Automaatsed temperatuuri reguleerimise süsteemid

Reguleerimispõhimõtte kohaselt on kõik automaatjuhtimissüsteemid jagatud nelja klassi.

1. Automaatne stabiliseerimissüsteem — süsteem, milles regulaator hoiab kontrollitava parameetri konstantset seadeväärtust.

2. Programmeeritud juhtimissüsteem — süsteem, mis tagab juhitava parameetri muutuse vastavalt etteantud seadusele (ajaliselt).

3. Jälgimissüsteem — süsteem, mis tagab juhitava parameetri muutuse sõltuvalt mõnest muust väärtusest.

4. Ekstreemregulatsiooni süsteem — süsteem, milles regulaator säilitab muutuvate tingimuste jaoks optimaalse juhitava muutuja väärtuse.

Elektriküttepaigaldiste temperatuurirežiimi reguleerimiseks kasutatakse peamiselt kahe esimese klassi süsteeme.

Automaatsed temperatuuri reguleerimise süsteemid võib nende töötüübi järgi jagada kahte rühma: perioodiline ja pidev reguleerimine.

Automaatsed regulaatorid automaatsed juhtimissüsteemid (ACS) funktsionaalsete tunnuste järgi jagunevad nad viide tüüpi: positsioonilised (relee), proportsionaalsed (staatilised), integraalsed (astaatilised), isodroomsed (proportsionaal-integraal), isodroomsed avansiga ja esimese tuletisega.

Positsioneerijad kuuluvad perioodilisse ACS-i ja muud tüüpi regulaatoreid nimetatakse pidevaks ACS-iks. Allpool käsitleme automaatsetes temperatuurijuhtimissüsteemides kõige sagedamini kasutatavate positsiooniliste, proportsionaalsete, integraalsete ja isodroomsete kontrollerite põhiomadusi.

Temperatuuri automaatse reguleerimise funktsionaalne diagramm (joonis 1) koosneb juhtobjektist 1, temperatuuriandurist 2, programmseadmest või temperatuuriregulaatorist 4, regulaatorist 5 ja täiturmehhanismist 8. Paljudel juhtudel on paigutatud primaarvõimendi 3 anduri ja programmiseadme vahel ning regulaatori ja ajammehhanismi vahel — sekundaarvõimendi 6. Lisaandurit 7 kasutatakse isodroomsetes juhtimissüsteemides.

Riis. 1. Temperatuuri automaatse reguleerimise funktsionaalne skeem

Termopaarid, termopaarid (termistorid) ja takistustermomeetrid... Kõige sagedamini kasutatavad termopaarid. Lisateavet nende kohta leiate siit: Termoelektrilised muundurid (termopaarid)

Positsioonilised (relee) temperatuuri regulaatorid

Positsiooniline viitab sellistele regulaatoritele, kus regulaator võib hõivata kaks või kolm kindlat positsiooni. Elektriküttepaigaldistes kasutatakse kahe- ja kolmepositsioonilisi regulaatoreid. Nende kasutamine on lihtne ja usaldusväärne.

Joonisel fig. 2 on skemaatiline diagramm õhutemperatuuri sisse- ja väljalülitamiseks.

Riis. 2.Õhutemperatuuri reguleerimise skemaatiline diagramm sisse- ja väljalülitamisel: 1 — juhtobjekt, 2 — mõõtesild, 3 — polariseeritud relee, 4 — elektrimootori ergutusmähised, 5 — mootori armatuur, 6 — käigukast, 7 — küttekeha .

Temperatuuri reguleerimiseks reguleeritavas objektis kasutatakse takistust RT, mis on ühendatud mõõtesilla 2 ühe haruga. Silla takistuste väärtused valitakse nii, et antud temperatuuril on sild tasakaalustatud, see tähendab, et pinge silla diagonaalis on võrdne nulliga. Temperatuuri tõustes lülitab mõõtesilla diagonaalis olev polariseeritud relee 3 sisse alalisvoolumootori ühe mähist 4, mis reduktori 6 abil sulgeb küttekeha ees oleva õhuklapi. 7. Kui temperatuur langeb, avaneb õhuklapp täielikult.

Kaheasendilise temperatuuriregulatsiooniga saab tarnitava soojuse koguse seada ainult kahele tasemele — maksimumile ja miinimumile. Maksimaalne soojushulk peaks olema suurem kui vajalik seatud kontrollitud temperatuuri hoidmiseks ja minimaalne peaks olema väiksem. Sellisel juhul kõigub õhutemperatuur seatud väärtuse ümber, see tähendab nn isevõnkuv režiim (joonis 3, a).

Temperatuurijooned τn ja τв määravad surnud tsooni alumise ja ülemise piiri. Kui kontrollitava objekti temperatuur langeb, saavutab väärtuse τ, suureneb tarnitud soojuse hulk koheselt ja objekti temperatuur hakkab tõusma. Jõudes tunde τв, vähendab regulaator soojusvarustust ja temperatuur langeb.

Riis. 3.Sisse-välja regulaatori ajakarakteristikud (a) ja sisse-välja regulaatori staatilised karakteristikud (b).

Temperatuuri tõusu ja languse kiirus sõltub kontrollitava objekti omadustest ja selle ajakarakteristikust (kiirenduskõver). Temperatuurikõikumised ei ületa surnud tsooni, kui soojusvarustuse muutused põhjustavad kohe temperatuuri muutusi, st kui kontrollitava objekti viivitus puudub.

Kui surnud tsoon väheneb, väheneb temperatuurikõikumiste amplituud nullini, kui τn = τv. See aga eeldab soojusvarustuse vaheldumist lõpmatult kõrgel sagedusel, mida on praktikas äärmiselt raske rakendada. Kõigi reaalsete juhtimisobjektide puhul on viivitus. Reguleerimisprotsess nendes toimub järgmiselt.

Kui juhtobjekti temperatuur langeb väärtuseni τ, muutub toiteallikas koheselt, kuid viivituse tõttu jätkab temperatuuri langust mõnda aega. Seejärel tõuseb see väärtuseni τв, mille juures soojussisend koheselt väheneb. Temperatuur tõuseb veel mõnda aega, seejärel vähenenud soojussisendi tõttu temperatuur langeb ja protsess kordub uuesti.

Joonisel fig. 3, b näitab kahepositsioonilise kontrolleri staatilist karakteristikku... Sellest järeldub, et reguleeriv mõju objektile võib võtta ainult kaks väärtust: maksimaalne ja minimaalne. Vaadeldavas näites vastab maksimum asendile, kus õhuklapp (vt joonis 2) on täielikult avatud, miinimum - kui klapp on suletud.

Reguleerimistoimingu märgi määrab kontrollitava väärtuse (temperatuuri) kõrvalekalde märk selle seatud väärtusest. Regulatiivse mõju määr on konstantne. Kõikidel sisse/välja kontrolleritel on hüstereesiala α, mis tekib elektromagnetrelee vastuvõtu- ja väljalülitusvoolude erinevuse tõttu.

Näide kahepunktilise temperatuuri reguleerimise kasutamisest: Automaatne temperatuuri reguleerimine küttetakistusega ahjudes

Proportsionaalsed (staatilised) temperatuuri regulaatorid

Juhtudel, kui on vaja suurt juhtimistäpsust või kui isevõnkuv protsess on vastuvõetamatu, kasutage pideva reguleerimisprotsessiga regulaatoreid... Nende hulka kuuluvad proportsionaalsed regulaatorid (P-kontrollerid), mis sobivad väga erinevate tehnoloogiliste protsesside reguleerimiseks.

Juhtudel, kui on vaja suurt reguleerimise täpsust või kui isevõnkuv protsess on vastuvõetamatu, kasutatakse pideva reguleerimisprotsessiga regulaatoreid. Nende hulka kuuluvad proportsionaalsed kontrollerid (P-kontrollerid), mis sobivad väga erinevate tehnoloogiliste protsesside reguleerimiseks.

P-regulaatoritega automaatjuhtimissüsteemides on reguleeriva keha asend (y) otseselt võrdeline juhitava parameetri (x) väärtusega:

y = k1x,

kus k1 on proportsionaalsustegur (kontrolleri võimendus).

See proportsionaalsus toimub seni, kuni regulaator jõuab oma lõppasenditesse (piirlülitid).

Reguleeriva keha liikumiskiirus on otseselt võrdeline kontrollitava parameetri muutumise kiirusega.

Joonisel fig.4 on kujutatud proportsionaalset regulaatorit kasutava toatemperatuuri automaatse reguleerimise süsteemi skemaatiline diagramm. Ruumi temperatuuri mõõdetakse RTD takistustermomeetriga, mis on ühendatud silla mõõteahelaga 1.

Riis. 4. Proportsionaalse õhutemperatuuri reguleerimise skeem: 1 — mõõtesild, 2 — juhtobjekt, 3 — soojusvaheti, 4 — kondensaatormootor, 5 — faasitundlik võimendi.

Antud temperatuuril on sild tasakaalus. Kui juhitav temperatuur kaldub seatud väärtusest kõrvale, tekib silla diagonaalis disbalansspinge, mille suurus ja märk sõltuvad temperatuurihälbe suurusest ja märgist. Seda pinget võimendab faasitundlik võimendi 5, mille väljundis lülitatakse sisse ajami kahefaasilise kondensaatormootori 4 mähis.

Ajamimehhanism liigutab reguleerivat korpust, muutes jahutusvedeliku voolu soojusvahetis 3. Samaaegselt reguleeriva korpuse liikumisega muutub mõõtesilla ühe haru takistus, mille tulemusena muutub temperatuur sild on tasakaalus.

Seega, tänu jäigale tagasisidele vastab reguleeriva keha iga asend tema enda kontrollitava temperatuuri tasakaaluväärtusele.

Proportsionaalset (staatilist) regulaatorit iseloomustab jääkregulatsiooni ebaühtlus.

Koormuse järsu kõrvalekalde korral seatud väärtusest (hetkel t1) saavutab kontrollitav parameeter teatud aja möödudes (hetk t2) uue stabiilse väärtuse (joonis 4).Kuid see on võimalik ainult reguleeriva keha uue asendiga, see tähendab kontrollitava parameetri uue väärtusega, mis erineb eelseadistatud väärtusest δ võrra.

Riis. 5. Proportsionaalse juhtimise ajastusomadused

Proportsionaalsete regulaatorite puuduseks on see, et igale parameetri väärtusele vastab ainult üks konkreetne juhtelemendi asukoht. Parameetri (temperatuuri) seatud väärtuse säilitamiseks koormuse (soojuse tarbimise) muutumisel on vaja, et reguleeriv asutus võtaks uuele koormuse väärtusele vastava erineva asendi. Proportsionaalses kontrolleris seda ei juhtu, mille tulemuseks on juhitava parameetri jääkhälve.

Integraalne (astaatilised kontrollerid)

Integraalseteks (astaatilisteks) nimetatakse selliseid regulaatoriid, mille puhul parameetri seatud väärtusest kõrvalekaldumisel liigub reguleeriv keha rohkem või aeglasemalt ja kogu aeg ühes suunas (töökäigu piires), kuni parameeter võtab uuesti seatud väärtuse . Reguleerimiselemendi liikumissuund muutub ainult siis, kui parameeter ületab seatud väärtuse.

Integraalsetes elektrilistes tegevuskontrollerites luuakse tavaliselt kunstlik surnud tsoon, mille piires parameetri muutus ei põhjusta reguleeriva keha liigutusi.

Reguleerimiskeha liikumiskiirus integreeritud kontrolleris võib olla konstantne ja muutuv. Integreeritud kontrolleri iseloomulik tunnus on proportsionaalse suhte puudumine kontrollitava parameetri püsiseisundi väärtuste ja reguleeriva keha asendi vahel.

Joonisel fig.6 on kujutatud integreeritud kontrollerit kasutava automaatse temperatuuri reguleerimise süsteemi skemaatiline diagramm.Erinevalt proportsionaalsest temperatuuri reguleerimise ahelast (vt joonis 4) puudub sellel jäik tagasisideahel.

Riis. 6. Integreeritud õhutemperatuuri reguleerimise skeem

Integreeritud kontrolleris on reguleeriva keha kiirus otseselt võrdeline juhitava parameetri hälbe väärtusega.

Integreeritud temperatuuri reguleerimise protsess koos koormuse (soojusetarbimise) järsu muutumisega on näidatud joonisel fig. 7 ajalisi tunnuseid kasutades. Nagu graafikult näha, naaseb integreeritud juhtimisega juhitav parameeter aeglaselt seatud väärtusele.

Riis. 7. Integraalregulatsiooni ajakarakteristikud

Isodroomsed (proportsionaalsed-integraalsed) kontrollerid

Esodroomil on nii proportsionaalse kui ka integraalse juhtimise omadused. Reguleeriva keha liikumiskiirus sõltub kontrollitava parameetri hälbe suurusest ja kiirusest.

Kui juhitav parameeter kaldub seatud väärtusest kõrvale, tehakse reguleerimine järgmiselt. Algselt liigub reguleeriv keha sõltuvalt kontrollitava parameetri hälbe suurusest, see tähendab, et toimub proportsionaalne juhtimine. Seejärel teeb regulaator lisaliigutuse, mis on vajalik jääk ebatasasuste eemaldamiseks (tervikregulatsioon).

Isodroomse õhutemperatuuri reguleerimissüsteemi (joonis 8) on võimalik saada, kui asendada proportsionaalses juhtimisahelas jäik tagasiside (vt joon.5) elastse tagasisidega (reguleerimiskorpust mootorini tagasisidetakistuseks). Isodroomse süsteemi elektrilist tagasisidet annab potentsiomeeter ja see juhitakse juhtsüsteemi läbi takistuse R ja mahtuvust C sisaldava ahela.

Transientide ajal mõjutab tagasiside signaal koos parameetrite kõrvalekalde signaaliga süsteemi järgnevaid elemente (võimendi, elektrimootor). Statsionaarse reguleeriva korpusega, olenemata sellest, mis asendis see on, kui kondensaator C on laetud, siis tagasiside signaal vaibub (statsionaarses olekus võrdub see nulliga).

Riis. 8. Õhutemperatuuri isodroomse reguleerimise skeem

Isodroomsele regulatsioonile on iseloomulik, et regulatsiooni ebaühtlus (suhteline viga) väheneb aja suurenedes, lähenedes nullile. Sellisel juhul ei põhjusta tagasiside kontrollitava väärtuse jääkhälbeid.

Seega annab isodroomne juhtimine oluliselt paremaid tulemusi kui proportsionaalne või integraalne (rääkimata positsioonijuhtimisest). Proportsionaalne juhtimine jäiga tagasiside olemasolu tõttu toimub peaaegu kohe, isodroomne - aeglasemalt.

Tarkvarasüsteemid automaatseks temperatuuri reguleerimiseks

Programmeeritud juhtimise rakendamiseks on vaja pidevalt mõjutada regulaatori seadistust (seadepunkti), et juhitav väärtus muutuks vastavalt etteantud seadusele. Sel eesmärgil on reguleeriv regulaator varustatud tarkvaraelemendiga. See seade on ette nähtud seatud väärtuse muutumise seaduse kehtestamiseks.

Elektrikütte ajal võib automaatjuhtimissüsteemi täiturmehhanism lülitada sisse või välja elektrikütteelementide sektsioone, muutes seeläbi kütteseadme temperatuuri vastavalt etteantud programmile. Õhutemperatuuri ja -niiskuse programmeeritud reguleerimist kasutatakse laialdaselt tehiskliimaseadmetes.