Система автоматического регулирования температуры масла в теплообменнике

Аннотация

В данной курсовой работе будет подробно рассмотрена система регулирования температуры масла. Эта системы обеспечивает заданный температурный режим масла, входящего в двигатель. Этим обеспечивается вязкость масла. В данной работе объектом управления будет являться теплообменник. Так же будет приведена принципиальная схема и построена функциональная. Одними из частей курсовой работы являются автоматизация этой системы и ее алгоритмизация. Произведутся расчеты всех настроек данной САР и моделирование в среде Matlab.

Содержание

1. Основные характеристики данной схемы

. Автоматизация системы

. Выбор типа регулятора и модулирование системы в среде MATLAB

Заключение

Список литературы

1. Основные характеристики данной схемы

Система регулирования температуры циркуляционного масла предназначена для поддержания его заданного температурного уровня на входе в двигатель. Выбор этого параметра в качестве регулируемого объясняется необходимостью подачи масла в двигатель требуемой вязкости. При этом сам двигатель не является объектом регулирования, поскольку он - потребитель масла, и все процессы теплообмена, происходящие в нем, непосредственно не складываются на величине регулируемого параметра масла. В качестве объекта регулирования в системе смазки двигателя применяется теплообменник (масло - охлаждающая вода), в котором балансируется подводимая и отводимая теплота относительно масла при сохранении заданного значения его температуры на входе в двигатель.

Сторону подвода теплообменника представляет тепловой поток, поступающий в него с нагретым маслом от двигателя:

под= смGм(tм2 -tм1),

где см- удельная теплоемкость масла; Gм- расход масла через теплообменник; tм2- температура масла на выходе из двигателя и равная температуре масла на входе в теплообменник;tм1- температура масла на выходе из теплообменника, равная температуре масла на входе в двигатель.

Температура масла tм2 характеризует нагрузку системы его охлаждения. Так как tм1 является регулируемым параметром, то подводимый к теплообменнику поток теплоты можно представить следующей линейной зависимостью:

под= а - Ьtм1

где а = с Gмtм2; Ь = смGм - теплоемкость прокачиваемого масла.

Графическое представление уравнения представляет статическую характеристику подвода энергии относительно объекта регулирования.

Масло в теплообменнике охлаждается обычно забортной водой. Количество теплоты, уносимое водой из теплообменника можно представить зависимостью

отв= ((KTFT)/2) [(tм2- tм1) - (t32 + t31) ],

где KT и FT - коэффициент теплопередачи и поверхность охлаждения теплообменника; t32 и t31- температура забортной воды после и перед теплообменником.

Учитывая, что tм1- регулируемый параметр, можно отводимый тепловой поток представить линейной зависимостью

отв = mtм1 - d,

где т = (ктFт/ 2) (t32 + t31- tм2) и d = ((KTFT)/2)

Графическое представление этой зависимости является статической характеристикой отвода тепловой энергии от объекта.

Теплообменник в системе смазки обладает положительным само- выравниванием и является статически устойчивым объектом.

На судах широко используются способ регулирования температуры масла: перепуском забортной воды (смотри схему).

Этот способ регулирования обеспечивает постоянство расхода масла через двигатель G_m. Существенное значение для нормальной работы системы регулирования температуры масла имеют скорость и температура забортной воды, прокачиваемой через теплообменник. На всех режимах (и особенно на режимах малой нагрузки двигателя) должна быть обеспечена скорость воде, препятствующая интенсивному отложению солей в трубках теплообменника.

Принцип действия:

Трехходовой клапан с гидравлическим регулятором прямого действия реализующий П-закон осуществляет перенаправление потока забортной воды в зависимости от выходной температуры. В трубопровод вмонтирован термобаллон (ЧЭ - чувствительный элемент) с парогазовой смесью. Данная смесь изменяет свой объем в зависимости от изменений температуры масла. Давление по капиллярной трубке оказывает воздействие на мембрану регулирующего органа. РУ в свою очередь деформирует пружину, перемещая задвижки, задание регулятору выставляется путем подкручивания контргайки меняющей степень деформации пружины.

2. Автоматизация системы

В данной системе температура масла контролируется датчиком температуры TE - термометр сопротивления. Сигналы датчика поступают на показывающий температуру прибор с функцией дистанционной передачи данных TIT. Сигнал от прибора по линии связи 1-1 подается на щит управления. На щите расположен регистрирующий и сигнализирующий прибор температуры масла TIRA, сигнал от которого поступает на регулятор температуры TC. При отклонении температуры масла от нормы регулятор вырабатывает командный импульс поступающий на пусковую аппаратуру NS трехфазного клапана с электроприводом. Сигнал от пусковой аппаратуры (по месту) главного циркуляционного насоса поступает на аппаратуру ручного дистанционного управления агрегатом (на щите автоматике) по каналу связи 2-1. Клапан меняет положение проходимого сечения регулируя расход ЗВ проходящей через теплообменник. Работы насоса контролируется датчиком давления PE, манометром PIT, а также регистрирующим и сигнализирующим устройством PIRA установленным на щите автоматики, передача сигнала на устройство PIRA происходит по каналу связи 3-1. В случае выхода из строя главного насоса, система запустит резервный. Так же на щит автоматики поступают сигналы от нескольких первичных измерительных преобразователей установленных по месту для измерения температуры масла/забортной воды. Таким образом мы имеем доступ ко всей информации по поводу состояния системы.пусковая аппаратура для управления электродвигателем;аппаратура для ручного дистанционного управления, управление на щите;прибор для измерения температуры, показывающий, установленный по месту;первичный измерительный преобразователь (ЧЭ) для измерения температуры, установленный по месту;- регулятор температуры, бесшкальный;регистрирующие, сигнализирующие устройство по давлению;- регистрирующие, сигнализирующие устройство по температуре.

Датчики

Назначение.

Термометры показывающие сигнализирующие ТГП-100Эк, ТГП-100Сг, ТКП-100Эк и ТКП-100Сг (в дальнейшем термометры) газовые и конденсационные предназначены для измерения температуры жидких и газообразных сред в стационарных промышленных установках и управления внешними электрическими цепями от сигнализирующего устройства.

Тип сигнализирующего устройства термометров: ТГП-100Эк и ТКП-100Эк - прямого действия (электроконтактный);

ТГП-100Сг и ТКП-100Сг - непрямого действия (бесконтактный).

По устойчивости к климатическим воздействиям термометры соответствуют:

исполнению УХЛ категории 4 по ГОСТ 15150-69, но для работы при температуре окружающего воздуха от минус 10 до плюс 60° для термометров ТГП-100Эк и ТГП-100Сг; от минус 50 до плюс 60°С - для термометров ТКП-100Эк, от минус 40 до плюс 60°С для термометров ТКП-100Сг;

исполнению Т категории 3 по ГОСТ 15150-69.

К обозначению термометров в тропическом исполнении добавляется буква «Т».

Термометры не предназначены для эксплуатации во взрывопожароопасных помещениях.

Технические данные.

Обозначение термометра, класс точности, пределы измерений, длина соединительного капилляра, длина погружения термобаллона и заполнитель термосистемы, соответствуют значениям, указанных в табл. 1.

Предельные отклонения длины погружения термобаллона, не более:

±5% - для длин 125, 160, 200, 250 мм

±3% - для длин 315, 400, 500, 630 мм.

Предельные отклонения длины соединительного капилляра не более ±10%.

Предел допускаемой основной погрешности показаний не более:

±1% от диапазона измерений - для термометров класса точности 1,0;

± 1,5% от диапазона измерений - для термометров класса точности 1,5.

Таблица 1

. Для термометров ТКП-100Эк и ТКП-100Сг предел допускаемой основной погрешности показаний для первой трети шкалы должен соответствовать ±2,5% от диапазона измерений, или по заказу потребителя его допускается не регламентировать.

. Предел допускаемой основной погрешности показаний устанавливается до срабатывания сигнализирующего устройства термометра. В момент и после срабатывания сигнализирующего устройства предел допускаемой основной погрешности показаний должен соответствовать:

±1,5% от диапазона измерений - для термометров класса точности 1;

±2,5% от диапазона измерений для термометров класса точности 1,5.

Предел допускаемой основной погрешности срабатывания сигнализирующего устройства не более:

± 1,5% от диапазона измерений - для термометров класса точности 1,0;

±2,5% от диапазона измерений - для термометров класса точности 1,5.

Примечание. Для термометров ТКП-100Эк и ТКП-100Сг предел допускаемой основной погрешности срабатывания, сигнализирующего устройства для первой трети шкалы не более 4% от диапазона, измерений.

Электрическое питание сигнализирующего устройства термометров ТГП-100Сг и ТКП-100Сг осуществляется переменным током напряжением 220 (+22 и -33) В и 240 (+24 и -36) В, частотой (50±1) Гц или (60±1) Гц.

Напряжение внешних коммутируемых цепей переменного тока следует выбирать из ряда 24; 40; 60; 110; 220; 240 В или 24; 60; 110; 220; 240 В постоянного тока. Колебания напряжения от плюс 10 до минус 15% по ГОСТ 12997-76.

Разрывная мощность контактов, сигнализирующего устройства при омической нагрузке:

термометров ТГП-100Сг и ТКП-100Cr - 50 В•А;

Значение коммутируемого тока от 0,01 до 1 А.

Средний ресурс замыканий и размыканий контактов сигнализирующего устройства не менее 100 000 циклов.

Изменение показаний термометров и срабатывания сигнализирующего устройства (Δ) в процентах от диапазона измерения, вызванное отклонением температуры окружающего воздуха от (20±5)°С не превышает значений, определяемых по формуле:

Δ = ± (X+KΔt);

где X - величина допускаемого непостоянства показаний или срабатывания сигнализирующего устройства (в процентах), равное половине абсолютной величины предела, допускаемой основной погрешности;

Δt - абсолютное значение разности температур, определяемое по формуле:

Δt = t₂ - t₁,

где t₂ - любое значение температур;₁ - значение температуры, равное (20±5)°С - для термометров класса точности 1,5 и (20±2)°С - для термометров класса точности 1,0;

К - температурный коэффициент на 1°С, равный: для термометров ТГП-100Эк и ТГП-100Сг - 0,05; для термометров ТКП-100Эк и ТКП-100Сг - 0,04.

Давление измеряемой среды:

до 6,3 МРа - для термометров без защитной гильзы;

от 6,3 до 24,5 MPа - для термометров с защитной гильзой.

Соединительный капилляр термометров по всей длине защищен металлической (из стальной оцинкованной или алюминиевой ленты) или полиэтиленовой оболочкой.

Соединительный капилляр для термометров тропического исполнения по всей длине защищен металлической оболочкой (из стальной нержавеющей ленты).

Детали термометров, соприкасающиеся с измеряемой средой, изготовлены из материалов согласно табл. 2.

Таблица 2

Второй вариант изготовляется по требованию заказчика только в обоснованных случаях и для термометров тропического исполнения.

Габаритные и присоединительные размеры соответствуют:

термометров ТГП-100Эк и ТКП-100Эк - приложению 1;

термометров ТГП-100Сг и ТКП-100Сг - приложению 2;

Масса термометров:

ТГП-100Эк и ТКП-100Эк - от 1,2 до 4,6 кг,

ТГП-100Сг и ТКП-100Сг - от 1,5 до 4,9 кг.

Потребляемая мощность термометров ТГП-100Сг и ТКП-100Сг должна быть не более 10 VA.

Устройство и работа термометров.

Термометр состоит из измерительного и сигнализирующего устройств, которые заключены в корпус диаметром 100 mm с передним расположением монтажного фланца.

Измерительное устройство.

В состав измерительного устройства термометра входит термосистема, состоящая из термобаллона 1, соединительного капилляра 2 и манометрической пружины 3, один конец которой впаян в держатель 4. С лицевой стороны термометра к держателю крепится трибко-секторный механизм (трибка 5, сектор 6), на оси трибки которого насажена стрелка 7, для отсчета показаний по шкале 8. Связь между свободным концом манометрической пружины с хвостовиком сектора осуществляется с помощью тяги 9, которая в термометрах с газовым заполнением термосистемы несет на себе биметаллическую скобу 10, компенсирующую погрешность, вызываемую изменением температуры окружающей среды. Соединительный капилляр 2 по всей длине защищен металлической или полиэтиленовой оболочкой.

Действие измерительного устройства термометра, основанного на зависимости давления заполнителя термосистемы от температуры, заключается в следующем. Изменение температуры измеряемой среды воспринимается заполнением термосистемы через термобаллон 1 и вызывает изменение его давления, под действием которого манометрическая пружина 3 деформируется, и через тягу 9 трибко-секторный механизм перемещает показывающую стрелку 7 относительно шкалы 8.

Вместе с показывающей стрелкой 7 перемещается ведущий поводок 11, жестко насаженный на ось стрелки, осуществляющий кинематическую связь измерительного устройства с сигнализирующим.

Сигнализирующее устройство.

Не допускается использование термометра для измерения сред, агрессивных по отношению к материалам.

Условное давление измеряемой среды не должно превышать значения, указанного на грани монтажного штуцера комплекта поставки.

В процессе эксплуатации термометр не должен подвергаться перегрузке, т. е. температура измеряемой среды не должна быть выше верхнего предела измерения.

Не допускается производить монтажные операции, не отключая напряжения.

Заземление должно производиться проводом сечением не менее 3 мм².

Порядок установки.

При выборе места установки термометра следует соблюдать следующие условия:

) расстояние от термометра до места установки термобаллона должно определяться длиной соединительного капилляра;

) место установки термобаллона и термометра должно обеспечивать удобство обслуживания и наблюдение за показаниями;

) термометр должен быть установлен в вертикальное положение с допустимым отклонением ±2°;

) во избежание изменений показаний термометр и соединительный капилляр не должны находиться вблизи нагревательных и охлаждающих устройств;

) окружающий воздух не должен содержать примесей агрессивных паров и газов;

) термометр не должен подвергаться вибрации, воздействию осадков и солнечной радиации.

Соединительный капилляр подвешивается на крючках или крепится скобами с радиусом закруглений в местах изгиба не менее 50 мм.

Положение термобаллона в измеряемой среде может быть любым: вертикальным, горизонтальным или наклонным. При давлениях измеряемой среды свыше 6,3 МРа и в случаях, когда смена термометра может повлечь нежелательную в производстве остановку агрегата, рекомендуется применять защитную гильзу. Во избежание увеличения показателя тепловой инерции после установки термобаллона защитную гильзу необходимо заполнить металлическими опилками или жидкостью с температурой кипения выше верхнего предела измерения термометра.

Подготовка к работе.

Перед включением термометра в работу необходимо:

) проверить правильность монтажа термометра;

) проверить наличие напряжения в сети электропитания (для термометров ТГП-100Сг и ТКП-100Сг);

) сличить показания термометра с образцовым (контрольным) термометром;

) установить пределы сигнализации в требуемое положение по шкале термометра;

) проверить герметичность в месте установки термобаллона.

Таблица 3. Характерные неисправности и методы их устранения

Рис. 1. Схема принципиальная термометров ТГП-100Эк и ТКП-100Эк.

- термобаллон; 2 - соединительный капилляр; 3 - манометрическая пружина; 4 - держатель; 5 - трибка; 6 - сектор; 7 - стрелка; 8 - шкала; 9 - тяга; 10 - скоба биметаллическая; 11 - ведущий поводок; 12 - контакт «минимум»; 13 - контакт «максимум».

Датчики-реле давления серии «ДЕМ-105» предназначены для контроля и двухпозиционного регулирования давления жидких и газообразных сред в системах сигнализации, защиты и управления дизелей и систем судов, тепловозов, а также в холодильных установках и других системах, в т.ч. для замены реле типа КРМ с датчиком давления.

Рис. 2. Датчики-реле давления серии «ДЕМ-105»

Контролируемые среды: воздух, хладоны, масла, дизельное топливо, вода.

Отличаются высокой устойчивостью к динамическим нагрузкам (вибрация, удары, тряска), защищенностью от воздействия пыли, воды и других факторов окружающей среды.

Особенности: ДЕМ-105 датчики-реле давления для автоматизации дизельных установок судов и тепловозов

− работоспособны при температуре от минус 60 до плюс 80 °С;

− виды климатических исполнений: УХЛ2 - для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом; 02 - для всех макроклиматических районов на суше. ОМ5 - для макроклиматических районов с морским климатом;

− для подсоединения к прибору внешних электрических цепей служат сальниковый электрический ввод или соединитель;

− степень защиты корпуса - IP64.

Приборы имеют информационную шкалу уставок без контрольных отметок и поставляются настроенными на требуемую уставку, соответствующую заказу. При необходимости могут быть перенастроены на любую уставку в пределах, указанных в табл.1.

Приборы в зависимости от заказа поставляются с зоной возврата, направленной в сторону повышения или уменьшения (относительно уставки) давления контролируемой среды.

Таблица 4. Технические характеристики ДЕМ-105 датчики-реле давления для автоматизации дизельных установок судов и тепловозов

Приборы ДЕМ105-02 с уставками в пределах от 20 до 80 кПа поставляются с зоной возврата, направленной только в сторону повышения давления контролируемой среды.

Таблица 5

Sn - начало алгоритма;- проверка ЗУ (предохранитель, авт.выключатель);-запуск насоса;- проверка датчиков температуры;- подача сигнала на регулятор температуры;- сравнение температуры с Tзад;- запуск ЭП РУ;- вывод регулируемых параметров на монитор P,I;- проверка датчиков давления;- сигнал на стоп;- запуск резерва.

3. Выбор типа регулятора и модулирование системы в среде MATLAB

температура масло автоматизация регулятор

Существует несколько методов идентификации: аналитика диф. уравнений и экспериментальный способ. Мы выбираем экспериментальный.

Метод Калмана состоит из ряда этапов:

)        В процессе эксплуатации через строго фиксированные интервалы времени записываются значения выходных параметров;

)        Выбирают наиболее простой вид аналитической модели;

)        Решают разность уравнений и сравнивают полученные динамические хар-ки с экспериментом;

)        При больших отклонениях задаются уравнения более высокого порядка и повторяют расчет.

Таблица 6. Результаты мониторинга

Из данных наблюдения видно что температура изменилась с 12 до 80  за 10 часов. Для идентификации используем разностное уравнение первого порядка. Для упрощения расчета примем интервал времени измерения замеров  = 2ч

Для минимизации суммы квадратов отклонений запишем функционал:

F=

Приравнивая к 0 частные производные от функционала получаем систему уравнений

Таблица 7. m- точек эксперимента (4)

Таблица 8. Суммы необходимых значений

Подставляем найденные значения в формулы и получаем значения:

368

Разносное уравнение:

Для проверки адекватности модели рассчитывают ряд значений при тех же интервалах.

Сравнивая рассчитанные данные с данными эксперимента убеждаемся в адекватности модели объекта, что позволяет сделать вывод по возможности описания объекта диф. Уравнением первого порядка вида:

,

решение которого является

Q=Qn;  ;t = n * , n=1;

 = = 2ч

- постоянная времени нагрева

Дифур-е:

;

Данные диф. ур-я описываются инерционным звеном первого порядка:

(s) =  ;

В случаях если на объект действует единичное возмущение по каналу управления от регулирующего органа, то обьекта определяется отношением:

Как правило для получения К, регулирующий орган перемещают на 10% хода.

Примем транспортное запаздывание, тогда передаточная функция объекта будет иметь вид:

Расчетам имитационную модель САР с двумя видами регуляторов:

)выбираем ПИ- регулятор с 20% перерегулированием

Получим следующие значение настроек:

Апробация САР на имитационной модели (одноконтурная САР с обратной связью) в программе MatLab

Переходный процесс:

Таким образом, проведена динамическая идентификация, рассчитаны и апробированы на модели настройки ПИ-регулятора для САР температуры масла в теплообменнике.

) Выбор П- регулятора с 20% перерегулированием

Получим следующие значение настроек:

Апробация САР на имитационной модели (одноконтурная САР с обратной связью) в программе MatLab

Переходный процесс:

Таким образом, проведена динамическая идентификация, рассчитаны и апробированы на модели настройки П -регулятора для САР температуры масла в теплообменнике.

Заключение

Список литературы

1.   Власенко А.А., Стражмейстер В.А. Судовая электроавтоматика. Учебник для вузов. - М:, 1983.-368с.

2.      В.И. Ланчуковский, А.В. Козьминых. Автоматизированные системы управления судовыми дизельными и газотурбинными установками. 1990. - 334с.

.        Луковцев В.С. Конспект лекций.