Sustavi automatske kontrole temperature

Prema principu regulacije svi sustavi automatskog upravljanja podijeljeni su u četiri klase.

1. Sustav automatske stabilizacije — sustav u kojem regulator održava konstantnu zadanu vrijednost kontroliranog parametra.

2. Programirani sustav upravljanja — sustav koji osigurava promjenu kontroliranog parametra prema unaprijed određenom zakonu (u vremenu).

3. Sustav za praćenje — sustav koji omogućuje promjenu kontroliranog parametra ovisno o nekoj drugoj vrijednosti.

4. Sustav ekstremne regulacije — sustav u kojem regulator održava vrijednost regulirane veličine koja je optimalna za promjenjive uvjete.

Za reguliranje temperaturnog režima električnih instalacija grijanja uglavnom se koriste sustavi prve dvije klase.

Sustavi automatske regulacije temperature prema načinu rada mogu se podijeliti u dvije skupine: periodička i kontinuirana regulacija.

Automatski regulatori sustavi automatskog upravljanja (ACS) prema funkcionalnim značajkama dijele se na pet vrsta: položajne (relejne), proporcionalne (statičke), integralne (astatičke), izodromne (proporcionalno-integralne), izodromne s napredovanjem i s prvom izvodnicom.

Pozicioneri pripadaju periodičkim ACS, a ostale vrste regulatora nazivaju se kontinuiranim ACS. U nastavku razmatramo glavne karakteristike pozicijskih, proporcionalnih, integralnih i izodromnih regulatora, koji se najčešće koriste u sustavima automatske regulacije temperature.

Funkcionalni dijagram automatske regulacije temperature (slika 1) sastoji se od upravljačkog objekta 1, senzora temperature 2, programskog uređaja ili regulatora temperature 4, regulatora 5 i aktuatora 8. U mnogim slučajevima postavlja se primarno pojačalo 3 između senzora i programskog uređaja, a između regulatora i pogonskog mehanizma — sekundarno pojačalo 6. Dodatni senzor 7 koristi se u izodromnim sustavima upravljanja.

Riža. 1. Funkcionalna shema automatske regulacije temperature

Termoparovi, termoelementi (termistori) i otporni termometri... Najčešće korišteni termoparovi. Za više detalja o njima pogledajte ovdje: Termoelektrični pretvarači (termoparovi)

Pozicijski (relejni) regulatori temperature

Pozicijski se odnosi na takve regulatore gdje regulator može zauzeti dva ili tri određena položaja. U instalacijama električnog grijanja koriste se regulatori s dva i tri položaja. Jednostavni su i pouzdani za rukovanje.

Na sl. Slika 2 prikazuje shematski dijagram za uključivanje i isključivanje kontrole temperature zraka.

Riža. 2.Shema regulacije temperature zraka pri uključivanju i isključivanju: 1 — upravljački objekt, 2 — mjerni most, 3 — polarizirani relej, 4 — uzbudni namoti elektromotora, 5 — armatura motora, 6 — mjenjač, ​​7 — grijač .

Za kontrolu temperature u objektu regulacije koristi se otpor RT koji je spojen na jedan od krakova mjernog mosta 2. Vrijednosti otpora mosta biraju se na način da pri pri određenoj temperaturi most je uravnotežen, odnosno napon u dijagonali mosta jednak je nuli. Kada temperatura poraste, polarizirani relej 3, uključen u dijagonalu mjernog mosta, uključuje jedan od namota 4 istosmjernog motora, koji uz pomoć reduktora 6 zatvara zračni ventil ispred grijača. 7. Kada temperatura padne, ventil za zrak se potpuno otvara.

S regulacijom temperature u dva položaja, količina isporučene topline može se postaviti na samo dvije razine — maksimalnu i minimalnu. Maksimalna količina topline treba biti veća od potrebne za održavanje postavljene kontrolirane temperature, a minimalna manja. U ovom slučaju temperatura zraka varira oko zadane vrijednosti, odnosno takozvanog samooscilirajućeg načina (slika 3, a).

Temperaturne linije τn i τv određuju donju i gornju granicu mrtve zone. Kada temperatura kontroliranog objekta, opadajući, dosegne vrijednost τ, količina dovedene topline trenutno se povećava i temperatura objekta počinje rasti. Dostigavši ​​vrijednost τv, regulator smanjuje dovod topline i temperatura se smanjuje.

Riža. 3.Vremenska karakteristika on-off regulacije (a) i statička karakteristika on-off regulatora (b).

Brzina porasta i pada temperature ovisi o svojstvima kontroliranog objekta i njegovoj vremenskoj karakteristici (krivulja ubrzanja). Temperaturne fluktuacije ne prelaze mrtvu zonu ako promjene u opskrbi toplinom odmah uzrokuju temperaturne promjene, odnosno ako nema zaostajanja kontroliranog objekta.

Kako se mrtva zona smanjuje, amplituda temperaturnih kolebanja se smanjuje na nulu pri τn = τv. Međutim, to zahtijeva da opskrba toplinom varira na beskonačno visokoj frekvenciji, što je izuzetno teško provesti u praksi. Postoji kašnjenje u svim stvarnim objektima upravljanja. Proces regulacije u njima odvija se na sljedeći način.

Kada temperatura regulacijskog objekta padne na vrijednost τ, napajanje se odmah mijenja, ali se zbog kašnjenja temperatura još neko vrijeme smanjuje. Zatim raste do vrijednosti τv, pri kojoj dovod topline trenutačno opada. Temperatura još neko vrijeme raste, a zatim zbog smanjenog unosa topline temperatura pada i proces se ponovno ponavlja.

Na sl. 3, b prikazuje statičku karakteristiku regulatora s dva položaja ... Slijedi da regulacijski učinak na objekt može imati samo dvije vrijednosti: maksimalnu i minimalnu. U razmatranom primjeru, maksimum odgovara položaju u kojem je ventil za zrak (vidi sliku 2) potpuno otvoren, minimum - kada je ventil zatvoren.

Predznak regulacijskog djelovanja određen je predznakom odstupanja regulirane vrijednosti (temperature) od njezine zadane vrijednosti. Stupanj regulatornog utjecaja je konstantan. Svi on/off regulatori imaju područje histereze α, koje nastaje zbog razlike između struje uključivanja i pada elektromagnetskog releja.

Primjer korištenja regulacije temperature u dvije točke: Automatska regulacija temperature u pećima otpornim na grijanje

Proporcionalni (statički) regulatori temperature

U slučajevima kada je potrebna visoka točnost regulacije ili kada je samooscilirajući proces neprihvatljiv, koristiti regulatore s kontinuiranim procesom regulacije... Tu spadaju proporcionalni regulatori (P-regulatori) pogodni za regulaciju najrazličitijih tehnoloških procesa.

U slučajevima kada je potrebna visoka točnost regulacije ili kada je samooscilirajući proces neprihvatljiv, koriste se regulatori s kontinuiranim procesom regulacije. Tu spadaju proporcionalni regulatori (P-regulatori) pogodni za regulaciju najrazličitijih tehnoloških procesa.

U sustavima automatske regulacije s P-regulatorima položaj regulacijskog tijela (y) izravno je proporcionalan vrijednosti kontroliranog parametra (x):

y = k1x,

gdje je k1 faktor proporcionalnosti (pojačanje regulatora).

Ova proporcionalnost se odvija sve dok regulator ne dosegne svoje krajnje položaje (krajnje sklopke).

Brzina gibanja regulacijskog tijela izravno je proporcionalna brzini promjene kontroliranog parametra.

Na sl.Slika 4 prikazuje shematski dijagram automatskog sustava regulacije sobne temperature koji koristi proporcionalni regulator. Sobna temperatura se mjeri RTD otpornim termometrom spojenim na mjerni krug 1 mosta.

Riža. 4. Shema proporcionalne regulacije temperature zraka: 1 — mjerni most, 2 — upravljački objekt, 3 — izmjenjivač topline, 4 — kondenzatorski motor, 5 — fazno osjetljivo pojačalo.

Na određenoj temperaturi, most je uravnotežen. Pri odstupanju kontrolirane temperature od zadane vrijednosti u dijagonali mosta javlja se napon neuravnoteženosti čija veličina i predznak ovisi o veličini i predznaku odstupanja temperature. Ovaj napon se pojačava fazno osjetljivim pojačalom 5, na čijem se izlazu uključuje namot dvofaznog kondenzatorskog motora 4 pogona.

Pogonski mehanizam pomiče regulacijsko tijelo, mijenjajući protok rashladne tekućine u izmjenjivaču topline 3. Istodobno s kretanjem regulacijskog tijela mijenja se otpor jednog od krakova mjernog mosta, uslijed čega temperatura na kojoj se most je uravnotežen.

Dakle, zbog krute povratne veze, svaki položaj regulacijskog tijela odgovara vlastitoj ravnotežnoj vrijednosti kontrolirane temperature.

Proporcionalni (statički) regulator karakterizira nejednolikost rezidualne regulacije.

U slučaju naglog odstupanja opterećenja od zadane vrijednosti (u trenutku t1), kontrolirani parametar će nakon određenog vremena (trenutak t2) postići novu stabilnu vrijednost (slika 4).Međutim, to je moguće samo s novim položajem regulacijskog tijela, odnosno s novom vrijednošću kontroliranog parametra, koja se razlikuje od zadane vrijednosti za δ.

Riža. 5. Vremenske karakteristike proporcionalnog upravljanja

Nedostatak proporcionalnih regulatora je da samo jedna određena pozicija upravljačkog elementa odgovara svakoj vrijednosti parametra. Za održavanje zadane vrijednosti parametra (temperature) pri promjeni opterećenja (potrošnja topline) potrebno je da regulacijsko tijelo zauzme drugačiji položaj koji odgovara novoj vrijednosti opterećenja. U proporcionalnom regulatoru to se ne događa, što rezultira preostalim odstupanjem kontroliranog parametra.

Integralni (astatički regulatori)

Integralnim (astatičkim) nazivaju se takvi regulatori kod kojih se pri odstupanju parametra od zadane vrijednosti regulacijsko tijelo pomiče sve sporije ili sporije i sve vrijeme u jednom smjeru (unutar radnog hoda) dok parametar ponovno ne poprimi zadanu vrijednost. Smjer kretanja elementa za podešavanje mijenja se samo kada parametar premaši zadanu vrijednost.

U integralnim regulatorima električnog djelovanja obično se stvara umjetna mrtva zona unutar koje promjena parametra ne uzrokuje pomake regulacijskog tijela.

Brzina gibanja regulacijskog tijela u integralnom regulatoru može biti konstantna i promjenjiva. Karakteristična značajka integralnog regulatora je nepostojanje proporcionalnog odnosa između stacionarnih vrijednosti kontroliranog parametra i položaja regulacijskog tijela.

Na sl.Slika 6 prikazuje shematski dijagram automatskog sustava za regulaciju temperature koji koristi integralni regulator.Za razliku od proporcionalnog kruga za regulaciju temperature (vidi sliku 4), on nema krutu povratnu spregu.

Riža. 6. Shema integrirane regulacije temperature zraka

U integralnom regulatoru brzina regulacijskog tijela izravno je proporcionalna vrijednosti odstupanja kontroliranog parametra.

Proces integrirane regulacije temperature s naglom promjenom opterećenja (potrošnja topline) prikazan je na sl. 7 koristeći vremenske karakteristike. Kao što možete vidjeti na grafikonu, kontrolirani parametar s integralnom kontrolom polako se vraća na zadanu vrijednost.

Riža. 7. Vremenske karakteristike integralne regulacije

Izodromni (proporcionalno-integralni) regulatori

Ezodromska kontrola ima svojstva i proporcionalne i integralne kontrole. Brzina gibanja regulacijskog tijela ovisi o veličini i brzini odstupanja kontroliranog parametra.

Kada kontrolirani parametar odstupa od postavljene vrijednosti, podešavanje se vrši na sljedeći način. U početku se regulacijsko tijelo pomiče ovisno o veličini odstupanja kontroliranog parametra, odnosno provodi se proporcionalna regulacija. Tada regulator vrši dodatni pomak, koji je neophodan za uklanjanje zaostalih nepravilnosti (integralna regulacija).

Izodromni sustav kontrole temperature zraka (Sl. 8) može se dobiti zamjenom krute povratne veze u proporcionalnom regulacijskom krugu (vidi Sl.5) s elastičnom povratnom spregom (od regulacijskog tijela do motora za povratni otpor). Električnu povratnu vezu u izodromnom sustavu osigurava potenciometar i dovodi u upravljački sustav kroz petlju koja sadrži otpor R i kapacitet C.

Tijekom prijelaznih pojava, povratni signal zajedno sa signalom odstupanja parametra utječe na sljedeće elemente sustava (pojačalo, elektromotor). Kod stacionarnog regulacijskog tijela, u kojem god se položaju nalazilo, kada je kondenzator C napunjen, povratni signal opada (u stacionarnom stanju je jednak nuli).

Riža. 8. Shema izodromne regulacije temperature zraka

Za izodromnu regulaciju karakteristično je da se nejednolikost regulacije (relativna pogreška) smanjuje s povećanjem vremena, približavajući se nuli. U tom slučaju povratna sprega neće uzrokovati zaostala odstupanja kontrolirane vrijednosti.

Dakle, izodromna kontrola daje značajno bolje rezultate od proporcionalne ili integralne (da ne spominjemo položajnu kontrolu). Proporcionalna kontrola zbog prisutnosti krute povratne veze događa se gotovo trenutno, izodromna - sporije.

Programski sustavi za automatsku regulaciju temperature

Za provedbu programirane regulacije potrebno je kontinuirano utjecati na postavku (setpoint) regulatora tako da se regulirana vrijednost mijenja prema unaprijed zadanom zakonu. U tu svrhu, regulator je opremljen programskim elementom. Ovaj uređaj služi za uspostavljanje zakona promjene zadane vrijednosti.

Tijekom električnog grijanja, aktuator automatskog upravljačkog sustava može djelovati tako da uključuje ili isključuje dijelove električnih grijača, čime se mijenja temperatura grijane instalacije u skladu sa zadanim programom. Programirana kontrola temperature i vlažnosti zraka naširoko se koristi u instalacijama umjetne klime.