عنوان :
گزارش کار آزمایشگاه کنترل
موضوع آزمایش :
کنترل دما
هدف آزمایش :
هدف از انجام این آزمایش کنترل دما برای سیستم های بدون تاخیر و سیستم های با تاخیر است.
مقدمه:
دمای یک سیستم ویژگی است که تعیین می کند آیا یک سیستم با سیستم های دیگر در تعادل گرمایی قرار دارد یا خیر
مفاهیم داغ و سرد برای انسان ، مانند هر موجود زنده دیگر ذاتی است و دمای محیط مجاور را بیلیونها عصبی که به سطح پوسته می رسند، به مغز خبر می دهند . اما پاسخ فیزیولوژیکی به دما اغلب گمراه کننده است و کسی که چشمش بسته است نمی تواند بگوید که آیا دستش با اتوی بسیار داغ ، سوخته یا به وسیله یک تکه یخ خشک شده است. در هر دو حالت احساسی پدید می آید، زیرا هر دو عینا پاسخ فیزیولوژیکی به آسیبی هستند که به نسج رسیده است.
اندازه گیری دما:
برای تعیین یک مقیاس تجربی دما ، سیستمی با مختصات xy را به عنوان استاندارد که ما آن را دماسنج می نامیم، انتخاب می کنیم و مجموعه قواعدی را برای نسبت دادن یک مقدار عددی به دمای وابسته به هر کدام از منحنیهای همدمای آن ، اختیار می کنیم. به هر سیستم دیگری که با دماسنج در تعادل گرمایی باشد، همین عدد را برای دما نسبت می دهیم.
انواع دماسنجها :
دماسنج گازی
جنس ، ساختمان و ابعاد دماسنج در ادارات و موسسات مختلف سراسر دنیا که این دستگاه را بکار می برند، تفاوت دارد و به طبیعت گاز و گستره دمایی که دماسنج برای آن در نظر گرفته شده است، بستگی دارد. این دماسنج شامل حبابی از جنس شیشه ، چینی ، کوارتز ، پلاتین یا پلاتین ـ ایریدیم ، بسته به گستره دمایی که دماسنج در آن بکار می رود ، می باشد که به وسیله یک لوله موئین به فشارسنج جیوه ای متصل است. این دماسنج براساس دو قانون ذکر شده در مورد گاز کامل کار می کند.
دماسنج با مقاومت الکتریکی
دماسنج مقاومتی به صورت یک سیم بلند و ظریف است، معمولا آن را به دور یک قاب نازک می پیچند تا از فشار ناشی از تغییر طول سیم که در اثر انقباض آن در موقع سرد شدن پیش می آید، جلوگیری کند. در شرایط ویژه می توان سیم را به دور جسمی که منظور اندازه گیری دمای آن است پیچید یا در داخل آن قرار داد.
در گستره دمای خیلی پایین ، دماسنجهای مقاومتی معمولا از مقاومتهای کوچک رادیویی با ترکیب کربن یا بلور ژرمانیوم که ناخالصی آن آرسنیک است و جسم حاصل در درون یک کپسول مسدود شده پر از هلیوم قرار دارد، تشکیل می شوند. این دماسنج را می توان بر روی سطح جسمی که بمنظور اندازه گیری دمای آن است سوار کرد یا در حفرهای که برای این منظور ایجاد شده است، قرار داد.
دماسنج مقاومتی پلاتین را می توان برای کارهای خیلی دقیق در گستره 253 – تا 1200 درجه سانتیگراد بکار برد.
ترموکوپل:
ترموکوپل وسیله دیگری است که برای اندازه گیری دما مورد استفاده قرار می گیرد. در این نوع دماسنج از خاصیت انبساط و انقباض اجسام جامد استفاده می گردد. گستره یک ترموکوپل بستگی به موادی دارد که ترموکوپل از آن ساخته شده است. گستره یک ترموکوپل پلاتنیوم ـ رودیوم که 10 درصد پلاتینیوم دارد، از صفر تا 1600 درجه سانتیگراد است.
مزیت ترموکوپل در این است که بخاطر جرم کوچک ، خیلی سریع با سیستمی که اندازه گیری دمای آن مورد نظر است، به حال تعادل گرمایی در می آید. لذا تغییرات دما به آسانی بر آن اثر می کند، ولی دقت دماسنج مقاومتی پلاتین را ندارد.
واحد اندازه گیری دما :
* کلوین:
کلوین مقیاس بنیادی دما در علوم است که سایر مقیاسها بر حسب آن تعریف می شوند.
* سلیسیوس یا سانتیگراد:
مقیاس سلیسیوس بر اساس نقطه سه گانه آب می باشد. اگر t نشان دهنده دمای سلیسیوس و T نشان دهنده دمای کلوین باشد، در اینصورت داریم: 273.15 – t =T
* فارنهایت:
این مقیاس هنوز هم در بعضی از کشورهای انگلیسی زبان به کار می رود و در کارهای علمی استفاده نمی شود.
مدل سازی فرآیندهای صنعتی:
پاسخ تغییر فرآیندها در طراحی ، تحلیل و اجرای سیستم های کنترل فرآیند از اهمیت درجه اول برخوردار است. یک خصوصیت جالب و مهم فرآیندهای شیمیایی آن است که پویایی آنها از فرآیندبه فرآیند دیگر تغییر می کند. به عنوان نمونه ، پاسخ دما از پاسخ سطح متفاوت است. حتی پاسخ دما در یک مبدل حرارتی با پاسخ دما در یک کوره فرق می کند.
هدف اصلی نشان دادن چگونگی تعیین پاسخ زمانی فرآیندهای ساده با استفاده از مدل های ریاضی، توابع تبدیل ، و نمودارهای جعبه ای است. در عین سادگی ، این فرآیندها از کاربردهای واقعی صنعتی گرفته شده اند.
مدل های ریاضی با شروع از اصول اولیه بدست خواهند آمد. از مدل ها توابع تبدیل بدست می آیند که پارامترهایی مانند بهره ، ثابت زمانی و زمان مرده که تشریح کننده ی پاسخ فرآیند هستند آشکار می سازند.
مدل سازی فرآیندهای صنعتی معمولاً با موازنه ی یک کمیت ماندگار مانند جرم یا انرژی آغاز می شود. موازنه می تواند بصورت زیر نوشته شود:
سرعت انباشت جرم یا انرژی= سرعت خروج جرم یا انرژی از حجم کنترل – سرعت ورود جرم یا انرژی به داخل حجم کنترل
در فرآیندهایی که واکنش شیمیایی حضور ندارند ، ماندگاری مول نیز وجوددارد. بنابراین در این فرآیندها ، ممکن است کلمه ی مول را در معادله ی موازنه جایگزین جرم نماییم.
علم کنترل:
کنترل، در پیشرفت علم نقش ارزنده ای را ایفا می کند و علاوه بر نقش کلیدی در فضاپیماها و هدایت موشکها و هواپیما، به صورت بخش اصلی و مهمی از فرایندهای صنعتی و تولیدی نیز درآمده است. به کمک این علم می توان به عملکرد بهینه سیستم های پویا، بهبود کیفیت و ارزانتر شدن فرآورده ها، گسترش میزان تولید، ماشینی کردن بسیاری از عملیات تکراری و خسته کننده دستی و نظایر آن دست یافت. هدف سیستم کنترل عبارت است از کنترل خروجیها به روش معین به کمک ورودیها از طریق اجزای سیستم کنترل که می تواند شامل اجزای الکتریکی، مکانیک و شیمیایی به تناسب نوع سیستم کنترل باشد
اگر بخواهیم یک تعریف کلی از کنترل ارائه دهیم، می توانیم بگوییم که هدف این علم، کنترل خروجی های یک سیستم بر مبنای ورودی های آن و با توجه به شرایط ویژه و نکات مورد نظر طراحی آن سیستم می باشد
علم کنترل فقط در مهندسی برق مورد استفاده قرار نمی گیرد. بلکه در شاخه های دیگری از علوم مهندسی و حتی علوم انسانی کاربرد دارد. به عنوان نمونه کنترل فرآیند تصفیه نفت در یک پالایشگاه، کنترل عملکرد یک نیروگاه برق، سیستم کنترل ناوبری یک کشتی و یا کنترل تحولات و تغییرات جمعیتی نمونه های متنوعی از کاربرد علم کنترل می باشد.
گفتنی است که گرایش کنترل دارای زیر بخش های متنوعی مانند کنترل خطی، کنترل غیرخطی، کنترل مقاوم، کنترل تطبیقی، کنترل دیجیتال، کنترل فازی و … است.
در رشته های مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی، مهندسی هوافضا، مهندسی سازه و مهندسی های دیگر نیز ما شاهد علم کنترل هستیم اما نوع سیستم کنترلی در هر رشته مهندسی متفاوت است. برای مثال در مهندسی مکانیک نوع کنترل، مکانیکی و در مهندسی شیمی براساس فرآیندهای شیمیایی است. اما در کل هدف مهندسی کنترل، طراحی سیستمی است که بتواند عملکرد یک دستگاه را در حد مطلوب حفظ کند
خودکار کردن یا اتوماتیک کردن خط تولید (اتوماسیون)، یکی دیگر از فعالیت های مهندسی کنترل است. یعنی مهندس کنترل می تواند به گونه ای خط تولید را هماهنگ و کنترل کند که محصول تولید شده طبق برنامه تعیین شده و با بهترین کیفیت ارائه شود.
اهداف کنترل اتوماتیک:
لازم است برخی اصطلاحات که در حوزه ی کنترل اتوماتیک فرآیند به کار می روند تعریف شود. متغیر تحت کنترل متغیری است که باید در مقدار مطلوبی قرار بگیرد و نگهداری یا کنترل شود. بعضی مواقع اصطلاح" متغیر فرآیند " نیز به منظور اشاره به متغیر تحت کنترل به کار می رود. نقطه تنظیم(sp)
point set ، مقدار مطلوب متغیر تحت کنترل است. بنابراین کار یک سیستم کنترلی نگه داشتن متغیر تحت کنترل در نقطه تنظیم آن است. متغیر تنظیم کننده متغیری است که برای نگه داشتن متغیر تحت کنترل در نقطه تنظیم آن بکار می رود. نهایتاً هر متغیری که موجب انحراف متغیر تحت کنترل از نقطه تنظیم شود به عنوان متغیر برهم زننده ی نظم یا عامل اختلال یا مزاحم شناخته می شود. در بیشتر فرآیندها ، شماری چند از اختلال های گوناگون وجود دارد. فهم اینکه در فرآیندها همواره اختلال ها در حال رخ دادن هستند، هائز اهمیت است.
شرایط حالت پایا معمولا قاعده ی کار نیست و شرایط گذرا و متغیر بیشتر حاکم است. به علت این عوامل برهم زننده ی نظم است که به کنترل فرآیند نیاز است.اگر عوامل برهم زدن نظم در کار نباشند، در آن صورت شرایط عملیاتی طراحی حاکم می شوند و دیگر هیچ احتیاجی به "پاییدن"
مداوم فرآیند نیست.
اصطلاحات دیگری که در پی می آیند نیز از اهمیت برخوردارند."کنترل دستی" وضعی است که در آن اتصال کنترل کننده به فرآیند قطع شده است. یعنی کنترل کننده تصمیم نمی گیرد که متغیر تحت کنترل در نقطه ی تنظیم نگهداری شود. این کار در اختیار اپراتور است که علامت ورودی به جزﺀ پایانی کنترل را برای نگهداشتن متغیر تحت کنترل در نقطه تنظیم، کم و زیاد یا دستکاری کند.کنترل مدار بسته ، موقعیتی است که در آن کنترل کننده به فرآیند متصل است، مقدار متغیر تحت کنترل را با نقطه ی تنظیم مقایسه می کند و برای عمل اصلاحی تصمیم می گیرد.
حال اینکه اصطلاحات را تعریف نمودیم، می توانیم هدف از یک سیستم کنترل فرآیند اتوماتیک را پر معنی تر بیان کنیم:
هدف یک سیستم کنترل اتوماتیک فرآیند میزان کردن متغیر تنظیم کننده برای نگهداری متغیر تحت کنترل در نقطه ی مطلوب، علیرغم حضور عوامل بر هم زننده و مزاحم است.
بنا به دلایل بسیار ، کنترل حائز اهمیت است. دلایلی که در پی می آید تنها دلایل نیستند، بلکه ما احساس می کنیم که مهم ترین دلایل می باشند. اینها مبتنی بر تجارب صنعتی است و علاقمندیم که آنها را روشن تر بیان کنیم. کنترل به دلایل زیر حائز اهمیت است:
١- جلوگیری از وارد شدن صدمه به کارکنان کارخانه ، حفاظت محیط، جلوگیری از انتشار و به حداقل رساندن دورریزها و جلوگیری از صدمه رساندن به تجهیزات .ایمنی تنها مهم ترین نگرانی است و همواره باید در خاطر همگان باشد.
۲- حفظ مداوم کیفیت تولید(غلظت، خلوص،رنگ و…)و با حداقل هزینه.
۳- حفظ مقدار تولید کارخانه با حداقل هزینه.
بنابراین کارخانجات فرآیندی برای فراهم آوردن یک محیط امن و همزمان با آن حفظ کیفیت مطلوب فرآورده ،تولید بالای کارخانه، و نیاز به نیروی کار انسانی کمتر اتوماتیزه می شوند.
اجزای اصلی کلیدی سیستم های کنترلی
١- گیرنده و فرستنده که غالباً اجزاﺀ اولیه و ثانویه شناخته می شوند.
٢- کنترل کننده که "مغز" سیستم می باشد.
۳- جزﺀ پایانی کنترل که غالباً ، ولی نه همیشه، یک شیر کنترل است. سایر اجزاﺀ پایانی کنترل مداوم عبارتند از تلمبه های دور متغیر، نقاله ها و موتورهای برقی.
این اجزاﺀ سه کار اصلی انجام می دهند که می بایست در هر سیستم کنترل موجود باشد.که این کارها عبارتند از :
١- اندازه گیری(M) از اول کلمه Measurment . اندازه گیری متغیری که باید کنترل شود معمولاً بوسیله ی عمل مشترک گیرنده و فرستنده انجام می گیرد. در برخی سیستم ها ، علامت خروجی از گیرنده مستقیماً به کنترل کننده داده شود، بنابراین به فرستنده نیازی نیست.
۲- تصمیم گیری(D) از اول کلمه ی Decision . بر اساس اندازه گیری، کنترل کننده تصمیم می گیرد چه بکند تا متغیر را در حد مطلوب نگهداری کند.
۳- (A) از اول کلمه ی Action .در نتیجه ی تصمیم کنترل کننده ، سیستم باید دست به کار بزند.این کار معمولاً بوسیله ی جزﺀ پایانی سیستم کنترل انجام می پذیرد.
اعمال سه گانه ی M ، D ، A همواره در هر نوع سیستم کنترلی حضور دارند و ضروری است که در یک مدار باشند. یعنی بر اساس اندازه گیری ،تصمیمی اتخاذ شود و بر پایه ی این تصمیم عملی اجزاﺀ می شود. عملی که اجرا می گردد باید باز گردد و در اندازه گیری تاثیر بگذارد، در غیر این صورت، عیب عمده ای در طراحی وجود دارد وکنترلی حاصل نمی شود. هنگانی که تصمیم اتخاذ شده بر اندازه گیری تاثیر بگذارد، شرط مدار باز حاکم است و کنترلی وجود ندارد. تصمیم گیری در برخی سیستم ها تا حدودی ساده است، در حالی که در سایر سیستم ها پیچیده تر است.
کنترل باز نگر:
برای تشخیص محاسن و معایب کنترل باز نگر باید اصول کاری آن را فهمید، از مدار کنترل مبدل حرارتی برای ژرفا بخشیدن به چنین فهمی استفاده می کنیم.
اگردمای ورودی به فرایند افزایش یابد و در نتیجه اختلالی ایجاد شود تاثیر آن قبل از اینکه دمای خروجی بالا رود باید درون مبدل حرارتی منتشر گردد. هنگامی که این دما تغییر کند علامت خروجی از فرستنده و ورودی به کنترل کننده نیز تغییر میابد.آن وقت است که کنترل کننده آگاه می شود که انحرافی از نقطه تنظیم بوجود آمده است و او می بایست با دستکاری شیر بخار اختلال را جبران کند. کنترل کننده به شیر علامت می دهد که بسته شود و بنابراین دبی بخار کاهش می یابد.
توجه به این موضوع که دمای خروجی ابتدا به خاطر افزایش دمای ورودی بالا می رود، ولی پس از آن حتی به پایین تر از نقطه تنظیم کاهش می یابد و به نوسان حول نقطه تنظیم ادامه می دهد تا سرانجام پایدار و ثابت شود.
دارد.
نمودارها و محاسبات آزمایش: کنترل دمای آب گرم
شکل رسم شده با استفاده از مقادیر محاسباتی k
به علت خطاهای محاسباتی دربدست آوردن مقادیر K دما حول نقطه SETPOINT نوسان دارد و باید مقادیر K را تغییر دهیم و تصحیح کنیم
شکل رسم شده با استفاده از تصحیح k درsetpoint 70
شکل رسم شده با استفاده از تصحیح k درsetpoint 75
نمودارها و محاسبات آزمایش دوم : کنترل دمای مخلوط آب گرم وسرد
شکل رسم شده با استفاده از مقادیر محاسباتی- بدون تاخیر
شکل رسم شده با استفاده از مقادیر محاسباتی- با تاخیر
شکل بدون تاخیر با مقادیر اصلاح شده K و SET POINT 40
شکل بدون تاخیر با مقادیر اصلاح شده K و SET POINT 45
شکل با تاخیر با مقادیر اصلاح شده K و SET POINT 30
شکل با تاخیر با مقادیر اصلاح شده K و SET POINT 35
20