Методичні вказівки та завдання для виконання контрольної роботи з дисципліни “Основи автоматики та автоматизація виробничих процесів в меліорації” студентами напряму підготовки 6.060103 "Гідротехніка"

29, 399, 19,

30,419, 20,

31, 429, 21,

32, 439, 23,

33, 449, 24,

34, 469, 25,

35, 47

79, 14,

26, 369, 15,

27, 3710, 16,

28, 3810, 18,

29, 3910, 19,

30, 4010, 20,

31, 4110, 21,

34, 4210, 23,

35, 4310, 24,

34, 4410, 25,

35, 44

811,14,

38, 4011, 15,

39, 4711, 17,

40, 4811, 18,

41, 4911, 19,

42, 5011, 20,

26, 3611, 22,

27, 3711, 23,

28, 3812, 24,

29, 3912, 25,

30, 40

912, 14,

 31, 4112, 15,

32, 4012, 17,

33, 5012, 18,

34, 4312, 19,

35,4412, 20,

36, 4513, 22,

37, 4613, 23,

38, 4713, 24,

39, 4813, 25,

40, 49

 

29.Будова і характеристики інерційної ланки.

30.Будова і характеристики ланки другого порядку.

31.З’єднання ланок. Передаточні функції з’єднань.

32.Структурні схеми і основні характеристики систем автоматичного регулювання.

33.Стійкість лінійних систем автоматичного регулювання. Критерії стійкості.

34.Якісні показники систем автоматичного регулювання.

35.Дискретні системи автоматичного регулювання. Точність регулювання.

36.Системи телемеханіки. Лінії і канали зв’язку.

37.Види телемеханічних сигналів.

38.Процес телевимірювання.

39.Процес телекерування.

40.Комплексні системи телемеханіки.

41.Автоматизація поверхневого поливу.

42.Засоби, що застосовуються при автоматизації стаціонарних зрошувальних систем.

43.Операції, що автоматизовані при роботі ДМ “Фрегат”.

44.Операції, що автоматизовані при роботі ДМ “Кубань”.

45.Автоматизація осушувально-зволожувальних систем з мережею відкритих каналів.

46.Автоматизація осушувально-зволожувальних систем з трубчатим дренажем.

47.Автоматизація головних водозабірних вузлів.

48.Автоматизація водорозподілу регулюванням за верхнім і нижнім б’єфами.

49.Автоматизація помпових станцій підкачки і перекачки.

50.Автоматизація свердловин на воду.

 

 

Мета цього завдання – навчитись аналізувати роботу лінійних систем автоматичного регулювання і розраховувати їх параметри із умов монотонного перехідного процесу.

 

Обсяг завдання :

–скласти опис конструкції і принципу дії системи автоматичного регулювання рівня води;

–визначити конструктивні параметри регулятора;

–визначити умови стійкості системи автоматичного регулювання;

–визначити коефіцієнт в’язкого тертя із умови монотонного перехідного процесу;

–побудувати статичну характеристику систем автоматичного регулювання.

 

Вихідними даними для розрахунків є витрата    і розрахункова глибина каналу  , які приведені в табл.2 і табл.3.

 

Таблиця 2

Одиниці шифру 0123456789

 

0,700,650,600,550,500,450,400,350,30  0,25

 

 Таблиця 3

Десятки шифру0123456789

 

0,750,80,850,90,951,01,051,11,151,2

 

 

На рис.1 представлена конструктивна схема трубчастого водовипуску з магістрального каналу, яка забезпечує автоматичне регулювання рівня води у нижньому б’єфі при зміні витрати і рівня води у верхньому б’єфі. Такі системи використовують на водовипусках із магістральних каналів при гідравлічних перепадах не менше 0,7 м і витратах до 10 м3/с.

Наведена на рис.1 система регулювання складається із об’єкта регулювання – нижнього б’єфу, циліндричного регулятора і вимірювального колодязя, який з’єднаний з нижнім б’єфом. Рівень води у нижньому б’єфі задається переміщення поплавка, який підвішений на ланцюгах. Регульованою величиною в системі є рівень води  , а збуренням – витрата з нижнього б’єфу  .

Циліндричний регулятор рівня води складається з трубопроводу 1 з конфузором 11, запірного металевого циліндра 7, який виконує функцію регулюючого органу, важеля 6 і поплавка 4. У нижній частині циліндра знаходиться діафрагма 8, з центральним отвором, яка виконує роль демпфера (гідравлічна диференціююча ланка, яка гасить коливання циліндра). Відбивач у вигляді парасольки 9, який кріпиться за допомогою чотирьох стояків до фланця конфузора, збільшує коефіцієнт витрати регулятора за рахунок зміни напрямку потоку води, що виходить із конфузора. Гумовий ущільнювач 10 забезпечує необхідну герметичність в закритому стані регулятора. 

Вимірювальний колодязь 3 сполучений з нижнім б’єфом трубою 12, а з верхнім – трубкою 13. На трубі 12 і трубці13 встановлені вентилі вибору режимів роботи: при відкритому вентилі на трубці 13 і закритому – на трубі 12 регулятор буде закритим, бо рівень води в колодязі зрівняється з рівнем води у верхньому б’єфі; поплавок підніметься, циліндр опуститься і під дією своєї ваги щільно закриє конфузор; при відкритому вентилі на трубі 12 і закритому – на трубці 13 регулятор переводиться на автоматичне регулювання, бо рівні води в колодязі і нижньому б’єфі будуть однаковими.

Зверху поплавок має привантажувальну камеру 5, яка по трубі 2 наповнюється водою, коли рівень води у верхньому б’єфі підніметься до аварійної позначки  . При наповненні камери водою вага поплавка збільшується, що спричиняє повне відкриття регулятора. Внаслідок цього скид води у нижній б’єф значно збільшиться і не виникає переповнення верхнього б’єфу. Коли рівень води опуститься нижче позначки  , вода із привантажувальної камери поступово витече через невеликий отвір і регулятор перейде на режим автоматичного регулювання рівня води у нижньому б’єфі.

Принцип дії регулятора полягає у зрівноважуванні моментів, які діють на важіль. В усталеному режимі момент від маси поплавка   і виштовхувальної сили   дорівнює моменту від маси циліндра  :

 ,(1)

де   і   плечі важеля.

При зміні втрати води з нижнього б’єфу, наприклад, на  , знижується рівень води в ньому і у вимірювальному колодязі, що спричиняє зменшення сили  . Рівність (1) порушується і циліндр почне переміщуватись вверх, збільшуючи подачу води у б’єф. Цей процес буде йти доти, доки не наступить знову рівність моментів (1). При рівності моментів циліндр займе положення, при якому витрата його збільшиться на  .

 

Рис.1 Конструктивна схема системи автоматичного

регулювання рівня води.

 

 

Основним конструктивним параметром циліндричного регулятора, який визначає інші конструктивні параметри, є діаметр конфузора: 

 ,(2)

де  витрата нижнього б’єфу,   (див. табл. 2);

  - коефіцієнт витрати; 

  різниця рівнів верхнього і нижнього б’єфів,  ;

  прискорення земного тяжіння,  .

Експериментально встановлено, що коефіцієнт витрати   залежить від переміщення циліндра  , висоти установки відбивача у вигляді парасольки   і його центрального кута  . Експериментальним шляхом встановлено, що при   і  :

 (3)

Із умови рівнопрохідності потоку води через конфузор і вихід регулятора можемо записати:

 (4)

Діаметр циліндра приймають:

 (5)

Підставивши (5) в (4), одержимо:

 (6)

Із формули (3) знаходимо, що  .

Висота циліндра повинна бути такою, щоби максимальний рівень води у верхньому б’єфі не спричиняв піднімання циліндра. Тому його висота буде рівною:

 ,(7)

де   – розрахункова глибина нижнього б’єфу,   (див. табл. 3);

  – висота конфузора;

  – запас по висоті. 

Маса сталевого циліндра з діафрагмою:

 ,(8)

де   – густина сталі;

  – товщина сталевого листа, з якого виготовляють циліндр і діафрагму.

При розрахунках приймають, що у статичному режимі піднімальна сила поплавка:

 ,(9)

де   – маса поплавка,  .

Тоді із умови рівності моментів   знаходимо масу поплавка:

 ,(10)

де   – маса циліндра,  ;

  ,  і   плечі важеля,  .

Із конструктивних міркувань приймають:  .

Момент інерції при обертанні системи приймають,  :

 ,(11)

Площа поперечного перерізу поплавка,  :

 ,(12)

Поплавок виготовляють у вигляді кубу із сталевого листа товщиною  . Його маса дорівнюватиме:

 (13)

Вона буде меншою розрахункової маси  . Тому різницю мас   створюють загрузкою каміння в поплавок.

Система автоматичного регулювання рівня води у нижньому б’єфі каналу повинна бути не тільки стійкою, але і мати певні показники якості роботи в динамічних режимах. Бажано, щоби перехідний процес в системі був аперіодичним (без затухаючих коливань) і мінімальним за часом. Виходячи із цих умов, необхідно вибрати такі параметри регулятора, які в найбільшій мірі впливають на характер перехідного процесу. А це можна зробити лише на підставі рівняння, яким описується перехідний процес, зумовлений зміною витрати води з нижнього б’єфу. Знайдемо це рівняння.

 

 

В [4] приведена методика складання рівняння, яким описується перехідний процес в системі при зміні витрати на  . Це рівняння має вигляд:

 

 ,(14)

де  ;

  де  густина води;

 ;

 ; де  коефіцієнт в’язкого тертя, який залежить від площі отвору у діафрагмі циліндра;

 ;

 ,

 де   - площа басейну.

 

 

В [4] показано, що система автоматичного регулювання, яка описується диференційним рівнянням третього порядку, буде стійкою тоді, коли всі коефіцієнти лівої частини рівняння будуть додатними числами і добуток середніх коефіцієнтів буде більшим за добуток крайніх коефіцієнтів, тобто:

 (15)

Із останньої нерівності (15) визначаємо значення коефіцієнта  , яке забезпечить стійкість роботи системи регулювання.

Отже, для стійкої системи:

 (16)

Підставивши числові значення, визначають значення  , при якому система буде стійкою.

В залежності від величини коефіцієнтів диференціального рівняння перехідний процес в системі може бути монотонним або у вигляді затухаючих коливань. В [4] показано, що перехідний процес в системі третього порядку буде монотонним, коли коефіцієнти Вишнеградського   і   будуть знаходитись в заштрихованій області (рис.2).

 (17)

 (18)

Добитись цього можна, змінюючи коефіцієнт в’язкого тертя   за умови, що  . Якщо при розрахунках виявиться, що  , то його збільшать за рахунок зменшення коефіцієнта  .

 

 

Рис.2 Діаграма Вишнеградського

Вирахувавши коефіцієнт   за формулою (17) із діаграми Вишнеградського, знаходимо коефіцієнт   , як точку перетину прямої   з бісектрисою  , як це показано на рис.2. Визначивши  , вираховуємо коефіцієнт в’язкого тертя:

 (19)

Отже, при визначеному коефіцієнті  перехідний процес в системі автоматичного регулювання буде монотонним.

 

 

Статичну характеристику одержують з рівняння (20), яким описується динаміка системи. В усталеному режимі всі похідні дорівнюють нулю:

 (20)

За цим рівнянням будують статичну характеристику системи автоматичного регулювання  .

 

 

1. Б.А. Баховец, Я.В. Ткачук. Основы автоматики и автоматизация производственных процесов в гидромелиорации. – Львов: «Вища школа», 1989.

2. Я.В.Бочкарев, Е.Е. Овчаров. Основы автоматики и автоматизация производственных процесов в гидромелиорации. – М.: «Колос», 1981.

3. П.И. Коваленко. Автоматизация мелиоративных систем. – М.: «Колос», 1983.

4. Б.О. Баховець. Розрахунки параметрів системи автоматичного регулювання рівня води. – Рівне.: УДАВГ, 1997.  

 

Підписано до друку ____2009р.

Формат 60 80 1/16. Обсяг___ум.др.арк.

Замовлення: №___Тираж___прим.

Рівне, НУВГП, Соборна, 11