Расчёт и моделирование контура регулирования расхода аргона на УДМ – 4

Контур регулирования расхода аргона на установку доводки металла должен обеспечивать в соответствии с заданием от регулятора определённый расход газа, а также компенсацию возмущений со стороны изменения давления в газовой магистрали.

Рис. 3.1 Структурная схема контура регулирования расхода аргона.

Система состоит из датчика расхода газа (измерительный преобразователь YOKOGAWA-ДИ, звено № 9), регулятора расхода газа (соответствующий модуль ПЛК Simatic S7 – 300, звенья № 1 и № 2) и исполнительного устройства (клапан SAMSON, звенья № 3, № 4 и № 5). В данном случае в качестве унифицированных сигналов в системе управления используются сигналы напряжения 0 – 10 В. Регулятор расхода газа сравнивает задание Uз и выходной сигнал датчиков давления. Выходной управляющий сигнал регулятора расхода газа подаётся на клапан, который в зависимости от уровня сигнала отработает поворот заслонки на определённый угол. Таким образом давление в газовой магистрали Рг и положение регулирующей заслонки в газовом трубопроводе будут определять расход газа Qг.

Структурная схема контура регулирования расхода аргона (рисунок 4) состоит из следующих звеньев:

Звено № 1 (зона нечувствительности) – моделирует порог чувствительности регулятора газа. Порог чувствительности Н = 0.2, что составляет 2 % от максимального уровня входного сигнала задания (U3max = 10 B).

Звено № 2 (ПИ - звено) – моделирует регулятор расхода газа. Для обеспечения астатизма по возмущению (изменению давления в газовой магистрали Рг) используется ПИ-регулятор. Постоянная времени регулятора принята равной постоянной объекта (=Тм=0,2 с), а коэффициент рассчитан по формуле:

КРГ =Тм / Ko=0,8;

где ;

Тм = 0,2 с;

В данном звене использовано ограничение выходного сигнала, который теперь может изменяться в диапазоне 0..10 В.

Звено № 3 (реле с нечувствительностью) – моделирует работу пускателя. Порог чувствительности Н = 0.1, а выходной параметр К =90/10=9 соответствует скорости перемещения рабочего органа (клапана).

Звено № 4 (интегратор) – моделирует переход от скорости перемещения рабочего органа к величине перемещения . Учитывая, что , этот переход моделируется интегратором с ограничением выхода (в данном случае ограничение составляет от 0 до 900). Постоянная интегратора Т = 1.

Звено № 5 (безинерционный усилитель) – моделирует аналоговый датчик положения, который осуществляет преобразование параметра X (угол поворота заслонки) в соответствующую силу тока сигнала обратной связи. Датчик промоделирован звеном “безинерционный усилитель”, так как инерционность датчика (Т < 1 с) ничтожно мала по сравнению с инерционностью объекта управления. Величина коэффициента передачи рассчитана по следующей формуле:

Кдп=10/90=0.11.

В данном звене также использовано ограничение выходного сигнала, которое составляет от 00 до 900.

Таким образом, с помощью звеньев № 3 – 5 моделируется клапан вместе с регулирующей заслонкой. Из модели клапана убрано апериодическое звено с целью упрощения модели.

Давление в газовой магистрали и положение регулирующей заслонки будут опреде­лять расход газа . При = 00 заслонка закрыта, а при = 900 заслонка открыта полностью. Известно, что количество подаваемого компрессором газа (подача) пропорционально частоте вращения, а давление в пневмосети пропорционально квадрату частоты вращения.

,

где - давление газа;

- положение вентиля;

- коэффициент пропор­циональности.

Это выражение моделируется с помощью звеньев № 6 (множительное устройство), № 7 (степенная функция, извлекает корень из давления газа в газовой магистрали ), № 8 (безинерционный усилитель с коэффициентом передачи = 0.000556 (расчёт коэффициента приведён выше)).

Звено № 9 (безинерционный усилитель) – моделирует датчик расхода (YOKOGAWA-ДИ). Звено осуществляет преобразование значения расхода газа в соответствующий токовый уровень сигнала обратной связи. Величина коэффициента передачи рассчитана по следующей формуле:

КДГ =U max /Qгmax= 50.

В данном звене также использовано ограничение выходного сигнала, который теперь может принимать значения только в диапазоне от 0 до 10 В.

В результате работы полученной модели контура регулирования расхода подачи аргона на установку доводки металла получили следующие результаты (рисунок 3.2).

Рис. 3.2. Переходные процессы в модели контура регулирования расхода аргона.

Моделировалось 3 режима работы контура регулирования расхода аргона с шагом интегрирования 0.1 с.

Как видно из полученных результатов (рисунок 3.2) система управления успешно справилась с отработкой заданий, а также смогла компенсировать воздействие возмущений. Небольшая погрешность результатов (в пределах 1 %) обусловлена использованием в модели нелинейных звеньев (в моделях регулятора и клапана используются звенья “зона нечувствительности” и “реле с нечувствительностью”). 3.