Теория автоматического регулирования теплоэнергетических процессов : лабораторный практикум

УДК 621.1:681.51(076.58)
ББК 32.965я73
 
Н19

Рец енз ент ы: кафедра автоматизации производственных процессов и 
электротехники УО «Белорусский государственный технологический университет» (кандидат технических наук, доцент О.Г. Барашко; заведующий 
кафедрой кандидат технических наук Д.С. Карпович); старший преподаватель 
кафедры «Промышленная теплоэнергетика и экология» УО «Гомельский 
государственный технический университет имени П.О. Сухого» В.В. Киселевич

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства. 

ISBN 978-985-06-3195-4 
©  Назаров В.И., Павловская А.А., 
Ракевич С.И., 2020
 
©  Оформление. УП «Издательство 
“Вышэйшая школа”», 2020

Назаров, В. И.
Теория автоматического регулирования теплоэнергетических процессов : лабораторный практикум : учебное 
пособие / В. И. Назаров, А. А. Павловская, С. И. Ракевич. – Минск : Вышэйшая школа, 2020. – 126 с. : ил.
ISBN 978-985-06-3195-4.

Приведены теоретические сведения и лабораторные работы, которые охватывают математическое описание объектов и систем регулирования, расчет устойчивости, анализ качества переходных процессов, 
оптимизацию параметров настройки типовых линейных регуляторов. 
Материал изложен в соответствии со структурой учебной программы 
читаемого курса «Теория автоматического регулирования».
Для студентов специальностей теплоэнергетического профиля, а 
также для изучающих курсы «Теория автоматического регулирования», 
«Теория автоматического управления», «Автоматизированные системы 
управления на ТЭС», «Автоматизация водоподготовки и водно-химических режимов».

УДК 621.1:681.51(076.58) 
ББК 32.965я73 

Н19

ПРЕДИСЛОВИЕ

Трудоемкие процессы, связанные с производством и распределением тепловой и электрической энергии на современных ТЭС и АЭС, предопределяют важность автоматизации этих 
процессов. Теплоэнергетика, отличающаяся высокими параметрами рабочей среды, требованиями к точности их регулирования, является той областью науки и техники, где постоянно находят применение методы теории автоматического регулирования. В лабораторном практикуме приведены необходимые теоретические сведения и лабораторные работы, которые 
охватывают математическое описание объектов и систем регулирования, расчет устойчивости, анализ качества переходных 
процессов, оптимизацию параметров настройки типовых линейных регуляторов. Материал изложен в соответствии со 
структурой учебной программы читаемого курса «Теория автоматического регулирования».
Практикум предназначен для студентов специальностей «Паротурбинные установки атомных электрических станций», «Тепловые электрические станции», «Промышленная теплоэнергетика», «Автоматизация и управление теплоэнергетическими 
процессами», а также для изучающих курсы «Теория автоматического регулирования», «Теория автоматического управления», 
«Автоматизированные системы управления на ТЭС», «Автоматизация водоподготовки и водно-химических режимов».
Целью изучения дисциплины «Теория автоматического регулирования» является получение знаний в области основ теории автоматического регулирования теплоэнергетическими 
процессами на АЭС с позиции применения полученных знаний 
для оптимального и надежного управления работой основного 
оборудования АЭС.
Для успешного усвоения «Теории автоматического регулирования» необходимы глубокие знания по дисциплинам: «Математика», «Парогенераторы АЭС», «Турбины АЭС», «Парогенераторы ТЭС», «Турбины ТЭС», «Турбомашины», «Котельные 
установки».
Основной задачей преподавания дисциплины является подготовка студентов к последующему изучению курсов по специальности, а также к будущей практической деятельности.
Авторы

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

Общие требования безопасности

К выполнению работ в лаборатории допускаются сотрудники кафедры, прошедшие инструктаж по охране труда и имеющие квалификационную группу по электробезопасности не 
ниже второй.
К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, 
прошедшие инструктаж по охране труда у преподавателя, ведущего занятия, о чем должна быть сделана запись в журнале 
инструктажа по технике безопасности.
В лаборатории необходимо соблюдать правила внутреннего 
распорядка. Не допускается находиться в верхней одежде, курить, 
самовольно включать лабораторные установки и работать на них, 
употреблять алкогольные, наркотические и токсические средства.
Помещение лаборатории по степени опасности поражения 
электрическим током относится к категории повышенной опасности. Источником опасности является электрический ток напряжением 220 В. Все электрооборудование должно иметь надежное защитное заземление.
Для исключения травмирования необходимо выполнять 
следующие правила:
 • делать только ту работу, которая входит в ваши обязанности;
 • пользоваться только исправными приборами, инструментами, приспособлениями;
 • работу производить на заранее подготовленном и исправном рабочем месте;
 • не загромождать проходы около своего рабочего места.
При выполнении работ в помещении лаборатории должно 
находиться не менее двух человек.
В случае травмирования, обнаружения неисправности оборудования сообщить руководителю работ. При получении травмы товарищем оказать ему доврачебную помощь и сообщить 
руководителю.
Каждый работающий обязан уметь оказывать первую (доврачебную) помощь пострадавшему человеку.
За невыполнение правил техники безопасности виновные 
несут ответственность в соответствии с действующим законодательством.

Требования безопасности перед началом работы

Подготовить рабочее место к работе. Для этого необходимо:
 • убрать все посторонние предметы;
 • проверить заземление, электрическую проводку, наличие 
и исправность приборов (вольтметры, амперметры, манометры, указатели высоты столба жидкости и т.д.). Методом визуального осмотра проверить исправность применяемого в данной работе оборудования, а также приспособлений, защитных 
ограждений, мест освещения, состояния проводов, кабелей.
Включение цепи под напряжением разрешается только после ее проверки преподавателем или лаборантом. Изменение 
электрической схемы должно проводиться при ее отключении 
и только с разрешения преподавателя или лаборанта.
Выполнение работы начинать только с разрешения преподавателя или лаборанта.

Требования безопасности при выполнении работы

Поддерживать на рабочем месте чистоту и порядок.
Во время работы контролировать параметры технологических процессов:
 • напряжение;
 • силу тока;
 • давление в элементах гидравлической установки;
 • высоту столба жидкости.
Не допускать превышения (уменьшения) параметров сверх 
предельных значений.
Во избежание травмирования не допускается:
 • осуществлять ремонт оборудования, находящегося под 
напряжением;
 • производить переключения в схемах, не предусмотренные экспериментом;
 • оставлять оборудование в рабочем состоянии без присмотра;
 • загромождать лабораторные столы и проходы;
 • оставлять вещи на включенном оборудовании;
 • отвлекаться и отвлекать товарищей посторонними разговорами и делами.
Если при проведении работы возникло какое-либо повреждение (появился специфический запах, дым, накаляются проводники) или кто-нибудь попал под напряжение, немедленно 

снять напряжение со схемы и оказать помощь пострадавшему. 
Всякая растерянность и промедление в этих условиях может 
усилить поражение людей и повреждение элементов схемы.

Требования безопасности в аварийных ситуациях

При выполнении работ возможны ситуации, которые могут 
привести к аварии или несчастному случаю:
 • нарушение ограждения и попадание работающего по неосторожности за приборный щит;
 • утечка воды и попадание ее на электрические приборы и 
провода вследствие появления негерметичности трубопровода или деталей системы, заполнение водой;
 • нарушение изоляции электрических устройств.
В случае возникновения угрозы для жизни людей, аварий с 
оборудованием или пожара необходимо произвести отключение 
оборудования и сообщить руководителю.
При поражении электрическим током принять меры по 
 освобождению пострадавшего от тока, оказать первую медицинскую помощь, вызвать врача, сообщить о случившемся администрации.

Требования безопасности по окончании работы

По окончании лабораторных работ необходимо:
 • отключить приборы и аппаратуру;
 • привести в порядок рабочее место;
 • сообщить обо всех замечаниях в работе преподавателю.

ЛАБОРАТОРНАя РАБОТА № 1

Определение расходной характеристики 
вентиля стока гидравлического стенда

Цель работы: определить расходную характеристику регули
рующего органа (вентиля) стока гидравлического стенда.

Общие сведения

Основной статической характеристикой регулирующего 

органа является зависимость расхода (Q) через него от степени 
открытия

 
Q
f h
=
( ), 
(1.1)

где h – ход затвора регулирующего органа.

Эта зависимость называется расходной характеристикой ре
гулирующего органа. Поскольку регулирующий орган является 
частью трубопроводной сети, включающей в себя участки трубопровода, повороты и изгибы труб, восходящие и нисходящие 
участки, его расходная характеристика отражает фактически 
поведение гидравлической системы «регулирующий орган плюс 
трубопроводная сеть».

Характеристикой регулирующего органа, не зависящей от 

его внешних соединений, является пропускная характеристика.

Пропускная характеристика – это зависимость пропускной 

способности регулирующего органа от его открытия

 
K
f h
ν =
( ), 
(1.2)

где Kν – пропускная способность.

Порядок выполнения работы

Работа проводится на лабораторной установке (рис. 1.1).
1. Установите сливной бачок 7 в положение Н2 = 250 мм.
2. Установите вентиль стока на отметку «0» шкалы лимба.
3. С помощью вентиля 5 притока отрегулируйте установив
шийся режим Н0 = 50 мм.

4. С помощью мерного сосуда и секундомера определите 

расход воды через вентиль 5. Показания запишите в табл. 1.1.

5. Затем последовательно проделайте пункты 3, 4 для отметок шкалы лимба «10», «20», «30», «40», «50», «60».
6. Рассчитайте расход Q и постройте расходную характеристику вентиля стока. Сделайте выводы.

Рис. 1.1. Схема лабораторной установки по исследованию динамических характеристик объектов регулирования:
1 – открытый сосуд; 2 – водомерное стекло; 3 – трубопровод; 4 – трубопровод стока; 
5, 6 – вентили; 7 – сливной бачок; 8 – напорный бак; 9 – водопроводная сеть; 10 – вентиль 
водопроводной воды; 11 – сток ограничения уровня в напорном баке 

Таблица 1.1

Положение стрелки крана стока
Показания секундомера, с
Объем воды в мерном сосуде, мл
Расход Q, мл/с

0

10

20

30

40

50

60

Содержание отчета

1. Краткий ход выполнения работы. 
2. Таблицы наблюдений (табл. 1.1). 
3. Графики расходной характеристики. 
4. Выводы о проделанной работе. 

Контрольные вопросы 

1. Что такое расходная характеристика регулирующего органа?
2. Что такое пропускная способность регулирующего органа?
3. В чем отличие расходной характеристики от пропускной 
способности регулирующего органа?
4. Как определить расходную характеристику регулирующего органа?

ЛАБОРАТОРНАя РАБОТА № 2 

Изучение динамических свойств объекта 
регулирования на гидравлической модели

Цель работы: 1) ознакомление с методикой снятия пере
ходных характеристик (кривых разгона) объектов регулирования и с методикой определения динамических параметров по 
кривым разгона апериодического звена; 2) изучение динамических свойств (временных характеристик) апериодического 
звена.

Общие сведения 

Наиболее распространенным звеном в технике является 

апериодическое звено. Примерами такого звена могут служить 
сосуд со свободным сливом жидкости (рис. 2.1, а) и электрическая цепь, состоящая из сопротивления и конденсатора 
(рис. 2.1, б). Во всех этих примерах общим является то, что 
выходная величина X вых в результате изменения входной величины X вх начинает изменяться с некоторой максимальной скоростью, которая постепенно уменьшается до нуля.

Дифференциальное уравнение изображенных на рис. 2.1, а, б 

сосуда и электрической цепи записывается таким образом: 

 
TX
t
X
t
KX
t
′
+
=
вых
вых
вх
( )
( )
( ), 
(2.1)

решение которого будет иметь следующий вид:

 
X
X
K
e T

вых
вх
=
−
(
)
−
1

1

. 
(2.2)

Эта кривая разгона апериодического звена приведена на 

рис. 2.1, в. Из уравнения видно, что свойства апериодического 
звена определяются двумя параметрами передаточной функции: 

 
W p
K

Tp

X
p

X
p
( )
,
( )
( )
=
+ =
1

вых

вх

 
(2.3) 

т.е. постоянной времени Т и коэффициентом передачи (коэффициентом усиления) K этого звена.