Automatikus hőmérséklet-szabályozó rendszerek

A szabályozási elv szerint minden automatikus vezérlőrendszer négy osztályba sorolható.

1. Automatikus stabilizáló rendszer — olyan rendszer, amelyben a szabályozó a szabályozott paraméter állandó beállított értékét tartja fenn.

2. Programozott vezérlőrendszer — olyan rendszer, amely előre meghatározott törvény szerint (időben) megváltoztatja a vezérelt paramétert.

3. Nyomon követési rendszer — olyan rendszer, amely a szabályozott paraméterben valamilyen más érték függvényében változtatást biztosít.

4. Extrém szabályozási rendszer — olyan rendszer, amelyben a szabályozó fenntartja a szabályozott változónak a változó körülményekhez optimális értékét.

Az elektromos fűtési rendszerek hőmérsékleti rendszerének szabályozására elsősorban az első két osztályba tartozó rendszereket használják.

Az automatikus hőmérsékletszabályozó rendszerek működési típusuk szerint két csoportra oszthatók: időszakos és folyamatos szabályozásra.

Automatikus szabályozók automatikus vezérlőrendszerek (ACS) funkcionális jellemzőik szerint öt típusra oszthatók: pozicionális (relé), arányos (statikus), integrál (asztatikus), izodróm (arányos-integrál), izodromikus előleggel és első deriválttal.

A pozícionálók a periodikus ACS-hez tartoznak, a más típusú szabályozókat pedig folyamatos ACS-nek nevezik. Az alábbiakban megvizsgáljuk az automatikus hőmérséklet-szabályozó rendszerekben leggyakrabban használt pozicionális, arányos, integrált és izodróm szabályozók főbb jellemzőit.

Az automatikus hőmérsékletszabályozás funkcionális diagramja (1. ábra) egy 1 vezérlőobjektumból, egy 2 hőmérséklet-érzékelőből, egy 4 programeszközből vagy hőmérséklet-szabályozóból, egy 5 szabályozóból és egy 8 működtetőből áll. Sok esetben egy 3 primer erősítőt helyeznek el. az érzékelő és a programeszköz között, valamint a szabályozó és a meghajtó mechanizmus között – egy 6. másodlagos erősítő. Az izodrómikus vezérlőrendszerekben egy további 7 érzékelőt használnak.

Rizs. 1. Az automatikus hőmérsékletszabályozás funkcionális sémája

Hőelemek, hőelemek (termisztorok) ill ellenállás hőmérők... A leggyakrabban használt hőelemek. További részletek róluk itt: Hőelektromos átalakítók (hőelemek)

Pozíciós (relé) hőmérséklet-szabályozók

A pozicionálás olyan szabályozókra vonatkozik, ahol a szabályozó két vagy három meghatározott pozíciót foglalhat el. Az elektromos fűtési rendszerekben két- és háromállású szabályozókat használnak. Működésük egyszerű és megbízható.

ábrán. A 2. ábra sematikus diagramot mutat a levegő hőmérsékletének be- és kikapcsolására.

Rizs. 2.Levegőhőmérséklet szabályozás vázlatos rajza be- és kikapcsoláskor: 1 — vezérlőobjektum, 2 — mérőhíd, 3 — polarizált relé, 4 — a villanymotor gerjesztőtekercsei, 5 — motorarmatúra, 6 — hajtómű, 7 — fűtőelem .

A szabályozás tárgyában a hőmérséklet szabályozására az RT ellenállást használjuk, amely a 2 mérőhíd egyik karjához csatlakozik. A híd ellenállásainak értékeit úgy választjuk meg, hogy adott hőmérsékleten a híd kiegyensúlyozott, azaz a híd átlójában a feszültség nulla. A hőmérséklet emelkedésekor a mérőhíd átlójában található 3 polarizált relé bekapcsolja az egyenáramú motor egyik 4 tekercsét, amely a 6 reduktor segítségével lezárja a fűtőelem előtti légszelepet. 7. Amikor a hőmérséklet csökken, a levegőszelep teljesen kinyílik.

A kétállású hőmérséklet-szabályozással a leadott hőmennyiség csak két szintre állítható – maximumra és minimumra. A maximális hőmennyiségnek nagyobbnak kell lennie a beállított szabályozott hőmérséklet fenntartásához szükségesnél, a minimálisnak pedig kevesebbnek kell lennie. Ebben az esetben a levegő hőmérséklete a beállított érték, vagyis az úgynevezett önoszcilláló üzemmód körül ingadozik (3. ábra, a).

A τn és τв hőmérsékletvonalak határozzák meg a holtzóna alsó és felső határát. Amikor a szabályozott tárgy hőmérséklete csökkenőben eléri a τ értéket, a szolgáltatott hő mennyisége azonnal megnő, és a tárgy hőmérséklete emelkedni kezd. A τв érzékelőt elérve a szabályozó csökkenti a hőellátást és a hőmérséklet csökken.

Rizs. 3.A ki-be szabályozó időkarakterisztikája (a) és statikus karakterisztikája a ki-be szabályozóhoz (b).

A hőmérséklet emelkedésének és csökkenésének sebessége a szabályozott objektum tulajdonságaitól és időbeli jellemzőitől (gyorsulási görbétől) függ. A hőmérséklet ingadozása nem haladja meg a holtzónát, ha a hőellátás változása azonnal hőmérsékletváltozást okoz, vagyis ha nincs a szabályozott objektum késése.

A holt zóna csökkenésével a hőmérséklet-ingadozások amplitúdója nullára csökken τn = τv-nél. Ez azonban megköveteli, hogy a hőellátás végtelenül magas frekvencián változzon, amit a gyakorlatban rendkívül nehéz megvalósítani. Az összes valós vezérlőobjektumban késés van. A szabályozási folyamat bennük a következőképpen zajlik.

Amikor a vezérlő objektum hőmérséklete τ értékre csökken, a tápellátás azonnal megváltozik, de a késleltetés miatt a hőmérséklet egy ideig tovább csökken. Ezután a τв értékre emelkedik, amelynél a hőbevitel azonnal csökken. A hőmérséklet egy ideig tovább emelkedik, majd a csökkentett hőbevitel miatt a hőmérséklet leesik és a folyamat újra megismétlődik.

ábrán. A 3. ábra egy kétállású vezérlő statikus karakterisztikáját mutatja... Ebből következik, hogy az objektumra gyakorolt ​​szabályozó hatás csak két értéket vehet fel: maximumot és minimumot. A vizsgált példában a maximum annak a helyzetnek felel meg, ahol a levegőszelep (lásd a 2. ábrát) teljesen nyitva van, a minimum pedig akkor, amikor a szelep zárva van.

A szabályozási művelet előjelét a szabályozott érték (hőmérséklet) a beállított értéktől való eltérésének előjele határozza meg. A szabályozási hatás mértéke állandó. Minden be/ki vezérlőnek van egy α hiszterézis tartománya, amely az elektromágneses relé felvevő és lekapcsoló árama közötti különbség miatt következik be.

Példa a kétpontos hőmérsékletszabályozás használatára: Automatikus hőmérséklet-szabályozás fűtési ellenállású kemencékben

Arányos (statikus) hőmérséklet-szabályozók

Olyan esetekben, amikor nagy szabályozási pontosságra van szükség, vagy ha az önoszcillációs folyamat elfogadhatatlan, használjon folyamatos szabályozási folyamattal rendelkező szabályozókat... Ide tartoznak az arányos szabályozók (P-szabályozók), amelyek sokféle technológiai folyamat szabályozására alkalmasak.

Azokban az esetekben, amikor nagy szabályozási pontosságra van szükség, vagy ha az önoszcilláló folyamat elfogadhatatlan, folyamatos szabályozási folyamattal rendelkező szabályozókat használnak. Ide tartoznak a legkülönfélébb technológiai folyamatok szabályozására alkalmas arányos szabályozók (P-vezérlők).

A P-szabályozós automata vezérlőrendszerekben a szabályozótest (y) helyzete egyenesen arányos a szabályozott paraméter értékével (x):

y = k1x,

ahol k1 az arányossági tényező (vezérlő erősítés).

Ez az arányosság addig áll fenn, amíg a szabályozó el nem éri a végállásait (végálláskapcsolók).

A szabályozó test mozgási sebessége egyenesen arányos a szabályozott paraméter változásának sebességével.

ábrán.A 4. ábra egy arányos szabályozót használó automatikus helyiséghőmérséklet-szabályozó rendszer vázlatos rajzát mutatja. A helyiség hőmérsékletét a híd 1. mérőköréhez csatlakoztatott RTD ellenálláshőmérővel mérjük.

Rizs. 4. Az arányos levegőhőmérséklet szabályozás sémája: 1 — mérőhíd, 2 — vezérlőobjektum, 3 — hőcserélő, 4 — kondenzátormotor, 5 — fázisérzékeny erősítő.

Adott hőmérsékleten a híd kiegyensúlyozott. Amikor a szabályozott hőmérséklet eltér a beállított értéktől, akkor a híd átlójában aszimmetrikus feszültség jelenik meg, melynek nagysága és előjele a hőmérsékleti eltérés nagyságától és előjelétől függ. Ezt a feszültséget egy fázisérzékeny 5 erősítő erősíti, amelynek kimenetén a hajtás kétfázisú kondenzátormotorjának 4 tekercselése be van kapcsolva.

A hajtószerkezet mozgatja a szabályozótestet, megváltoztatva a hűtőfolyadék áramlását a hőcserélőben 3. A szabályozótest mozgásával egyidejűleg a mérőhíd egyik karjának ellenállása megváltozik, aminek következtében a hőmérséklet, a híd kiegyensúlyozott.

Így a merev visszacsatolás miatt a szabályozó test minden pozíciója megfelel a szabályozott hőmérséklet saját egyensúlyi értékének.

Az arányos (statikus) szabályozót a maradék szabályozás egyenetlensége jellemzi.

A terhelés éles eltérése esetén a beállított értéktől (t1 pillanatban), a szabályozott paraméter egy bizonyos idő elteltével (t2 momentum) új stabil értéket ér el (4. ábra).Ez azonban csak a szabályozó test új pozíciójával lehetséges, vagyis a szabályozott paraméter új értékével, amely δ-vel különbözik az előre beállított értéktől.

Rizs. 5. Az arányos szabályozás időzítési jellemzői

Az arányos szabályozók hátránya, hogy minden paraméterértéknek csak egy meghatározott vezérlőelem pozíciója felel meg. A paraméter (hőmérséklet) beállított értékének fenntartásához a terhelés (hőfogyasztás) változásakor szükséges, hogy a szabályozó szervezet az új terhelési értéknek megfelelően más pozíciót vegyen fel. Proporcionális szabályozóban ez nem történik meg, ami a szabályozott paraméter maradék eltérését eredményezi.

Integrált (asztatikus vezérlők)

Integrálnak (asztatikusnak) nevezzük azokat a szabályozókat, amelyeknél a paraméter eltérésekor a beállított értéktől a szabályozótest lassabban és mindvégig egy irányba mozog (a munkalöketen belül), amíg a paraméter ismét felveszi a beállított értéket. A beállító elem mozgási iránya csak akkor változik, ha a paraméter meghaladja a beállított értéket.

Az integrált elektromos működésszabályozókban általában mesterséges holtzónát hoznak létre, amelyen belül egy paraméter változása nem okozza a szabályozó test mozgását.

A szabályozó test mozgási sebessége az integrált vezérlőben állandó és változó lehet. Az integrált vezérlő jellemzője, hogy nincs arányos kapcsolat a szabályozott paraméter állandósult értékei és a szabályozó test helyzete között.

ábrán.A 6. ábra egy beépített szabályozót alkalmazó automatikus hőmérséklet-szabályozó rendszer vázlatos rajza, amely az arányos hőmérséklet-szabályozó áramkörrel ellentétben (lásd 4. ábra) nem rendelkezik merev visszacsatoló hurokkal.

Rizs. 6. Integrált levegőhőmérséklet szabályozás sémája

Egy integrált szabályozóban a szabályozótest fordulatszáma egyenesen arányos a szabályozott paraméter eltérésének értékével.

Az integrált hőmérséklet-szabályozás folyamatát a terhelés (hőfelhasználás) hirtelen változása esetén a ábra mutatja. 7 időbeli jellemzőket használva. A grafikonon látható, hogy a szabályozott paraméter integrált vezérléssel lassan visszaáll a beállított értékre.

Rizs. 7. Az integrálszabályozás időbeli jellemzői

Izodróm (arányos-integrális) vezérlők

Az esodromikus szabályozás az arányos és az integrál szabályozás tulajdonságaival is rendelkezik. A szabályozó test mozgási sebessége a szabályozott paraméter eltérésének nagyságától és sebességétől függ.

Ha a szabályozott paraméter eltér a beállított értéktől, a beállítás a következőképpen történik. Kezdetben a szabályozó test a szabályozott paraméter eltérésének nagyságától függően mozog, azaz arányos szabályozást hajtanak végre. Ezután a szabályozó egy további mozgást végez, amely a maradék egyenetlenségek eltávolításához szükséges (integrált szabályozás).

Izodróm levegőhőmérséklet-szabályozó rendszer (8. ábra) érhető el az arányos szabályozókör merev visszacsatolásának cseréjével (lásd az ábrát).5) rugalmas visszacsatolással (a szabályozótesttől a motorig a visszacsatolási ellenállás érdekében). Az izodróm rendszerben az elektromos visszacsatolást egy potenciométer biztosítja, és egy R ellenállást és C kapacitást tartalmazó hurkon keresztül táplálják be a vezérlőrendszerbe.

A tranziensek során a visszacsatoló jel a paramétereltérés jelével együtt hat a rendszer további elemeire (erősítő, villanymotor). Álló szabályozótestnél, bármilyen helyzetben van is, a C kondenzátor feltöltésekor a visszacsatoló jel lecseng (stacionárius állapotban egyenlő nullával).

Rizs. 8. A levegő hőmérsékletének izodróm szabályozásának sémája

Az izodróm szabályozásra jellemző, hogy a szabályozás egyenetlensége (relatív hiba) az idő növekedésével, a nullához közeledve csökken. Ebben az esetben a visszacsatolás nem okoz maradék eltérést a szabályozott értéktől.

Így az izodróm vezérlés lényegesen jobb eredményeket produkál, mint az arányos vagy az integrál (nem beszélve a helyzetszabályozásról). A merev visszacsatolás jelenléte miatti arányos szabályozás szinte azonnal megtörténik, izodróm - lassabban.

Szoftverrendszerek automatikus hőmérséklet-szabályozáshoz

A programozott szabályozás megvalósításához folyamatosan befolyásolni kell a szabályozó beállítását (alapjelét), hogy a szabályozott érték egy előre meghatározott törvény szerint változzon. Ebből a célból a szabályozó szabályozó szoftverelemmel van felszerelve. Ez az eszköz a beállított érték változásának törvényének megállapítására szolgál.

Az elektromos fűtés során az automata vezérlőrendszer működtetője képes bekapcsolni vagy kikapcsolni az elektromos fűtőelemek szakaszait, ezáltal a fűtött berendezés hőmérsékletét adott programnak megfelelően változtatja. A levegő hőmérsékletének és páratartalmának programozott szabályozását széles körben használják mesterséges klímaberendezésekben.