Аутоматски системи за контролу температуре

Према принципу регулације, сви системи аутоматског управљања су подељени у четири класе.

1. Систем аутоматске стабилизације — систем у коме регулатор одржава константну задату вредност контролисаног параметра.

2. Програмирани систем управљања — систем који обезбеђује промену контролисаног параметра по унапред одређеном закону (у времену).

3. Систем праћења — систем који обезбеђује промену контролисаног параметра у зависности од неке друге вредности.

4. Систем екстремне регулације — систем у коме регулатор одржава вредност контролисане променљиве која је оптимална за променљиве услове.

За регулисање температурног режима инсталација електричног грејања углавном се користе системи прве две класе.

Системи за аутоматску контролу температуре по свом типу рада могу се поделити у две групе: периодична и континуирана регулација.

Аутоматски регулатори аутоматски контролни системи (АЦС) према својим функционалним особинама деле се на пет врста: позиционе (релејне), пропорционалне (статичке), интегралне (астатичке), изодромске (пропорционално-интегралне), изодромне са унапред и са првим изводом.

Позиционери спадају у периодичне АЦС, а други типови регулатора се називају континуирани АЦС. У наставку разматрамо главне карактеристике позиционих, пропорционалних, интегралних и изодромских регулатора, који се најчешће користе у системима за аутоматску контролу температуре.

Функционални дијаграм аутоматске регулације температуре (слика 1) састоји се од управљачког објекта 1, температурног сензора 2, програмског уређаја или регулатора температуре 4, регулатора 5 и актуатора 8. У многим случајевима се поставља примарни појачавач 3. између сензора и програмског уређаја, а између регулатора и погонског механизма — секундарни појачавач 6. Додатни сензор 7 се користи у изодромским системима управљања.

Пиринач. 1. Функционална шема аутоматске регулације температуре

Термопарови, термопарови (термистори) и отпорни термометри... Најчешће коришћени термопарови. За више детаља о њима погледајте овде: Термоелектрични претварачи (термопарови)

Позициони (релејни) регулатори температуре

Позициони се односи на такве регулаторе где регулатор може да заузме две или три одређене позиције. Дво- и троположајни регулатори се користе у електричним грејним инсталацијама. Једноставни су и поуздани за рад.

На сл. 2 приказује шематски дијаграм за контролу укључивања и искључивања температуре ваздуха.

Пиринач. 2.Шематски дијаграм регулације температуре ваздуха при укључивању и искључивању: 1 — контролни објекат, 2 — мерни мост, 3 — поларизовани релеј, 4 — побудни намотаји електромотора, 5 — арматура мотора, 6 — мењач, 7 — грејач.

За контролу температуре у објекту регулације користи се отпор РТ који је повезан са једним од кракова мерног моста 2. Вредности ​​отпори моста се бирају тако да се на на датој температури мост је уравнотежен, односно напон у дијагонали моста је једнак нули. Када температура порасте, поларизовани релеј 3, укључен у дијагоналу мерног моста, укључује један од намотаја 4 ДЦ мотора, који уз помоћ редуктора 6 затвара ваздушни вентил испред грејача. 7. Када температура падне, ваздушни вентил се потпуно отвара.

Са регулацијом температуре у два положаја, количина доведене топлоте може се подесити на само два нивоа — максимални и минимални. Максимална количина топлоте треба да буде већа од потребне за одржавање подешене контролисане температуре, а минимална мања. У овом случају температура ваздуха флуктуира око задате вредности, односно такозваног аутоосцилационог режима (сл. 3, а).

Температурне линије τн и τв дефинишу доњу и горњу границу мртве зоне. Када температура контролисаног објекта, опадајући, достигне вредност τ, количина доведене топлоте се тренутно повећава и температура објекта почиње да расте. Достизањем осећаја τв, регулатор смањује довод топлоте и температура се смањује.

Пиринач. 3.Временска карактеристика он-офф регулације (а) и статичка карактеристика он-офф регулатора (б).

Брзина пораста и пада температуре зависи од својстава контролисаног објекта и од његове временске карактеристике (крива убрзања). Температурне флуктуације не прелазе мртву зону ако промене у снабдевању топлотом одмах узрокују промене температуре, односно ако нема заостајања контролисаног објекта.

Како се мртва зона смањује, амплитуда температурних флуктуација опада на нулу при τн = τв. Међутим, ово захтева да снабдевање топлотом варира на бесконачно високој фреквенцији, што је изузетно тешко применити у пракси. Постоји кашњење у свим стварним контролним објектима. Процес регулације у њима тече на следећи начин.

Када температура контролног објекта падне на вредност τ, напајање се одмах мења, али услед кашњења температура наставља да опада још неко време. Затим се повећава на вредност τв, при којој се унос топлоте тренутно смањује. Температура наставља да расте још неко време, а затим услед смањеног уноса топлоте температура опада и процес се поново понавља.

На сл. 3, б приказује статичку карактеристику двопозицијског регулатора... Из тога произилази да регулациони ефекат на објекат може имати само две вредности: максималну и минималну. У разматраном примеру, максимум одговара положају где је ваздушни вентил (види слику 2) потпуно отворен, минимум — када је вентил затворен.

Предзнак регулационог дејства је одређен предзнаком одступања контролисане вредности (температуре) од њене задате вредности. Степен регулаторног утицаја је константан. Сви он/офф контролери имају подручје хистерезе α, које настаје због разлике између струје подизања и пада електромагнетног релеја.

Пример коришћења контроле температуре у две тачке: Аутоматска контрола температуре у пећима са отпорношћу на грејање

Пропорционални (статички) регулатори температуре

У случајевима када је потребна висока тачност управљања или када је аутоосцилирајући процес неприхватљив, користите регулаторе са континуираним процесом регулације... Ту спадају пропорционални регулатори (П-контролери) погодни за регулацију широког спектра технолошких процеса.

У случајевима када је потребна висока тачност регулације или када је самоосцилујући процес неприхватљив, користе се регулатори са континуираним процесом регулације. Ово укључује пропорционалне контролере (П-контролере) погодне за регулисање широког спектра технолошких процеса.

У системима аутоматског управљања са П-регулаторима, положај регулационог тела (и) је директно пропорционалан вредности контролисаног параметра (к):

и = к1к,

где је к1 фактор пропорционалности (појачање контролора).

Ова пропорционалност се одвија све док регулатор не достигне крајње положаје (гранични прекидачи).

Брзина кретања регулационог тела је директно пропорционална брзини промене контролисаног параметра.

На сл.4 приказује шематски дијаграм аутоматског система за контролу собне температуре помоћу пропорционалног регулатора. Собна температура се мери РТД отпорним термометром који је повезан са мерним кругом 1 моста.

Пиринач. 4. Шема пропорционалне контроле температуре ваздуха: 1 — мерни мост, 2 — контролни објекат, 3 — измењивач топлоте, 4 — кондензаторски мотор, 5 — фазно осетљив појачавач.

На датој температури, мост је уравнотежен. Када контролисана температура одступи од задате вредности, на дијагонали моста се јавља неуравнотежени напон чија величина и знак зависе од величине и знака одступања температуре. Овај напон се појачава фазно осетљивим појачалом 5, на чијем излазу се укључује намотај двофазног кондензаторског мотора 4 погона.

Погонски механизам помера регулационо тело мењајући проток расхладне течности у измењивачу топлоте 3. Истовремено са кретањем регулационог тела мења се и отпор једног од кракова мерног моста, услед чега температура на којој се мост је уравнотежен.

Тако, због круте повратне спреге, сваки положај регулационог тела одговара сопственој равнотежној вредности контролисане температуре.

Пропорционални (статички) регулатор карактерише неуједначеност регулације остатка.

У случају наглог одступања оптерећења од задате вредности (у тренутку т1), контролисани параметар ће после одређеног временског периода (тренутак т2) достићи нову стабилну вредност (сл. 4).Међутим, то је могуће само са новом позицијом регулационог тела, односно са новом вредношћу контролисаног параметра, која се од унапред подешене вредности разликује за δ.

Пиринач. 5. Временске карактеристике пропорционалне контроле

Недостатак пропорционалних регулатора је што само једна специфична позиција контролног елемента одговара свакој вредности параметра. За одржавање подешене вредности параметра (температуре) при промени оптерећења (потрошња топлоте), потребно је да регулационо тело заузме другачији положај који одговара новој вредности оптерећења. У пропорционалном регулатору то се не дешава, што резултира резидуалним одступањем контролисаног параметра.

Интегрални (астатички контролери)

Интегралним (астатским) се називају такви регулатори код којих, када параметар одступи од задате вредности, регулационо тело се креће све више или спорије и све време у једном смеру (у оквиру радног хода) све док параметар поново не поприми задату вредност. Смер кретања елемента за подешавање се мења само када параметар премаши подешену вредност.

Код интегралних електричних акционих регулатора обично се ствара вештачка мртва зона, унутар које промена параметра не изазива померање регулационог тела.

Брзина кретања регулационог тела у интегралном регулатору може бити константна и променљива. Карактеристична карактеристика интегралног регулатора је одсуство пропорционалног односа између вредности стабилног стања контролисаног параметра и положаја регулационог тела.

На сл.На слици 6 приказан је шематски дијаграм аутоматског система за контролу температуре који користи интегрални контролер.За разлику од пропорционалног кола за контролу температуре (види слику 4), он нема круту петљу повратне спреге.

Пиринач. 6. Шема интегрисане контроле температуре ваздуха

У интегралном регулатору брзина регулационог тела је директно пропорционална вредности одступања контролисаног параметра.

Процес интегрисане контроле температуре са наглом променом оптерећења (потрошња топлоте) приказан је на Сл. 7 користећи временске карактеристике. Као што се види из графикона, контролисани параметар са интегралном контролом полако се враћа на задату вредност.

Пиринач. 7. Временске карактеристике интегралне регулације

Изодромски (пропорционално-интегрални) регулатори

Езодромска контрола има својства и пропорционалне и интегралне контроле. Брзина кретања регулационог тела зависи од величине и брзине одступања контролисаног параметра.

Када контролисани параметар одступи од задате вредности, подешавање се врши на следећи начин. У почетку се регулационо тело креће у зависности од величине одступања контролисаног параметра, односно врши се пропорционална контрола. Затим регулатор врши додатни покрет, који је неопходан да би се отклониле заостале неправилности (интегрална регулација).

Изодромни систем за контролу температуре ваздуха (слика 8) може се добити заменом круте повратне спреге у пропорционалном управљачком колу (види сл.5) са еластичном повратном спрегом (од регулационог тела до мотора за отпор повратне спреге). Електричну повратну везу у изодромном систему обезбеђује потенциометар и доводи се у контролни систем кроз петљу која садржи отпор Р и капацитивност Ц.

Током прелазних процеса, сигнал повратне спреге заједно са сигналом одступања параметара утиче на накнадне елементе система (појачало, електромотор). Код стационарног регулационог тела, у ком год положају да се налази, када је кондензатор Ц напуњен, повратни сигнал опада (у стационарном стању једнак је нули).

Пиринач. 8. Шема изодромске регулације температуре ваздуха

За изодромску регулацију је карактеристично да се неуједначеност регулације (релативна грешка) смањује са повећањем времена, приближавајући се нули. У овом случају повратна спрега неће изазвати заостала одступања контролисане вредности.

Дакле, изодромска контрола даје знатно боље резултате од пропорционалне или интегралне (да не помињемо позициону контролу). Пропорционална контрола због присуства крутих повратних информација се јавља скоро тренутно, изодромна - спорије.

Софтверски системи за аутоматску контролу температуре

За имплементацију програмиране регулације потребно је континуирано утицати на подешавање (сетпоинт) регулатора тако да се контролисана вредност мења по унапред одређеном закону. У ту сврху, регулаторни регулатор је опремљен софтверским елементом. Овај уређај служи за успостављање закона промене задате вредности.

Приликом електричног грејања, актуатор система аутоматског управљања може деловати тако да укључује или искључује делове електричних грејних елемената, чиме се мења температура грејане инсталације у складу са задатим програмом. Програмирана контрола температуре и влажности ваздуха се широко користи у инсталацијама вештачке климе.