Automatinės temperatūros reguliavimo sistemos
Pagal reguliavimo principą visos automatinio valdymo sistemos skirstomos į keturias klases.
1. Automatinė stabilizavimo sistema — sistema, kurioje reguliatorius palaiko pastovią reguliuojamo parametro nustatytą vertę.
2. Programuota valdymo sistema — sistema, kuri užtikrina valdomo parametro pasikeitimą pagal iš anksto nustatytą dėsnį (laiku).
3. Sekimo sistema – sistema, kuri užtikrina valdomo parametro pasikeitimą priklausomai nuo kokios nors kitos reikšmės.
4. Ekstremalaus reguliavimo sistema — sistema, kurioje reguliatorius palaiko optimalią valdomo kintamojo reikšmę besikeičiančioms sąlygoms.
Elektrinių šildymo įrenginių temperatūros režimui reguliuoti daugiausia naudojamos dviejų pirmųjų klasių sistemos.
Automatines temperatūros reguliavimo sistemas pagal jų veikimo pobūdį galima suskirstyti į dvi grupes: periodinį ir nuolatinį reguliavimą.
Automatiniai reguliatoriai automatinės valdymo sistemos (ACS) pagal funkcinius požymius skirstomi į penkis tipus: pozicinius (relės), proporcinius (statinius), integralinius (astatinius), izodrominius (proporcinius-integralus), izodromines su avansu ir su pirmąja išvestine.
Padėties reguliatoriai priklauso periodinei ACS, o kitų tipų reguliatoriai vadinami nuolatiniais ACS. Žemiau aptariame pagrindines pozicinių, proporcinių, integralinių ir izodrominių valdiklių, kurie dažniausiai naudojami automatinėse temperatūros valdymo sistemose, charakteristikas.
Automatinio temperatūros valdymo funkcinė schema (1 pav.) susideda iš valdymo objekto 1, temperatūros jutiklio 2, programinio įrenginio arba temperatūros reguliatoriaus 4, reguliatoriaus 5 ir pavaros 8. Daugeliu atvejų dedamas pirminis stiprintuvas 3 tarp jutiklio ir programinio įrenginio, o tarp reguliatoriaus ir pavaros mechanizmo — antrinis stiprintuvas 6. Izodrominėse valdymo sistemose naudojamas papildomas jutiklis 7.
Ryžiai. 1. Automatinio temperatūros reguliavimo funkcinė schema
Termoporos, termoporos (termistoriai) ir varžos termometrai... Dažniausiai naudojamos termoporos. Daugiau informacijos apie juos rasite čia: Termoelektriniai keitikliai (termoporos)
Poziciniai (reliniai) temperatūros reguliatoriai
Padėtis reiškia tokius reguliatorius, kuriuose reguliatorius gali užimti dvi ar tris konkrečias pozicijas. Elektrinėse šildymo sistemose naudojami dviejų ir trijų padėčių reguliatoriai. Jie yra paprasti ir patikimi eksploatuoti.
Fig. 2 parodyta schema, skirta oro temperatūros įjungimui ir išjungimui valdyti.
Ryžiai. 2.Scheminė oro temperatūros reguliavimo įjungiant ir išjungiant schema: 1 — valdymo objektas, 2 — matavimo tiltelis, 3 — poliarizuota relė, 4 — elektros variklio žadinimo apvijos, 5 — variklio armatūra, 6 — pavarų dėžė, 7 — šildytuvas .
Temperatūrai reguliuoti reguliavimo objekte naudojama varža RT, kuri yra sujungta su viena iš matavimo tiltelio 2 atšakų. Tilto varžų reikšmės parenkamos taip, kad esant tam tikrai temperatūrai, tiltas yra subalansuotas, tai yra, įtampa tilto įstrižainėje yra lygi nuliui. Kai temperatūra pakyla, poliarizuota relė 3, įtraukta į matavimo tiltelio įstrižainę, įjungia vieną iš nuolatinės srovės variklio apvijų 4, kuri reduktoriaus 6 pagalba uždaro oro vožtuvą priešais šildytuvą. 7. Kai temperatūra nukrenta, oro vožtuvas visiškai atsidaro.
Naudojant dviejų padėčių temperatūros reguliavimą, tiekiamos šilumos kiekį galima nustatyti tik dviem lygiais – didžiausiu ir mažiausiu. Maksimalus šilumos kiekis turi būti didesnis nei būtina, norint palaikyti nustatytą kontroliuojamą temperatūrą, o minimalus – mažesnis. Šiuo atveju oro temperatūra svyruoja apie nustatytą vertę, tai yra vadinamasis savaiminis virpesių režimas (3 pav., a).
Temperatūros linijos τn ir τв apibrėžia apatinę ir viršutinę negyvos zonos ribas. Kai kontroliuojamo objekto temperatūra, mažėjant, pasiekia reikšmę τ, tiekiamos šilumos kiekis akimirksniu padidėja ir objekto temperatūra pradeda kilti. Pasiekęs jutimą τв, reguliatorius sumažina šilumos tiekimą ir temperatūra mažėja.
Ryžiai. 3.Įjungimo ir išjungimo reguliavimo laiko charakteristika (a) ir įjungimo išjungimo reguliatoriaus statinė charakteristika (b).
Temperatūros kilimo ir kritimo greitis priklauso nuo valdomo objekto savybių ir nuo jo laiko charakteristikos (pagreičio kreivės). Temperatūros svyravimai neviršija negyvosios zonos, jei šilumos tiekimo pokyčiai iš karto sukelia temperatūros pokyčius, tai yra, jei nėra kontroliuojamo objekto atsilikimo.
Mažėjant negyvajai zonai, temperatūros svyravimų amplitudė sumažėja iki nulio, kai τn = τv. Tačiau tam reikia, kad šilumos tiekimas keistųsi be galo dideliu dažniu, o tai praktiškai įgyvendinti yra itin sunku. Visuose realiuose valdymo objektuose yra vėlavimas. Reguliavimo procesas juose vyksta taip.
Kai valdymo objekto temperatūra nukrenta iki reikšmės τ, maitinimas iš karto keičiasi, tačiau dėl vėlavimo temperatūra kurį laiką toliau mažėja. Tada jis pakyla iki vertės τв, kuriai esant šilumos įvadas akimirksniu sumažėja. Temperatūra kurį laiką toliau kyla, vėliau dėl sumažėjusio šilumos kiekio temperatūra nukrenta ir procesas kartojasi iš naujo.
Fig. 3, b parodyta dviejų padėčių valdiklio statinė charakteristika... Iš to išplaukia, kad reguliuojantis poveikis objektui gali turėti tik dvi reikšmes: didžiausią ir mažiausią. Nagrinėjamame pavyzdyje maksimumas atitinka padėtį, kurioje oro vožtuvas (žr. 2 pav.) yra visiškai atidarytas, minimumas – kai vožtuvas uždarytas.
Valdymo veiksmo ženklas nustatomas pagal valdomos vertės (temperatūros) nuokrypio nuo nustatytos vertės požymį. Reguliavimo įtakos laipsnis yra pastovus. Visi įjungimo/išjungimo valdikliai turi histerezės sritį α, kuri atsiranda dėl elektromagnetinės relės paėmimo ir išjungimo srovių skirtumo.
Dviejų taškų temperatūros valdymo pavyzdys: Automatinis temperatūros reguliavimas krosnyse su kaitinimo varža
Proporciniai (statiniai) temperatūros reguliatoriai
Tais atvejais, kai reikalingas didelis valdymo tikslumas arba kai savaiminis virpesių procesas yra nepriimtinas, naudokite reguliatorius su nuolatiniu reguliavimo procesu... Tai apima proporcinius valdiklius (P-valdiklius), tinkančius reguliuoti įvairius technologinius procesus.
Tais atvejais, kai reikalingas didelis reguliavimo tikslumas arba kai savaime svyruojantis procesas yra nepriimtinas, naudojami reguliatoriai su nuolatiniu reguliavimo procesu. Tai proporciniai valdikliai (P-valdikliai), tinkantys reguliuoti įvairiausius technologinius procesus.
Automatinėse valdymo sistemose su P reguliatoriais reguliavimo korpuso padėtis (y) yra tiesiogiai proporcinga valdomo parametro (x) reikšmei:
y = k1x,
kur k1 yra proporcingumo koeficientas (valdiklio stiprinimas).
Šis proporcingumas vyksta tol, kol reguliatorius pasiekia savo galines padėtis (galinius jungiklius).
Reguliuojamojo korpuso judėjimo greitis yra tiesiogiai proporcingas valdomo parametro kitimo greičiui.
Fig.4 parodyta automatinio kambario temperatūros reguliavimo sistemos, naudojant proporcingą valdiklį, schema. Kambario temperatūra matuojama RTD varžos termometru, prijungtu prie tilto matavimo grandinės 1.
Ryžiai. 4. Proporcinio oro temperatūros reguliavimo schema: 1 — matavimo tiltelis, 2 — valdymo objektas, 3 — šilumokaitis, 4 — kondensatorinis variklis, 5 — fazinis stiprintuvas.
Tam tikroje temperatūroje tiltas yra subalansuotas. Kai kontroliuojama temperatūra nukrypsta nuo nustatytos vertės, tilto įstrižainėje atsiranda disbalanso įtampa, kurios dydis ir ženklas priklauso nuo temperatūros nuokrypio dydžio ir ženklo. Šią įtampą sustiprina fazei jautrus stiprintuvas 5, kurio išėjime įjungiama pavaros dvifazio kondensatoriaus variklio 4 apvija.
Pavaros mechanizmas judina reguliavimo korpusą, keisdamas aušinimo skysčio srautą šilumokaityje 3. Kartu su reguliavimo korpuso judėjimu keičiasi vienos iš matavimo tiltelio pečių varža, dėl ko temperatūra, kurioje tiltas subalansuotas.
Taigi, dėl standaus grįžtamojo ryšio, kiekviena reguliavimo korpuso padėtis atitinka savo kontroliuojamos temperatūros pusiausvyros vertę.
Proporciniam (statiniam) valdikliui būdingas liekamojo reguliavimo netolygumas.
Esant staigiam apkrovos nukrypimui nuo nustatytos vertės (momentu t1), valdomas parametras po tam tikro laiko (momento t2) pasieks naują stabilią reikšmę (4 pav.).Tačiau tai įmanoma tik su nauja reguliavimo korpuso padėtimi, ty su nauja valdomo parametro verte, kuri nuo iš anksto nustatytos vertės skiriasi δ.
Ryžiai. 5. Proporcinio valdymo laiko charakteristikos
Proporcinių valdiklių trūkumas yra tas, kad kiekvieną parametro reikšmę atitinka tik viena konkreti valdymo elemento padėtis. Norint išlaikyti nustatytą parametro vertę (temperatūrą), kai kinta apkrova (šilumos suvartojimas), reguliavimo institucija turi užimti kitą padėtį, atitinkančią naują apkrovos vertę. Proporciniame valdiklyje tai neįvyksta, todėl valdomo parametro liekamasis nuokrypis.
Integral (astatiniai valdikliai)
Integraliniais (astatiniais) vadinami tokie reguliatoriai, kuriuose, kai parametras nukrypsta nuo nustatytos vertės, reguliuojantis korpusas vis lėčiau ar lėčiau juda viena kryptimi (darbo eigos ribose), kol parametras vėl įgauna nustatytą vertę. Reguliavimo elemento judėjimo kryptis keičiasi tik tada, kai parametras viršija nustatytą vertę.
Integruotuose elektrinio veikimo valdikliuose dažniausiai sukuriama dirbtinė negyvoji zona, kurioje parametro pasikeitimas nesukelia reguliavimo korpuso judesių.
Reguliavimo korpuso judėjimo greitis integruotame valdiklyje gali būti pastovus ir kintamas. Būdingas integruoto valdiklio bruožas yra proporcingo ryšio tarp valdomo parametro pastovios būsenos verčių ir reguliavimo korpuso padėties nebuvimas.
Fig.6 pavaizduota automatinės temperatūros reguliavimo sistemos, naudojant integruotą reguliatorių, schema Skirtingai nuo proporcinės temperatūros reguliavimo grandinės (žr. 4 pav.), ji neturi standžios grįžtamojo ryšio kilpos.
Ryžiai. 6. Integruoto oro temperatūros valdymo schema
Integruotame valdiklyje reguliavimo korpuso greitis yra tiesiogiai proporcingas valdomo parametro nuokrypio vertei.
Integruoto temperatūros valdymo procesas su staigiu apkrovos pasikeitimu (šilumos suvartojimu) parodytas fig. 7 naudojant laiko charakteristikas. Kaip matote iš grafiko, valdomas parametras su integruotu valdymu lėtai grįžta į nustatytą vertę.
Ryžiai. 7. Integralinio reguliavimo laiko charakteristikos
Izodrominiai (proporciniai-integraliniai) valdikliai
Ezodrominis valdymas turi ir proporcinio, ir integralinio valdymo savybių. Reguliuojamojo kūno judėjimo greitis priklauso nuo valdomo parametro nuokrypio dydžio ir greičio.
Kai valdomas parametras nukrypsta nuo nustatytos vertės, reguliavimas atliekamas taip. Iš pradžių reguliavimo korpusas juda priklausomai nuo valdomo parametro nuokrypio dydžio, tai yra, vykdomas proporcingas valdymas. Tada reguliatorius atlieka papildomą judesį, kuris yra būtinas likusiems nelygumams pašalinti (integralus reguliavimas).
Izodrominę oro temperatūros reguliavimo sistemą (8 pav.) galima gauti pakeitus standųjį grįžtamąjį ryšį proporcingoje valdymo grandinėje (žr.5) su elastiniu grįžtamuoju ryšiu (nuo reguliavimo korpuso iki variklio grįžtamojo ryšio pasipriešinimui). Elektrinis grįžtamasis ryšys izodrominėje sistemoje užtikrinamas potenciometru ir į valdymo sistemą tiekiamas per kilpą, kurioje yra varža R ir talpa C.
Pereinamųjų procesų metu grįžtamasis signalas kartu su parametrų nuokrypio signalu veikia tolesnius sistemos elementus (stiprintuvą, elektros variklį). Esant stacionariam reguliavimo korpusui, kad ir kokioje padėtyje jis būtų, įkraunant kondensatorių C grįžtamasis signalas silpnėja (stacionarioje būsenoje lygus nuliui).
Ryžiai. 8. Oro temperatūros izodrominio reguliavimo schema
Izodrominiam reguliavimui būdinga, kad reguliavimo netolygumas (santykinė paklaida) mažėja laikui bėgant, artėjant prie nulio. Tokiu atveju grįžtamasis ryšys nesukels kontroliuojamos vertės liekamųjų nuokrypių.
Taigi izodrominis valdymas duoda žymiai geresnius rezultatus nei proporcinis ar integralus (jau nekalbant apie padėties valdymą). Proporcingas valdymas dėl standaus grįžtamojo ryšio vyksta beveik akimirksniu, izodrominis - lėčiau.
Programinė įranga automatiniam temperatūros reguliavimui
Norint įgyvendinti užprogramuotą valdymą, būtina nuolat daryti įtaką reguliatoriaus nustatymui (nustatyminei vertei), kad valdoma vertė keistųsi pagal iš anksto nustatytą dėsnį. Šiuo tikslu reguliavimo reguliatoriuje yra programinės įrangos elementas. Šis prietaisas skirtas nustatyti nustatytos vertės kitimo dėsnį.
Elektrinio šildymo metu automatinės valdymo sistemos pavara gali įjungti arba išjungti elektrinių kaitinimo elementų dalis, taip pakeisdama šildomo įrenginio temperatūrą pagal nurodytą programą. Programinė oro temperatūros ir drėgmės kontrolė plačiai taikoma dirbtinio klimato įrenginiuose.