

(1

1

2

100

vk

Q

Q, unde :

0

100

s

r

p

p

=0,57;

100v

v

v

K

Kk ; Δps0 = Ps-Pc=2[bar] ; Pc=0;

Ps=Δpr+Δpl1+Δpl2.

Δpr=Ps- (Δpl1+Δpl2);

Δpr100=1,15[bar]

4.2.1 Etapele alegerii robinetului de reglare

Fig.7. Caracteristica liniară a RR pentru diverse valori ale lui

Dacă ΨЄ(0.51) se poate adopta un RR liniar.

Deoarece pierderile de presiune sunt date în proiect pentru valoarea maximă

a debitului, se vor calcula în continuare pierderile şi pentru debitul minim,

respectiv debitul nominal.

Se ştie că pierderile de presiune sunt proporţionale cu pătratul

debitului:Δp=coef.*Q2

.

Δpl1max = C1*Q2

a max => C1=0.007

Δpl1min = C1*Q2a min = 0,21[bar]

Δpl1nom = C1*Q2

a nom = 0,25[bar]

Δpl2max = C2*Q2

a max => C2=0,008

Δpl2min = C2*Q2a mi n = 0,24[bar]

Q / Q100

H / H100

1

0,5

0,2

0,05

scade

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0,2 0,4 0,6

0,8 1

Page 23: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

23

Δpl2nom = C2*Q2

a nom = 0,29[bar]

A. Calculul căderii de presiune pe RR pentru cele 3 debite:

Δprmax = Ps-(Δpl1max+Δpl2max) =1,15[bar]

Δprmin = Ps-(Δpl1min+Δpl2min) =1,55[bar]

Δprnom = Ps-(Δpl1nom+Δpl2nom) =1,46[bar]

Se calculează Ψ =

s

r

P

pmax

=0,57 => Ψ este subunitar (Ψ>0,5) se va adopta

un RR cu o caracteristică intrinsecă liniară. Astfel rezultă Kvmax, Kvmin, Kvnom:

a

r

a

v

p

QK

max

max

max

= 6,89

a

r

a

v

p

QK

min

min

min

= 4,35

a

rnom

anom

vnom

p

QK

= 4,89

Observaţie: ][3

dm

Kg , ][

3

h

mQ .

Se adoptă un RR cu Kvscalc Є [A, B],

A = 1,1*Kvmax =7,57;

B= 1,4*Kvmax =9,64;

Kvscalc Є [A, B]=[7,57 ; 9,64];

KvsЄ{2.1; 3; 4; 5; 9; 13}

Kvs Kvscalc => Kvs =13

B. Calculul factorului de proporţionalitate a RR

Page 24: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

24

Factorul de proporţionalitate este egal cu panta tangentei în punctul nominal

de funcţionare din caracteristica de lucru a sistemului hidraulic.

nom

anom

a

oe

H

H

Q

Q

K

=0,56

Coeficienţii Hmax, Hmin, Hnom reprezintă valorile cursei obturatorului

robinetului pentru a se obţine Qamax, Qamin, Qanom şi se determină din expresia

caracteristicii intrinseci.

100

max00max )1(H

H

K

K

K

K

K

K

vs

v

vs

v

vs

v => Hmax =12,25mm;

100

min00min )1(H

H

K

K

K

K

K

K

vs

v

vs

v

vs

v => Hmin =7,25mm;

100

00 )1(H

H

K

K

K

K

K

Knom

vs

v

vs

v

vs

vnom => Hnom =8,40mm;

Se adoptă un RR cu un coeficient de amplificare Rr = 25.

Rr=

0v

vs

K

K=>

0vK =0,52

ΔQa=7,5-5,5=2[m3/h]

ΔH= Hmax -Hmin =12,25-7,25=5 mm

4.3.1 Alegerea servomotorului pneumatic

Se adoptă din catalog servomotorul pneumatic P135/20 care poate acţiona

robinetul de reglare şi care are următoarele caracteristici:

H100 = 20mm; Dm = 135mm;

P1 = 0,2bar; F1 = 280 N

P2 = 1,5bar; F2 = 710 N

Greutatea părţilor mobile este Gm = 2040 N.

Page 25: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

25

Factorul de proporţionalitate reprezintă panta tangentei în punctul nominal

de funcţionare din caracteristica statică:

Fig.8.

nom

nom

oa

P

P

H

H

K

= 1,57

Folosind ecuatia dreptei x=0,004y+0,2 se obtin:

][53,0

][49,0

][69,0

min

max

barP

barP

barP

nom

ΔP=Pmax-Pmin=0,2[bar]

4.3.2 Calculul constantei de timp a servomotorului

]4

)(

4

)([

)(

12822

4

P

Ld

pK

Gfpf

KP

GfpD

d

LT aer

aer

e

m

e

mm

aer

aer

oa

Toa=0,03s=3*10^-2s;

unde:

η – vâscozitatea dinamică a aerului instrumental; η = 18,1*10-6

Ns/m3;

P – presiunea maximă a aerului instrumental; P = 105 N/m

2;

Δp – variaţia maximă a presiunii aerului instrumental; Δp = 0,3*105 N/m

2;

H

P0,2 Pmin Pnom Pmax 1

Hmin

Hnom

Hmax

H100

Page 26: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

26

f – aria echivalentă a membranei;

f= )(12

22

mmmm dDdD

=0,011m

2;

dm – diametrul discului de rigidizare; dm = 0,8*Dm =0.01m;

Ke – constanta de elasticitate a servomotorului; Ke = F1bar/H100 =26417,5

Am determinat F1bar cu ecuatia dreptei y=330,7x+213,8

F1bar=528,35

Toa=0,03s;

sT

KKG

oa

oaoe

EE

1;

s

GEE

03,01

87,0

F [N]

P [bar]

710]

280

F1 bar

0,2 1 1,5

Page 27: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

27

Capitolul V.Alegerea si modelarea convertorului de curent unificat–

presiune unificata

Page 28: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

28

Capitolul VI.Traductoare

I.1.Introducere

Cu ajutorul traductoarelor alegem informatia de lucru din proces. Pentru ca

informatia sa fie corecta trebuie sa se asigure o relatie univoca, sa fie

reproductibila si sa aiba inertia cat mai redusa.La ora actuala exista o multime

de traductoare.

Traductorul este amplasat pe legatura de reactie a sistemului automat, un

eventual traductor de intrare permite realizarea elementului de comparatie. De

locul de amplasare a traductorului depinde precizia si costul. Trebuie gasite

metode pentru amplasarea traductoarelor. Exista sisteme de manuare a pozitiei

sau deplasarii. Manuarea poate fi directa sau indirecta.

Traductoarele implica necesitatea unei fiabilitati sporite in raport cu aparatul de

masura dat.

Din punct de vedere al caracteristicii statice si dinamice prin cerintele impuse,

traductoarele sunt cu relatie liniara de dependenta intre intrare si iesire iar

dinamica proprie sa nu influenteze in mod esential comportarea sistemului

automat.

Traductoarele trebuie sa imbine performantele de liniaritate si viteza de raspuns

ridicata cu performante metrologice privind precizia, similare cu cele ale

gradului de masurare sau chiar mai ridicate, tinand cont de posibilitatile super

ale sistemelor de conducere automata fata de cele ale unui generator.

Traductoarele sunt adesea alcatuite din doua parti: elementul sensibil si

elementul de adaptare.Traductoarele sunt de doua feluri

-specializate

-unificate.

Capitolul VI.2. Detectorul electromagnetic

Detectorul electromagnetic este alcatuit dintr-o conducta de material

magnetic aflata in campul magnetic al unui magnet permanent.In conducta se

introduc 2 electrozi pe directia perpendiculara directiei de curgere a fluidului in

campul magnetic.Traductoarul de debit este construit dintr-un bloc primar

(denumit uzual detectorul electromagnetic de debit) inseriat conductei, prin el

trecand fluidul de masurat si blocul secundar care este montat la distanta fata de

traductorul primar, cele doua elemente fiind conectate electric intre ele.

Page 29: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

29

In figura de mai sus este prezentata schema functionala a blocului primar al

traductorului electromagnetic.

Masurarea lichidului impune asigurarea unui nivel minim pentru conductibilitatea

electrica a fluidului, deoarece conductorul in miscare este insusi fluidul care trece

printr-un camp magnetic generat din exterior. De aceea pot fi masurate numai

debitele lichidelor cu o conductibilitate de minim 100...200 µS/m.

Lichidul de masurat trece prin tronsonul cilindric traversand parpendicular

campul magnetic generat de bobine, iar tensiunea indusa este trimisa la blocul

secundar unde se prelucreaza.

Ca dezavantaje este consumul mare de cupru aferent bobinelor de mari

dimensiuni, de otel inoxidabil necesar realizarii tronsonului de masurare, de teflon

sau cauciuc poliuretanic din care se realizeaza captuseala electroizolanta a

tronsonului, consumul mare de energie electrica necesar realizarii excitatiei,

greutatea mare la diametre nominale mari.

Montarea detectorului de debit se poate face in orice pozitie pe conducte in

permanenta pline cu lichid, asigurandu-se sensul de curgere conform sagetii

imprimate pe corpul sau.

Page 30: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

30

VI.3.Modelarea matematica a ansamblului detector

electromagnetic cu adaptor

Ansamblul detector-adaptor este un element neinertial ce are caracteristica statica

urmatoare:

Y=0,91*X+0,12 QanQaQa /min)max(

Imin)/In-(ImaxK

AD

Imin=5,12 ; In=5,58; Imax=6,9

Page 31: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

31

CAPITOLUL VII.Adoptarea si reglarea regulatoarelor

7.1 Varianta KESSLER a criteriului modulului

Fie un sistem liniar monovariabil supus unei perturbaţii aditive. În cazul unei

comportări ideale mărimea de ieşire trebuie să urmărească fidel şi fără întârziere

mărimea de intrare.

r(t) = y(t)

Schema bloc a structurii de reglare.

Y(s) = Yr(s) + Yp(s) = G0(s)*R(s) + Gop(s)*P(s)

Pentru comportarea ideală a sistemului, pentru orice tip de perturbaţie

trebuie să fie îndeplinite condiţiile: G0(s) = 1, Gop(s) = 0.

Prin traspunerea acestor relaţii în domeniul frecvenţei rezultă:

0))(arg(

1)(

0

0

jwG

jwG

0)(0

jwGp

Aceste condiţii impuse modulurilor stau la baza criteriului modulului prin

care se alege şi se acordează regulatorul.

Varianta Kessler stabileşte relaţii de acordare optimă care asigură simultan o

comportare bună în raport cu semnalele de referinţă, cât şi în raport cu perturbările,

fără a trata separat asigurarea anumitor performanţe. [4]

Proiectarea unui sistem de reglare automat se face uşor atunci când ordinul

sistemului este unic.

În general elementul de execuţie, procesul şi traductorul formează o parte

fixată a sistemului, având funcţia de transfer:

GPF(s) = GEE*GPROc(s)*GTRAD(s)

r +

-

G1 (S) G2 (S)

P

+ +u

Page 32: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

32

Modelul matematic al părţii fixate a sistemului automat:

Partea fixată se înlocuieşte cu un sistem de ordin redus de următoarea formă:

(44)

)1()1()(

1

n

kK

PF

PF

sTsT

KsG , unde:

KPF – este factorul de amplificare al părţii fixate;

T - suma constantelor de timp mici (parazite) ale sistemului;

Tk – suma constantelor de timp mari (predominante ale sistemului.

T <<min{Tk}; k = 1...n

Orice sistem de urmărire după principiul abaterii poate fi redus la

următoarea formă:

Din condiţiile criteriului modulului se recomandă un regulator a cărui

funcţie de transfer are următoarea formă generală:

(45) s

ssG

n

kk

REG

1

)1()( , cu aproximaţie, întrucât gradul

numărătorului nu poate depăşi gradul numitorului din considerentul realizabilităţii

fizice.

În cazul variantei Kessler a criteriului modulului, pentru obţinerea unor

performanţe optime se impun următoarele condiţii suplimentare: m=n;

kkT ;

TK

PF2 .

7.2 Regulatorul buclei interne

În cazul sistemului din bucla internă avem următoarea funcţie de transfer:

(46)

n

kiKi

iPF

iPF

sTsT

KsG

1

)1()1()( , unde:

KPF-i=ADDDcdoeoaCEP

KKKKK

oaiTT

; 03,0

iT ; T1 = TCD = 10s

r +

-

u yGREG(S) GPF(S)

Page 33: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

33

(47) )1)(1( sTsT

KKKKG

CDoa

ADDDCDEECEP

iPF

=

25,005,101

53,0

ss

(48) s

s

sTK

sTsG

oaiPF

CD

iREG

0538,0

110

2

1)(

Ca regulator al buclei interne se adoptă un regulator cu lege de reglare de tip

PI cu parametri dependenţi.

(49)

p

i

i

i

piREG

K

Ts

Ts

TsKsG

1)

11()(

Comparând relaţiile (48) şi (49) rezultă: Ti = TCD;

oaiPF

CD

p

TK

TK

2

Din catalog se adoptă n regulator de tip PI, model ELC 111 cu referinţă

externă, unde BP[%]=100/Kp.

(50) Gd-i(s) = GPF-i(s)GREG-i(s)

(51) ssTsG

sGsG

oaid

id

io

1,01

1

12

1

)(1

)()(

Comportarea buclei interne la perturbaţie

(52) 02,02

1

rnoma

vnomp

pKK

rGREG(S) GCEP GEE GCD

KP

pr

+

-

GDD-AD

+ + y

Page 34: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

34

7.3 REGULATORUL BUCLEI EXTERNE

(53) )1)(1(

)(1

''

TsTs

KsG ePF

ePF

, unde:

KPF-e = KSC

ADDD

ATTT

KK

1

T’1 =TSC;

TTT

TT2

'

Se adoptă pentru bucla exterioară un redulator PID cu interinfluienţâ.

(54)

'

;)1)(1(

]1

)1[()( TTTs

TsTsKsT

sTT

TKsG

d

i

id

rd

ii

d

rREG

Funcţia de transfer a sistemului în circuit închis este:

(55)

i

ePFrePFr

i

i

i

ePFr

eo

TT

KKs

T

KKs

TsT

TT

KK

sG

1

'

1

'

2

1

'

1

)1

(

)(

Funcţia de transfer a sistemului în circuit închis este de forma unei funcţii de

transfer de ordinul 2 la care este introdus un zero suplimentar.

Page 35: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

35

1

'

1

1

1

'

1

2

1;

T

KK

KK

TT

TT

KKePFr

ePFr

i

i

ePFr

n

. Se impune

ξ=0,707.

λ = ωn/z = ωn/Ti; λ[0.8; 0.85]

tr = 3.426/ ωn ξ, rezultă ωn-c = 1

0033,02707.0

426.3

sT

sc

. Se adoptă ωn-

a>= ωn-c, rezultă

ωn-a = 0,004.

Ti-c = λ/ ωn-c = 266,6s; Ti-a<=Ti-c

Se alege un regulator de tip PID model ELC 113 care are ca valori pentru Ti:

Secunde: 10 12 15 20 25 30 40 50

Minute: 1 1.2 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 15 20 25 30

Deci Ti-a = 4min.

(56) 25,17

2

ePF

SCaian

r

K

TTK

;

BP[%] = 100/17,25 = 5,79; BP-a<=BP-c

BP: 0.5 2 2.5 3 4 5 6 7.5 10 12.5 15 17.5 20 25 30 40 50 60 75 100 125 150 175

200

BP-a = 5, rezultă Kr-a = 20

Se adoptă pentru Td prima valoare mai mare a lui Td-c:

Secunde: 0 5 7 9 11 14 17 20 25 30 40 50

Minute: 1 1.2 1.5 2 2.5 3 3.5 4 5 6 8 10

Td = 17s

+

-

+

-

θe*

GREG_e(S) GREG_i(S) GCEP(S) GEE(S) GCD(S) GSC(S) θe θa

GDD_AD

GT T _AT

Page 36: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

36

ssG

sKsG

ssG

ssG

ssG

KsG

s

ssG

s

sssG

ATTT

ADDDADDD

SC

CD

EE

CEPCEP

iREG

eREG

67,161

66,0)(

9,0)()(

7201

22,0)(

101

5,0)(

05,01

19,1)(

1)(

0538,0

110)(

24

)2401)(171()(

_

__

_

_

Raspunsul sistemului pentru Ti = 4 min.

Page 37: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

37

Raspunsul sistemului dupa reacordarea regulatorului (Ti = 6 min.)

Page 38: Proiectarea Unui Sistem de Reglare Automata a Temperaturii Produsului Util La Un Schimbator de Caldura Cu Parametric Concentrate

38

Bibliografie:

[1] I. Olah, L. Mastacan, C. Lazăr, E.S.C.A. – Indrumar de laborator, Iaşi, 1997

[2] M. Tertişco, D. Popescu, B. Joca, I. Russ – Automatizări industriale continue,

Ed.

Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1992;

[3] I. Dumitrache, Tehnica reglării automate, Ed. Didactică şi Pedagogică,

Bucureşti, 1980;

[4] Corneliu Lazăr, Ingineria reglării automate, Vol. I, 1998;

[5] V. Marinoiu, Ion Poşchină, M. Stoica, N. Costoae – Elemente de execuţie –

Robinete de

reglare, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1999;

[6] I. Olah – Curs E.S.C.A.

[7] G. Ionescu, R. Dobrescu, B. Broaşcă, Traductoare pentru automatizări

industriale, Vol.I,

Ed. Tehnică, 1985, Bucureşti;

[8] M. Creţu, C. Sărmăşanu, Traductoare – Indrumar de laborator.