Sistemi za avtomatsko regulacijo temperature

Po principu regulacije so vsi avtomatski krmilni sistemi razdeljeni v štiri razrede.

1. Avtomatski stabilizacijski sistem — sistem, v katerem regulator vzdržuje konstantno nastavljeno vrednost nadzorovanega parametra.

2. Programirani krmilni sistem - sistem, ki zagotavlja spremembo nadzorovanega parametra po vnaprej določenem zakonu (v času).

3. Sledilni sistem — sistem, ki zagotavlja spremembo nadzorovanega parametra glede na neko drugo vrednost.

4. Sistem ekstremne regulacije — sistem, v katerem regulator vzdržuje vrednost regulirane veličine, ki je optimalna za spremenljive pogoje.

Za uravnavanje temperaturnega režima električnih ogrevalnih naprav se uporabljajo predvsem sistemi prvih dveh razredov.

Sisteme za avtomatsko regulacijo temperature glede na način delovanja lahko razdelimo v dve skupini: periodično in stalno regulacijo.

Avtomatski regulatorji avtomatski krmilni sistemi (ACS) glede na funkcionalne značilnosti jih delimo na pet tipov: položajne (relejne), proporcionalne (statične), integralne (astatične), izodromne (proporcionalno-integralne), izodromne z napredovanjem in s prvim odvodom.

Pozicionerji spadajo med periodične ACS, druge vrste regulatorjev pa imenujemo zvezni ACS. V nadaljevanju obravnavamo glavne značilnosti pozicijskih, proporcionalnih, integralnih in izodromnih regulatorjev, ki se najpogosteje uporabljajo v avtomatskih sistemih za regulacijo temperature.

Funkcionalni diagram avtomatske regulacije temperature (slika 1) je sestavljen iz krmilnega objekta 1, temperaturnega senzorja 2, programske naprave ali regulatorja temperature 4, regulatorja 5 in aktuatorja 8. V mnogih primerih je nameščen primarni ojačevalnik 3 med senzorjem in programsko napravo ter med regulatorjem in pogonskim mehanizmom - sekundarni ojačevalnik 6. Dodatni senzor 7 se uporablja v izodromnih krmilnih sistemih.

riž. 1. Funkcionalna shema avtomatske regulacije temperature

Termoelementi, termoelementi (termistorji) in uporovni termometri... Najpogosteje uporabljeni termočleni. Več podrobnosti o njih najdete tukaj: Termoelektrični pretvorniki (termoelementi)

Pozicijski (relejni) regulatorji temperature

Pozicijski se nanaša na takšne regulatorje, kjer lahko regulator zasede dva ali tri določene položaje. V električnih ogrevalnih napravah se uporabljajo dvo- in tripozicijski regulatorji. So enostavni in zanesljivi za upravljanje.

Na sl. 2 prikazuje shematski diagram za vklop in izklop nadzora temperature zraka.

riž. 2.Shema regulacije temperature zraka pri vklopu in izklopu: 1 — krmilni objekt, 2 — merilni most, 3 — polarizirani rele, 4 — vzbujalna navitja elektromotorja, 5 — armatura motorja, 6 — menjalnik, 7 — grelec .

Za nadzor temperature v objektu regulacije se uporablja upor RT, ki je povezan z enim od krakov merilnega mostu 2. Vrednosti uporov mostu so izbrane tako, da pri dani temperaturi je most uravnotežen, to pomeni, da je napetost v diagonali mostu enaka nič. Ko se temperatura dvigne, polarizirani rele 3, vključen v diagonalo merilnega mostu, vklopi eno od navitij 4 enosmernega motorja, ki s pomočjo reduktorja 6 zapre zračni ventil pred grelcem. 7. Ko temperatura pade, se zračni ventil popolnoma odpre.

Z dvopozicijsko regulacijo temperature lahko količino dovedene toplote nastavite le na dve stopnji — maksimalno in minimalno. Največja količina toplote naj bo večja od potrebne za vzdrževanje nastavljene nadzorovane temperature, najmanjša pa manjša. V tem primeru temperatura zraka niha okoli nastavljene vrednosti, to je tako imenovani samooscilacijski način (slika 3, a).

Temperaturni črti τn in τв določata spodnjo in zgornjo mejo mrtve cone. Ko temperatura nadzorovanega predmeta, ki se znižuje, doseže vrednost τ, se količina dovedene toplote takoj poveča in temperatura predmeta začne naraščati. Ko doseže vrednost τв, regulator zmanjša dovod toplote in temperatura se zniža.

riž. 3.Časovna karakteristika on-off regulacije (a) in statična karakteristika on-off regulatorja (b).

Hitrost naraščanja in padanja temperature je odvisna od lastnosti kontroliranega objekta in njegove časovne karakteristike (krivulja pospeška). Temperaturna nihanja ne presežejo mrtve cone, če spremembe v dovodu toplote takoj povzročijo temperaturne spremembe, to je, če ni zamika nadzorovanega objekta.

Z zmanjšanjem mrtve cone se amplituda temperaturnih nihanj zmanjša na nič pri τn = τv. Vendar to zahteva, da se dovod toplote spreminja z neskončno visoko frekvenco, kar je v praksi izjemno težko izvesti. Zakasnitev je prisotna v vseh realnih nadzornih objektih. Postopek regulacije v njih poteka na naslednji način.

Ko temperatura regulacijskega objekta pade na vrednost τ, se napajanje takoj spremeni, vendar se zaradi zakasnitve temperatura še nekaj časa znižuje. Nato se dvigne na vrednost τв, pri kateri se vnos toplote takoj zmanjša. Temperatura še nekaj časa narašča, nato pa zaradi zmanjšanega vnosa toplote pade in proces se znova ponovi.

Na sl. 3, b prikazuje statično karakteristiko dvopoložajnega regulatorja ... Iz tega sledi, da lahko regulacijski učinek na objekt sprejme samo dve vrednosti: največjo in najmanjšo. V obravnavanem primeru največ ustreza položaju, kjer je zračni ventil (glej sliko 2) popolnoma odprt, najmanj - ko je ventil zaprt.

Predznak regulacijskega delovanja je določen s predznakom odstopanja regulirane vrednosti (temperature) od njene nastavljene vrednosti. Stopnja regulativnega vpliva je stalna. Vsi vklopno/izklopni regulatorji imajo območje histereze α, ki nastane zaradi razlike med vklopnim in izklopnim tokom elektromagnetnega releja.

Primer uporabe dvotočkovne regulacije temperature: Avtomatska regulacija temperature v pečeh s toplotno odpornostjo

Proporcionalni (statični) regulatorji temperature

V primerih, ko je zahtevana visoka natančnost krmiljenja ali ko je samonihajni proces nesprejemljiv, uporabimo regulatorje z zveznim procesom regulacije... Sem spadajo proporcionalni regulatorji (P-regulatorji), primerni za regulacijo najrazličnejših tehnoloških procesov.

V primerih, ko je zahtevana visoka natančnost regulacije ali ko je samonihajni proces nesprejemljiv, se uporabljajo regulatorji z zveznim procesom regulacije. Sem sodijo proporcionalni regulatorji (P-regulatorji), primerni za regulacijo najrazličnejših tehnoloških procesov.

V avtomatskih krmilnih sistemih s P-regulatorji je položaj regulacijskega telesa (y) neposredno sorazmeren z vrednostjo nadzorovanega parametra (x):

y = k1x,

kjer je k1 faktor sorazmernosti (ojačanje krmilnika).

Ta sorazmernost se izvaja, dokler regulator ne doseže svojih končnih položajev (končna stikala).

Hitrost gibanja regulacijskega telesa je premo sorazmerna s hitrostjo spreminjanja kontroliranega parametra.

Na sl.4 prikazuje shematski diagram avtomatskega sistema za regulacijo sobne temperature z uporabo proporcionalnega regulatorja. Sobna temperatura se meri z uporovnim termometrom RTD, priključenim na merilno vezje 1 mostu.

riž. 4. Shema proporcionalne regulacije temperature zraka: 1 — merilni most, 2 — krmilni objekt, 3 — toplotni izmenjevalnik, 4 — kondenzatorski motor, 5 — fazno občutljivi ojačevalnik.

Pri določeni temperaturi je most uravnotežen. Pri odstopanju nadzorovane temperature od nastavljene vrednosti se v diagonali mostička pojavi neuravnotežena napetost, katere velikost in predznak sta odvisna od velikosti in predznaka temperaturnega odstopanja. Ta napetost se ojača s fazno občutljivim ojačevalnikom 5, na izhodu katerega se vklopi navitje dvofaznega kondenzatorskega motorja 4 pogona.

Pogonski mehanizem premika regulacijsko telo, spreminja pretok hladilne tekočine v toplotnem izmenjevalniku 3. Hkrati s premikanjem regulacijskega telesa se spreminja upor ene od ročic merilnega mostu, zaradi česar se temperatura, pri kateri most je uravnotežen.

Tako zaradi toge povratne zveze vsak položaj regulacijskega telesa ustreza svoji ravnotežni vrednosti regulirane temperature.

Za proporcionalni (statični) regulator je značilna neenotnost rezidualne regulacije.

V primeru ostrega odstopanja obremenitve od nastavljene vrednosti (v trenutku t1) bo kontrolirani parameter po določenem času (trenutek t2) dosegel novo stabilno vrednost (slika 4).To pa je mogoče le z novo lego regulatorja, to je z novo vrednostjo reguliranega parametra, ki se od prednastavljene vrednosti razlikuje za δ.

riž. 5. Časovne značilnosti proporcionalnega krmiljenja

Pomanjkljivost proporcionalnih regulatorjev je, da vsaki vrednosti parametra ustreza le en določen položaj krmilnega elementa. Za ohranitev nastavljene vrednosti parametra (temperature) ob spremembi obremenitve (porabe toplote) je potrebno, da regulacijsko telo zavzame drugo lego, ki ustreza novi vrednosti obremenitve. Pri proporcionalnem regulatorju se to ne zgodi, kar povzroči preostalo odstopanje krmiljenega parametra.

Integral (astatični regulatorji)

Integralni (astatični) se imenujejo takšni regulatorji, pri katerih se pri odstopanju parametra od nastavljene vrednosti regulacijsko telo premika bolj ali počasneje in ves čas v eno smer (znotraj delovnega giba), dokler parameter ponovno ne prevzame nastavljene vrednosti. Smer gibanja nastavitvenega elementa se spremeni šele, ko parameter preseže nastavljeno vrednost.

Pri regulatorjih integralnega električnega delovanja se običajno ustvari umetna mrtva cona, znotraj katere sprememba parametra ne povzroča premikov regulacijskega telesa.

Hitrost gibanja regulacijskega telesa v integralnem regulatorju je lahko konstantna in spremenljiva. Značilnost integralnega regulatorja je odsotnost sorazmernega razmerja med stacionarnimi vrednostmi nadzorovanega parametra in položajem regulacijskega organa.

Na sl.6 prikazuje shematski diagram avtomatskega sistema za regulacijo temperature z uporabo integriranega krmilnika.Za razliko od proporcionalnega vezja za regulacijo temperature (glej sliko 4) nima toge povratne zanke.

riž. 6. Shema integriranega nadzora temperature zraka

Pri integralnem regulatorju je hitrost regulacijskega telesa premo sorazmerna z vrednostjo odstopanja reguliranega parametra.

Postopek integriranega nadzora temperature z nenadno spremembo obremenitve (poraba toplote) je prikazan na sl. 7 z uporabo časovnih značilnosti. Kot je razvidno iz grafa, se regulirani parameter z integralno regulacijo počasi vrača na nastavljeno vrednost.

riž. 7. Časovne značilnosti integralne regulacije

Izodromni (proporcionalno-integralni) regulatorji

Ezodromski nadzor ima tako lastnosti proporcionalnega kot integralnega nadzora. Hitrost gibanja regulacijskega telesa je odvisna od velikosti in hitrosti odstopanja nadzorovanega parametra.

Ko nadzorovani parameter odstopa od nastavljene vrednosti, se prilagoditev izvede na naslednji način. Sprva se regulacijsko telo premika glede na velikost odstopanja nadzorovanega parametra, to je, da se izvaja sorazmerno krmiljenje. Nato regulator naredi dodaten premik, ki je potreben za odstranitev preostalih nepravilnosti (integralna regulacija).

Izodromni sistem za regulacijo temperature zraka (slika 8) je mogoče doseči z zamenjavo toge povratne zveze v proporcionalnem krmilnem vezju (glej sliko 8).5) z elastično povratno zvezo (od regulacijskega telesa do motorja za povratno upornost). Električno povratno informacijo v izodromnem sistemu zagotavlja potenciometer in se napaja v krmilni sistem skozi zanko, ki vsebuje upor R in kapacitivnost C.

Med prehodnimi pojavi povratni signal skupaj s signalom odstopanja parametrov vpliva na naslednje elemente sistema (ojačevalnik, elektromotor). Pri mirujočem regulacijskem telesu, v katerem koli položaju je, ko je kondenzator C napolnjen, povratni signal upade (v ustaljenem stanju je enak nič).

riž. 8. Shema izodromne regulacije temperature zraka

Za izodromno regulacijo je značilno, da se neenakomernost regulacije (relativna napaka) s časom zmanjšuje in se približuje ničli. V tem primeru povratna informacija ne bo povzročila preostalih odstopanj nadzorovane vrednosti.

Tako izodromna regulacija daje bistveno boljše rezultate kot proporcionalna ali integralna (da ne omenjamo pozicijske regulacije). Proporcionalno krmiljenje zaradi prisotnosti toge povratne informacije se pojavi skoraj takoj, izodromno - počasneje.

Programski sistemi za avtomatsko regulacijo temperature

Za izvajanje programiranega krmiljenja je potrebno stalno vplivati ​​na nastavitev (setpoint) regulatorja tako, da se regulirana vrednost spreminja po vnaprej določenem zakonu. V ta namen je regulativni regulator opremljen s programskim elementom. Ta naprava služi za vzpostavitev zakona o spremembi nastavljene vrednosti.

Med električnim ogrevanjem lahko aktuator avtomatskega krmilnega sistema vklopi ali izklopi dele električnih grelnih elementov in s tem spremeni temperaturo ogrevane instalacije v skladu z danim programom. Programirano krmiljenje temperature in vlažnosti zraka se pogosto uporablja v napravah za umetno klimo.