Автоматични системи за контрол на температурата

Според принципа на регулиране, всички автоматични системи за управление са разделени на четири класа.

1. Автоматична система за стабилизиране — система, в която регулаторът поддържа постоянна зададена стойност на управлявания параметър.

2. Програмирана система за управление — система, която осигурява промяна в управлявания параметър съгласно предварително определен закон (във времето).

3. Система за проследяване — система, която осигурява промяна в контролирания параметър в зависимост от някаква друга стойност.

4. Система за екстремно регулиране — система, в която регулаторът поддържа стойността на управляемата променлива, която е оптимална за променящите се условия.

За регулиране на температурния режим на електрическите отоплителни инсталации се използват главно системи от първите два класа.

Автоматичните системи за контрол на температурата по своя тип действие могат да бъдат разделени на две групи: периодично и непрекъснато регулиране.

Автоматични регулатори автоматични системи за управление (ACS) според функционалните си особености те се делят на пет типа: позиционни (релейни), пропорционални (статични), интегрални (астатични), изодромни (пропорционално-интегрални), изодромни с аванс и с първата производна.

Позиционерите принадлежат към периодични ACS, а други видове регулатори се наричат ​​непрекъснати ACS. По -долу разглеждаме основните характеристики на позиционните, пропорционалните, интегралните и изодромните контролери, които се използват най -често в автоматичните системи за контрол на температурата.

Функционална схема на автоматичен контрол на температурата (Фиг. 1) се състои от обект за управление 1, температурен сензор 2, програмно устройство или регулатор на температурата 4, регулатор 5 и задвижващ механизъм 8. В много случаи първичен усилвател 3 е поставен между сензора и програмата устройство, а между регулатора и задвижващия механизъм — вторичен усилвател 6. Допълнителен сензор 7 се използва в изодромни системи за управление.

Ориз. 1. Функционална схема на автоматично регулиране на температурата

Термодвойки, термодвойки (термистори) и съпротивителни термометри… Най -често използваните термодвойки. За повече подробности за тях вижте тук: Термоелектрически преобразуватели (термодвойки)

Позиционни (релейни) регулатори на температурата

Позиционен се отнася до такива регулатори, при които регулаторът може да заема две или три специфични позиции. В електрическите отоплителни инсталации се използват дву- и трипозиционни регулатори. Те са прости и надеждни за работа.

На фиг. 2 показва схематична диаграма за контрол на температурата на въздуха при включване и изключване.

Ориз. 2. Принципиална схема на регулиране на температурата на въздуха при включване и изключване: 1 — обект за управление, 2 — измервателен мост, 3 — поляризирано реле, 4 — възбуждащи намотки на електродвигателя, 5 — котва на двигателя, 6 — скоростна кутия, 7 — нагревател.

За контрол на температурата в обекта на регулиране се използва съпротивлението RT, което е свързано с едно от рамото на измервателния мост 2. Стойностите на съпротивленията на моста се избират по такъв начин, че при дадена температура мостът е балансиран, тоест напрежението в диагонала на моста е равно на нула. Когато температурата се повиши, поляризираното реле 3, включено в диагонала на измервателния мост, включва една от намотките 4 на мотора с постоянен ток, която с помощта на редуктора 6 затваря въздушния клапан пред нагревателя 7. Когато температурата спада, въздушният клапан се отваря напълно.

При двупозиционно регулиране на температурата количеството на подаваната топлина може да бъде настроено само на две нива — максимално и минимално. Максималното количество топлина трябва да бъде по -голямо от необходимото за поддържане на зададената контролирана температура, а минималното трябва да бъде по -малко. В този случай температурата на въздуха се колебае около зададената стойност, тоест т.нар автоколебателен режим (Фиг. 3, а).

Температурни линии τn и τв, определят долната и горната граница на мъртвата зона. Когато температурата на управлявания обект, намалявайки, достигне стойността τКоличеството подадена топлина моментално се увеличава и температурата на обекта започва да се покачва. Достигане на смисъла τв, регулаторът намалява подаването на топлина и температурата намалява.

Ориз. 3. Времева характеристика на регулацията за включване-изключване (а) и статична характеристика за регулатор за включване-изключване (б).

Скоростта на покачване и понижаване на температурата зависи от свойствата на контролирания обект и от неговата времева характеристика (крива на ускорението). Температурните колебания не надхвърлят мъртвата зона, ако промените в подаването на топлина незабавно причинят температурни промени, тоест ако няма изоставане на контролирания обект.

С намаляване на мъртвата зона амплитудата на температурните колебания намалява до нула при τn = τv. Това обаче изисква подаването на топлина да се променя с безкрайно висока честота, което е изключително трудно да се приложи на практика. Във всички реални контролни обекти има забавяне. Процесът на регулиране в тях протича по следния начин.

Когато температурата на обекта за управление падне до стойността τЗахранването се променя незабавно, но поради забавянето температурата продължава да намалява за известно време. След това се издига до стойността τв, при което топлоподаването моментално намалява. Температурата продължава да се покачва известно време, след това поради намаленото подаване на топлина температурата спада и процесът се повтаря отново.

На фиг. 3, б показва статична характеристика на двупозиционен контролер… От него следва, че регулиращият ефект върху обекта може да приема само две стойности: максимална и минимална. В разглеждания пример максимумът съответства на позицията, при която въздушният клапан (виж фиг. 2) е напълно отворен, минималният — когато вентилът е затворен.

Знакът на контролното действие се определя от знака на отклонението на контролираната стойност (температура) от нейната зададена стойност. Степента на регулаторно влияние е постоянна. Всички контролери за включване / изключване имат зона на хистерезис α, което възниква поради разликата между токовете на захващане и отпадане на електромагнитното реле.

Пример за използване на двуточков контрол на температурата: Автоматичен контрол на температурата в пещи с отоплително съпротивление

Пропорционални (статични) регулатори на температурата

В случаите, когато се изисква висока точност на управление или когато автоколебателният процес е неприемлив, използвайте регулатори с непрекъснат процес на регулиране… Те включват пропорционални контролери (P-контролери)подходящ за регулиране на голямо разнообразие от технологични процеси.

В случаите, когато се изисква висока точност на регулиране или когато самоколебателният процес е неприемлив, се използват регулатори с непрекъснат процес на регулиране. Те включват пропорционални контролери (Р-контролери), подходящи за регулиране на голямо разнообразие от технологични процеси.

В системите за автоматично управление с Р-регулатори положението на регулиращото тяло (y) е правопропорционално на стойността на управлявания параметър (x):

y = k1х,

където k1 е коефициентът на пропорционалност (усилване на контролера).

Тази пропорционалност се осъществява, докато регулаторът достигне крайните си позиции (крайни превключватели).

Скоростта на движение на регулиращото тяло е правопропорционална на скоростта на промяна на управлявания параметър.

На фиг. 4 показва схематична диаграма на автоматична система за контрол на стайната температура, използваща пропорционален контролер. Стайната температура се измерва с RTD термометър за съпротивление, включен в измервателната верига 1 на моста.

Ориз. 4. Схема на пропорционално управление на температурата на въздуха: 1 — измервателен мост, 2 — обект на управление, 3 — топлообменник, 4 — кондензаторен двигател, 5 — чувствителен към фаза усилвател.

При дадена температура мостът е балансиран. Когато контролираната температура се отклонява от зададената стойност, в диагонала на моста се появява дисбалансно напрежение, чиято величина и знак зависят от величината и знака на температурното отклонение. Това напрежение се усилва от фазочувствителен усилвател 5, на изхода на който се включва намотката на двуфазен кондензаторен двигател 4 на задвижването.

Задвижващият механизъм премества регулиращото тяло, променяйки потока на охлаждащата течност в топлообменника 3. Едновременно с движението на регулиращото тяло, съпротивлението на едно от рамото на измервателния мост се променя, в резултат на което температурата, при която мостът е балансиран.

По този начин, поради твърдата обратна връзка, всяка позиция на регулиращото тяло съответства на собствената си равновесна стойност на контролираната температура.

Пропорционалният (статичен) контролер се характеризира с неравномерност на остатъчната регулация.

В случай на рязко отклонение на натоварването от зададената стойност (в момента t1), контролираният параметър ще достигне след определен период от време (момент t2) до нова стабилна стойност (фиг. 4). Това обаче е възможно само с нова позиция на регулиращия орган, тоест с нова стойност на контролирания параметър, която се различава от предварително зададената стойност с δ.

Ориз. 5. Характеристики на времето на пропорционален контрол

Недостатъкът на пропорционалните регулатори е, че само една конкретна позиция на управляващия елемент съответства на всяка стойност на параметъра. За да се поддържа зададената стойност на параметъра (температура), когато натоварването (консумацията на топлина) се промени, е необходимо регулиращият орган да заеме различно положение, съответстващо на новата стойност на натоварване. В пропорционалния контролер това не се случва, в резултат на което възниква остатъчно отклонение на управлявания параметър.

Интегрален (астатични контролери)

Интегрален (астатичен) се извикват такива регулатори, при които, когато параметърът се отклонява от зададената стойност, регулиращото тяло се движи повече или по -бавно и през цялото време в една посока (в рамките на работния ход), докато параметърът отново приеме зададената стойност. Посоката на движение на регулиращия елемент се променя само когато параметърът надвишава зададената стойност.

В интегралните контролери на електрическо действие обикновено се създава изкуствено мъртва зона, в рамките на която промяната в параметър не предизвиква движения на регулиращото тяло.

Скоростта на движение на регулиращото тяло в интегралния контролер може да бъде постоянна и променлива. Характерна особеност на интегралния контролер е липсата на пропорционална връзка между стойностите в стационарно състояние на управлявания параметър и положението на регулиращото тяло.

На фиг. 6 показва схематична диаграма на автоматична система за контрол на температурата, използваща интегрален контролер.За разлика от пропорционалната верига за управление на температурата (виж фиг. 4), тя няма твърда обратна връзка.

Ориз. 6. Схема на интегриран контрол на температурата на въздуха

В интегрален контролер скоростта на регулиращото тяло е правопропорционална на стойността на отклонението на управлявания параметър.

Процесът на интегриран контрол на температурата с внезапна промяна в натоварването (консумация на топлина) е показан на фиг. 7 с използване на времеви характеристики. Както можете да видите от графиката, контролираният параметър с интегрално управление бавно се връща към зададената стойност.

Ориз. 7. Характеристики на времето на интегралното регулиране

Изодромни (пропорционално-интегрални) контролери

Езодромна регулация притежава свойствата както на пропорционално, така и на интегрално управление. Скоростта на движение на регулиращото тяло зависи от големината и скоростта на отклонение на контролирания параметър.

Когато управляваният параметър се отклонява от зададената стойност, регулирането се извършва, както следва. Първоначално регулиращият орган се движи в зависимост от големината на отклонението на контролирания параметър, тоест се осъществява пропорционален контрол. След това регулаторът прави допълнително движение, което е необходимо за отстраняване на остатъчните неравности (интегрално регулиране).

Изодромна система за контрол на температурата на въздуха (фиг. 8) може да бъде получена чрез замяна на твърдата обратна връзка в пропорционалната верига за управление (виж фиг. 5) с еластична обратна връзка (от регулиращото тяло към двигателя за съпротивление на обратната връзка). Електрическата обратна връзка в изодромна система се осъществява от потенциометър и се въвежда в системата за управление чрез контур, съдържащ съпротивление R и капацитет С.

По време на преходни процеси сигналът за обратна връзка заедно със сигнала за отклонение на параметъра влияе върху следващите елементи на системата (усилвател, електродвигател). Със стационарно регулиращо тяло, в каквото и положение да е, когато кондензаторът С е зареден, сигналът за обратна връзка се разпада (в стационарно състояние е равен на нула).

Ориз. 8. Схема на изодромно регулиране на температурата на въздуха

За изодромната регулация е характерно, че неравномерността на регулиране (относителна грешка) намалява с увеличаване на времето, приближавайки се до нула. В този случай обратната връзка няма да причини остатъчни отклонения на контролираната стойност.

По този начин изодромният контрол води до значително по -добри резултати от пропорционалния или интегралния (да не говорим за позиционния контрол). Пропорционалният контрол поради наличието на твърда обратна връзка възниква почти мигновено, изодромно — по -бавно.

Софтуерни системи за автоматичен контрол на температурата

За да се приложи програмирано управление, е необходимо непрекъснато да се влияе на настройката (зададената стойност) на регулатора, така че контролираната стойност да се променя в съответствие с предварително определен закон. За тази цел регулаторният регулатор е снабден със софтуерен елемент. Това устройство служи за установяване на закона за промяна на зададената стойност.

По време на електрическо отопление задвижващият механизъм на системата за автоматично управление може да действа при включване или изключване на секциите на електрическите нагревателни елементи, като по този начин променя температурата на отопляемата инсталация в съответствие с дадена програма. Програмираният контрол на температурата и влажността на въздуха се използва широко в инсталации за изкуствен климат.