Systémy automatické regulace teploty

Podle principu regulace jsou všechny automatické řídicí systémy rozděleny do čtyř tříd.

1. Automatický stabilizační systém — systém, ve kterém regulátor udržuje konstantní nastavenou hodnotu řízeného parametru.

2. Programovaný řídicí systém — systém, který zajišťuje změnu řízeného parametru podle předem stanoveného zákona (v čase).

3. Systém sledování — systém, který zajišťuje změnu řízeného parametru v závislosti na nějaké jiné hodnotě.

4. Extrémní regulační systém — systém, ve kterém regulátor udržuje hodnotu regulované veličiny, která je optimální pro měnící se podmínky.

K regulaci teplotního režimu elektrických topných zařízení se používají především systémy prvních dvou tříd.

Systémy automatické regulace teploty podle druhu provozu lze rozdělit do dvou skupin: periodická a plynulá regulace.

Automatické regulátory automatické řídicí systémy (ACS) podle funkčních vlastností se dělí na pět typů: polohové (reléové), proporcionální (statické), integrální (astatické), izodromické (proporcionálně-integrální), izodromické s předstihem a s první derivací.

Polohovače patří k periodickým ACS a ostatní typy regulátorů se nazývají kontinuální ACS. Níže uvažujeme hlavní charakteristiky polohových, proporcionálních, integrálních a izodromických regulátorů, které se nejčastěji používají v systémech automatické regulace teploty.

Funkční schéma automatické regulace teploty (obr. 1) se skládá z řídicího objektu 1, teplotního čidla 2, programového zařízení nebo regulátoru teploty 4, regulátoru 5 a akčního členu 8. V mnoha případech je umístěn primární zesilovač 3 mezi snímačem a programovým zařízením a mezi regulátorem a hnacím mechanismem — sekundární zesilovač 6. Další snímač 7 se používá v izodromických řídicích systémech.

Rýže. 1. Funkční schéma automatické regulace teploty

Termočlánky, termočlánky (termistory) a odporové teploměry... Nejčastěji používané termočlánky. Další podrobnosti o nich naleznete zde: Termoelektrické měniče (termočlánky)

Polohové (reléové) regulátory teploty

Poziční označuje takové regulátory, kde regulátor může obsadit dvě nebo tři konkrétní pozice. Dvou- a třípolohové regulátory se používají v elektrických topných instalacích. Jejich obsluha je jednoduchá a spolehlivá.

Na Obr. 2 ukazuje schematický diagram pro ovládání zapínání a vypínání teploty vzduchu.

Rýže. 2.Schematické schéma regulace teploty vzduchu při zapínání a vypínání: 1 — ovládací objekt, 2 — měřicí můstek, 3 — polarizované relé, 4 — budicí vinutí elektromotoru, 5 — kotva motoru, 6 — převodovka, 7 — topení .

Pro regulaci teploty v objektu regulace se používá odpor RT, který je připojen k jednomu z ramen měřicího můstku 2. Hodnoty odporů můstku se volí tak, aby při při dané teplotě je můstek vyvážený, to znamená, že napětí na diagonále můstku je rovno nule. Při zvýšení teploty sepne polarizované relé 3, zahrnuté v úhlopříčce měřícího můstku, jedno z vinutí 4 stejnosměrného motoru, které pomocí reduktoru 6 uzavře vzduchový ventil před ohřívačem. 7. Když teplota klesne, vzduchový ventil se úplně otevře.

S dvoupolohovou regulací teploty lze množství dodávaného tepla nastavit pouze na dvě úrovně — maximum a minimum. Maximální množství tepla by mělo být větší, než je nutné k udržení nastavené řízené teploty, a minimum by mělo být menší. V tomto případě teplota vzduchu kolísá kolem nastavené hodnoty, to znamená tzv. samooscilační režim (obr. 3, a).

Teplotní čáry τn a τв definují spodní a horní hranici mrtvé zóny. Když teplota řízeného objektu dosáhne klesající hodnoty τ Množství dodaného tepla se okamžitě zvýší a teplota objektu začne stoupat. Při dosažení smyslu τв regulátor sníží přívod tepla a teplota se sníží.

Rýže. 3.Časová charakteristika on-off regulace (a) a statická charakteristika pro on-off regulátor (b).

Rychlost náběhu a poklesu teploty závisí na vlastnostech řízeného objektu a na jeho časové charakteristice (křivka zrychlení). Kolísání teplot nepřekročí mrtvou zónu, pokud změny v dodávce tepla okamžitě způsobí změny teploty, tedy pokud nedojde ke zpoždění řízeného objektu.

Jak se mrtvá zóna zmenšuje, amplituda teplotních výkyvů klesá k nule při τn = τv. To však vyžaduje, aby se dodávka tepla měnila s nekonečně vysokou frekvencí, což je v praxi extrémně obtížné. U všech skutečných řídicích objektů je zpoždění. Regulační proces v nich probíhá následovně.

Při poklesu teploty řídicího objektu na hodnotu τ se okamžitě změní napájení, ale vlivem zpoždění teplota ještě nějakou dobu klesá. Poté stoupne na hodnotu τв, při které příkon tepla okamžitě klesá. Teplota ještě nějakou dobu stoupá, pak v důsledku sníženého příkonu tepla teplota klesne a proces se znovu opakuje.

Na Obr. 3, b ukazuje statickou charakteristiku dvoupolohového regulátoru... Z toho vyplývá, že regulační účinek na objekt může nabývat pouze dvou hodnot: maximální a minimální. V uvažovaném příkladu maximum odpovídá poloze, kdy je vzduchový ventil (viz obr. 2) plně otevřen, minimum — když je ventil zavřený.

Znaménko regulačního působení je určeno znaménkem odchylky regulované hodnoty (teploty) od její nastavené hodnoty. Míra regulačního vlivu je konstantní. Všechny regulátory zapnutí/vypnutí mají oblast hystereze α, která vzniká v důsledku rozdílu mezi náběhovým a odpadním proudem elektromagnetického relé.

Příklad použití dvoubodové regulace teploty: Automatická regulace teploty v pecích s tepelným odporem

Proporcionální (statické) regulátory teploty

V případech, kdy je vyžadována vysoká přesnost regulace nebo je nepřijatelný samooscilační proces, použijte regulátory s kontinuálním regulačním procesem... Patří sem proporcionální regulátory (P-regulátory) vhodné pro regulaci široké škály technologických procesů.

V případech, kdy je vyžadována vysoká přesnost regulace nebo kdy je samooscilační proces nepřijatelný, se používají regulátory s kontinuálním regulačním procesem. Patří mezi ně proporcionální regulátory (P-regulátory) vhodné pro regulaci široké škály technologických procesů.

V automatických řídicích systémech s P-regulátory je poloha regulačního tělesa (y) přímo úměrná hodnotě řízeného parametru (x):

y = k1x,

kde k1 je faktor úměrnosti (zesílení regulátoru).

Tato proporcionalita probíhá, dokud regulátor nedosáhne svých koncových poloh (koncové spínače).

Rychlost pohybu regulačního orgánu je přímo úměrná rychlosti změny řízeného parametru.

Na Obr.4 ukazuje schematický diagram automatického systému regulace pokojové teploty pomocí proporcionálního regulátoru. Teplota v místnosti se měří odporovým teploměrem RTD připojeným k měřicímu obvodu 1 můstku.

Rýže. 4. Schéma proporcionálního řízení teploty vzduchu: 1 — měřicí můstek, 2 — řídicí objekt, 3 — výměník tepla, 4 — kondenzátorový motor, 5 — fázově citlivý zesilovač.

Při dané teplotě je můstek vyvážený. Při odchylce řízené teploty od nastavené hodnoty se v diagonále můstku objeví nesymetrické napětí, jehož velikost a znaménko závisí na velikosti a znaménku odchylky teploty. Toto napětí je zesíleno fázově citlivým zesilovačem 5, na jehož výstupu je zapnuto vinutí dvoufázového kondenzátorového motoru 4 pohonu.

Hnací mechanismus posouvá regulační těleso, mění průtok chladiva ve výměníku 3. Současně s pohybem regulačního tělesa se mění odpor jednoho z ramen měřicího můstku, v důsledku čehož se teplota, při které se mění teplota, přibližuje k nule. most je vyvážený.

Vlivem tuhé zpětné vazby tedy každá poloha regulačního tělesa odpovídá vlastní rovnovážné hodnotě řízené teploty.

Proporcionální (statický) regulátor se vyznačuje nerovnoměrností zbytkové regulace.

V případě prudké odchylky zátěže od nastavené hodnoty (v okamžiku t1) dosáhne řízený parametr po určité době (okamžik t2) nové stabilní hodnoty (obr. 4).To je však možné pouze s novou polohou regulačního orgánu, tedy s novou hodnotou řízeného parametru, která se liší od přednastavené hodnoty o δ.

Rýže. 5. Časové charakteristiky proporcionálního řízení

Nevýhodou proporcionálních regulátorů je, že každé hodnotě parametru odpovídá pouze jedna konkrétní poloha ovládacího prvku. Pro udržení nastavené hodnoty parametru (teploty) při změně zátěže (spotřeby tepla) je nutné, aby regulační orgán zaujal jinou polohu odpovídající nové hodnotě zátěže. U proporcionálního regulátoru k tomu nedochází, což má za následek zbytkovou odchylku regulovaného parametru.

Integrální (astatické ovladače)

Integrální (astatické) se nazývají takové regulátory, u kterých se při odchylce parametru od nastavené hodnoty regulační orgán pohybuje stále pomaleji a stále jedním směrem (v rámci pracovního zdvihu), dokud parametr opět nenabude nastavené hodnoty. Směr pohybu nastavovacího prvku se změní pouze tehdy, když parametr překročí nastavenou hodnotu.

U integrovaných regulátorů elektrického působení je obvykle vytvořena umělá mrtvá zóna, ve které změna parametru nezpůsobuje pohyby regulačního orgánu.

Rychlost pohybu regulačního tělesa v integrálním regulátoru může být konstantní a proměnná. Charakteristickým rysem integrálního regulátoru je absence proporcionálního vztahu mezi ustálenými hodnotami řízeného parametru a polohou regulačního orgánu.

Na Obr.6 je schematický diagram automatického systému regulace teploty pomocí integrovaného regulátoru Na rozdíl od proporcionálního okruhu regulace teploty (viz obr. 4) nemá pevnou zpětnovazební smyčku.

Rýže. 6. Schéma integrované regulace teploty vzduchu

U integrálního regulátoru jsou otáčky regulačního orgánu přímo úměrné hodnotě odchylky regulovaného parametru.

Proces integrované regulace teploty s náhlou změnou zátěže (spotřeby tepla) je znázorněn na Obr. 7 pomocí časových charakteristik. Jak je vidět z grafu, regulovaný parametr s integrální regulací se pomalu vrací na nastavenou hodnotu.

Rýže. 7. Časové charakteristiky integrální regulace

Izodromické (proporcionálně-integrální) regulátory

Esodromické řízení má vlastnosti proporcionálního i integrálního řízení. Rychlost pohybu regulačního tělesa závisí na velikosti a rychlosti výchylky řízeného parametru.

Když se řízený parametr odchyluje od nastavené hodnoty, seřízení se provede následovně. Zpočátku se regulační orgán pohybuje v závislosti na velikosti odchylky řízeného parametru, to znamená, že se provádí proporcionální řízení. Poté regulátor provede další pohyb, který je nutný k odstranění zbytkových nerovností (integrální regulace).

Izodromický systém regulace teploty vzduchu (obr. 8) lze získat nahrazením tuhé zpětné vazby v proporcionálním regulačním obvodu (viz obr.5) s elastickou zpětnou vazbou (od regulačního tělesa k motoru pro odpor zpětné vazby). Elektrickou zpětnou vazbu v izodromickém systému zajišťuje potenciometr a je přiváděna do řídicího systému smyčkou obsahující odpor R a kapacitu C.

Při přechodových dějích zpětnovazební signál spolu se signálem odchylky parametru ovlivňuje následné prvky systému (zesilovač, elektromotor). U stacionárního regulačního tělesa, ať je v jakékoli poloze, se při nabitém kondenzátoru C zpětnovazební signál rozpadá (ve stacionárním stavu je roven nule).

Rýže. 8. Schéma izodromické regulace teploty vzduchu

Pro izodromickou regulaci je charakteristické, že nerovnoměrnost regulace (relativní chyba) se s rostoucím časem zmenšuje a blíží se nule. Zpětná vazba v tomto případě nezpůsobí zbytkové odchylky regulované hodnoty.

Izodromické řízení tedy poskytuje výrazně lepší výsledky než proporcionální nebo integrální (nemluvě o polohovém řízení). Proporcionální řízení v důsledku přítomnosti rigidní zpětné vazby nastává téměř okamžitě, izodromické - pomaleji.

Softwarové systémy pro automatickou regulaci teploty

Pro realizaci programového řízení je nutné průběžně ovlivňovat nastavení (nastavení) regulátoru tak, aby se regulovaná hodnota měnila podle předem stanoveného zákona. K tomuto účelu je regulační regulátor vybaven softwarovým prvkem. Toto zařízení slouží ke stanovení zákona změny nastavené hodnoty.

Při elektrickém ohřevu může akční člen automatického řídicího systému působit tak, že zapíná nebo vypíná sekce elektrických topných těles, čímž mění teplotu vytápěné instalace v souladu s daným programem. Programovaná regulace teploty a vlhkosti vzduchu je široce používána v instalacích s umělým klimatem.