Jak działa i działa automatyczny regulator na przykładzie komory inkubatora

Najprostszą i najbardziej rozpowszechnioną formą automatycznego sterowania pracą urządzeń technicznych jest sterowanie automatyczne, które nazywane jest sposobem utrzymywania stałego zadanego parametru (np. prędkość obrotowa wału, temperatura medium, ciśnienie pary) lub sposobem zapewnienia jego zmiana zgodnie z pewnym prawem. Może się to odbywać poprzez odpowiednie działania człowieka lub automatycznie, czyli za pomocą odpowiednich urządzeń technicznych — automatycznych regulatorów.

Regulatory, które utrzymują stałą wartość parametru, nazywane są własnymi, a sterowniki, które zapewniają zmianę parametru zgodnie z określonym prawem, nazywane są oprogramowaniem.

W 1765 r. rosyjski mechanik I. I. Połzunow wynalazł automatyczny regulator do celów przemysłowych, który utrzymywał w przybliżeniu stały poziom wody w kotłach parowych. W 1784 roku angielski mechanik J. Watt wynalazł automatyczny regulator, który utrzymywał stałą prędkość obrotową wału silnika parowego.

Proces regulacji

Zastanów się, jak możesz utrzymać stałą temperaturę w komorze tzw termostat, czego przykładem może być komora inkubatora.

Inkubator

Termostaty znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, zwłaszcza w przemyśle spożywczym. Wreszcie przestrzeń mieszkalną można również uznać za termostat zimą, jeśli utrzymuje stałą temperaturę za pomocą specjalnych zaworów oferowanych na grzejnikach. Pokażmy, jak odbywa się nieautomatyczna regulacja temperatury w pomieszczeniu.

Załóżmy, że pożądane jest utrzymanie temperatury 20 ° C. Jest to monitorowane przez termometr pokojowy. Jeśli wzrośnie wyżej, zawór grzejnikowy jest lekko zamknięty. Spowalnia to przepływ ciepłej wody w tym ostatnim. Obniża się jego temperatura, a co za tym idzie zmniejsza się dopływ energii do pomieszczenia, w którym temperatura powietrza również ulega obniżeniu.

Gdy temperatura powietrza w pomieszczeniu spadnie poniżej 20°C, zawór otwiera się i tym samym zwiększa się przepływ ciepłej wody w kaloryferze, dzięki czemu wzrasta temperatura w pomieszczeniu.

Przy takiej regulacji obserwuje się niewielkie wahania temperatury powietrza wokół wartości zadanej (w rozpatrywanym przykładzie około 20°C).

Termostat mechaniczny

Ten przykład pokazuje, że w procesie regulacji należy wykonać pewne czynności:

• zmierzyć regulowany parametr;
• porównać jego wartość z wartością zadaną (w tym przypadku określany jest tzw. błąd regulacji – różnica między wartością rzeczywistą a zadaną);
• wpływać na proces zgodnie z wartością i znakiem błędu sterowania.

W przypadku regulacji nieautomatycznej czynności te wykonywane są przez operatora.

Automatyczna regulacja

Regulację można przeprowadzić bez interwencji człowieka, to znaczy za pomocą środków technicznych. W tym przypadku mówimy o automatycznej regulacji, która odbywa się za pomocą automatycznego regulatora. Dowiedzmy się, z jakich części się składa i jak te części współdziałają ze sobą.

Pomiar rzeczywistej wartości kontrolowanego parametru realizowany jest przez urządzenie pomiarowe zwane czujnikiem (w przykładzie z inkubatorem — czujnik temperatury).

Wyniki pomiarów podawane są przez czujnik w postaci pewnego sygnału fizycznego (wysokość słupa cieczy termometrycznej, odkształcenie płytki bimetalicznej, wartość napięcia lub prądu na wyjściu czujnika itp.).

Porównanie rzeczywistej wartości kontrolowanego parametru z zadaną dokonuje specjalny komparator zwany ciałem zerowym. W tym przypadku określa się różnicę między rzeczywistą wartością kontrolowanego parametru a jego wartością zadaną (tzn. wymaganą). Ta różnica jest nazywana błędem sterowania. Może być zarówno pozytywna, jak i negatywna.

Wartość błędu sterowania jest zamieniana na określony sygnał fizyczny, który oddziałuje na wykonawcę kontrolującego stan sterowanego obiektu. W wyniku oddziaływania organu wykonawczego na obiekt, kontrolowany parametr wzrasta lub maleje w zależności od znaku błędu regulacji.

Tak więc głównymi częściami automatycznego regulatora są: element pomiarowy (czujnik), element odniesienia (element zerowy) oraz element wykonawczy.

Aby element zerowy porównywał wartość mierzoną wielkości regulowanej z wartością zadaną, konieczne jest wpisanie w automacie wartości zadanej parametru. Odbywa się to za pomocą specjalnego urządzenia, tzw Master, który przetwarza automatyczną regulację ustawionej wartości parametru na sygnał fizyczny na określonym poziomie.

W takim przypadku ważne jest, aby fizyczne sygnały wyjść czujnika i wartość zadana miały ten sam charakter. Tylko w tym przypadku możliwe jest porównanie z ciałem zerowym.

Należy również zauważyć, że moc sygnału wyjściowego odpowiadająca błędowi regulacji jest z reguły niewystarczająca do sterowania pracą organu wykonawczego. Pod tym względem określony sygnał jest wstępnie wzmacniany. Dlatego automatyczny regulator, oprócz wskazanych trzech głównych części (czujnik, element zerowy i siłownik), zawiera również nastawę i wzmacniacz.

Typowy schemat blokowy automatycznego systemu sterowania

Jak widać na tym schemacie, układ automatycznego sterowania jest zamknięty. Z obiektu sterującego informacja o wartości kontrolowanego parametru trafia do czujnika, a następnie do korpusu zerowego, po czym sygnał odpowiadający uchybieniu sterowania przechodzi przez wzmacniacz do organu wykonawczego, który ma niezbędny wpływ na obiekt kontrolny.

Ruch sygnałów z obiektu kontrolnego do ciała zerowego jest pętlą sprzężenia zwrotnego. Informacja zwrotna jest warunkiem wstępnym procesu regulacyjnego. Na taką zamkniętą pętlę wpływają również wpływy zewnętrzne.

Po pierwsze (i to jest najważniejsze) obiekt regulacji jest narażony na wpływy zewnętrzne.To właśnie te oddziaływania powodują zmiany parametrów jego stanu i wymuszają regulację.

Po drugie, zewnętrznym oddziaływaniem na obwód układu automatyki jest wprowadzenie do ciała zerowego poprzez zadaną wartość wymaganej wartości sterowanego parametru, którą wyznacza się na podstawie analizy trybu pracy całego układu, który zawiera to automatyczne urządzenie. Ta analiza jest wykonywana przez człowieka lub komputer sterujący.

Przykłady automatycznych regulatorów:

Urządzenie i zasada działania elektrycznego termostatu do żelazka

Zastosowanie regulatora PID w układach automatyki na przykładzie TRM148 OWEN