Systémy automatickej regulácie teploty

Podľa princípu regulácie sú všetky automatické riadiace systémy rozdelené do štyroch tried.

1. Automatický stabilizačný systém — systém, v ktorom regulátor udržiava konštantnú nastavenú hodnotu kontrolovaného parametra.

2. Programovaný riadiaci systém — systém, ktorý zabezpečuje zmenu riadeného parametra podľa vopred určeného zákona (v čase).

3. Systém sledovania — systém, ktorý zabezpečuje zmenu kontrolovaného parametra v závislosti od nejakej inej hodnoty.

4. Extrémny regulačný systém — systém, v ktorom regulátor udržuje hodnotu regulovanej veličiny, ktorá je optimálna pre meniace sa podmienky.

Na reguláciu teplotného režimu elektrických vykurovacích zariadení sa používajú hlavne systémy prvých dvoch tried.

Automatické systémy regulácie teploty podľa typu prevádzky možno rozdeliť do dvoch skupín: periodická a kontinuálna regulácia.

Automatické regulátory automatické riadiace systémy (ACS) podľa funkčných znakov sa delia na päť typov: polohové (reléové), proporcionálne (statické), integrálne (astatické), izodromické (proporcionálno-integrálne), izodromické s predstihom a s prvou deriváciou.

Polohovače patria k periodickým ACS a iné typy regulátorov sa nazývajú kontinuálne ACS. Nižšie uvažujeme o hlavných charakteristikách polohových, proporcionálnych, integrálnych a izodromických regulátorov, ktoré sa najčastejšie používajú v systémoch automatickej regulácie teploty.

Funkčná schéma automatickej regulácie teploty (obr. 1) pozostáva z riadiaceho objektu 1, snímača teploty 2, programového zariadenia alebo regulátora teploty 4, regulátora 5 a akčného člena 8. V mnohých prípadoch je umiestnený primárny zosilňovač 3 medzi snímačom a programovým zariadením a medzi regulátorom a hnacím mechanizmom — sekundárny zosilňovač 6. Ďalší snímač 7 sa používa v izodromických riadiacich systémoch.

Ryža. 1. Funkčná schéma automatickej regulácie teploty

Termočlánky, termočlánky (termistory) a odporové teplomery... Najčastejšie používané termočlánky. Viac podrobností o nich nájdete tu: Termoelektrické meniče (termočlánky)

Polohové (reléové) regulátory teploty

Pozičný označuje také regulátory, kde regulátor môže obsadiť dve alebo tri špecifické pozície. Dvoj- a trojpolohové regulátory sa používajú v elektrických vykurovacích zariadeniach. Ich obsluha je jednoduchá a spoľahlivá.

Na obr. 2 znázorňuje schematický diagram na ovládanie zapínania a vypínania teploty vzduchu.

Ryža. 2.Schéma regulácie teploty vzduchu pri zapínaní a vypínaní: 1 — ovládací objekt, 2 — merací mostík, 3 — polarizované relé, 4 — budiace vinutia elektromotora, 5 — kotva motora, 6 — prevodovka, 7 — ohrievač .

Na reguláciu teploty v objekte regulácie sa používa odpor RT, ktorý je pripojený k jednému z ramien meracieho mostíka 2. Hodnoty odporov mostíka sa volia tak, aby pri pri danej teplote je mostík vyvážený, to znamená, že napätie v uhlopriečke mostíka je rovné nule. Keď teplota stúpne, polarizované relé 3, zahrnuté v uhlopriečke meracieho mostíka, zapne jedno z vinutí 4 jednosmerného motora, ktorý pomocou redukcie 6 uzavrie vzduchový ventil pred ohrievačom. 7. Keď teplota klesne, vzduchový ventil sa úplne otvorí.

Pri dvojpolohovej regulácii teploty je možné množstvo dodávaného tepla nastaviť len na dve úrovne — maximum a minimum. Maximálne množstvo tepla by malo byť väčšie, než je potrebné na udržanie nastavenej kontrolovanej teploty, a minimum by malo byť menšie. V tomto prípade teplota vzduchu kolíše okolo nastavenej hodnoty, to znamená takzvaný samooscilačný režim (obr. 3, a).

Teplotné čiary τn a τв definujú spodnú a hornú hranicu mŕtvej zóny. Keď teplota regulovaného objektu, klesajúca, dosiahne hodnotu τ Množstvo dodaného tepla sa okamžite zvýši a teplota objektu začne stúpať. Po dosiahnutí zmyslu τв regulátor zníži prívod tepla a zníži sa teplota.

Ryža. 3.Časová charakteristika on-off regulácie (a) a statická charakteristika pre on-off regulátor (b).

Rýchlosť nárastu a poklesu teploty závisí od vlastností riadeného objektu a od jeho časovej charakteristiky (krivka zrýchlenia). Kolísanie teploty nepresiahne mŕtvu zónu, ak zmeny v dodávke tepla okamžite spôsobia zmeny teploty, teda ak nedochádza k oneskoreniu riadeného objektu.

Keď sa mŕtva zóna zmenšuje, amplitúda teplotných výkyvov klesá na nulu pri τn = τv. To si však vyžaduje, aby sa dodávka tepla menila s nekonečne vysokou frekvenciou, čo je v praxi mimoriadne náročné. Vo všetkých skutočných riadiacich objektoch je oneskorenie. Regulačný proces v nich prebieha nasledovne.

Pri poklese teploty riadiaceho objektu na hodnotu τ sa okamžite zmení napájanie, no vplyvom oneskorenia teplota ešte nejaký čas klesá. Potom stúpne na hodnotu τв, pri ktorej príkon tepla okamžite klesá. Teplota ešte nejaký čas stúpa, potom v dôsledku zníženého tepelného príkonu teplota klesne a proces sa znova opakuje.

Na obr. 3, b je znázornená statická charakteristika dvojpolohového regulátora... Z toho vyplýva, že regulačný účinok na objekt môže nadobudnúť len dve hodnoty: maximálnu a minimálnu. V uvažovanom príklade maximum zodpovedá polohe, keď je vzduchový ventil (pozri obr. 2) úplne otvorený, minimum — keď je ventil zatvorený.

Znamienko regulačnej akcie je určené znamienkom odchýlky regulovanej hodnoty (teploty) od jej nastavenej hodnoty. Stupeň regulačného vplyvu je konštantný. Všetky ovládače zapnutia/vypnutia majú oblasť hysterézy α, ktorá vzniká v dôsledku rozdielu medzi odberovým a odpadovým prúdom elektromagnetického relé.

Príklad použitia dvojbodovej regulácie teploty: Automatická regulácia teploty v peciach s tepelným odporom

Proporcionálne (statické) regulátory teploty

V prípadoch, kde sa vyžaduje vysoká presnosť regulácie, alebo keď je samokmitanie neprijateľné, použite regulátory s kontinuálnym regulačným procesom... Patria sem proporcionálne regulátory (P-regulátory) vhodné na reguláciu širokého spektra technologických procesov.

V prípadoch, kde sa vyžaduje vysoká presnosť regulácie alebo keď je samooscilačný proces neprijateľný, sa používajú regulátory s kontinuálnym regulačným procesom. Patria sem proporcionálne regulátory (P-regulátory) vhodné na reguláciu najrôznejších technologických procesov.

V automatických riadiacich systémoch s P-regulátormi je poloha regulačného orgánu (y) priamo úmerná hodnote regulovaného parametra (x):

y = k1x,

kde k1 je faktor úmernosti (zosilnenie regulátora).

Táto proporcionalita prebieha dovtedy, kým regulátor nedosiahne svoje koncové polohy (koncové spínače).

Rýchlosť pohybu regulačného orgánu je priamo úmerná rýchlosti zmeny regulovaného parametra.

Na obr.4 schematický diagram automatického systému regulácie izbovej teploty pomocou proporcionálneho regulátora. Teplota v miestnosti sa meria odporovým teplomerom RTD pripojeným k meraciemu obvodu 1 mostíka.

Ryža. 4. Schéma proporcionálneho riadenia teploty vzduchu: 1 — merací mostík, 2 — riadiaci objekt, 3 — výmenník tepla, 4 — kondenzátorový motor, 5 — fázovo citlivý zosilňovač.

Pri danej teplote je mostík vyvážený. Pri odchýlke regulovanej teploty od nastavenej hodnoty sa v uhlopriečke mostíka objaví nesymetrické napätie, ktorého veľkosť a znamienko závisí od veľkosti a znamienka odchýlky teploty. Toto napätie je zosilnené fázovo citlivým zosilňovačom 5, na výstupe ktorého je zapnuté vinutie dvojfázového kondenzátorového motora 4 pohonu.

Hnací mechanizmus pohybuje regulačným telesom, mení prietok chladiacej kvapaliny vo výmenníku 3. Súčasne s pohybom regulačného telesa sa mení odpor jedného z ramien meracieho mostíka, v dôsledku čoho sa teplota, pri ktorej most je vyvážený.

V dôsledku tuhej spätnej väzby teda každá poloha regulačného telesa zodpovedá svojej vlastnej rovnovážnej hodnote regulovanej teploty.

Proporcionálny (statický) regulátor sa vyznačuje nerovnomernosťou regulácie zvyškového prúdu.

V prípade prudkej odchýlky záťaže od nastavenej hodnoty (v momente t1) dosiahne regulovaný parameter po určitom čase (moment t2) novú stabilnú hodnotu (obr. 4).To je však možné len s novou polohou regulačného orgánu, teda s novou hodnotou regulovaného parametra, ktorá sa líši od prednastavenej hodnoty o δ.

Ryža. 5. Časové charakteristiky proporcionálneho riadenia

Nevýhodou proporcionálnych regulátorov je, že každej hodnote parametra zodpovedá len jedna konkrétna poloha ovládacieho prvku. Pre udržanie nastavenej hodnoty parametra (teploty) pri zmene zaťaženia (spotreby tepla) je potrebné, aby regulačný orgán zaujal inú polohu zodpovedajúcu novej hodnote zaťaženia. V proporcionálnom regulátore sa to nestane, výsledkom čoho je zvyšková odchýlka regulovaného parametra.

Integrálne (astatické ovládače)

Integrálne (astatické) sa nazývajú také regulátory, v ktorých pri odchýlke parametra od nastavenej hodnoty sa regulačný orgán pohybuje viac alebo pomalšie a stále v jednom smere (v rámci pracovného zdvihu), kým parameter opäť nenadobudne nastavenú hodnotu. Smer pohybu nastavovacieho prvku sa mení až vtedy, keď parameter prekročí nastavenú hodnotu.

V integrálnych regulátoroch elektrického pôsobenia sa zvyčajne vytvára umelá mŕtva zóna, v rámci ktorej zmena parametra nespôsobuje pohyby regulačného orgánu.

Rýchlosť pohybu regulačného orgánu v integrovanom regulátore môže byť konštantná a variabilná. Charakteristickým znakom integrálneho regulátora je absencia proporcionálneho vzťahu medzi ustálenými hodnotami regulovaného parametra a polohou regulačného orgánu.

Na obr.6 je schematický diagram automatického systému regulácie teploty pomocou integrovaného regulátora, ktorý na rozdiel od proporcionálneho okruhu regulácie teploty (pozri obr. 4) nemá tuhú spätnoväzbovú slučku.

Ryža. 6. Schéma integrovanej regulácie teploty vzduchu

V integrálnom regulátore je rýchlosť regulačného orgánu priamo úmerná hodnote odchýlky regulovaného parametra.

Proces integrovanej regulácie teploty s náhlou zmenou zaťaženia (spotreby tepla) je znázornený na obr. 7 pomocou časových charakteristík. Ako môžete vidieť z grafu, regulovaný parameter s integrálnou reguláciou sa pomaly vracia na nastavenú hodnotu.

Ryža. 7. Časové charakteristiky integrálnej regulácie

Izodromické (proporcionálno-integrálne) regulátory

Ezodromické riadenie má vlastnosti proporcionálneho aj integrálneho riadenia. Rýchlosť pohybu regulačného orgánu závisí od veľkosti a rýchlosti odchýlky regulovaného parametra.

Keď sa kontrolovaný parameter odchyľuje od nastavenej hodnoty, nastavenie sa vykoná nasledovne. Na začiatku sa regulačný orgán pohybuje v závislosti od veľkosti odchýlky regulovaného parametra, to znamená, že sa vykonáva proporcionálna regulácia. Potom regulátor vykoná dodatočný pohyb, ktorý je potrebný na odstránenie zvyškových nerovností (integrálna regulácia).

Izodromický systém regulácie teploty vzduchu (obr. 8) možno získať nahradením tuhej spätnej väzby v proporcionálnom regulačnom obvode (pozri obr.5) s elastickou spätnou väzbou (od regulačného telesa k motoru pre odpor spätnej väzby). Elektrickú spätnú väzbu v izodromickom systéme zabezpečuje potenciometer a privádza sa do riadiaceho systému cez slučku obsahujúcu odpor R a kapacitu C.

Pri prechodových javoch spätnoväzbový signál spolu so signálom odchýlky parametra ovplyvňuje následné prvky systému (zosilňovač, elektromotor). Pri stacionárnom regulačnom telese, v akejkoľvek polohe, keď je kondenzátor C nabitý, spätnoväzbový signál klesá (v stacionárnom stave je rovný nule).

Ryža. 8. Schéma izodromickej regulácie teploty vzduchu

Pre izodromickú reguláciu je charakteristické, že nerovnomernosť regulácie (relatívna chyba) s narastajúcim časom klesá, blíži sa k nule. V tomto prípade spätná väzba nespôsobí zvyškové odchýlky regulovanej hodnoty.

Izodromické riadenie teda prináša výrazne lepšie výsledky ako proporcionálne alebo integrálne (nehovoriac o polohovom riadení). Proporcionálne riadenie v dôsledku prítomnosti tuhej spätnej väzby nastáva takmer okamžite, izodromické - pomalšie.

Softvérové ​​systémy pre automatickú reguláciu teploty

Pre implementáciu programového riadenia je potrebné priebežne ovplyvňovať nastavenie (nastavenú hodnotu) regulátora tak, aby sa regulovaná hodnota menila podľa vopred určeného zákona. Na tento účel je regulačný regulátor vybavený softvérovým prvkom. Toto zariadenie slúži na stanovenie zákona o zmene nastavenej hodnoty.

Počas elektrického vykurovania môže pohon automatického riadiaceho systému pôsobiť tak, že zapína alebo vypína sekcie elektrických vykurovacích telies, čím mení teplotu vykurovanej inštalácie v súlade s daným programom. Programované riadenie teploty a vlhkosti vzduchu sa široko používa v inštaláciách s umelou klímem.