Automatische temperatuurregelsystemen

Volgens het regelprincipe zijn alle automatische besturingssystemen verdeeld in vier klassen.

1. Automatisch stabilisatiesysteem — een systeem waarbij de regelaar een constante ingestelde waarde van de gecontroleerde parameter handhaaft.

2. Geprogrammeerd besturingssysteem — een systeem dat zorgt voor een verandering in de gecontroleerde parameter volgens een vooraf bepaalde wet (in de tijd).

3. Volgsysteem — een systeem dat zorgt voor een verandering in de gecontroleerde parameter, afhankelijk van een andere waarde.

4. Extreem regelsysteem — een systeem waarin de regelaar de waarde van de geregelde variabele handhaaft die optimaal is voor de veranderende omstandigheden.

Om het temperatuurregime van elektrische verwarmingsinstallaties te regelen, worden voornamelijk systemen van de eerste twee klassen gebruikt.

Automatische temperatuurregelsystemen kunnen naar hun type werking worden onderverdeeld in twee groepen: periodieke en continue regeling.

Automatische regelaars automatische besturingssystemen (ACS) volgens hun functionele kenmerken zijn ze onderverdeeld in vijf typen: positioneel (relais), proportioneel (statisch), integraal (astatisch), isodromisch (proportioneel-integraal), isodromisch met voorschot en met de eerste afgeleide.

Klepstandstellers behoren tot periodieke ACS en andere typen regelaars worden continue ACS genoemd. Hieronder bekijken we de belangrijkste kenmerken van positionele, proportionele, integrale en isodromische regelaars, die het vaakst worden gebruikt in automatische temperatuurregelsystemen.

Een functieschema van automatische temperatuurregeling (fig. 1) bestaat uit een regelobject 1, een temperatuursensor 2, een programma-apparaat of temperatuurregelaar 4, een regelaar 5 en een actuator 8. In veel gevallen wordt een primaire versterker 3 geplaatst tussen de sensor en het programma-apparaat, en tussen de regelaar en het aandrijfmechanisme - een secundaire versterker 6. Een extra sensor 7 wordt gebruikt in isodromische regelsystemen.

Rijst. 1. Functioneel schema van automatische temperatuurregeling

Thermokoppels, thermokoppels (thermistors) en weerstand thermometers... De meest gebruikte thermokoppels. Zie hier voor meer informatie over hen: Thermo-elektrische omvormers (thermokoppels)

Positionele (relais) temperatuurregelaars

Positioneel verwijst naar dergelijke toezichthouders waarbij de toezichthouder twee of drie specifieke posities kan innemen. In elektrische verwarmingsinstallaties worden twee- en driestandenregelaars gebruikt. Ze zijn eenvoudig en betrouwbaar te bedienen.

In afb. 2 toont een schematisch diagram voor het in- en uitschakelen van de luchttemperatuur.

Rijst. 2.Schematisch diagram van luchttemperatuurregeling bij in- en uitschakelen: 1 — stuurobject, 2 — meetbrug, 3 — gepolariseerd relais, 4 — bekrachtigingswikkelingen van de elektromotor, 5 — motoranker, 6 — versnellingsbak, 7 — verwarming .

Om de temperatuur in het te regelen object te regelen, wordt de weerstand RT gebruikt, die is aangesloten op een van de armen van de meetbrug 2. De waarden van de weerstanden van de brug worden zo gekozen dat bij bij een bepaalde temperatuur is de brug in evenwicht, dat wil zeggen dat de spanning in de diagonaal van de brug gelijk is aan nul. Wanneer de temperatuur stijgt, schakelt het gepolariseerde relais 3, opgenomen in de diagonaal van de meetbrug, een van de wikkelingen 4 van de gelijkstroommotor in, die met behulp van het verloopstuk 6 de luchtklep voor de verwarming sluit 7. Als de temperatuur daalt, gaat het luchtventiel volledig open.

Met een temperatuurregeling met twee standen kan de hoeveelheid toegevoerde warmte worden ingesteld op slechts twee niveaus: maximum en minimum. De maximale hoeveelheid warmte moet groter zijn dan nodig is om de ingestelde gecontroleerde temperatuur te behouden, en de minimale hoeveelheid moet lager zijn. In dit geval schommelt de luchttemperatuur rond de ingestelde waarde, dat wil zeggen de zogenaamde zelfoscillerende modus (afb. 3, a).

Temperatuurlijnen τn en τв definiëren de onder- en bovengrens van de dode zone. Wanneer de temperatuur van het gecontroleerde object, afnemend, de waarde τ bereikt, neemt de hoeveelheid toegevoerde warmte onmiddellijk toe en begint de temperatuur van het object te stijgen. Bij het bereiken van de zin τв vermindert de regelaar de warmtetoevoer en daalt de temperatuur.

Rijst. 3.Tijdkarakteristiek van aan-uit regeling (a) en statische karakteristiek van een aan-uit regelaar (b).

De snelheid van temperatuurstijging en -daling hangt af van de eigenschappen van het gecontroleerde object en van zijn tijdkarakteristiek (versnellingscurve). Temperatuurschommelingen overschrijden de dode zone niet als veranderingen in de warmtetoevoer onmiddellijk temperatuurveranderingen veroorzaken, dat wil zeggen als er geen vertraging is van het gecontroleerde object.

Naarmate de dode zone afneemt, neemt de amplitude van temperatuurschommelingen af ​​tot nul bij τn = τv. Dit vereist echter dat de warmtetoevoer met een oneindig hoge frequentie varieert, wat in de praktijk uiterst moeilijk realiseerbaar is. Er is een vertraging in alle echte besturingsobjecten. Het reguleringsproces daarin verloopt als volgt.

Wanneer de temperatuur van het besturingsobject daalt tot de waarde τ, verandert de voeding onmiddellijk, maar door de vertraging blijft de temperatuur nog enige tijd dalen. Dan stijgt het naar de waarde τв, waarbij de warmte-invoer onmiddellijk afneemt. De temperatuur blijft enige tijd stijgen, daarna daalt de temperatuur door de verminderde warmte-inbreng en herhaalt het proces zich opnieuw.

In afb. 3, b toont een statische karakteristiek van een tweepuntsregelaar... Hieruit volgt dat het regulerende effect op het object slechts twee waarden kan aannemen: maximum en minimum. In het beschouwde voorbeeld komt het maximum overeen met de positie waarin de luchtklep (zie Fig. 2) volledig open is, het minimum - wanneer de klep gesloten is.

Het teken van de regelactie wordt bepaald door het teken van de afwijking van de geregelde waarde (temperatuur) van de ingestelde waarde. De mate van regelgevende invloed is constant. Alle aan/uit-controllers hebben een hysteresisgebied α, dat ontstaat door het verschil tussen de aan- en uitvalstromen van het elektromagnetische relais.

Voorbeeld van het gebruik van tweepunts temperatuurregeling: Automatische temperatuurregeling in ovens met verwarmingsweerstand

Proportionele (statische) temperatuurregelaars

In gevallen waar een hoge regelnauwkeurigheid vereist is of wanneer het zelfoscillerende proces onaanvaardbaar is, gebruik dan regelaars met een continu regelproces... Dit omvat proportionele regelaars (P-controllers) die geschikt zijn voor het regelen van een breed scala aan technologische processen.

In gevallen waar een hoge regelnauwkeurigheid vereist is of wanneer het zelfoscillerende proces onaanvaardbaar is, worden regelaars met een continu regelproces gebruikt. Denk hierbij aan proportionele regelaars (P-regelaars) die geschikt zijn voor het regelen van de meest uiteenlopende technologische processen.

Bij automatische besturingssystemen met P-regelaars is de positie van het regellichaam (y) recht evenredig met de waarde van de gestuurde parameter (x):

y = k1x,

waarbij k1 de evenredigheidsfactor is (controllerversterking).

Deze evenredigheid vindt plaats totdat de regelaar zijn eindposities bereikt (eindschakelaars).

De bewegingssnelheid van het regulerende lichaam is recht evenredig met de veranderingssnelheid van de gecontroleerde parameter.

In afb.4 toont een schematisch diagram van een automatisch regelsysteem voor de kamertemperatuur met behulp van een proportionele regelaar. De kamertemperatuur wordt gemeten met een RTD-weerstandsthermometer die is aangesloten op meetcircuit 1 van de brug.

Rijst. 4. Schema van proportionele luchttemperatuurregeling: 1 — meetbrug, 2 — besturingsobject, 3 — warmtewisselaar, 4 — condensatormotor, 5 — fasegevoelige versterker.

Bij een gegeven temperatuur is de brug in balans. Wanneer de gecontroleerde temperatuur afwijkt van de ingestelde waarde, verschijnt er een onbalansspanning in de diagonaal van de brug, waarvan de grootte en het teken afhangen van de grootte en het teken van de temperatuurafwijking. Deze spanning wordt versterkt door een fasegevoelige versterker 5, aan de uitgang waarvan de wikkeling van een tweefasige condensatormotor 4 van de aandrijving wordt ingeschakeld.

Het aandrijfmechanisme beweegt het regellichaam, waardoor de koelvloeistofstroom in de warmtewisselaar 3 verandert. Gelijktijdig met de beweging van het regellichaam verandert de weerstand van één van de armen van de meetbrug, waardoor de temperatuur waarbij de brug is in evenwicht.

Door de starre terugkoppeling komt dus elke stand van het regellichaam overeen met zijn eigen evenwichtswaarde van de geregelde temperatuur.

De proportionele (statische) regelaar wordt gekenmerkt door niet-uniformiteit van de restregeling.

Bij een sterke afwijking van de belasting van de ingestelde waarde (op het moment t1), zal de geregelde parameter na een bepaalde tijd (moment t2) een nieuwe stabiele waarde bereiken (fig. 4).Dit is echter alleen mogelijk met een nieuwe stand van het regellichaam, dat wil zeggen met een nieuwe waarde van de gestuurde parameter, die met δ afwijkt van de vooraf ingestelde waarde.

Rijst. 5. Timingkarakteristieken van proportionele regeling

Het nadeel van proportionele regelaars is dat slechts één specifieke positie van het bedieningselement overeenkomt met elke parameterwaarde. Om de ingestelde waarde van de parameter (temperatuur) te behouden wanneer de belasting (warmteverbruik) verandert, is het noodzakelijk dat het regelorgaan een andere positie inneemt die overeenkomt met de nieuwe belastingswaarde. Bij een proportionele regelaar gebeurt dit niet, met als gevolg een restafwijking van de geregelde parameter.

Integraal (astatische controllers)

Integraal (astatisch) worden zulke regelaars genoemd waarbij, wanneer de parameter afwijkt van de ingestelde waarde, het regellichaam steeds meer of langzamer en steeds in één richting beweegt (binnen de werkslag) totdat de parameter weer de ingestelde waarde aanneemt. De bewegingsrichting van het verstelelement verandert alleen als de parameter de ingestelde waarde overschrijdt.

Bij integrale elektrische actiecontrollers wordt meestal een kunstmatige dode zone gecreëerd, waarbinnen een wijziging van een parameter geen bewegingen van het regellichaam veroorzaakt.

De bewegingssnelheid van het regellichaam in de integrale besturing kan constant en variabel zijn. Kenmerkend voor de integrale controller is de afwezigheid van een proportionele relatie tussen de stationaire waarden van de gecontroleerde parameter en de positie van het regellichaam.

In afb.6 toont een schematisch diagram van een automatisch temperatuurregelsysteem dat gebruik maakt van een integrale regelaar.In tegenstelling tot het proportionele temperatuurregelcircuit (zie Fig. 4) heeft het geen rigide feedbacklus.

Rijst. 6. Schema van geïntegreerde luchttemperatuurregeling

Bij een integrale regelaar is de snelheid van het regelorgaan recht evenredig met de waarde van de afwijking van de geregelde parameter.

Het proces van geïntegreerde temperatuurregeling met een plotselinge verandering in belasting (warmteverbruik) wordt getoond in Fig. 7 met behulp van temporele kenmerken. Zoals u in de grafiek kunt zien, keert de gecontroleerde parameter met integrale regeling langzaam terug naar de ingestelde waarde.

Rijst. 7. Tijdskarakteristieken integrale regeling

Isodromische (proportionele integrale) controllers

Esodromische controle heeft de eigenschappen van zowel proportionele als integrale controle. De bewegingssnelheid van het regulerende lichaam hangt af van de grootte en snelheid van de afwijking van de gecontroleerde parameter.

Wanneer de gecontroleerde parameter afwijkt van de ingestelde waarde, wordt de aanpassing als volgt uitgevoerd. Aanvankelijk beweegt het regellichaam afhankelijk van de grootte van de afwijking van de gecontroleerde parameter, dat wil zeggen dat er een proportionele regeling wordt uitgevoerd. Vervolgens maakt de regelaar een extra beweging, die nodig is om de resterende onregelmatigheden weg te werken (integraal reguleren).

Een isodromisch regelsysteem voor de luchttemperatuur (Fig. 8) kan worden verkregen door de starre feedback in het proportionele regelcircuit te vervangen (zie Fig.5) met elastische terugkoppeling (van het regellichaam naar de motor voor terugkoppelingsweerstand). Elektrische feedback in een isodromisch systeem wordt geleverd door een potentiometer en wordt in het regelsysteem gevoerd via een lus met weerstand R en capaciteit C.

Tijdens transiënten beïnvloedt het feedbacksignaal samen met het parameterafwijkingssignaal de volgende elementen van het systeem (versterker, elektromotor). Bij een stationair regellichaam, in welke stand dan ook, valt bij het opladen van condensator C het terugkoppelsignaal weg (in stationaire toestand is het gelijk aan nul).

Rijst. 8. Schema van isodromische regeling van de luchttemperatuur

Het is kenmerkend voor isodromische regulatie dat de niet-uniformiteit van regulatie (relatieve fout) met toenemende tijd afneemt en nul nadert. In dit geval zal de terugkoppeling geen resterende afwijkingen van de geregelde waarde veroorzaken.

Isodromische regeling levert dus aanzienlijk betere resultaten op dan proportionele of integrale (om nog maar te zwijgen van positionele regeling). Proportionele controle vanwege de aanwezigheid van rigide feedback vindt vrijwel onmiddellijk plaats, isodromisch - langzamer.

Softwaresystemen voor automatische temperatuurregeling

Om geprogrammeerde regeling te implementeren is het nodig om continu de instelling (setpoint) van de regelaar te beïnvloeden zodat de geregelde waarde verandert volgens een vooraf bepaalde wetmatigheid. Hiervoor is de regulerende regelaar uitgerust met een software-element. Dit apparaat dient om de veranderingswet van de ingestelde waarde vast te stellen.

Tijdens elektrische verwarming kan de actuator van het automatische regelsysteem werken om de secties van de elektrische verwarmingselementen in of uit te schakelen, waardoor de temperatuur van de verwarmde installatie verandert in overeenstemming met een bepaald programma. Geprogrammeerde regeling van luchttemperatuur en luchtvochtigheid wordt veel gebruikt in kunstmatige klimaatinstallaties.