Automatyczne systemy kontroli temperatury
Zgodnie z zasadą regulacji, wszystkie systemy automatycznego sterowania są podzielone na cztery klasy.
1. Układ automatycznej stabilizacji — układ, w którym regulator utrzymuje stałą wartość zadaną kontrolowanego parametru.
2. Układ sterowania programowego — układ zapewniający zmianę kontrolowanego parametru zgodnie z zadanym prawem (w czasie).
3. System śledzenia — system, który zapewnia zmianę kontrolowanego parametru w zależności od innej wartości.
4. Układ regulacji ekstremalnej — układ, w którym regulator utrzymuje optymalną dla zmieniających się warunków wartość wielkości regulowanej.
Do regulacji reżimu temperaturowego elektrycznych instalacji grzewczych stosuje się głównie systemy dwóch pierwszych klas.
Systemy automatycznej regulacji temperatury ze względu na rodzaj działania można podzielić na dwie grupy: regulację okresową i ciągłą.
Automatyczne regulatory automatyczne systemy sterowania (ACS) ze względu na swoje cechy funkcjonalne dzieli się je na pięć typów: pozycyjne (przekaźnikowe), proporcjonalne (statyczne), całkowe (astatyczne), izodromiczne (proporcjonalno-całkowe), izodromiczne z wyprzedzeniem iz pierwszą pochodną.
Ustawniki pozycyjne należą do okresowych ACS, a inne typy regulatorów nazywane są ciągłymi ACS. Poniżej rozważamy główne cechy regulatorów pozycyjnych, proporcjonalnych, całkowych i izodromicznych, które są najczęściej stosowane w systemach automatycznej regulacji temperatury.
Schemat funkcjonalny automatycznej regulacji temperatury (ryc. 1) składa się z obiektu sterującego 1, czujnika temperatury 2, urządzenia programującego lub regulatora temperatury 4, regulatora 5 i siłownika 8. W wielu przypadkach wzmacniacz główny 3 jest umieszczony między czujnikiem a urządzeniem programującym oraz między regulatorem a mechanizmem napędowym — wzmacniacz wtórny 6. Dodatkowy czujnik 7 jest stosowany w układach sterowania izodromicznego.
Ryż. 1. Schemat funkcjonalny automatycznej regulacji temperatury
Termopary, termopary (termistory) i termometry rezystancyjne... Najczęściej stosowane termopary. Więcej informacji na ich temat znajdziesz tutaj: Przetwornice termoelektryczne (termopary)
Pozycyjne (przekaźnikowe) regulatory temperatury
Pozycjonowe odnosi się do takich regulatorów, w których regulator może zajmować dwie lub trzy określone pozycje. W elektrycznych instalacjach grzewczych stosowane są regulatory dwu- i trójpołożeniowe. Są proste i niezawodne w obsłudze.
na ryc. 2 przedstawia schematyczny diagram włączania i wyłączania temperatury powietrza.
Ryż. 2.Schemat ideowy regulacji temperatury powietrza przy włączaniu i wyłączaniu: 1 — obiekt kontrolny, 2 — mostek pomiarowy, 3 — przekaźnik spolaryzowany, 4 — uzwojenia wzbudzenia silnika elektrycznego, 5 — zwora silnika, 6 — przekładnia, 7 — grzałka.
Do kontroli temperatury w obiekcie regulacji służy rezystancja RT, która jest połączona z jednym z ramion mostka pomiarowego 2. Wartości rezystancji mostka dobierane są w taki sposób, aby przy w danej temperaturze mostek jest zrównoważony, to znaczy napięcie na przekątnej mostka jest równe zeru. Gdy temperatura wzrasta, spolaryzowany przekaźnik 3, zawarty w przekątnej mostka pomiarowego, włącza jedno z uzwojeń 4 silnika prądu stałego, który za pomocą reduktora 6 zamyka zawór powietrza przed nagrzewnicą 7. Gdy temperatura spada, zawór powietrza otwiera się całkowicie.
Dzięki dwustopniowej regulacji temperatury ilość dostarczanego ciepła można ustawić tylko na dwóch poziomach – maksymalnym i minimalnym. Maksymalna ilość ciepła powinna być większa niż jest to konieczne do utrzymania ustawionej kontrolowanej temperatury, a minimalna powinna być mniejsza. W tym przypadku temperatura powietrza oscyluje wokół ustawionej wartości, czyli tak zwanego trybu samooscylacyjnego (ryc. 3, a).
Linie temperatury τn i τв określają dolną i górną granicę martwej strefy. Kiedy temperatura kontrolowanego obiektu, spadając, osiągnie wartość τ, ilość dostarczonego ciepła natychmiast wzrasta i temperatura obiektu zaczyna rosnąć. Osiągnąwszy sens τв regulator zmniejsza dopływ ciepła i temperatura spada.
Ryż. 3.Charakterystyka czasowa regulatora załącz-wyłącz (a) i charakterystyka statyczna regulatora załącz-wyłącz (b).
Szybkość narastania i opadania temperatury zależy od właściwości kontrolowanego obiektu oraz od jego charakterystyki czasowej (krzywej przyspieszenia). Wahania temperatury nie przekraczają martwej strefy, jeśli zmiany w dostawie ciepła powodują natychmiastowe zmiany temperatury, czyli jeśli nie ma opóźnienia sterowanego obiektu.
W miarę zmniejszania się strefy martwej amplituda wahań temperatury maleje do zera przy τn = τv. Wymaga to jednak zmiany dostarczanego ciepła z nieskończenie wysoką częstotliwością, co jest niezwykle trudne do wdrożenia w praktyce. We wszystkich rzeczywistych obiektach kontrolnych występuje opóźnienie. Proces regulacji w nich przebiega w następujący sposób.
Gdy temperatura obiektu sterującego spadnie do wartości τ, zasilanie zmienia się natychmiast, ale z powodu opóźnienia temperatura jeszcze przez pewien czas spada. Następnie wzrasta do wartości τв, przy której dopływ ciepła natychmiast maleje. Temperatura nadal rośnie przez pewien czas, a następnie z powodu zmniejszonego dopływu ciepła temperatura spada i proces powtarza się ponownie.
na ryc. 3, b przedstawia charakterystykę statyczną regulatora dwupołożeniowego... Wynika z tego, że działanie regulacyjne na obiekt może przyjmować tylko dwie wartości: maksymalną i minimalną. W rozpatrywanym przykładzie maksimum odpowiada pozycji, w której zawór powietrza (patrz rys. 2) jest całkowicie otwarty, minimum — gdy zawór jest zamknięty.
O znaku działania regulacji decyduje znak odchylenia wartości regulowanej (temperatury) od jej wartości zadanej. Stopień wpływu regulacyjnego jest stały. Wszystkie regulatory włączania/wyłączania mają obszar histerezy α, który występuje z powodu różnicy między prądami pobudzenia i opadania przekaźnika elektromagnetycznego.
Przykład zastosowania dwupunktowej regulacji temperatury: Automatyczna regulacja temperatury w piecach z oporem grzewczym
Proporcjonalne (statyczne) regulatory temperatury
W przypadkach, gdy wymagana jest wysoka dokładność regulacji lub gdy proces samooscylacyjny jest niedopuszczalny, należy zastosować regulatory z ciągłym procesem regulacji... Należą do nich regulatory proporcjonalne (regulatory P)odpowiednie do regulacji szerokiej gamy procesów technologicznych.
W przypadkach, gdy wymagana jest duża dokładność regulacji lub gdy proces samooscylacyjny jest niedopuszczalny, stosuje się regulatory z ciągłym procesem regulacji. Należą do nich regulatory proporcjonalne (regulatory P) odpowiednie do regulacji szerokiej gamy procesów technologicznych.
W układach regulacji automatycznej z regulatorami P położenie korpusu regulacyjnego (y) jest wprost proporcjonalne do wartości sterowanego parametru (x):
y = k1x,
gdzie k1 jest współczynnikiem proporcjonalności (wzmocnienie regulatora).
Proporcjonalność ta ma miejsce do momentu osiągnięcia przez regulator pozycji krańcowych (wyłączników krańcowych).
Szybkość ruchu członu regulacyjnego jest wprost proporcjonalna do szybkości zmian kontrolowanego parametru.
na ryc.4 przedstawia schemat ideowy układu automatycznej regulacji temperatury w pomieszczeniu z wykorzystaniem regulatora proporcjonalnego. Temperaturę w pomieszczeniu mierzy się termometrem rezystancyjnym RTD podłączonym do obwodu pomiarowego 1 mostka.
Ryż. 4. Schemat proporcjonalnej regulacji temperatury powietrza: 1 — mostek pomiarowy, 2 — obiekt kontrolny, 3 — wymiennik ciepła, 4 — silnik kondensatorowy, 5 — wzmacniacz fazowy.
W danej temperaturze mostek jest zrównoważony. Gdy kontrolowana temperatura odbiega od wartości zadanej, na przekątnej mostka pojawia się niezrównoważenie napięcia, którego wielkość i znak zależą od wielkości i znaku odchylenia temperatury. Napięcie to jest wzmacniane przez czuły na fazę wzmacniacz 5, na wyjściu którego włączane jest uzwojenie dwufazowego silnika kondensatorowego 4 napędu.
Mechanizm napędowy porusza korpusem regulacyjnym, zmieniając przepływ chłodziwa w wymienniku ciepła 3. Równocześnie z ruchem korpusu regulacyjnego zmienia się opór jednego z ramion mostka pomiarowego, w wyniku czego temperatura, przy której mostek jest zrównoważony.
Tak więc, ze względu na sztywne sprzężenie zwrotne, każde położenie członu regulacyjnego odpowiada własnej wartości równowagi kontrolowanej temperatury.
Regulator proporcjonalny (statyczny) charakteryzuje się nierównomiernością regulacji szczątkowej.
W przypadku gwałtownego odchylenia obciążenia od wartości zadanej (w chwili t1) kontrolowany parametr osiągnie po pewnym czasie (moment t2) nową stabilną wartość (rys. 4).Jest to jednak możliwe tylko przy nowym położeniu członu regulacyjnego, czyli przy nowej wartości kontrolowanego parametru, która różni się od wartości zadanej o δ.
Ryż. 5. Charakterystyki czasowe sterowania proporcjonalnego
Wadą regulatorów proporcjonalnych jest to, że każdej wartości parametru odpowiada tylko jedno określone położenie elementu sterującego. Aby utrzymać zadaną wartość parametru (temperatury) przy zmianie obciążenia (zużycie ciepła), konieczne jest, aby korpus regulujący zajął inną pozycję odpowiadającą nowej wartości obciążenia. W regulatorze proporcjonalnym tak się nie dzieje, co skutkuje resztkowym odchyleniem regulowanego parametru.
Integralne (sterowniki astatyczne)
Regulatory całkowe (astatyczne) nazywane są takimi, w których przy odchyleniu parametru od wartości zadanej człon regulujący porusza się mniej lub bardziej wolno i cały czas w jednym kierunku (w zakresie skoku roboczego) do momentu, aż parametr ponownie przyjmie wartość zadaną. Kierunek ruchu elementu nastawczego zmienia się tylko wtedy, gdy parametr przekroczy ustawioną wartość.
W regulatorach integralnego działania elektrycznego zwykle tworzy się sztuczną martwą strefę, w obrębie której zmiana parametru nie powoduje ruchów korpusu regulacyjnego.
Prędkość ruchu członu regulacyjnego w regulatorze integralnym może być stała i zmienna. Cechą charakterystyczną regulatora całkowego jest brak proporcjonalnej zależności między ustalonymi wartościami kontrolowanego parametru a położeniem korpusu regulacyjnego.
na ryc.Na rys. 6 przedstawiono schemat ideowy układu automatycznej regulacji temperatury z wykorzystaniem zintegrowanego regulatora, który w przeciwieństwie do obwodu proporcjonalnej regulacji temperatury (patrz rys. 4) nie posiada sztywnej pętli sprzężenia zwrotnego.
Ryż. 6. Schemat zintegrowanej regulacji temperatury powietrza
W regulatorze całkowym prędkość członu regulacyjnego jest wprost proporcjonalna do wartości odchyłki sterowanego parametru.
Proces zintegrowanej regulacji temperatury z nagłą zmianą obciążenia (zużyciem ciepła) przedstawiono na rys. 7 za pomocą charakterystyk czasowych. Jak widać na wykresie, kontrolowany parametr przy sterowaniu całkowym powoli wraca do wartości zadanej.
Ryż. 7. Charakterystyki czasowe regulacji całkowej
Regulatory izodromiczne (proporcjonalno-całkujące).
Regulacja ezodromiczna ma właściwości zarówno regulacji proporcjonalnej, jak i całkowej. Szybkość ruchu korpusu regulacyjnego zależy od wielkości i szybkości odchylenia sterowanego parametru.
Gdy kontrolowany parametr odbiega od ustawionej wartości, regulacja jest dokonywana w następujący sposób. Początkowo korpus regulujący porusza się w zależności od wielkości odchylenia kontrolowanego parametru, to znaczy przeprowadzana jest regulacja proporcjonalna. Następnie regulator wykonuje dodatkowy ruch, który jest niezbędny do usunięcia resztkowych nieprawidłowości (regulacja całkowa).
Izodromiczny system kontroli temperatury powietrza (ryc. 8) można uzyskać, zastępując sztywne sprzężenie zwrotne w proporcjonalnym obwodzie sterowania (patrz ryc.5) z elastycznym sprzężeniem zwrotnym (od korpusu regulacyjnego do silnika w celu uzyskania odporności na sprzężenie zwrotne). Elektryczne sprzężenie zwrotne w układzie izodromicznym zapewnia potencjometr i jest podawane do układu sterowania przez pętlę zawierającą rezystancję R i pojemność C.
W stanach nieustalonych sygnał sprzężenia zwrotnego wraz z sygnałem odchyłki parametrów oddziałuje na kolejne elementy układu (wzmacniacz, silnik elektryczny). Przy nieruchomym korpusie regulującym, w jakimkolwiek położeniu, gdy kondensator C jest naładowany, sygnał sprzężenia zwrotnego zanika (w stanie stacjonarnym jest równy zeru).
Ryż. 8. Schemat izodromicznej regulacji temperatury powietrza
Cechą charakterystyczną regulacji izodromicznej jest to, że nierównomierność regulacji (błąd względny) zmniejsza się wraz z upływem czasu, zbliżając się do zera. W takim przypadku sprzężenie zwrotne nie spowoduje resztkowych odchyleń wartości regulowanej.
Zatem sterowanie izodromiczne daje znacznie lepsze wyniki niż sterowanie proporcjonalne lub całkowe (nie wspominając o sterowaniu pozycyjnym). Sterowanie proporcjonalne ze względu na obecność sztywnego sprzężenia zwrotnego następuje niemal natychmiast, izodromicznie - wolniej.
Systemy oprogramowania do automatycznej kontroli temperatury
Do realizacji regulacji programowej niezbędne jest ciągłe wpływanie na nastawę (wartość zadaną) regulatora tak, aby wielkość regulowana zmieniała się zgodnie z zadanym prawem. W tym celu regulator regulacyjny jest wyposażony w element oprogramowania. To urządzenie służy do ustalenia prawa zmiany wartości zadanej.
Podczas grzania elektrycznego siłownik układu automatyki może działać w celu włączenia lub wyłączenia sekcji grzałek elektrycznych, zmieniając tym samym temperaturę ogrzewanej instalacji zgodnie z zadanym programem. Programowe sterowanie temperaturą i wilgotnością powietrza jest szeroko stosowane w instalacjach sztucznego klimatu.