Системи автоматичного регулювання температури
1. Система автоматичної стабілізації - система, в якій регулятор підтримує постійним задане значення регульованого параметра.
2. Система програмного регулювання - система, що забезпечує зміна регульованого параметра по заздалегідь заданому закону (в часі).
3. Стежить система - система, що забезпечує зміна регульованого параметра в залежності від будь-якої іншої величини.
4. Система екстремального регулювання - система, в якій регулятор підтримує оптимальне для зміни умов значення регульованої величини.
Для регулювання температурного режиму електронагрівальних установок застосовуються в основному системи двох перших класів.
Системи автоматичного регулювання температури по роду дії можна розділити на дві групи: переривчастого і безперервного регулювання.
Автоматичні регулятори систем автоматичного регулювання (САР) за функціональними особливостями розділені на п'ять типів: позиційні (релейні), пропорційні (статичні), інтегральні (астатические), ізодромного (пропорційно-інтегральні), ізодромного з попереджанням і з першої похідної.
Позиційні регулятори відносяться до переривчастим САР, а інші типи регуляторів - до САР безперервної дії. Нижче розглянуті основні особливості позиційних, пропорційних, інтегральних та ізодромного регуляторів, що мають найбільше застосування в системах автоматичного регулювання температури.
Функціональна схема автоматичного регулювання температури (рис. 1) складається з об'єкта регулювання 1, датчика температури 2, програмного пристрою або задатчика рівня температури 4, регулятора 5 і виконавчого пристрою 8. У багатьох випадках між датчиком і програмним пристроєм ставиться первинний підсилювач 3, а між регулятором і виконавчим пристроєм - вторинний підсилювач 6. Додатковий датчик 7 застосовується в ізодромного системах регулювання.
Мал. 1. Функціональна схема автоматичного регулювання температури
Як датчики температури застосовуються термопари, термоопору (термістори) і термометри сопротівленія.Наіболее часто використовуються термопари. Більш докладно про них дивіться тут: Термоелектричні перетворювачі (термопари)
Позиційні (релейні) регулятори температури
Позиційними називають такі регулятори, у яких регулюючий орган може займати два або три певних положення. В електронагрівальних установках застосовуються двох- і трипозиційні регулятори. Вони прості і надійні в експлуатації.
На рис. 2 показана принципова схема двохпозиційного регулювання температури повітря.
Мал. 2. Принципова схема двохпозиційного регулювання температури повітря: 1 - об'єкт регулювання, 2 - вимірювальний міст, 3 - поляризоване реле, 4 - обмотки збудження електродвигуна, 5 - якір електродвигуна, 6 - редуктор, 7 - калоріф.
Для контролю температури в об'єкті регулювання служить термоопір ТЗ, включене в одне з плечей вимірювального моста 2. Величини опорів моста підбираються таким чином, щоб при заданій температурі міст був урівноважений, тобто напруга в діагоналі моста дорівнювало нулю. При підвищенні температури поляризоване реле 3, включене в діагональ вимірювального моста, включає одну з обмоток 4 електродвигуна постійного струму, який за допомогою редуктора 6 закриває повітряний клапан перед калорифером 7. При зниженні температури повітряний клапан повністю відкривається.
При двопозиційний регулювання температури кількість тепла, що подається може встановлюватися тільки на двох рівнях - максимальному і мінімальному. Максимальна кількість тепла повинно бути більше необхідного для підтримки заданої регульованою температури, а мінімальне - менше. У цьому випадку температура повітря коливається близько заданого значення, тобто встановлюється так званий автоколебательний режим (рис. 3, а).
Лінії, відповідні температур # 964; н і # 964; в, визначають нижню і верхню межі зони нечутливості. Коли температура регульованого об'єкта, зменшуючись, досягає значення # 964; н кількість тепла, що подається миттєво збільшується і температура об'єкта починає зростати. досягнувши значення # 964; в, регулятор зменшує подачу тепла, і температура знижується.
Мал. 3. Тимчасова характеристика двохпозиційного регулювання (а) і статична характеристика двохпозиційного регулятора (б).
Швидкість підвищення і зниження температури залежить від властивостей об'єкта регулювання та від його тимчасової характеристики (кривій розгону). Коливання температури не виходять за межі зони нечутливості, якщо зміни подачі тепла відразу викликають зміни температури, тобто якщо відсутня запізнювання регульованого об'єкта.
Зі зменшенням зони нечутливості амплітуда коливань температури зменшується аж до нуля при # 964; н = # 964; в. Однак для цього потрібно, щоб подача тепла змінювалася з нескінченно великою частотою, що практично здійснити надзвичайно важко. У всіх реальних об'єктах регулювання є запізнювання. Процес регулювання в них протікає приблизно так.
При зниженні температури об'єкта регулювання до значення # 964; н миттєво змінюється подача тепла, проте через запізнювання температура деякий час продовжує знижуватися. Потім вона підвищується до значення # 964; в, при якому миттєво зменшується подача тепла. Температура продовжує ще деякий час підвищуватися, потім через зменшеної подачі тепла температура знижується, і процес повторюється знову.
На рис. 3, б приведена статична характеристика двохпозиційного регулятора. З неї випливає, що регулює вплив на об'єкт може приймати тільки два значення: максимальне і мінімальне. У розглянутому прикладі максимум відповідає положенню, при якому повітряний клапан (див. Рис. 2) повністю відкритий, мінімум - при закритому клапані.
Знак регулюючого впливу визначається знаком відхилення регульованої величини (температури) від її заданого значення. Величина регулюючого впливу постійна. Все двохпозиційні регулятори мають гистерезисной зоною # 945 ;. яка виникає через різницю струмів спрацьовування і відпускання електромагнітного реле.
Пропорційні (статичні) регулятори температури
У тих випадках, коли необхідна висока точність регулювання або коли неприпустимий автоколебательний процес, застосовують регулятори з безперервним процесом регулювання. До них відносяться пропорційні регулятори (П-регулятори). придатні для регулювання найрізноманітніших технологічних процесів.
У тих випадках, коли необхідна висока точність регулювання або коли неприпустимий автоколебательний процес, застосовують регулятори з безперервним процесом регулювання. До них відносяться пропорційні регулятори (П-регулятори), придатні для регулювання найрізноманітніших технологічних процесів.
У системах автоматичного регулювання з П-регуляторами положення регулюючого органу (у) прямо пропорційно значенню регульованого параметра (х):
де k1 - коефіцієнт пропорційності (коефіцієнт посилення регулятора).
Ця пропорційність має місце, поки регулюючий орган не досягне своїх крайніх положень (кінцевих вимикачів).
Швидкість переміщення регулюючого органу прямо пропорційна швидкості зміни регульованого параметра.
На рис. 4 показана принципова схема системи автоматичного регулювання температури повітря в приміщенні за допомогою пропорційного регулятора. Температура в приміщенні вимірюється термометром опору ТС, включеним в схему вимірювального моста 1.
Мал. 4. Схема пропорційного регулювання температури повітря: 1 - вимірювальний міст, 2 - об'єкт регулювання, 3 - теплообмінник, 4 - конденсаторний двигун, 5 - фазочувствительного підсилювач.
При заданій температурі міст урівноважений. При відхиленні регульованої температури від заданого значення в діагоналі моста виникає напруга розбалансу, величина і знак якого залежать від величини і знака відхилення температури. Ця напруга посилюється фазочувствительного підсилювачем 5, на виході якого включена обмотка двухфазного конденсаторного двигуна 4 виконавчого механізму.
Виконавчий механізм переміщає регулюючий орган, змінюючи надходження теплоносія в теплообмінник 3. Одночасно з переміщенням регулюючого органу відбувається зміна опору одного з плечей вимірювального моста, в результаті цього змінюється температура, при якій врівноважується міст.
Таким чином, кожному положенню регулюючого органу через жорстку зворотного зв'язку відповідає своє рівноважне значення регульованої температури.
Для пропорційного (статичного) регулятора характерна залишкова нерівномірність регулювання.
У разі стрибкоподібного відхилення навантаження від заданого значення (в момент t1) регульований параметр прийде після закінчення деякого відрізка часу (момент t2) до нового сталого значення (рис. 4). Однак це можливо тільки при новому положенні регулюючого органу, тобто при новому значенні регульованого параметра, що відрізняється від заданого на величину # 948 ;.
Мал. 5. Тимчасові характеристики пропорційного регулювання
Недолік пропорційних регуляторів полягає в тому, що кожному значенню параметра відповідає тільки одне певне положення регулюючого органу. Для підтримки заданого значення параметра (температури) при зміні навантаження (витрати тепла) необхідно, щоб регулюючий орган зайняв інше положення, відповідне новому значенню навантаження. У пропорційному регуляторі цього не відбувається, внаслідок чого виникає залишкове відхилення регульованого параметра.
Інтегральні (астатические регулятори)
Інтегральними (астатичними) називаються такі регулятори, в яких при відхиленні параметра від заданого значення регулюючий орган переміщується більш-менш повільно і весь час в одному напрямку (в межах робочого ходу) до тих пір, поки параметр знову не прийме заданого значення. Напрямок ходу регулюючого органу змінюється лише тоді, коли параметр переходить через задане значення.
В інтегральних регуляторах електричного дії зазвичай штучно створюється зона нечутливості, в межах якої зміна параметра не викликає переміщень регулюючого органу.
Швидкість переміщення регулюючого органу в інтегральному регуляторі може бути постійної і змінної. Особливістю інтегрального регулятора є відсутність пропорційної зв'язку між усталеними значеннями регульованого параметра і положенням регулюючого органу.
На рис. 6 приведена принципова схема системи автоматичного регулювання температури за допомогою інтегрального регулятора. У ній на відміну від схеми пропорційного регулювання температури (див. Рис. 4) немає жорсткої зворотного зв'язку.
Мал. 6. Схема інтегрального регулювання температури повітря
В інтегральному регуляторі швидкість регулюючого органу прямо пропорційна величині відхилення регульованого параметра.
Процес інтегрального регулювання температури при стрибкоподібному зміні навантаження (витрати тепла) відображено на рис. 7 за допомогою тимчасових характеристик. Як видно з графіка, регульований параметр при інтегральному регулюванні повільно повертається до заданого значення.
Мал. 7. Тимчасові характеристики інтегрального регулювання
Ізодромного (пропорційно-інтегральні) регулятори
Ізодромного регулювання має властивості як пропорційного, так і інтегрального регулювання. Швидкість переміщення регулюючого органу залежить від величини і швидкості відхилення регульованого параметра.
При відхиленні регульованого параметра від заданого значення регулювання здійснюється наступним чином. Спочатку регулюючий орган переміщується в залежності від величини відхилення регульованого параметра, тобто має місце пропорційне регулювання. Потім регулюючий орган здійснює додаткове переміщення, яке необхідно для усунення залишкової нерівномірності (інтегральне регулювання).
Ізодромного систему регулювання температури повітря (рис. 8) можна отримати заміною жорсткої зворотного зв'язку в схемі пропорційного регулювання (див. Рис. 5) пружною зворотним зв'язком (від регулюючого органу до движку опору зворотного зв'язку). Електрична зворотний зв'язок в ізодромною системі здійснюється потенціометром і вводиться в систему регулювання через контур, що містить опір R і ємність С.
Протягом перехідних процесів сигнал зворотного зв'язку разом з сигналом відхилення параметра впливає на наступні елементи системи (підсилювач, електродвигун). При нерухомому регулюючому органі, в якому б положенні він не знаходився, в міру заряду конденсатора С сигнал зворотного зв'язку загасає (в усталеному режимі он дорівнює нулю).
Мал. 8. Схема ізодромного регулювання температури повітря
Для ізодромного регулювання характерно, що нерівномірність регулювання (відносна помилка) зі збільшенням часу зменшується, наближаючись до нуля. При цьому зворотний зв'язок не буде викликати залишкових відхилень регульованої величини.
Таким чином, ізодромного регулювання призводить до значно кращих результатів, ніж пропорційне або інтегральне (не кажучи вже про позиційному регулюванні). Пропорційний в зв'язку з наявністю жорсткої зворотного зв'язку відбувається практично миттєво, ізодромного - уповільнено.
Програмні системи автоматичного регулювання температури
Для здійснення програмного регулювання необхідно безперервно впливати на настройку (уставку) регулятора так, щоб регульована величина змінювалася по заздалегідь заданому закону. З цією метою вузол настройки регулятора забезпечується програмним елементом. Це пристрій служить для встановлення закону зміни задається величини.
При електронагріванні виконавчий механізм САР може впливати на включення або відключення секцій електронагрівальних елементів, змінюючи тим самим температуру нагрівається установки відповідно до заданої програми. Програмне регулювання температури і вологості повітря широко застосовується в установках штучного клімату.