Sisteme automate de control al temperaturii

Conform principiului de reglementare, toate sistemele de control automat sunt împărțite în patru clase.

1. Sistem de stabilizare automată — un sistem în care regulatorul menține o valoare setată constantă a parametrului controlat.

2. Sistem de control programat — un sistem care asigură o modificare a parametrului controlat conform unei legi predeterminate (în timp).

3. Sistem de urmărire — un sistem care oferă o modificare a parametrului controlat în funcție de o altă valoare.

4. Sistem de reglare extremă — un sistem în care regulatorul menține valoarea variabilei controlate care este optimă pentru condițiile în schimbare.

Pentru reglarea regimului de temperatură al instalațiilor electrice de încălzire se folosesc în principal sisteme din primele două clase.

Sistemele automate de control al temperaturii după tipul lor de funcționare pot fi împărțite în două grupe: reglare periodică și reglare continuă.

Regulatoare automate sisteme de control automat (ACS) după caracteristicile lor funcționale, ele se împart în cinci tipuri: poziționale (releu), proporționale (statice), integrale (astatice), izodromice (proporțional-integrale), izodromice cu avans și cu derivată întâi.

Poziționerii aparțin ACS periodic, iar alte tipuri de regulatoare sunt numite ACS continuu. Mai jos luăm în considerare principalele caracteristici ale controlerelor poziționale, proporționale, integrale și izodromice, care sunt cel mai adesea utilizate în sistemele automate de control al temperaturii.

O diagramă funcțională a controlului automat al temperaturii (Fig. 1) constă dintr-un obiect de control 1, un senzor de temperatură 2, un dispozitiv de program sau un regulator de temperatură 4, un regulator 5 și un actuator 8. În multe cazuri, este plasat un amplificator primar 3. între senzor și dispozitivul de program și între regulator și mecanismul de antrenare — un amplificator secundar 6. Un senzor suplimentar 7 este utilizat în sistemele de control izodromic.

Orez. 1. Schema funcțională de reglare automată a temperaturii

Termocupluri, termocupluri (termistoare) și termometre de rezistență... Cele mai utilizate termocupluri. Pentru mai multe detalii despre ei vezi aici: Convertoare termoelectrice (termocupluri)

Regulatoare de temperatură poziționale (releu).

Pozițional se referă la astfel de regulatoare în care regulatorul poate ocupa două sau trei poziții specifice. Regulatoarele cu două și trei poziții sunt utilizate în instalațiile electrice de încălzire. Ele sunt simple și fiabile de operat.

În fig. 2 prezintă o diagramă schematică pentru controlul temperaturii aerului pornit și oprit.

Orez. 2.Schema de regulă a temperaturii aerului la pornire și oprire: 1 — obiect de control, 2 — punte de măsurare, 3 — releu polarizat, 4 — înfășurări de excitație ale motorului electric, 5 — armătura motorului, 6 — cutie de viteze, 7 — încălzitor .

Pentru controlul temperaturii în obiectul de reglare se folosește rezistența RT, care este conectată la unul dintre brațele punții de măsurare 2. Valorile rezistențelor punții sunt selectate astfel încât la la o temperatură dată puntea este echilibrată, adică tensiunea în diagonala punții este egală cu zero. Când temperatura crește, releul polarizat 3, inclus în diagonala punții de măsurare, pornește una dintre înfășurările 4 ale motorului de curent continuu, care, cu ajutorul reductorului 6, închide supapa de aer din fața încălzitorului. 7. Când temperatura scade, supapa de aer se deschide complet.

Cu reglarea temperaturii în două poziții, cantitatea de căldură furnizată poate fi setată la doar două niveluri - maxim și minim. Cantitatea maximă de căldură ar trebui să fie mai mare decât este necesar pentru a menține temperatura controlată setată, iar cea minimă ar trebui să fie mai mică. În acest caz, temperatura aerului fluctuează în jurul valorii setate, adică așa-numitul mod auto-oscilant (Fig. 3, a).

Liniile de temperatură τn și τв definesc limitele inferioare și superioare ale zonei moarte. Când temperatura obiectului controlat, în scădere, atinge valoarea τ, cantitatea de căldură furnizată crește instantaneu și temperatura obiectului începe să crească. Ajungând la sensul τв, regulatorul reduce furnizarea de căldură și temperatura scade.

Orez. 3.Caracteristica de timp a reglajului pornit-oprit (a) și caracteristica statică pentru un regulator pornit-oprit (b).

Viteza de creștere și scădere a temperaturii depinde de proprietățile obiectului controlat și de caracteristica de timp a acestuia (curba de accelerație). Fluctuațiile de temperatură nu depășesc zona moartă dacă modificările sursei de căldură provoacă imediat schimbări de temperatură, adică dacă nu există nicio întârziere a obiectului controlat.

Pe măsură ce zona moartă scade, amplitudinea fluctuațiilor de temperatură scade la zero la τn = τv. Cu toate acestea, acest lucru necesită ca furnizarea de căldură să varieze la o frecvență infinit de mare, ceea ce este extrem de dificil de implementat în practică. Există o întârziere în toate obiectele de control reale. Procesul de reglementare în ele decurge după cum urmează.

Când temperatura obiectului de control scade la valoarea τ, sursa de alimentare se schimbă imediat, dar din cauza întârzierii, temperatura continuă să scadă pentru ceva timp. Apoi crește la valoarea τв, la care aportul de căldură scade instantaneu. Temperatura continuă să crească pentru o perioadă de timp, apoi din cauza aportului redus de căldură, temperatura scade și procesul se repetă din nou.

În fig. 3, b prezintă o caracteristică statică a unui controler cu două poziții... Rezultă că efectul de reglare asupra obiectului poate lua doar două valori: maxim și minim. În exemplul luat în considerare, maximul corespunde poziției în care supapa de aer (vezi Fig. 2) este complet deschisă, minim - când supapa este închisă.

Semnul acțiunii de control este determinat de semnul abaterii valorii controlate (temperatura) de la valoarea sa stabilită. Gradul de influență de reglementare este constant. Toate controlerele de pornire/oprire au o zonă de histerezis α, care apare din cauza diferenței dintre curenții de preluare și de retragere ai releului electromagnetic.

Exemplu de utilizare a controlului temperaturii în două puncte: Control automat al temperaturii în cuptoare cu rezistență la încălzire

Regulatoare de temperatură proporționale (statice).

În cazurile în care este necesară o precizie ridicată de control sau când procesul auto-oscilant este inacceptabil, utilizați regulatoare cu un proces de reglare continuă... Acestea includ controlere proporționale (controlere P) potrivite pentru reglarea unei game largi de procese tehnologice.

În cazurile în care este necesară o precizie ridicată de reglare sau când procesul auto-oscilant este inacceptabil, se folosesc regulatoare cu un proces de reglare continuă. Acestea includ controlere proporționale (controlere P) potrivite pentru reglarea unei game largi de procese tehnologice.

În sistemele de control automat cu regulatoare P, poziția corpului de reglare (y) este direct proporțională cu valoarea parametrului controlat (x):

y = k1x,

unde k1 este factorul de proporționalitate (câștigul controlerului).

Această proporționalitate are loc până când regulatorul atinge pozițiile finale (întrerupătoare de limită).

Viteza de mișcare a corpului de reglare este direct proporțională cu viteza de modificare a parametrului controlat.

În fig.4 prezintă o diagramă schematică a unui sistem automat de control al temperaturii camerei folosind un regulator proporțional. Temperatura camerei se măsoară cu un termometru de rezistență RTD conectat la circuitul de măsurare 1 al podului.

Orez. 4. Schema controlului proporțional al temperaturii aerului: 1 — punte de măsurare, 2 — obiect de control, 3 — schimbător de căldură, 4 — motor condensator, 5 — amplificator sensibil la fază.

La o anumită temperatură, puntea este echilibrată. Când temperatura controlată se abate de la valoarea setată, în diagonala podului apare o tensiune de dezechilibru, a cărei mărime și semn depind de mărimea și semnul abaterii temperaturii. Această tensiune este amplificată de un amplificator sensibil la fază 5, la ieșirea căruia este pornită înfășurarea unui motor condensator cu două faze 4 al unității.

Mecanismul de antrenare deplasează corpul de reglare, modificând fluxul de lichid de răcire în schimbătorul de căldură 3. Concomitent cu mișcarea corpului de reglare, rezistența unuia dintre brațele punții de măsurare se modifică, în urma căreia temperatura la care podul este echilibrat.

Astfel, datorită feedback-ului rigid, fiecărei poziții a corpului de reglare corespunde propriei valori de echilibru a temperaturii controlate.

Regulatorul proporțional (static) se caracterizează prin neuniformitatea reglării reziduale.

În cazul unei abateri accentuate a sarcinii de la valoarea setată (în momentul t1), parametrul controlat va atinge după o anumită perioadă de timp (momentul t2) o nouă valoare stabilă (Fig. 4).Totuși, acest lucru este posibil numai cu o nouă poziție a corpului de reglare, adică cu o nouă valoare a parametrului controlat, care diferă de valoarea prestabilită prin δ.

Orez. 5. Caracteristicile de sincronizare ale controlului proporțional

Dezavantajul regulatoarelor proporționale este că doar o poziție specifică a elementului de control corespunde fiecărui parametru. Pentru a menține valoarea setată a parametrului (temperatura) atunci când sarcina (consumul de căldură) se modifică, este necesar ca organismul de reglare să ia o poziție diferită corespunzătoare noii valori de sarcină. Într-un controler proporțional, acest lucru nu se întâmplă, rezultând o abatere reziduală a parametrului controlat.

Integral (controlere astatice)

Integrale (astatice) sunt numite astfel de regulatoare în care, atunci când parametrul se abate de la valoarea setată, corpul de reglare se mișcă mai mult sau mai lent și tot timpul într-o direcție (în cursa de lucru) până când parametrul preia din nou valoarea setată. Direcția de mișcare a elementului de reglare se schimbă numai atunci când parametrul depășește valoarea setată.

În controlerele de acțiune electrică integrate, se creează de obicei o zonă moartă artificială, în care modificarea unui parametru nu provoacă mișcări ale corpului de reglare.

Viteza de mișcare a corpului de reglare în controlerul integral poate fi constantă și variabilă. O trăsătură caracteristică a controlerului integral este absența unei relații proporționale între valorile de echilibru ale parametrului controlat și poziția organismului de reglare.

În fig.6 prezintă o diagramă schematică a unui sistem automat de control al temperaturii folosind un regulator integral.Spre deosebire de circuitul de control proporțional al temperaturii (vezi Fig. 4), acesta nu are o buclă de feedback rigidă.

Orez. 6. Schema de control integrat al temperaturii aerului

Într-un controler integral, viteza corpului de reglare este direct proporțională cu valoarea abaterii parametrului controlat.

Procesul de control integrat al temperaturii cu o schimbare bruscă a sarcinii (consumul de căldură) este prezentat în Fig. 7 folosind caracteristici temporale. După cum puteți vedea din grafic, parametrul controlat cu control integral revine încet la valoarea setată.

Orez. 7. Caracteristicile de timp ale reglajului integral

Controlere izodromice (proporțional-integrale).

Controlul esodromic are proprietățile controlului proporțional și integral. Viteza de mișcare a corpului de reglare depinde de mărimea și viteza de abatere a parametrului controlat.

Când parametrul controlat se abate de la valoarea setată, reglarea se face după cum urmează. Inițial, corpul de reglare se mișcă în funcție de mărimea abaterii parametrului controlat, adică se efectuează controlul proporțional. Apoi regulatorul face o mișcare suplimentară, care este necesară pentru a elimina neregulile reziduale (reglare integrală).

Un sistem izodromic de control al temperaturii aerului (Fig. 8) poate fi obținut prin înlocuirea feedback-ului rigid în circuitul de control proporțional (vezi Fig.5) cu feedback elastic (de la corpul de reglare la motor pentru rezistența la feedback). Feedbackul electric într-un sistem izodromic este furnizat de un potențiometru și este introdus în sistemul de control printr-o buclă care conține rezistența R și capacitatea C.

În timpul tranzitorii, semnalul de feedback împreună cu semnalul de abatere al parametrului afectează elementele ulterioare ale sistemului (amplificator, motor electric). Cu un corp de reglare staționar, indiferent de poziție, atunci când condensatorul C este încărcat, semnalul de feedback scade (în starea staționară este egal cu zero).

Orez. 8. Schema de reglare izodromica a temperaturii aerului

Caracteristic reglării izodromice este faptul că neuniformitatea reglării (eroarea relativă) scade odată cu creșterea timpului, apropiindu-se de zero. În acest caz, feedback-ul nu va provoca abateri reziduale ale valorii controlate.

Astfel, controlul izodromic produce rezultate semnificativ mai bune decât cel proporțional sau integral (ca să nu mai vorbim de controlul pozițional). Controlul proporțional datorită prezenței feedback-ului rigid are loc aproape instantaneu, izodromic - mai lent.

Sisteme software pentru controlul automat al temperaturii

Pentru a implementa controlul programat, este necesar să se influențeze continuu setarea (punctul de referință) al regulatorului, astfel încât valoarea controlată să se modifice conform unei legi predeterminate. În acest scop, autoritatea de reglementare este echipată cu un element software. Acest dispozitiv servește la stabilirea legii de modificare a valorii setate.

În timpul încălzirii electrice, actuatorul sistemului de control automat poate acționa pentru a porni sau opri secțiunile elementelor electrice de încălzire, modificând astfel temperatura instalației de încălzire în conformitate cu un program dat. Controlul programat al temperaturii și umidității aerului este utilizat pe scară largă în instalațiile climatice artificiale.