Automatiske temperaturstyringssystemer

Ifølge reguleringsprincippet er alle automatiske styresystemer opdelt i fire klasser.

1. Automatisk stabiliseringssystem — et system, hvor regulatoren opretholder en konstant indstillet værdi af den kontrollerede parameter.

2. Programmeret kontrolsystem — et system, der giver en ændring i den kontrollerede parameter i henhold til en forudbestemt lov (i tid).

3. Sporingssystem — et system, der giver en ændring i den kontrollerede parameter afhængig af en anden værdi.

4. Ekstremt reguleringssystem — et system, hvor regulatoren fastholder værdien af ​​den kontrollerede variabel, der er optimal til de skiftende forhold.

For at regulere temperaturregimet for elektriske varmeinstallationer bruges hovedsageligt systemer i de to første klasser.

Automatiske temperaturstyringssystemer efter deres driftstype kan opdeles i to grupper: periodisk og kontinuerlig regulering.

Automatiske regulatorer automatiske kontrolsystemer (ACS) i henhold til deres funktionelle egenskaber er de opdelt i fem typer: positionel (relæ), proportional (statisk), integral (astatisk), isodromisk (proportionel-integral), isodromisk med forhånd og med den første afledte.

Positioneringsanordninger tilhører periodisk ACS, og andre typer regulatorer kaldes kontinuerlig ACS. Nedenfor overvejer vi hovedegenskaberne for positionelle, proportionale, integrerede og isodromiske regulatorer, som oftest bruges i automatiske temperaturkontrolsystemer.

Et funktionsdiagram for automatisk temperaturstyring (fig. 1) består af et styreobjekt 1, en temperaturføler 2, en programanordning eller temperaturregulator 4, en regulator 5 og en aktuator 8. I mange tilfælde er der placeret en primær forstærker 3 mellem sensoren og programenheden og mellem regulatoren og drivmekanismen - en sekundær forstærker 6. En ekstra sensor 7 bruges i isodromiske styresystemer.

Ris. 1. Funktionelt skema for automatisk temperaturregulering

Termoelementer, termoelementer (termistorer) og modstand termometre... De mest brugte termoelementer. For flere detaljer om dem se her: Termoelektriske omformere (termoelementer)

Positionelle (relæ) temperaturregulatorer

Positionel henviser til sådanne regulatorer, hvor regulatoren kan indtage to eller tre specifikke positioner. To- og trepositionsregulatorer anvendes i elvarmeinstallationer. De er enkle og pålidelige at betjene.

I fig. 2 viser et skematisk diagram til regulering af lufttemperaturen til og fra.

Ris. 2.Skematisk diagram af lufttemperaturregulering ved tænding og slukning: 1 — kontrolobjekt, 2 — målebro, 3 — polariseret relæ, 4 — excitationsviklinger af den elektriske motor, 5 — motorarmatur, 6 — gearkasse, 7 — varmelegeme .

Til regulering af temperaturen i reguleringsobjektet anvendes modstanden RT, som er forbundet med en af ​​armene på målebroen 2. Værdierne af broens modstande vælges således, at der kl. en given temperatur er broen afbalanceret, det vil sige, at spændingen i broens diagonal er lig nul. Når temperaturen stiger, tænder det polariserede relæ 3, der er inkluderet i målebroens diagonal, en af ​​DC-motorens viklinger 4, som ved hjælp af reduktionsventilen 6 lukker luftventilen foran varmeren. 7. Når temperaturen falder, åbner luftventilen helt.

Med to-positions temperaturregulering kan mængden af ​​tilført varme kun indstilles til to niveauer - maksimum og minimum. Den maksimale varmemængde bør være større end nødvendigt for at opretholde den indstillede kontrollerede temperatur, og minimumsmængden bør være mindre. I dette tilfælde svinger lufttemperaturen omkring den indstillede værdi, det vil sige den såkaldte selvoscillerende tilstand (fig. 3, a).

Temperaturlinjerne τn og τв definerer de nedre og øvre grænser for den døde zone. Når temperaturen på det kontrollerede objekt, faldende, når værdien τMængden af ​​tilført varme stiger øjeblikkeligt, og objektets temperatur begynder at stige. Når sensoren når τв, reducerer regulatoren varmetilførslen, og temperaturen falder.

Ris. 3.Tidskarakteristik for on-off regulering (a) og statisk karakteristik for en on-off regulator (b).

Hastigheden af ​​temperaturstigning og -fald afhænger af det kontrollerede objekts egenskaber og af dets tidskarakteristik (accelerationskurve). Temperatursvingninger overstiger ikke den døde zone, hvis ændringer i varmeforsyningen umiddelbart forårsager temperaturændringer, det vil sige, hvis der ikke er nogen forsinkelse af det kontrollerede objekt.

Når den døde zone falder, falder amplituden af ​​temperaturudsving til nul ved τn = τv. Dette kræver dog, at varmetilførslen varierer med en uendelig høj frekvens, hvilket er yderst vanskeligt at implementere i praksis. Der er en forsinkelse i alle reelle kontrolobjekter. Reguleringsprocessen i dem forløber som følger.

Når temperaturen på kontrolobjektet falder til værdien τ, ændres strømforsyningen med det samme, men på grund af forsinkelsen fortsætter temperaturen med at falde i nogen tid. Derefter stiger den til værdien τв, hvorved varmetilførslen øjeblikkeligt falder. Temperaturen fortsætter med at stige i nogen tid, derefter falder temperaturen på grund af den reducerede varmetilførsel, og processen gentages igen.

I fig. 3, b viser en statisk karakteristik af en to-positionsregulator... Det følger heraf, at reguleringseffekten på objektet kun kan have to værdier: maksimum og minimum. I det betragtede eksempel svarer maksimum til den position, hvor luftventilen (se fig. 2) er helt åben, minimum - når ventilen er lukket.

Tegnet for kontrolhandlingen bestemmes af fortegnet for afvigelsen af ​​den kontrollerede værdi (temperatur) fra dens indstillede værdi. Graden af ​​regulatorisk indflydelse er konstant. Alle tænd/sluk-controllere har et hystereseområde α, som opstår på grund af forskellen mellem det elektromagnetiske relæs opsamlings- og frafaldsstrømme.

Eksempel på brug af to-punkts temperaturkontrol: Automatisk temperaturregulering i ovne med varmemodstand

Proportionale (statiske) temperaturregulatorer

I tilfælde, hvor høj kontrolnøjagtighed er påkrævet, eller når den selvoscillerende proces er uacceptabel, skal du bruge regulatorer med en kontinuerlig reguleringsproces... Disse omfatter proportionalregulatorer (P-controllere), der er egnede til at regulere en lang række teknologiske processer.

I tilfælde, hvor høj reguleringsnøjagtighed er påkrævet, eller når den selvoscillerende proces er uacceptabel, anvendes regulatorer med en kontinuerlig reguleringsproces. Disse omfatter proportionalregulatorer (P-controllere), der er egnede til at regulere en lang række teknologiske processer.

I automatiske styresystemer med P-regulatorer er positionen af ​​reguleringsorganet (y) direkte proportional med værdien af ​​den kontrollerede parameter (x):

y = k1x,

hvor k1 er proportionalitetsfaktoren (controllerforstærkning).

Denne proportionalitet finder sted, indtil regulatoren når sine endepositioner (endestopkontakter).

Bevægelseshastigheden af ​​det regulerende organ er direkte proportional med hastigheden af ​​ændringen af ​​den kontrollerede parameter.

I fig.4 viser et skematisk diagram af et automatisk rumtemperaturstyringssystem, der anvender en proportionalregulator. Rumtemperaturen måles med et RTD-modstandstermometer tilsluttet broens målekreds 1.

Ris. 4. Skema for proportional lufttemperaturstyring: 1 — målebro, 2 — kontrolobjekt, 3 — varmeveksler, 4 — kondensatormotor, 5 — fasefølsom forstærker.

Ved en given temperatur er broen afbalanceret. Når den kontrollerede temperatur afviger fra den indstillede værdi, opstår der en ubalancespænding i broens diagonal, hvis størrelse og fortegn afhænger af temperaturafvigelsens størrelse og fortegn. Denne spænding forstærkes af en fasefølsom forstærker 5, ved hvis udgang viklingen af ​​en tofaset kondensatormotor 4 af drevet er tændt.

Drivmekanismen bevæger reguleringslegemet, ændrer kølevæskestrømmen i varmeveksleren 3. Samtidig med bevægelsen af ​​reguleringslegemet ændres modstanden af ​​en af ​​målebroens arme, som et resultat af hvilken temperatur, ved hvilken broen er afbalanceret.

På grund af den stive feedback svarer hver position af reguleringslegemet således til sin egen ligevægtsværdi for den kontrollerede temperatur.

Den proportionale (statiske) regulator er kendetegnet ved uensartethed af restreguleringen.

I tilfælde af en skarp afvigelse af belastningen fra den indstillede værdi (i øjeblikket t1), vil den kontrollerede parameter efter et vist tidsrum (moment t2) nå en ny stabil værdi (fig. 4).Dette er dog kun muligt med en ny position af reguleringsorganet, det vil sige med en ny værdi af den kontrollerede parameter, som afviger fra den forudindstillede værdi med δ.

Ris. 5. Tidskarakteristika for proportional kontrol

Ulempen ved proportionalregulatorer er, at kun én specifik styreelementposition svarer til hver parameterværdi. For at opretholde den indstillede værdi af parameteren (temperaturen), når belastningen (varmeforbruget) ændres, er det nødvendigt for reguleringsorganet at indtage en anden position svarende til den nye belastningsværdi. I en proportionalregulator sker dette ikke, hvilket resulterer i en resterende afvigelse af den kontrollerede parameter.

Integral (statiske controllere)

Integral (astatisk) kaldes sådanne regulatorer, hvori, når parameteren afviger fra den indstillede værdi, bevæger reguleringslegemet sig mere eller langsommere og hele tiden i én retning (inden for arbejdsslaget), indtil parameteren igen antager den indstillede værdi. Justeringselementets bevægelsesretning ændres kun, når parameteren overskrider den indstillede værdi.

I integrerede elektriske handlingsregulatorer skabes normalt en kunstig død zone, inden for hvilken en ændring i en parameter ikke forårsager bevægelser af det regulerende organ.

Bevægelseshastigheden af ​​reguleringslegemet i den integrerede styreenhed kan være konstant og variabel. Et karakteristisk træk ved den integrerede controller er fraværet af et proportionalt forhold mellem steady-state værdierne af den kontrollerede parameter og positionen af ​​det regulerende organ.

I fig.6 viser et skematisk diagram af et automatisk temperaturstyringssystem, der anvender en integreret regulator.I modsætning til det proportionale temperaturstyringskredsløb (se fig. 4), har det ikke en stiv tilbagekoblingssløjfe.

Ris. 6. Skema for integreret lufttemperaturstyring

I en integreret regulator er reguleringsorganets hastighed direkte proportional med værdien af ​​afvigelsen af ​​den kontrollerede parameter.

Processen med integreret temperaturstyring med en pludselig ændring i belastning (varmeforbrug) er vist i fig. 7 ved hjælp af tidsmæssige karakteristika. Som du kan se på grafen, vender den kontrollerede parameter med integreret kontrol langsomt tilbage til den indstillede værdi.

Ris. 7. Tidskarakteristika for integral regulering

Isodromiske (proportional-integrale) controllere

Esodromisk kontrol har egenskaberne af både proportional og integral kontrol. Bevægelseshastigheden af ​​det regulerende organ afhænger af størrelsen og hastigheden af ​​afvigelsen af ​​den kontrollerede parameter.

Når den kontrollerede parameter afviger fra den indstillede værdi, foretages justeringen som følger. Indledningsvis bevæger reguleringsorganet sig afhængigt af størrelsen af ​​afvigelsen af ​​den kontrollerede parameter, det vil sige proportional kontrol udføres. Derefter foretager regulatoren en ekstra bevægelse, som er nødvendig for at fjerne de resterende uregelmæssigheder (integral regulering).

Et isodromisk lufttemperaturstyringssystem (fig. 8) kan opnås ved at erstatte den stive feedback i det proportionale styrekredsløb (se fig.5) med elastisk feedback (fra reguleringslegemet til motoren for feedbackmodstand). Elektrisk feedback i et isodromisk system leveres af et potentiometer og føres ind i styresystemet gennem en sløjfe, der indeholder modstand R og kapacitans C.

Under transienter påvirker feedbacksignalet sammen med parameterafvigelsessignalet de efterfølgende elementer i systemet (forstærker, elektrisk motor). Med et stationært reguleringslegeme, uanset hvilken position det er, når kondensatoren C er opladet, falder feedbacksignalet (i stationær tilstand er det lig nul).

Ris. 8. Skema for isodrom regulering af lufttemperatur

Det er karakteristisk for isodrom regulering, at uensartetheden af ​​reguleringen (relativ fejl) aftager med stigende tid og nærmer sig nul. I dette tilfælde vil feedbacken ikke forårsage resterende afvigelser af den kontrollerede værdi.

Således producerer isodromisk kontrol væsentligt bedre resultater end proportional eller integral (for ikke at nævne positionskontrol). Proportional kontrol på grund af tilstedeværelsen af ​​stiv feedback sker næsten øjeblikkeligt, isodromisk - langsommere.

Softwaresystemer til automatisk temperaturstyring

For at implementere programmeret styring er det nødvendigt løbende at påvirke indstillingen (setpunktet) af regulatoren, så den kontrollerede værdi ændres i henhold til en forudbestemt lov. Til dette formål er regulatoren udstyret med et softwareelement. Denne enhed tjener til at etablere loven om ændring af den indstillede værdi.

Under elektrisk opvarmning kan aktuatoren af ​​det automatiske styresystem virke til at tænde eller slukke for sektionerne af de elektriske varmeelementer og derved ændre temperaturen på den opvarmede installation i overensstemmelse med et givet program. Programmeret styring af lufttemperatur og luftfugtighed anvendes i vid udstrækning i kunstige klimainstallationer.