Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Золотарев Дмитрий Константинович

ОТЧЕТ

о курсовой работе

«Управление температурой резонаторов коллайдера ВЭПП-4»

Молекулярный практикум, 1 курс, группа 9342

Научный руководитель

И.И. Морозов

«___» 2010 г.

Преподаватель молекулярного практикума

Н.С. Буфетов

«___» 2010 г.

Новосибирск 2010

Аннотация

Данная работа посвящена способам регулирования температуры на установках коллайдера ВЭПП-4 в институте ядерной физики. Рассмотрены два способа измерения температуры и ее регулирования: при помощи теплообмена с охлаждающим контуром на примере магнитов полуколец коллайдера и проточным водонагревателем с ПИД-регуляцией на примере резонаторов коллайдера.

План работы

1. Введение

2. Описание установки

1. ВЭПП-4М

2. Система регулирования температуры дистиллята

3. ПИД-регуляция

1. Результаты измерений и обработка полученных данных

2. Выводы

Литература

1. Введение

Одной из серьезных проблем для стабильной работы ВЭПП-4М является сильная зависимость геометрических размеров резонаторов ВЭПП-4М от температуры охлаждающей воды. Изменение температуры воды приводит к перестройке высших мод ВЧ-поля резонатора, появлению продольных неустойчивостей ускоряемых сгустков и ограничению их интенсивности.

В 2003 году на основной резонатор для испытания была установлена система термостабилизации охлаждающей воды, которая состоит из бака, высокоточных датчиков, измеряющих температуру воды на входе и выходе бака, и цепи обратной связи, регулирующей температуру. Успешные испытания на одном из резонаторов прототипа системы термостабилизации, который позволил снизить амплитуду изменения температуры воды с нескольких градусов до 0.2°С, подтверлили возможность создания стационарной системы стабилизации температуры охлаждающей воды для всех резонаторов ВЭПП-4М.

Такая система была успешно разработана, изготовлена и испытана, и в настоящее время находится в эксплуатации на комплексе ВЭПП-4. Использование современной электроники и развитых методов регулировки обратной связи привело к уменьшению амплитуды колебаний температуры охлаждающей воды до величины, не превышающей 0.05°С.

1. Описание установки

1. ВЭПП-4М

Р

Рисунок 1. ВЭПП-4М

езонаторы используются на ускорительном комплексе ВЭПП-4М (рис. 1) для ускорения и поддержания требуемой энергии пучков электронов и позитронов, т.к. иначе частицы начинали бы откланяться от курса, разлетаться. В рабочем состоянии находятся четыре резонатора из шести. Если не охлаждать резонаторы, работающие на очень больших энергиях, они будут перегреваться, их размеры будут увеличиваться, что приведет к изменению резонансной частоты. Чтобы избежать этого, используется специальная система стабилизации температуры резонаторов.

1. Система регулирования температуры дистиллята

Давайте сравним схему регулирования температуры магнитов полуколец на коллайдере и схему регулирования температуры резонатора.

1. Магниты полуколец.

Дистиллят, циркулирующий по замкнутому контуру и нагретый магнитами полуколец ВЭПП-4М, охлаждается в теплообменнике технической водой. Температура технической воды зависит от множества внешних факторов, таких как температура окружающей среды, влажность, условия охлаждения в градирне и т.п., и поэтому подвержена значительным суточным и сезонным колебаниям.

Рисунок 2. Система регулирования температуры дистиллята

Блок-схема системы авторегулирования температуры дистиллята приведена на рисунке 2. Датчики измеряют температуру дистиллята и технической воды на входе и на выходе теплообменника. Информация о температуре передается с помощью контроллера в управляющий компьютер, в котором специально разработанная управляющая программа определяет требуемое состояние клапана и передает управляющий сигнал, открывающий или закрывающий управляемый клапан.

Как мы видим, эта система сложная, используется много приборов и датчиков, каждый из которых добавляет свою погрешность, имеет свои особенности.

1. Р

   Рисунок 3. Система ПИД-регуляции температуры резонатора

   езонаторы

На рисунке 3 приведена фотография системы ПИД-регуляции резонатора, на рисунке 4 – схема этой системы.

Специальный прибор ADAM измеряет температуру дистиллята на входе и на выходе резонатора, отправляет данные в CPV240, который уже изменяет мощность нагревателя. Нагреватель изменяет температуру технической воды, протекающей через него, что в последствие ведет к изменению температуры дистиллята.

Как мы видим, система намного проще, чем предыдущая, что несомненно является ее плюсом.

Рисунок 4. Схема ПИД-регулятора

1. ПИД-регуляция температуры резонаторов

Рисунок 5. Схема, иллюстрирующая принцип работы ПИД-регулятора

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор ADAM — устройство в цепи обратной связи, используемое для формирования управляющего сигнала. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально входному сигналу, второе — интеграл входного сигнала, третье — производная входного сигнала.

Пропорциональная составляющая вырабатывает выходной сигнал, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, наблюдаемому в данный момент времени. Он тем больше, чем больше это отклонение. Если входной сигнал равен уставке, то выходной равен нулю.

Однако при использовании только пропорционального регулятора значение регулируемой величины никогда не стабилизируется на заданном значении. Существует так называемая статическая ошибка, которая равна такому отклонению регулируемой величины, которое обеспечивает выходной сигнал, стабилизирующий выходную величину именно на этом значении. Например, в регуляторе температуры выходной сигнал (мощность нагревателя) постепенно уменьшается при приближении температуры к уставке, и система стабилизируется при мощности равной тепловым потерям. Температура не может достичь уставки, так как в этом случае мощность нагревателя станет равна нулю, и он начнёт остывать.

Чем больше коэффициент пропорциональности между входным и выходным сигналом (коэффициент усиления), тем меньше статическая ошибка, однако при слишком большом коэффициенте усиления могут начаться автоколебания, а при дальнейшем увеличении коэффициента система может потерять устойчивость.

Для устранения статической ошибки используют интегральную составляющую. Она позволяет регулятору «учиться» на предыдущем опыте. Если система не испытывает внешних возмущений, то через некоторое время регулируемая величина стабилизируется на заданном значении, сигнал пропорциональной составляющей будет равен нулю, а выходной сигнал будет полностью обеспечивать интегральная составляющая.

Дифференциальная составляющая противодействует предполагаемым отклонениям регулируемой величины, которые могут произойти в будущем. Эти отклонения могут быть вызваны внешними возмущениями или запаздыванием воздействия регулятора на систему. Чем быстрее регулируемая величина отклоняется от уставки, тем сильнее противодействие, создаваемое дифференциальной составляющей.

1. Результаты измерений и обработка полученных данных

В эксперименте изменялись параметры ПИД-регуляции, снимались показания, как изменяется температура резонатора. Значения двух из трех параметров задавались нулем, а значение третьего параметра ставилось максимально большим. Результаты приведены на рисунке 4.

1. P = 10, I = 0, D = 0, T = 28, t = 15:00.

Время установления температуры – 6 минут, температура отличается более, чем на 3 градуса от установленной, амплитуда колебаний температуры – 0.1 градус.

1. P = 10, I = 0, D = 0, T = 26, t = 15:14.

Не изменился общий уровень температуры, отклонение от заданной – 1 градус. Амплитуда колебаний – 0.1 градус.

1. P = 0, I = 10, D = 0, T = 28, t = 15:30.

Время установления заданной температуры – 5 минут, амплитуда колебаний – 0.9 градуса.

1. P = 0, I = 10, D = 0, T = 26, t = 15:45.

Время установления заданной температуры – 4 минуты, амплитуда колебаний – 1.2 градуса.

1. P = 0, I = 0, D = 10, T = 28, t = 16:03.

Стабилизация температуры не была достигнута.

1. P = 6, I = 0.1, D = 5, T = 26, t = 15:45.

Эти коэффициенты были подобраны опытным путем сотрудниками института и установлены в данный момент. Время установления заданной температуры – 20 минут. Амплитуда колебаний – 0.1 градус. Температура отличается от заданной примерно на 0.2 градуса.

Рисунок 6

Так же сняты показания датчиков температуры резонаторов в момент выключения коллайдера (см. рисунок 6).

Внутри каждого из резонаторов находится свой цифровой датчик DS1612M. У всех датчиков есть своя погрешность, своё отклонение от нуля. Когда коллайдер не работает, температуры всех резонаторов заведомо одинаковы, поэтому по графику можно определить, насколько сдвинут ноль у каждого датчика.

Датчик на третьем резонаторе показывает истинное значение, значит температура резонатора 21.38 градус. Датчик в четвертом резонаторе показывает всегда на 0.36 градусов ниже истинного значения, на пятом – на 0.19, на шестом – на 0.26 градусов.

Время остывания резонаторов – 95 минут.

Рисунок 7. Температура на входе резонаторов при выключении коллайдера

Аналогично был снят момент включения коллайдера, нагревания всех резонаторов.

Время нагревания резонаторов до нужной температуры – 120 минут.

Рисунок 8. Температура на входе резонаторов при включении коллайдера

Были сняты значения температуры дистиллята на входе и на выходе резонатора во время включения коллайдера. Несмотря на то, что во время работы резонатора температура дистиллята на входе и на выходе отличается, в обеих областях она стабильна.

Рисунок 9. Температуры дистиллята на входе и на выходе

1. Выводы

Метод ПИД-регуляции требует для управления меньше датчиков, чем метод теплообмена, что делает его более точным.

В обычном случае для работы подходят коэффициенты – (6; 0,1; 5), но, если требуется повысить скорость стабилизации температуры в ущерб точности, следует повышать интегральную составляющую.

Литература:

1. http://v4.inp.nsk.su/

2. I.I. Morozov, E.G. Miginskaya, V.M. Tsukanov, A.A. Volkov E.G.

Temperature stabilization of RF- cavities of VEPP-4M Electron-Positron

Facility. Тезисы. XX всероссийская конференция по ускорителям заряженных

частиц RUPAC-2006"10-14 сентября 2006 г., г. Новосибирск, Россия

3. http://ru.wikipedia.org/

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы