Kuinka automaattinen säädin toimii ja toimii inkubaattorikammion esimerkissä
Yksinkertaisin ja yleisin teknisten laitteiden toiminnan automaattinen ohjaus on automaattiohjaus, jota kutsutaan menetelmäksi tietyn parametrin pitämiseksi vakiona (esim. akselin pyörimisnopeus, väliaineen lämpötila, höyrynpaine) tai menetelmäksi varmistaa sen muutos tietyn lain mukaan. Se voidaan suorittaa asianmukaisin ihmisen toimin tai automaattisesti, eli asianmukaisten teknisten laitteiden – automaattisten säätimien – avulla.
Säätimiä, jotka ylläpitävät parametrin vakioarvoa, kutsutaan omiksi ja säätimiä, jotka muuttavat parametria tietyn lain mukaan, kutsutaan ohjelmistoiksi.
Vuonna 1765 venäläinen mekaanikko I. I. Polzunov keksi teollisiin tarkoituksiin automaattisen säätimen, joka piti höyrykattiloissa suunnilleen vakiona vedenpinnan. Vuonna 1784 englantilainen mekaanikko J. Watt keksi automaattisen säätimen, joka ylläpiti höyrykoneen akselin pyörimisnopeuden vakiona.
Sääntelyprosessi
Mieti, kuinka voit ylläpitää vakiolämpötilaa kammiossa nimeltä termostaatti, josta esimerkki olisi inkubaattorikammio.
Hautomo
Termostaatteja käytetään laajasti teollisuuden eri aloilla, erityisesti elintarviketeollisuudessa. Lopuksi asuintilaa voidaan pitää myös talvella termostaattina, jos se pitää lämpötilan vakiona lämmityspattereihin tarjottavien erikoisventtiileiden avulla. Katsotaan kuinka ei-automaattinen huonelämpötilan säätö suoritetaan.
Oletetaan, että on toivottavaa säilyttää lämpötila 20 °C:ssa. Sitä valvotaan huonelämpömittarilla. Jos se nousee korkeammalle, jäähdyttimen venttiili on hieman kiinni. Tämä hidastaa kuuman veden virtausta jälkimmäisessä. Sen lämpötila laskee ja siksi energian virtaus huoneeseen vähenee, missä myös ilman lämpötila laskee.
Kun huoneen ilman lämpötila on alle 20 °C, venttiili avautuu ja siten kuuman veden virtaus jäähdyttimessä kasvaa, minkä seurauksena huoneen lämpötila nousee.
Tällaisella säädöllä havaitaan pieniä vaihteluita ilman lämpötilassa asetetun arvon ympärillä (tarkasteltavassa esimerkissä noin 20 ° C).
Mekaaninen termostaatti
Tämä esimerkki osoittaa, että tiettyjä toimintoja on suoritettava säätelyprosessissa:
- mittaa säädettävä parametri;
- vertaa sen arvoa esiasetettuun arvoon (tässä tapauksessa määritetään ns. ohjausvirhe - todellisen arvon ja esiasetetun arvon välinen ero);
- vaikuttaa prosessiin ohjausvirheen arvon ja merkin mukaisesti.
Ei-automaattisessa säätelyssä nämä toiminnot suorittaa ihminen.
Automaattinen säätö
Sääntely voidaan tehdä ilman ihmisen väliintuloa eli teknisin keinoin. Tässä tapauksessa puhumme automaattisesta säädöstä, joka suoritetaan automaattisella säätimellä. Selvitetään, mistä osista se koostuu ja miten nämä osat ovat vuorovaikutuksessa keskenään.
Säädetyn parametrin todellisen arvon mittaus suoritetaan mittauslaitteella, jota kutsutaan anturiksi (inkubaattoriesimerkissä - lämpösensori).
Mittaustulokset anturi antaa jonkin fyysisen signaalin muodossa (lämpömittarin nestepatsaan korkeus, bimetallilevyn muodonmuutos, jännitteen tai virran arvo anturin lähdössä jne.).
Ohjatun parametrin todellisen arvon vertailu annettuun tehdään erityisellä vertailijalla, jota kutsutaan nollakappaleeksi. Tässä tapauksessa määritetään ohjatun parametrin todellisen arvon ja sen määritellyn (eli vaaditun) arvon välinen ero. Tätä eroa kutsutaan ohjausvirheeksi. Se voi olla sekä positiivista että negatiivista.
Ohjausvirheen arvo muunnetaan tietyksi fyysiseksi signaaliksi, joka vaikuttaa ohjattavan objektin tilaa ohjaavaan toimeenpanoon. Toimeenpanevan elimen vaikutuksen seurauksena objektiin ohjattu parametri kasvaa tai pienenee riippuen säätövirheen merkistä.
Näin ollen automaattisen säätimen pääosat ovat: mittauselementti (anturi), referenssielementti (nollaelementti) ja toimeenpaneva elementti.
Jotta nollaelementti voisi verrata säädettävän suuren mitattua arvoa asetettuun arvoon, on parametrin asetusarvo syötettävä automaattiseen säätimeen. Tämä tehdään erityisen laitteen, ns Master, joka muuntaa parametrin asetetun arvon automaattisen säädön fyysiseksi signaaliksi tietyllä tasolla.
Tässä tapauksessa on tärkeää, että anturin lähtöjen fyysiset signaalit ja asetettu arvo ovat luonteeltaan samanlaisia. Vain tässä tapauksessa on mahdollista verrata nollakappaleeseen.
On myös huomattava, että säätövirhettä vastaavan lähtösignaalin teho on pääsääntöisesti riittämätön ohjaamaan toimeenpanoelimen toimintaa. Tässä suhteessa määritetty signaali on esivahvistettu. Siksi automaattinen säädin sisältää kolmen mainitun pääosan (anturi, nollaelementti ja toimilaite) lisäksi myös asetuksen ja vahvistimen.
Tyypillinen automaattisen ohjausjärjestelmän lohkokaavio
Kuten tästä kaaviosta voidaan nähdä, automaattinen ohjausjärjestelmä on suljettu. Ohjausobjektista tieto ohjatun parametrin arvosta menee anturiin ja sitten nollakappaleeseen, jonka jälkeen ohjausvirhettä vastaava signaali kulkee vahvistimen läpi toimeenpanevaan elimeen, jolla on tarvittava vaikutus ohjausobjekti.
Signaalien liike ohjausobjektista nollakappaleeseen on takaisinkytkentäsilmukka. Palaute on sääntelyprosessin edellytys. Tällaiseen suljettuun silmukkaan vaikuttavat myös ulkoiset vaikutukset.
Ensinnäkin (ja tämä on tärkein), säätelykohde on alttiina ulkoisille vaikutuksille.Juuri nämä vaikutukset aiheuttavat muutoksia sen tilan parametreihin ja säätelevät.
Toiseksi ulkoinen vaikutus automaattisen ohjausjärjestelmän piiriin on syöttö nollakappaleeseen säädetyn parametrin vaaditun arvon asetusarvon kautta, joka määritetään koko järjestelmän toimintatilan analyysin perusteella, joka sisältää tämän automaattisen laitteen. Tämän analyysin suorittaa ihminen tai ohjaustietokone.
Esimerkkejä automaattisista säätimistä:
Silitysraudan sähkötermostaatin laite ja toimintaperiaate
PID-säätimen käyttö automaatiojärjestelmissä esimerkkinä TRM148 OWEN