Математическое моделирование САР температуры этилена в теплообменнике
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Дзержинский политехнический институт (филиал)
Кафедра "Автоматизация и информационные системы"
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе
по дисциплине "Моделирование систем"
"Математическое моделирование САР температуры этилена в теплообменнике"
Дзержинск 2011
Содержание
Введение
. Описание моделируемого объекта
. Анализ процессов, протекающих в объекте
. Система допущений
. Структурная схема модели
. Математическая модель
.1 Модель объекта регулирования
.2 Модель первичного преобразователя
.3 Модель ПИ-регулятора
.4 Модель исполнительного устройства
.5 Модель САР температуры
. Разработка модели в MATLAB
.1 Модель объекта регулирования
.2 Модель первичного преобразователя
.3 Модель ПИ-регулятора
.4 Модель исполнительного устройства
.5 Модель САР температуры
Вывод
Список литературы
Введение
Моделирование - это один из научных методов познания, особенность которого заключается в том, что исходный объект изучения (оригинал) заменяется другим более простым и удобным для изучения (моделью). Модель должна быть в определенных отношениях аналогична оригиналу. Модель строится из отдельных законченных блоков, отражающих определенный элемент системы.
Во многом от того, насколько правильно построена математическая модель и проработаны отдельные случаи отклонения технологических параметров от заданных значений, определяется эффективное функционирование системы управления и регулирования технологическими процессами.
1. Описание моделируемого объекта
Моделируемый объект представляет собой цилиндрическую "рубашку", в которую подается насыщенный водяной пар. Внутри нее проходит через всю длину трубопровод, по которому проходит этилен. Пар передает тепло этилену через стальную стенку трубопровода.
Регулирование температуры этилена осуществляется с помощью пропорционально-интегрального регулятора, который создает управляющее воздействие при изменении температуры этилена. Воздействие подается в исполнительное устройство, которое управляет степенью открытия клапана и следовательно расходом пара.
Целью данной работы является составление математической модели системы автоматического регулирования объекта управления, а также создание её в среде Simulink математического пакета MatLab.
2. Анализ процессов, протекающих в объекте
В данном объекте регулирования протекают следующие процессы:
а) Теплоотдача от пара к стенке емкости в результате конденсации. Теплота, отдаваемая паром стенке, равна теплоте конденсации:
где m - массовый расход пара,
r - удельная теплота парообразования.
б) Конвективный перенос тепла этилена:
Где m - массовый расход этилена,
СЭ - теплоемкость этилена,
Твх, Т - температуры этилена на входе и на выходе из емкости соответственно.
в) Теплопередача от стенки к этилену:
где - коэффициент теплоотдачи,
F - площадь поверхности теплопередачи,
ТСТ - температура стенки,
Т - температура этилена.
3. Система допущений
1Объект с сосредоточенными координатами.
Так как нам не известно количество конденсата и неконденсированного пара на выходе из "рубашки", примем, что пар в "рубашке" конденсируется полностью.
Инерционностью всех элементов регулирования считаем пренебрежимо малой по сравнению с инерционностью объекта регулирования.
Теплофизические параметры принимаем постоянными, т.е. не зависимыми от температуры.
4. Структурная схема модели
Структурная схемы модели САР температуры включает в себя объект регулирования ОР, первичный преобразователь ПП, пропорционально-интегральный регулятор ПИР, исполнительное устройство ИУ (рисунок 2):
Рисунок 2 - Структурная схема модели
z - возмущающее воздействие; Т - температура этилена; Т- температура этилена в безразмерном виде; u(t) - управляющее воздействие; mП - массовый расход пара
Разобьем моделируемый объект на ряд элементов в соответствии с принятой системой допущений:
Рисунок 3 - Структурная схема объекта
qП - теплоотдача от водяного пара к стенке змеевика; qТ -теплопередача от стенке к этилену; qkвх, qk - конвективный перенос тепла на входе и выходе этилена из емкости
5. Математическая модель
.1 Модель объекта регулирования
. Уравнение теплового баланса емкости выглядит так:
(1)
где - тепло, приходящее в емкость с этиленом,
- тепло, уходящее из емкости с этиленом,
- тепло, отдаваемое стенкой этиленом в результате теплопередачи,
- тепло этилена.
Тепло, приходящее в емкость с этиленом, определяется как
(2)
где - массовый расход этилена, кг/с. Определяется как:
где - объемный расход этилена, м3/с.
- температура этилена на входе в емкость, K,
- теплоемкость этилена, .
Тепло, уходящее из емкости с этиленом, определяется следующим образом:
(3)