Αυτόματα συστήματα ελέγχου θερμοκρασίας

Σύμφωνα με την αρχή της ρύθμισης, όλα τα συστήματα αυτόματου ελέγχου χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες.

1. Σύστημα αυτόματης σταθεροποίησης — ένα σύστημα στο οποίο ο ρυθμιστής διατηρεί μια σταθερή καθορισμένη τιμή της ελεγχόμενης παραμέτρου.

2. Προγραμματισμένο σύστημα ελέγχου — ένα σύστημα που παρέχει μια αλλαγή στην ελεγχόμενη παράμετρο σύμφωνα με έναν προκαθορισμένο νόμο (σε χρόνο).

3. Σύστημα παρακολούθησης — ένα σύστημα που παρέχει μια αλλαγή στην ελεγχόμενη παράμετρο ανάλογα με κάποια άλλη τιμή.

4. Σύστημα ακραίας ρύθμισης — ένα σύστημα στο οποίο ο ρυθμιστής διατηρεί την τιμή της ελεγχόμενης μεταβλητής που είναι η βέλτιστη για τις μεταβαλλόμενες συνθήκες.

Για τη ρύθμιση του καθεστώτος θερμοκρασίας των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων θέρμανσης, χρησιμοποιούνται κυρίως συστήματα των δύο πρώτων κατηγοριών.

Τα αυτόματα συστήματα ελέγχου θερμοκρασίας ανάλογα με τον τύπο λειτουργίας τους μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες: περιοδική και συνεχής ρύθμιση.

Αυτόματοι ρυθμιστές αυτόματα συστήματα ελέγχου (ACS) ανάλογα με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους χωρίζονται σε πέντε τύπους: θέσιους (ρελέ), αναλογικούς (στατικούς), ολοκληρωτικούς (αστατικούς), ισοδρομικούς (αναλογικούς-ολοκληρωτικούς), ισόδρομους με πρόοδο και με πρώτη παράγωγο.

Οι ρυθμιστές θέσης ανήκουν στο περιοδικό ACS και άλλοι τύποι ρυθμιστών ονομάζονται συνεχές ACS. Παρακάτω εξετάζουμε τα κύρια χαρακτηριστικά των ελεγκτών θέσης, αναλογικών, ενσωματωμένων και ισοδρομικών ελεγκτών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται συχνότερα σε συστήματα αυτόματου ελέγχου θερμοκρασίας.

Ένα λειτουργικό διάγραμμα αυτόματου ελέγχου θερμοκρασίας (Εικ. 1) αποτελείται από ένα αντικείμενο ελέγχου 1, έναν αισθητήρα θερμοκρασίας 2, μια συσκευή προγράμματος ή ρυθμιστή θερμοκρασίας 4, έναν ρυθμιστή 5 και έναν ενεργοποιητή 8. Σε πολλές περιπτώσεις, τοποθετείται ένας πρωτεύων ενισχυτής 3 μεταξύ του αισθητήρα και της συσκευής προγράμματος και μεταξύ του ρυθμιστή και του μηχανισμού κίνησης — ένας δευτερεύων ενισχυτής 6. Ένας πρόσθετος αισθητήρας 7 χρησιμοποιείται σε συστήματα ισοδρομικού ελέγχου.

Ρύζι. 1. Λειτουργικό σχήμα αυτόματης ρύθμισης θερμοκρασίας

Θερμοστοιχεία, θερμοστοιχεία (θερμίστορ) και θερμόμετρα αντίστασης... Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα θερμοστοιχεία. Για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με αυτούς δείτε εδώ: Θερμοηλεκτρικοί μετατροπείς (θερμοζεύγη)

Ρυθμιστές θερμοκρασίας θέσης (ρελέ).

Η θέση αναφέρεται σε τέτοιους ρυθμιστές όπου ο ρυθμιστής μπορεί να καταλάβει δύο ή τρεις συγκεκριμένες θέσεις. Σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις θέρμανσης χρησιμοποιούνται ρυθμιστές δύο και τριών θέσεων. Είναι απλά και αξιόπιστα στη λειτουργία τους.

Στο σχ. Το 2 δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα για τον έλεγχο της θερμοκρασίας του αέρα ενεργοποίησης και απενεργοποίησης.

Ρύζι. 2.Σχηματικό διάγραμμα ρύθμισης θερμοκρασίας αέρα κατά την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση: 1 — αντικείμενο ελέγχου, 2 — γέφυρα μέτρησης, 3 — πολωμένο ρελέ, 4 — περιελίξεις διέγερσης του ηλεκτροκινητήρα, 5 — οπλισμός κινητήρα, 6 — κιβώτιο ταχυτήτων, 7 — θερμαντήρας .

Για τον έλεγχο της θερμοκρασίας στο αντικείμενο ρύθμισης χρησιμοποιείται η αντίσταση RT, η οποία συνδέεται με έναν από τους βραχίονες της γέφυρας μέτρησης 2. Οι τιμές των αντιστάσεων της γέφυρας επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε στο σε δεδομένη θερμοκρασία η γέφυρα είναι ισορροπημένη, δηλαδή η τάση στη διαγώνιο της γέφυρας είναι ίση με μηδέν. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, το πολωμένο ρελέ 3, που περιλαμβάνεται στη διαγώνιο της γέφυρας μέτρησης, ενεργοποιεί μία από τις περιελίξεις 4 του κινητήρα συνεχούς ρεύματος, ο οποίος, με τη βοήθεια του μειωτήρα 6, κλείνει τη βαλβίδα αέρα μπροστά από τον θερμαντήρα 7. Όταν πέσει η θερμοκρασία, η βαλβίδα αέρα ανοίγει εντελώς.

Με τη ρύθμιση θερμοκρασίας δύο θέσεων, η ποσότητα της παρεχόμενης θερμότητας μπορεί να ρυθμιστεί μόνο σε δύο επίπεδα — μέγιστο και ελάχιστο. Η μέγιστη ποσότητα θερμότητας θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την απαραίτητη για τη διατήρηση της καθορισμένης ελεγχόμενης θερμοκρασίας και η ελάχιστη θα πρέπει να είναι μικρότερη. Σε αυτή την περίπτωση, η θερμοκρασία του αέρα κυμαίνεται γύρω από την καθορισμένη τιμή, δηλαδή τη λεγόμενη λειτουργία αυτοταλάντωσης (Εικ. 3, α).

Οι γραμμές θερμοκρασίας τn και τв ορίζουν τα κάτω και τα ανώτερα όρια της νεκρής ζώνης. Όταν η θερμοκρασία του ελεγχόμενου αντικειμένου, μειώνοντας, φτάσει στην τιμή τΗ ποσότητα της παρεχόμενης θερμότητας αυξάνεται στιγμιαία και η θερμοκρασία του αντικειμένου αρχίζει να αυξάνεται. Φτάνοντας στην αίσθηση τв, ο ρυθμιστής μειώνει την παροχή θερμότητας και η θερμοκρασία μειώνεται.

Ρύζι. 3.Χρονικό χαρακτηριστικό ρύθμισης on-off (α) και στατικό χαρακτηριστικό για ρυθμιστή on-off (β).

Η ταχύτητα ανόδου και πτώσης της θερμοκρασίας εξαρτάται από τις ιδιότητες του ελεγχόμενου αντικειμένου και από το χαρακτηριστικό του χρόνου (καμπύλη επιτάχυνσης). Οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας δεν υπερβαίνουν τη νεκρή ζώνη εάν οι αλλαγές στην παροχή θερμότητας προκαλούν αμέσως αλλαγές θερμοκρασίας, δηλαδή εάν δεν υπάρχει υστέρηση του ελεγχόμενου αντικειμένου.

Καθώς η νεκρή ζώνη μειώνεται, το πλάτος των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας μειώνεται στο μηδέν στο τn = τv. Ωστόσο, αυτό απαιτεί η παροχή θερμότητας να ποικίλλει σε απείρως υψηλή συχνότητα, κάτι που είναι εξαιρετικά δύσκολο να εφαρμοστεί στην πράξη. Υπάρχει καθυστέρηση σε όλα τα πραγματικά αντικείμενα ελέγχου. Η διαδικασία ρύθμισης σε αυτά προχωρά ως εξής.

Όταν η θερμοκρασία του αντικειμένου ελέγχου πέσει στην τιμή τ, η παροχή ρεύματος αλλάζει αμέσως, αλλά λόγω της καθυστέρησης, η θερμοκρασία συνεχίζει να μειώνεται για κάποιο χρονικό διάστημα. Στη συνέχεια ανεβαίνει στην τιμή τв, στην οποία η εισροή θερμότητας μειώνεται αμέσως. Η θερμοκρασία συνεχίζει να αυξάνεται για κάποιο χρονικό διάστημα, στη συνέχεια λόγω της μειωμένης εισόδου θερμότητας, η θερμοκρασία πέφτει και η διαδικασία επαναλαμβάνεται ξανά.

Στο σχ. Το 3, b δείχνει ένα στατικό χαρακτηριστικό ενός ελεγκτή δύο θέσεων... Από αυτό προκύπτει ότι η ρυθμιστική επίδραση στο αντικείμενο μπορεί να λάβει μόνο δύο τιμές: μέγιστη και ελάχιστη. Στο εξεταζόμενο παράδειγμα, το μέγιστο αντιστοιχεί στη θέση όπου η βαλβίδα αέρα (βλ. Εικ. 2) είναι πλήρως ανοιχτή, το ελάχιστο - όταν η βαλβίδα είναι κλειστή.

Το πρόσημο της ενέργειας ελέγχου καθορίζεται από το πρόσημο της απόκλισης της ελεγχόμενης τιμής (θερμοκρασίας) από την καθορισμένη τιμή της. Ο βαθμός ρυθμιστικής επιρροής είναι σταθερός. Όλοι οι ελεγκτές ενεργοποίησης/απενεργοποίησης έχουν μια περιοχή υστέρησης α, η οποία συμβαίνει λόγω της διαφοράς μεταξύ των ρευμάτων λήψης και απαγωγής του ηλεκτρομαγνητικού ρελέ.

Παράδειγμα χρήσης ελέγχου θερμοκρασίας δύο σημείων: Αυτόματος έλεγχος θερμοκρασίας σε φούρνους με αντίσταση θέρμανσης

Αναλογικοί (στατικοί) ελεγκτές θερμοκρασίας

Σε περιπτώσεις όπου απαιτείται υψηλή ακρίβεια ελέγχου ή όταν η διαδικασία αυτοταλάντωσης είναι απαράδεκτη, χρησιμοποιήστε ρυθμιστές με διαδικασία συνεχούς ρύθμισης... Σε αυτούς περιλαμβάνονται αναλογικοί ελεγκτές (P-controllers) κατάλληλοι για τη ρύθμιση μιας μεγάλης ποικιλίας τεχνολογικών διεργασιών.

Σε περιπτώσεις όπου απαιτείται υψηλή ακρίβεια ρύθμισης ή όταν η διαδικασία αυτοταλάντωσης είναι απαράδεκτη, χρησιμοποιούνται ρυθμιστές με διαδικασία συνεχούς ρύθμισης. Αυτά περιλαμβάνουν αναλογικούς ελεγκτές (P-controllers) κατάλληλους για τη ρύθμιση μιας μεγάλης ποικιλίας τεχνολογικών διαδικασιών.

Σε συστήματα αυτόματου ελέγχου με ρυθμιστές P, η θέση του ρυθμιστικού σώματος (y) είναι ευθέως ανάλογη με την τιμή της ελεγχόμενης παραμέτρου (x):

y = k1x,

όπου k1 είναι ο συντελεστής αναλογικότητας (κέρδος ελεγκτή).

Αυτή η αναλογικότητα λαμβάνει χώρα έως ότου ο ρυθμιστής φτάσει στις τελικές του θέσεις (οριακούς διακόπτες).

Η ταχύτητα κίνησης του ρυθμιστικού σώματος είναι ευθέως ανάλογη με την ταχύτητα αλλαγής της ελεγχόμενης παραμέτρου.

Στο σχ.Το σχήμα 4 δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα ενός αυτόματου συστήματος ελέγχου θερμοκρασίας δωματίου χρησιμοποιώντας έναν αναλογικό ελεγκτή. Η θερμοκρασία δωματίου μετράται με ένα θερμόμετρο αντίστασης RTD συνδεδεμένο στο κύκλωμα μέτρησης 1 της γέφυρας.

Ρύζι. 4. Σχέδιο αναλογικού ελέγχου θερμοκρασίας αέρα: 1 — γέφυρα μέτρησης, 2 — αντικείμενο ελέγχου, 3 — εναλλάκτης θερμότητας, 4 — κινητήρας πυκνωτή, 5 — ενισχυτής ευαίσθητος στη φάση.

Σε μια δεδομένη θερμοκρασία, η γέφυρα είναι ισορροπημένη. Όταν η ελεγχόμενη θερμοκρασία αποκλίνει από την καθορισμένη τιμή, εμφανίζεται μια τάση ανισορροπίας στη διαγώνιο της γέφυρας, το μέγεθος και το πρόσημο της οποίας εξαρτώνται από το μέγεθος και το πρόσημο της απόκλισης θερμοκρασίας. Αυτή η τάση ενισχύεται από έναν ευαίσθητο στη φάση ενισχυτή 5, στην έξοδο του οποίου είναι ενεργοποιημένη η περιέλιξη ενός διφασικού κινητήρα πυκνωτή 4 του ηλεκτροκινητήρα.

Ο μηχανισμός κίνησης κινεί το ρυθμιστικό σώμα, αλλάζοντας τη ροή του ψυκτικού στον εναλλάκτη θερμότητας 3. Ταυτόχρονα με την κίνηση του ρυθμιστικού σώματος, αλλάζει η αντίσταση ενός από τους βραχίονες της γέφυρας μέτρησης, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία στην οποία η γέφυρα είναι ισορροπημένη.

Έτσι, λόγω της άκαμπτης ανάδρασης, κάθε θέση του ρυθμιστικού σώματος αντιστοιχεί στη δική του τιμή ισορροπίας της ελεγχόμενης θερμοκρασίας.

Ο αναλογικός (στατικός) ελεγκτής χαρακτηρίζεται από ανομοιομορφία της υπολειμματικής ρύθμισης.

Σε περίπτωση απότομης απόκλισης του φορτίου από την καθορισμένη τιμή (τη στιγμή t1), η ελεγχόμενη παράμετρος θα φτάσει μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα (στιγμή t2) μια νέα σταθερή τιμή (Εικ. 4).Ωστόσο, αυτό είναι δυνατό μόνο με μια νέα θέση του ρυθμιστικού σώματος, δηλαδή με μια νέα τιμή της ελεγχόμενης παραμέτρου, η οποία διαφέρει από την προκαθορισμένη τιμή κατά δ.

Ρύζι. 5. Χαρακτηριστικά χρονισμού του αναλογικού ελέγχου

Το μειονέκτημα των αναλογικών ελεγκτών είναι ότι μόνο μία συγκεκριμένη θέση στοιχείου ελέγχου αντιστοιχεί σε κάθε τιμή παραμέτρου. Για να διατηρηθεί η καθορισμένη τιμή της παραμέτρου (θερμοκρασία) όταν αλλάζει το φορτίο (κατανάλωση θερμότητας), είναι απαραίτητο ο ρυθμιστικός φορέας να λάβει διαφορετική θέση που αντιστοιχεί στη νέα τιμή φορτίου. Σε έναν αναλογικό ελεγκτή, αυτό δεν συμβαίνει, με αποτέλεσμα μια υπολειπόμενη απόκλιση της ελεγχόμενης παραμέτρου.

Integral (αστατικοί ελεγκτές)

Ολοκληρωτικοί (αστατικοί) ονομάζονται τέτοιοι ρυθμιστές στους οποίους, όταν η παράμετρος αποκλίνει από την καθορισμένη τιμή, το ρυθμιστικό σώμα κινείται περισσότερο ή πιο αργά και όλη την ώρα προς μία κατεύθυνση (εντός της διαδρομής εργασίας) έως ότου η παράμετρος λάβει ξανά την καθορισμένη τιμή. Η κατεύθυνση κίνησης του στοιχείου ρύθμισης αλλάζει μόνο όταν η παράμετρος υπερβαίνει την καθορισμένη τιμή.

Στους ενσωματωμένους ελεγκτές ηλεκτρικής ενέργειας, συνήθως δημιουργείται μια τεχνητή νεκρή ζώνη, εντός της οποίας η αλλαγή μιας παραμέτρου δεν προκαλεί κινήσεις του ρυθμιστικού σώματος.

Η ταχύτητα κίνησης του ρυθμιστικού σώματος στον ενσωματωμένο ελεγκτή μπορεί να είναι σταθερή και μεταβλητή. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του ενιαίου ελεγκτή είναι η απουσία αναλογικής σχέσης μεταξύ των τιμών σταθερής κατάστασης της ελεγχόμενης παραμέτρου και της θέσης του ρυθμιστικού σώματος.

Στο σχ.Το σχήμα 6 δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα ενός συστήματος αυτόματου ελέγχου θερμοκρασίας που χρησιμοποιεί έναν ενσωματωμένο ελεγκτή Σε αντίθεση με το αναλογικό κύκλωμα ελέγχου θερμοκρασίας (βλ. Εικ. 4), δεν έχει άκαμπτο βρόχο ανάδρασης.

Ρύζι. 6. Σχέδιο ενσωματωμένου ελέγχου θερμοκρασίας αέρα

Σε έναν ενσωματωμένο ελεγκτή, η ταχύτητα του ρυθμιστικού σώματος είναι ευθέως ανάλογη με την τιμή της απόκλισης της ελεγχόμενης παραμέτρου.

Η διαδικασία του ενσωματωμένου ελέγχου θερμοκρασίας με ξαφνική αλλαγή στο φορτίο (κατανάλωση θερμότητας) φαίνεται στο Σχ. 7 χρησιμοποιώντας χρονικά χαρακτηριστικά. Όπως μπορείτε να δείτε από το γράφημα, η ελεγχόμενη παράμετρος με ενσωματωμένο έλεγχο επιστρέφει αργά στην καθορισμένη τιμή.

Ρύζι. 7. Χρονικά χαρακτηριστικά ολοκληρωτικής ρύθμισης

Ισόδρομοι (αναλογικοί-ολοκληρωτικοί) ελεγκτές

Ο εσοδρομικός έλεγχος έχει τις ιδιότητες τόσο του αναλογικού όσο και του ολοκληρωτικού ελέγχου. Η ταχύτητα κίνησης του ρυθμιστικού σώματος εξαρτάται από το μέγεθος και την ταχύτητα απόκλισης της ελεγχόμενης παραμέτρου.

Όταν η ελεγχόμενη παράμετρος αποκλίνει από την καθορισμένη τιμή, η ρύθμιση γίνεται ως εξής. Αρχικά, το ρυθμιστικό σώμα κινείται ανάλογα με το μέγεθος της απόκλισης της ελεγχόμενης παραμέτρου, δηλαδή πραγματοποιείται αναλογικός έλεγχος. Στη συνέχεια, ο ρυθμιστής κάνει μια πρόσθετη κίνηση, η οποία είναι απαραίτητη για την αφαίρεση των υπολειπόμενων ανωμαλιών (ολοκληρωμένη ρύθμιση).

Ένα ισοδρομικό σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας αέρα (Εικ. 8) μπορεί να επιτευχθεί αντικαθιστώντας την άκαμπτη ανάδραση στο αναλογικό κύκλωμα ελέγχου (βλ. Εικ.5) με ελαστική ανάδραση (από το ρυθμιστικό σώμα στον κινητήρα για αντίσταση ανάδρασης). Η ηλεκτρική ανάδραση σε ένα ισοδρομικό σύστημα παρέχεται από ένα ποτενσιόμετρο και τροφοδοτείται στο σύστημα ελέγχου μέσω ενός βρόχου που περιέχει αντίσταση R και χωρητικότητα C.

Κατά τις μεταβατικές περιόδους, το σήμα ανάδρασης μαζί με το σήμα απόκλισης παραμέτρου επηρεάζει τα επόμενα στοιχεία του συστήματος (ενισχυτής, ηλεκτροκινητήρας). Με ένα ακίνητο ρυθμιστικό σώμα, σε όποια θέση κι αν είναι, όταν φορτίζεται ο πυκνωτής C, το σήμα ανάδρασης διασπάται (σε ​​ακίνητη κατάσταση είναι ίσο με μηδέν).

Ρύζι. 8. Σχέδιο ισοδρομικής ρύθμισης της θερμοκρασίας του αέρα

Χαρακτηριστικό της ισοδρομικής ρύθμισης είναι ότι η ανομοιομορφία ρύθμισης (σχετικό σφάλμα) μειώνεται με την αύξηση του χρόνου, πλησιάζοντας το μηδέν. Σε αυτήν την περίπτωση, η ανάδραση δεν θα προκαλέσει υπολειπόμενες αποκλίσεις της ελεγχόμενης τιμής.

Έτσι, ο ισοδρομικός έλεγχος παράγει σημαντικά καλύτερα αποτελέσματα από τον αναλογικό ή τον ολοκληρωτικό (για να μην αναφέρουμε τον έλεγχο θέσης). Ο αναλογικός έλεγχος λόγω της παρουσίας άκαμπτης ανάδρασης συμβαίνει σχεδόν αμέσως, ισοδρομικός - πιο αργά.

Λογισμικά συστήματα για αυτόματο έλεγχο θερμοκρασίας

Για την εφαρμογή προγραμματισμένου ελέγχου, είναι απαραίτητο να επηρεάζετε συνεχώς τη ρύθμιση (σημείο ρύθμισης) του ρυθμιστή, έτσι ώστε η ελεγχόμενη τιμή να αλλάζει σύμφωνα με έναν προκαθορισμένο νόμο. Για το σκοπό αυτό, ο ρυθμιστικός ρυθμιστής είναι εξοπλισμένος με ένα στοιχείο λογισμικού. Αυτή η συσκευή χρησιμεύει για τον καθορισμό του νόμου αλλαγής της καθορισμένης τιμής.

Κατά τη διάρκεια της ηλεκτρικής θέρμανσης, ο ενεργοποιητής του συστήματος αυτόματου ελέγχου μπορεί να ενεργήσει για να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει τα τμήματα των ηλεκτρικών θερμαντικών στοιχείων, αλλάζοντας έτσι τη θερμοκρασία της θερμαινόμενης εγκατάστασης σύμφωνα με ένα δεδομένο πρόγραμμα. Ο προγραμματισμένος έλεγχος της θερμοκρασίας και της υγρασίας του αέρα χρησιμοποιείται ευρέως σε τεχνητές κλιματικές εγκαταστάσεις.