Automaattiset lämpötilansäätöjärjestelmät

Säätöperiaatteen mukaan kaikki automaattiset ohjausjärjestelmät on jaettu neljään luokkaan.

1. Automaattinen stabilointijärjestelmä — järjestelmä, jossa säädin ylläpitää säädetyn parametrin vakioarvoa.

2. Ohjelmoitu ohjausjärjestelmä — järjestelmä, joka muuttaa ohjattua parametria ennalta määrätyn lain mukaisesti (ajassa).

3. Seurantajärjestelmä — järjestelmä, joka muuttaa ohjattua parametria jonkin muun arvon mukaan.

4. Äärimmäinen säätöjärjestelmä — järjestelmä, jossa säädin säilyttää säädettävän suuren arvon, joka on optimaalinen muuttuviin olosuhteisiin.

Sähkölämmityslaitteistojen lämpötilan säätelyyn käytetään pääasiassa kahden ensimmäisen luokan järjestelmiä.

Automaattiset lämpötilansäätöjärjestelmät voidaan jakaa toimintatyypin mukaan kahteen ryhmään: jaksollinen ja jatkuva säätö.

Automaattiset säätimet automaattinen ohjausjärjestelmä (ACS) Toiminnallisten ominaisuuksiensa mukaan ne jaetaan viiteen tyyppiin: sijainti (rele), suhteellinen (staattinen), integraali (astaattinen), isodrominen (suhteellinen-integraali), isodrominen etukäteisen ja ensimmäisen derivaatan kanssa.

Asennoittimet kuuluvat jaksolliseen ACS:ään, ja muun tyyppisiä säätimiä kutsutaan jatkuvaksi ACS:ksi. Alla tarkastelemme automaattisissa lämpötilansäätöjärjestelmissä useimmin käytettyjen paikka-, suhteellisten, integraalisten ja isodromisten säätimien pääominaisuuksia.

Automaattisen lämpötilansäädön toimintakaavio (kuva 1) koostuu ohjausobjektista 1, lämpötila-anturista 2, ohjelmalaitteesta tai lämpötilansäätimestä 4, säätimestä 5 ja toimilaitteesta 8. Monissa tapauksissa ensisijainen vahvistin 3 on sijoitettu anturin ja ohjelmalaitteen välillä sekä säätimen ja käyttömekanismin välissä — toisiovahvistin 6. Lisäanturia 7 käytetään isodromisissa ohjausjärjestelmissä.

Riisi. 1. Automaattisen lämpötilan säätelyn toiminnallinen kaavio

Termoparit, termoparit (termistorit) ja vastuslämpömittarit... Yleisimmin käytetyt termoparit. Lisätietoja heistä löytyy täältä: Lämpösähköiset muuntimet (lämpöparit)

Asento (rele) lämpötilansäätimet

Positiolla tarkoitetaan sellaisia ​​säätimiä, joissa säädin voi olla kahdessa tai kolmessa tietyssä paikassa. Sähkölämmitysasennuksissa käytetään kaksi- ja kolmiasentoisia säätimiä. Ne ovat yksinkertaisia ​​ja luotettavia käyttää.

Kuvassa Kuvassa 2 on kaavio ilman lämpötilan säätämiseksi päälle ja pois päältä.

Riisi. 2.Kaavio ilman lämpötilan säätämisestä päälle ja pois kytkettäessä: 1 — ohjausobjekti, 2 — mittasilta, 3 — polarisoitu rele, 4 — sähkömoottorin herätekäämit, 5 — moottorin ankkuri, 6 — vaihteisto, 7 — lämmitin .

Säädettävän kohteen lämpötilan säätämiseen käytetään vastusta RT, joka on kytketty mittasillan 2 yhteen haaraan. Sillan vastusten arvot valitaan siten, että tietyssä lämpötilassa silta on tasapainotettu, eli jännite sillan lävistäjässä on nolla. Lämpötilan noustessa mittasillan diagonaaliin kuuluva polarisoitu rele 3 kytkee päälle yhden tasavirtamoottorin käämeistä 4, joka sulkee supistimen 6 avulla ilmaventtiilin lämmittimen edessä. 7. Kun lämpötila laskee, ilmaventtiili avautuu kokonaan.

Kaksiasentoisella lämpötilansäätimellä syötettävän lämmön määrä voidaan asettaa vain kahdelle tasolle - maksimi ja minimi. Lämmön enimmäismäärän tulee olla suurempi kuin on tarpeen asetetun säädetyn lämpötilan ylläpitämiseksi, ja minimin tulee olla pienempi. Tässä tapauksessa ilman lämpötila vaihtelee asetetun arvon eli ns. itsevärähtelevän tilan ympärillä (kuva 3, a).

Lämpötilaviivat τn ja τв määrittelevät kuolleen alueen ala- ja ylärajat. Kun ohjattavan kohteen lämpötila laskee saavuttaa arvon τ, syötettävän lämmön määrä kasvaa välittömästi ja kohteen lämpötila alkaa nousta. Kun säädin saavuttaa aistin τв, se vähentää lämmön syöttöä ja lämpötila laskee.

Riisi. 3.On-off-säädön aikaominaisuus (a) ja staattinen ominaisuus on-off-säätimelle (b).

Lämpötilan nousun ja laskun nopeus riippuu ohjattavan kohteen ominaisuuksista ja sen aikaominaispiirteistä (kiihtyvyyskäyrästä). Lämpötilan vaihtelut eivät ylitä kuollutta vyöhykettä, jos lämmönsyötön muutokset aiheuttavat välittömästi lämpötilan muutoksia, eli jos ohjattavassa kohteessa ei ole viivettä.

Kun kuollut alue pienenee, lämpötilan vaihteluiden amplitudi pienenee nollaan kohdassa τn = τv. Tämä edellyttää kuitenkin lämmönsyötön vaihtelua äärettömän suurella taajuudella, mikä on erittäin vaikeaa käytännössä toteuttaa. Kaikissa todellisissa ohjausobjekteissa on viive. Niissä säätelyprosessi etenee seuraavasti.

Kun ohjausobjektin lämpötila laskee arvoon τ, virransyöttö vaihtuu välittömästi, mutta viiveen vuoksi lämpötila jatkaa laskuaan jonkin aikaa. Sitten se nousee arvoon τв, jossa lämmöntuotto pienenee välittömästi. Lämpötila jatkaa nousuaan jonkin aikaa, sitten pienentyneen lämmöntuoton vuoksi lämpötila laskee ja prosessi toistuu uudelleen.

Kuvassa Kuva 3, b esittää kaksiasentoisen säätimen staattista ominaisuutta... Tästä seuraa, että säätövaikutus kohteeseen voi olla vain kaksi arvoa: maksimi ja minimi. Tarkastetussa esimerkissä maksimi vastaa asentoa, jossa ilmaventtiili (katso kuva 2) on täysin auki, minimi - kun venttiili on kiinni.

Ohjaustoimenpiteen etumerkki määräytyy säädetyn arvon (lämpötilan) poikkeaman etumerkistä sen asetetusta arvosta. Sääntelyvaikutuksen aste on vakio. Kaikissa on/off-säätimissä on hystereesialue α, joka johtuu sähkömagneettisen releen havahtumis- ja pudotusvirtojen erosta.

Esimerkki kahden pisteen lämpötilasäädön käytöstä: Automaattinen lämpötilansäätö uuneissa, joissa on lämmitysvastus

Suhteelliset (staattiset) lämpötilansäätimet

Tapauksissa, joissa vaaditaan suurta säätötarkkuutta tai kun itsevärähtelevää prosessia ei voida hyväksyä, käytä säätimiä jatkuvalla säätöprosessilla... Näitä ovat suhteelliset säätimet (P-säätimet), jotka soveltuvat monenlaisten teknisten prosessien säätelyyn.

Tapauksissa, joissa vaaditaan suurta säätötarkkuutta tai kun itsevärähtelevää prosessia ei voida hyväksyä, käytetään säätimiä jatkuvalla säätöprosessilla. Näitä ovat suhteelliset säätimet (P-säätimet), jotka soveltuvat monenlaisten teknisten prosessien säätelyyn.

P-säätimillä varustetuissa automaattisissa ohjausjärjestelmissä säätöelimen (y) asento on suoraan verrannollinen säädettävän parametrin (x) arvoon:

y = k1x,

missä k1 on suhteellisuustekijä (säätimen vahvistus).

Tämä suhteellisuus tapahtuu, kunnes säädin saavuttaa pääteasennon (rajakytkimet).

Säätökappaleen liikenopeus on suoraan verrannollinen säädettävän parametrin muutosnopeuteen.

KuvassaKuva 4 esittää kaavion automaattisesta huonelämpötilan säätöjärjestelmästä, jossa käytetään suhteellista säädintä. Huonelämpötilaa mitataan RTD-vastuslämpömittarilla, joka on kytketty sillan mittauspiiriin 1.

Riisi. 4. Suhteellisen ilman lämpötilasäädön kaavio: 1 — mittaussilta, 2 — ohjausobjekti, 3 — lämmönvaihdin, 4 — kondensaattorimoottori, 5 — vaiheherkkä vahvistin.

Tietyssä lämpötilassa silta on tasapainossa. Kun säädelty lämpötila poikkeaa asetetusta arvosta, sillan diagonaaliin ilmestyy epäsymmetriajännite, jonka suuruus ja etumerkki riippuvat lämpötilapoikkeaman suuruudesta ja etumerkistä. Tätä jännitettä vahvistaa vaiheherkkä vahvistin 5, jonka lähdössä taajuusmuuttajan kaksivaiheisen kondensaattorimoottorin 4 käämi kytketään päälle.

Käyttömekanismi liikuttaa säätörunkoa muuttaen jäähdytysnesteen virtausta lämmönvaihtimessa 3. Samanaikaisesti säätörungon liikkeen kanssa mittaussillan yhden varren vastus muuttuu, minkä seurauksena lämpötila silta on tasapainossa.

Näin ollen jäykän takaisinkytkennän ansiosta säätökappaleen jokainen asento vastaa omaa säädetyn lämpötilan tasapainoarvoa.

Suhteelliselle (staattiselle) säätimelle on ominaista jäännössäädön epätasaisuus.

Jos kuorma poikkeaa jyrkästi asetetusta arvosta (hetkellä t1), ohjattu parametri saavuttaa tietyn ajan kuluttua (hetki t2) uuden vakaan arvon (kuva 4).Tämä on kuitenkin mahdollista vain säätöelimen uudella sijainnilla, eli ohjatun parametrin uudella arvolla, joka poikkeaa esiasetetusta arvosta δ:lla.

Riisi. 5. Suhteellisen ohjauksen ajoitusominaisuudet

Suhteellisuussäätimien haittana on, että kutakin parametriarvoa vastaa vain yksi tietty ohjauselementin paikka. Parametrin (lämpötilan) asetetun arvon säilyttämiseksi kuorman (lämmönkulutuksen) muuttuessa säätöelimen on otettava eri asento, joka vastaa uutta kuormitusarvoa. Suhteellisuussäätimessä tätä ei tapahdu, mikä johtaa ohjatun parametrin jäännöspoikkeamaan.

Integraali (astaattiset ohjaimet)

Integraaleiksi (astaattisiksi) kutsutaan sellaisia ​​säätimiä, joissa, kun parametri poikkeaa asetetusta arvosta, säätökappale liikkuu enemmän tai hitaammin ja koko ajan yhteen suuntaan (työiskun sisällä), kunnes parametri saa taas asetellun arvon. Säätöelementin liikesuunta muuttuu vain, kun parametri ylittää asetetun arvon.

Integroiduissa sähkötoimisäätimissä luodaan yleensä keinotekoinen kuollut alue, jossa parametrin muutos ei aiheuta säätöelimen liikkeitä.

Säätökappaleen liikenopeus integroidussa säätimessä voi olla vakio ja muuttuva. Integroidun ohjaimen ominaispiirre on, että säädettävän parametrin vakaan tilan arvojen ja säätöelimen asennon välillä ei ole suhteellista suhdetta.

KuvassaKuva 6 esittää kaavion automaattisesta lämpötilansäätöjärjestelmästä, jossa käytetään integroitua säädintä.Toisin kuin suhteellisessa lämpötilansäätöpiirissä (katso kuva 4), siinä ei ole jäykkää takaisinkytkentäsilmukkaa.

Riisi. 6. Integroidun ilman lämpötilan säätökaavio

Integroidussa säätimessä säätöelimen nopeus on suoraan verrannollinen säädettävän parametrin poikkeaman arvoon.

Integroidun lämpötilan säädön prosessi kuormituksen (lämmönkulutuksen) äkillisen muutoksen kanssa on esitetty kuvassa. 7 käyttämällä ajallisia ominaisuuksia. Kuten kaaviosta näkyy, ohjattu parametri integroidulla ohjauksella palaa hitaasti asetettuun arvoon.

Riisi. 7. Integraalisäädön aikaominaisuudet

Isodromic (suhteellinen-integraali) ohjaimet

Esodromisella ohjauksella on sekä suhteellisen että integraalisen ohjauksen ominaisuuksia. Säätökappaleen liikenopeus riippuu säädettävän parametrin poikkeaman suuruudesta ja nopeudesta.

Kun ohjattu parametri poikkeaa asetetusta arvosta, säätö tehdään seuraavasti. Aluksi säätöelin liikkuu ohjatun parametrin poikkeaman suuruudesta riippuen, eli suoritetaan suhteellinen ohjaus. Sitten säädin tekee lisäliikkeen, joka on tarpeen jäännösepätasaisuuksien poistamiseksi (integroitu säätö).

Isodrominen ilman lämpötilan säätöjärjestelmä (kuva 8) voidaan saada korvaamalla jäykkä takaisinkytkentä suhteellisessa säätöpiirissä (katso kuva).5) joustavalla takaisinkytkennällä (säätörungosta moottoriin takaisinkytkentävastuksen saamiseksi). Sähköinen takaisinkytkentä isodromisessa järjestelmässä saadaan potentiometrillä ja se syötetään ohjausjärjestelmään resistanssin R ja kapasitanssin C sisältävän silmukan kautta.

Transientien aikana takaisinkytkentäsignaali yhdessä parametrien poikkeamasignaalin kanssa vaikuttaa järjestelmän seuraaviin elementteihin (vahvistin, sähkömoottori). Kiinteällä säätökappaleella, missä tahansa asennossa, kondensaattori C latautuu, takaisinkytkentäsignaali vaimenee (kiinteässä tilassa se on nolla).

Riisi. 8. Ilman lämpötilan isodrominen säätelykaavio

Isodromiselle säätelylle on ominaista, että säätelyn epäyhdenmukaisuus (suhteellinen virhe) pienenee ajan myötä lähestyen nollaa. Tässä tapauksessa takaisinkytkentä ei aiheuta ohjatun arvon jäännöspoikkeamia.

Siten isodrominen ohjaus tuottaa huomattavasti parempia tuloksia kuin suhteellinen tai integraalinen (puhumattakaan paikkaohjauksesta). Suhteellinen ohjaus jäykän palautteen läsnäolon vuoksi tapahtuu melkein välittömästi, isodrominen - hitaammin.

Ohjelmistojärjestelmät automaattiseen lämpötilan säätöön

Ohjelmoidun ohjauksen toteuttamiseksi on tarpeen jatkuvasti vaikuttaa säätimen asetukseen (asetuspisteeseen), jotta ohjattu arvo muuttuu ennalta määrätyn lain mukaan. Tätä tarkoitusta varten säädin on varustettu ohjelmistoelementillä. Tämän laitteen tehtävänä on määrittää asetusarvon muutoslaki.

Sähkölämmityksen aikana automaattisen ohjausjärjestelmän toimilaite voi kytkeä päälle tai pois sähkölämmityselementtien osia ja muuttaa siten lämmitettävän laitteiston lämpötilaa tietyn ohjelman mukaisesti. Ilman lämpötilan ja kosteuden ohjelmoitua ohjausta käytetään laajalti keinotekoisissa ilmastoinnissa.