Automatiske temperaturkontrollsystemer
Etter reguleringsprinsippet er alle automatiske kontrollsystemer delt inn i fire klasser.
1. Automatisk stabiliseringssystem — et system der regulatoren opprettholder en konstant innstilt verdi for den kontrollerte parameteren.
2. Programmert kontrollsystem — et system som gir en endring i den kontrollerte parameteren i henhold til en forhåndsbestemt lov (i tid).
3. Sporingssystem — et system som gir en endring i den kontrollerte parameteren avhengig av en annen verdi.
4. Ekstremt reguleringssystem — et system der regulatoren opprettholder verdien av den kontrollerte variabelen som er optimal for de skiftende forholdene.
For å regulere temperaturregimet til elektriske varmeinstallasjoner, brukes hovedsakelig systemer i de to første klassene.
Automatiske temperaturkontrollsystemer etter deres type operasjon kan deles inn i to grupper: periodisk og kontinuerlig regulering.
Automatiske regulatorer automatiske kontrollsystemer (ACS) i henhold til deres funksjonelle egenskaper er de delt inn i fem typer: posisjonell (relé), proporsjonal (statisk), integral (astatisk), isodromisk (proporsjonal-integral), isodromisk med forhånd og med den første deriverte.
Stillinger tilhører periodisk ACS, og andre typer regulatorer kalles kontinuerlig ACS. Nedenfor vurderer vi hovedegenskapene til posisjonelle, proporsjonale, integrerte og isodromiske kontrollere, som oftest brukes i automatiske temperaturkontrollsystemer.
Et funksjonsskjema for automatisk temperaturregulering (fig. 1) består av et kontrollobjekt 1, en temperatursensor 2, en programenhet eller temperaturregulator 4, en regulator 5 og en aktuator 8. I mange tilfeller er det plassert en primærforsterker 3 mellom sensoren og programenheten, og mellom regulatoren og drivmekanismen — en sekundær forsterker 6. En ekstra sensor 7 brukes i isodromiske kontrollsystemer.
Ris. 1. Funksjonell ordning for automatisk temperaturregulering
Termoelementer, termoelementer (termistorer) og motstandstermometre... De mest brukte termoelementene. For mer informasjon om dem, se her: Termoelektriske omformere (termoelementer)
Posisjonelle (relé) temperaturregulatorer
Posisjonell refererer til slike regulatorer der regulatoren kan innta to eller tre spesifikke posisjoner. To- og treposisjonsregulatorer brukes i elektriske varmeinstallasjoner. De er enkle og pålitelige å betjene.
I fig. 2 viser et skjematisk diagram for regulering av lufttemperaturen av og på.
Ris. 2.Skjematisk diagram av lufttemperaturregulering når du slår på og av: 1 — kontrollobjekt, 2 — målebro, 3 — polarisert relé, 4 — eksitasjonsviklinger til den elektriske motoren, 5 — motorarmatur, 6 — girkasse, 7 — varmeapparat .
For å kontrollere temperaturen i reguleringsobjektet brukes motstanden RT, som er koblet til en av armene på målebroen 2. Verdiene for motstandene til broen velges på en slik måte at kl. en gitt temperatur er broen balansert, det vil si at spenningen i diagonalen til broen er lik null. Når temperaturen stiger, slår det polariserte reléet 3, inkludert i diagonalen til målebroen, på en av viklingene 4 på DC-motoren, som ved hjelp av reduksjonsbryteren 6 lukker luftventilen foran varmeren. 7. Når temperaturen synker åpnes luftventilen helt.
Med to-posisjons temperaturregulering kan mengden av tilført varme stilles inn på kun to nivåer - maksimum og minimum. Maksimal varmemengde bør være større enn nødvendig for å opprettholde den innstilte kontrollerte temperaturen, og minimum bør være mindre. I dette tilfellet svinger lufttemperaturen rundt den innstilte verdien, det vil si den såkalte selvoscillerende modusen (fig. 3, a).
Temperaturlinjene τn og τв definerer nedre og øvre grenser for dødsonen. Når temperaturen til det kontrollerte objektet, synkende, når verdien τMengden av tilført varme øker øyeblikkelig og temperaturen til objektet begynner å stige. Når sensoren når τв, reduserer regulatoren varmetilførselen og temperaturen synker.
Ris. 3.Tidskarakteristikk for på-av-regulering (a) og statisk karakteristikk for en på-av-regulator (b).
Hastigheten på temperaturstigning og -fall avhenger av egenskapene til det kontrollerte objektet og dets tidskarakteristikk (akselerasjonskurve). Temperatursvingninger overskrider ikke dødsonen hvis endringer i varmetilførselen umiddelbart forårsaker temperaturendringer, det vil si hvis det ikke er etterslep av det kontrollerte objektet.
Når den døde sonen avtar, synker amplituden til temperatursvingninger til null ved τn = τv. Dette krever imidlertid at varmetilførselen varierer med en uendelig høy frekvens, noe som er ekstremt vanskelig å implementere i praksis. Det er en forsinkelse i alle reelle kontrollobjekter. Reguleringsprosessen i dem går som følger.
Når temperaturen på kontrollobjektet synker til verdien τ, endres strømforsyningen umiddelbart, men på grunn av forsinkelsen fortsetter temperaturen å synke en stund. Deretter stiger den til verdien τв, hvor varmetilførselen avtar øyeblikkelig. Temperaturen fortsetter å stige en stund, deretter synker temperaturen på grunn av redusert varmetilførsel og prosessen gjentas igjen.
I fig. 3, b viser en statisk karakteristikk av en to-posisjonskontroller... Det følger at reguleringseffekten på objektet kan ha bare to verdier: maksimum og minimum. I det betraktede eksemplet tilsvarer maksimum posisjonen der luftventilen (se fig. 2) er helt åpen, minimum - når ventilen er lukket.
Tegnet for kontrollhandlingen bestemmes av tegnet på avviket til den kontrollerte verdien (temperaturen) fra dens innstilte verdi. Graden av regulatorisk påvirkning er konstant. Alle av/på-kontrollere har et hystereseområde α, som oppstår på grunn av forskjellen mellom pick-up- og drop-off-strømmene til det elektromagnetiske reléet.
Eksempel på bruk av topunkts temperaturkontroll: Automatisk temperaturkontroll i ovner med varmemotstand
Proporsjonale (statiske) temperaturregulatorer
I tilfeller der høy styringsnøyaktighet er nødvendig eller når den selvoscillerende prosessen er uakseptabel, bruk regulatorer med en kontinuerlig reguleringsprosess... Disse inkluderer proporsjonale regulatorer (P-kontrollere) som er egnet for å regulere en lang rekke teknologiske prosesser.
I tilfeller hvor høy reguleringsnøyaktighet kreves eller når den selvsvingende prosessen er uakseptabel, brukes regulatorer med en kontinuerlig reguleringsprosess. Disse inkluderer proporsjonalkontrollere (P-kontrollere) som er egnet for å regulere en lang rekke teknologiske prosesser.
I automatiske kontrollsystemer med P-regulatorer er posisjonen til reguleringsorganet (y) direkte proporsjonal med verdien av den kontrollerte parameteren (x):
y = k1x,
hvor k1 er proporsjonalitetsfaktoren (kontrollerforsterkning).
Denne proporsjonaliteten finner sted til regulatoren når sine endeposisjoner (endebrytere).
Bevegelseshastigheten til reguleringslegemet er direkte proporsjonal med endringshastigheten til den kontrollerte parameteren.
I fig.4 viser et skjematisk diagram av et automatisk romtemperaturkontrollsystem som bruker en proporsjonal regulator. Romtemperaturen måles med et RTD motstandstermometer koblet til målekretsen 1 på broen.
Ris. 4. Skjema for proporsjonal lufttemperaturkontroll: 1 — målebro, 2 — kontrollobjekt, 3 — varmeveksler, 4 — kondensatormotor, 5 — fasefølsom forsterker.
Ved en gitt temperatur er broen balansert. Når den kontrollerte temperaturen avviker fra innstilt verdi, oppstår det en ubalansespenning i diagonalen på brua, hvis størrelse og fortegn avhenger av størrelsen og fortegn på temperaturavviket. Denne spenningen forsterkes av en fasefølsom forsterker 5, ved hvis utgang viklingen til en to-fase kondensatormotor 4 til stasjonen slås på.
Drivmekanismen beveger reguleringslegemet, endrer strømmen av kjølevæske i varmeveksleren 3. Samtidig med bevegelsen til reguleringslegemet endres motstanden til en av armene på målebroen, som et resultat av at temperaturen ved hvilken broen er balansert.
På grunn av den stive tilbakemeldingen tilsvarer hver posisjon av reguleringslegemet sin egen likevektsverdi for den kontrollerte temperaturen.
Den proporsjonale (statiske) kontrolleren er preget av uensartethet i restreguleringen.
Ved et skarpt avvik av lasten fra den innstilte verdien (i øyeblikket t1), vil den kontrollerte parameteren etter en viss tidsperiode (moment t2) nå en ny stabil verdi (fig. 4).Dette er imidlertid bare mulig med en ny posisjon av reguleringsorganet, det vil si med en ny verdi av den kontrollerte parameteren, som avviker fra den forhåndsinnstilte verdien med δ.
Ris. 5. Timing egenskaper ved proporsjonal kontroll
Ulempen med proporsjonalregulatorer er at kun én spesifikk kontrollelementposisjon tilsvarer hver parameterverdi. For å opprettholde den innstilte verdien av parameteren (temperaturen) når belastningen (varmeforbruket) endres, er det nødvendig for reguleringsorganet å ta en annen posisjon tilsvarende den nye belastningsverdien. I en proporsjonal regulator skjer ikke dette, noe som resulterer i et gjenværende avvik fra den kontrollerte parameteren.
Integral (statiske kontrollere)
Integral (astatisk) kalles slike regulatorer der, når parameteren avviker fra den innstilte verdien, beveger reguleringslegemet seg mer eller saktere og hele tiden i én retning (innenfor arbeidsslaget) inntil parameteren igjen antar den innstilte verdien . Bevegelsesretningen til justeringselementet endres kun når parameteren overskrider den innstilte verdien.
I integrerte elektriske handlingskontrollere opprettes vanligvis en kunstig dødsone, innenfor hvilken en endring i en parameter ikke forårsaker bevegelser av reguleringslegemet.
Bevegelseshastigheten til reguleringslegemet i den integrerte kontrolleren kan være konstant og variabel. Et karakteristisk trekk ved den integrerte kontrolleren er fraværet av et proporsjonalt forhold mellom steady-state-verdiene til den kontrollerte parameteren og posisjonen til reguleringsorganet.
I fig.Figur 6 viser et skjematisk diagram av et automatisk temperaturkontrollsystem som bruker en integrert kontroller, I motsetning til den proporsjonale temperaturkontrollkretsen (se figur 4), har den ikke en stiv tilbakekoblingssløyfe.
Ris. 6. Opplegg for integrert lufttemperaturkontroll
I en integrert kontroller er hastigheten til reguleringsorganet direkte proporsjonal med verdien av avviket til den kontrollerte parameteren.
Prosessen med integrert temperaturkontroll med en plutselig endring i belastning (varmeforbruk) er vist i fig. 7 ved bruk av tidsmessige egenskaper. Som du kan se av grafen, går den kontrollerte parameteren med integrert kontroll sakte tilbake til den innstilte verdien.
Ris. 7. Tidskarakteristikker for integralregulering
Isodromiske (proporsjonal-integrerte) kontrollere
Esodromisk kontroll har egenskapene til både proporsjonal og integrert kontroll. Bevegelseshastigheten til reguleringslegemet avhenger av størrelsen og hastigheten på avviket til den kontrollerte parameteren.
Når den kontrollerte parameteren avviker fra den innstilte verdien, gjøres justeringen som følger. Til å begynne med beveger reguleringsorganet seg avhengig av størrelsen på avviket til den kontrollerte parameteren, det vil si proporsjonal kontroll utføres. Deretter gjør regulatoren en ekstra bevegelse, som er nødvendig for å fjerne gjenværende uregelmessigheter (integrert regulering).
Et isodromisk lufttemperaturkontrollsystem (fig. 8) kan oppnås ved å erstatte den stive tilbakemeldingen i den proporsjonale kontrollkretsen (se fig.5) med elastisk tilbakemelding (fra reguleringslegemet til motoren for tilbakemeldingsmotstand). Elektrisk tilbakemelding i et isodromisk system leveres av et potensiometer og mates inn i kontrollsystemet gjennom en sløyfe som inneholder motstand R og kapasitans C.
Under transienter påvirker tilbakemeldingssignalet sammen med parameteravvikssignalet de påfølgende elementene i systemet (forsterker, elektrisk motor). Med et stasjonært reguleringslegeme, uansett hvilken posisjon det er, når kondensatoren C er ladet, avtar tilbakemeldingssignalet (i stasjonær tilstand er det lik null).
Ris. 8. Skjema for isodromisk regulering av lufttemperatur
Det er karakteristisk for isodrom regulering at uensartetheten i reguleringen (relativ feil) avtar med økende tid, og nærmer seg null. I dette tilfellet vil ikke tilbakemeldingen forårsake gjenværende avvik fra den kontrollerte verdien.
Dermed gir isodrom kontroll betydelig bedre resultater enn proporsjonal eller integrert (for ikke å nevne posisjonskontroll). Proporsjonal kontroll på grunn av tilstedeværelsen av stiv tilbakemelding skjer nesten umiddelbart, isodromisk - saktere.
Programvaresystemer for automatisk temperaturkontroll
For å implementere programmert kontroll er det nødvendig å kontinuerlig påvirke innstillingen (settpunktet) til regulatoren slik at den kontrollerte verdien endres i henhold til en forhåndsbestemt lov. For dette formålet er regulatoren utstyrt med et programvareelement. Denne enheten tjener til å etablere loven for endring av den innstilte verdien.
Under elektrisk oppvarming kan aktuatoren til det automatiske kontrollsystemet slå på eller av delene av de elektriske varmeelementene, og dermed endre temperaturen til den oppvarmede installasjonen i samsvar med et gitt program. Programmert styring av lufttemperatur og luftfuktighet er mye brukt i kunstige klimainstallasjoner.