Sistemes automàtics de control de temperatura

Segons el principi de regulació, tots els sistemes de control automàtic es divideixen en quatre classes.

1. Sistema d'estabilització automàtica: un sistema en què el regulador manté un valor establert constant del paràmetre controlat.

2. Sistema de control programat — un sistema que proporciona un canvi en el paràmetre controlat segons una llei predeterminada (en el temps).

3. Sistema de seguiment: un sistema que proporciona un canvi en el paràmetre controlat en funció d'algun altre valor.

4. Sistema de regulació extrema: un sistema en què el regulador manté el valor de la variable controlada que és òptim per a les condicions canviants.

Per regular el règim de temperatura de les instal·lacions de calefacció elèctrica, s'utilitzen principalment sistemes de les dues primeres classes.

Els sistemes automàtics de control de temperatura pel seu tipus de funcionament es poden dividir en dos grups: regulació periòdica i regulació contínua.

Reguladors automàtics Sistemes de control automàtic (ACS) segons les seves característiques funcionals, es divideixen en cinc tipus: posicionals (relé), proporcionals (estàtiques), integrals (astàtiques), isodròmiques (proporcionals-integrals), isodròmiques amb avanç i amb la primera derivada.

Els posicionadors pertanyen a ACS periòdics i altres tipus de reguladors s'anomenen ACS continus. A continuació considerem les característiques principals dels controladors posicionals, proporcionals, integrals i isodròmics, que s'utilitzen més sovint en sistemes automàtics de control de temperatura.

Un diagrama funcional de control automàtic de la temperatura (Fig. 1) consta d'un objecte de control 1, un sensor de temperatura 2, un dispositiu de programa o regulador de temperatura 4, un regulador 5 i un actuador 8. En molts casos, es col·loca un amplificador primari 3. entre el sensor i el dispositiu del programa, i entre el regulador i el mecanisme d'accionament: un amplificador secundari 6. Un sensor addicional 7 s'utilitza en sistemes de control isodròmic.

Arròs. 1. Esquema funcional de la regulació automàtica de la temperatura

Termoparells, termoparells (termistors) i termòmetres de resistència... Els termoparells més utilitzats. Per a més detalls sobre ells, consulteu aquí: Convertidors termoelèctrics (termoparells)

Reguladors de temperatura posicionals (relé).

Posicional es refereix a aquests reguladors on el regulador pot ocupar dues o tres posicions específiques. Els reguladors de dues i tres posicions s'utilitzen en instal·lacions de calefacció elèctrica. Són senzills i fiables d'operar.

A la fig. La figura 2 mostra un diagrama esquemàtic per controlar la temperatura de l'aire encès i apagat.

Arròs. 2.Diagrama esquemàtic de la regulació de la temperatura de l'aire en encendre i apagar: 1 - objecte de control, 2 - pont de mesura, 3 - relé polaritzat, 4 - bobinatges d'excitació del motor elèctric, 5 - armadura del motor, 6 - caixa de canvis, 7 - escalfador .

Per controlar la temperatura en l'objecte de regulació, s'utilitza la resistència RT, que està connectada a un dels braços del pont de mesura 2. Els valors de les resistències del pont es seleccionen de manera que a una temperatura determinada el pont està equilibrat, és a dir, la tensió a la diagonal del pont és igual a zero. Quan la temperatura augmenta, el relé polaritzat 3, inclòs a la diagonal del pont de mesura, encén un dels bobinatges 4 del motor de corrent continu, que, amb l'ajuda del reductor 6, tanca la vàlvula d'aire davant de l'escalfador. 7. Quan la temperatura baixa, la vàlvula d'aire s'obre completament.

Amb la regulació de la temperatura de dues posicions, la quantitat de calor subministrada només es pot configurar en dos nivells: màxim i mínim. La quantitat màxima de calor ha de ser superior a la necessària per mantenir la temperatura controlada establerta, i la mínima ha de ser inferior. En aquest cas, la temperatura de l'aire oscil·la al voltant del valor establert, és a dir, l'anomenat mode auto-oscil·lant (Fig. 3, a).

Les línies de temperatura τn i τв defineixen els límits inferior i superior de la zona morta. Quan la temperatura de l'objecte controlat, disminuint, arriba al valor τ, la quantitat de calor subministrada augmenta instantàniament i la temperatura de l'objecte comença a augmentar. En arribar al sentit τв, el regulador redueix el subministrament de calor i la temperatura disminueix.

Arròs. 3.Característica temporal de la regulació d'encesa-apagada (a) i característica estàtica d'un regulador d'encesa-apagada (b).

La velocitat de pujada i baixada de la temperatura depèn de les propietats de l'objecte controlat i de la seva característica temporal (corba d'acceleració). Les fluctuacions de temperatura no superen la zona morta si els canvis en el subministrament de calor provoquen immediatament canvis de temperatura, és a dir, si no hi ha retard de l'objecte controlat.

A mesura que la zona morta disminueix, l'amplitud de les fluctuacions de temperatura disminueix a zero a τn = τv. Tanmateix, això requereix que el subministrament de calor variï a una freqüència infinitament alta, cosa que és extremadament difícil d'implementar a la pràctica. Hi ha un retard en tots els objectes de control reals. El procés de regulació en ells es desenvolupa de la següent manera.

Quan la temperatura de l'objecte de control baixa al valor τ, la font d'alimentació canvia immediatament, però a causa del retard, la temperatura continua disminuint durant un temps. Aleshores puja al valor τв, en el qual l'entrada de calor disminueix instantàniament. La temperatura continua augmentant durant un temps, després, a causa de l'aportació de calor reduïda, la temperatura baixa i el procés es repeteix de nou.

A la fig. 3, b mostra una característica estàtica d'un controlador de dues posicions... Es dedueix que l'efecte regulador sobre l'objecte només pot prendre dos valors: màxim i mínim. En l'exemple considerat, el màxim correspon a la posició on la vàlvula d'aire (vegeu la figura 2) està totalment oberta, el mínim, quan la vàlvula està tancada.

El signe de l'acció de control està determinat pel signe de la desviació del valor controlat (temperatura) del seu valor establert. El grau d'influència reguladora és constant. Tots els controladors d'encesa/apagada tenen una àrea d'histèresi α, que es produeix a causa de la diferència entre els corrents de captació i de baixada del relé electromagnètic.

Exemple d'ús del control de temperatura de dos punts: Control automàtic de temperatura en forns amb resistència a l'escalfament

Controladors de temperatura proporcionals (estàtics).

En els casos en què es requereixi una gran precisió de control o quan el procés d'auto-oscil·lació sigui inacceptable, utilitzeu reguladors amb un procés de regulació continu... Entre ells, els controladors proporcionals (controladors P) aptes per regular una gran varietat de processos tecnològics.

En els casos en què es requereix una alta precisió de regulació o quan el procés d'auto-oscil·lació és inacceptable, s'utilitzen reguladors amb un procés de regulació continu. Aquests inclouen controladors proporcionals (controladors P) adequats per regular una gran varietat de processos tecnològics.

En els sistemes de control automàtic amb reguladors P, la posició del cos regulador (y) és directament proporcional al valor del paràmetre controlat (x):

y = k1x,

on k1 és el factor de proporcionalitat (guany del controlador).

Aquesta proporcionalitat té lloc fins que el regulador arriba a les seves posicions finals (interruptors de final de carrera).

La velocitat de moviment del cos regulador és directament proporcional a la velocitat de canvi del paràmetre controlat.

A la fig.La figura 4 mostra un diagrama esquemàtic d'un sistema de control automàtic de la temperatura ambient mitjançant un controlador proporcional. La temperatura ambient es mesura amb un termòmetre de resistència RTD connectat al circuit de mesura 1 del pont.

Arròs. 4. Esquema de control proporcional de la temperatura de l'aire: 1 — pont de mesura, 2 — objecte de control, 3 — intercanviador de calor, 4 — motor condensador, 5 — amplificador sensible a la fase.

A una temperatura determinada, el pont està equilibrat. Quan la temperatura controlada es desvia del valor establert, apareix una tensió de desequilibri a la diagonal del pont, la magnitud i el signe de la qual depenen de la magnitud i el signe de la desviació de la temperatura. Aquesta tensió s'amplifica amb un amplificador sensible a la fase 5, a la sortida del qual s'activa l'enrotllament d'un motor de condensador bifàsic 4 de la unitat.

El mecanisme d'accionament mou el cos regulador, canviant el flux de refrigerant a l'intercanviador de calor 3. Simultàniament amb el moviment del cos regulador, la resistència d'un dels braços del pont de mesura canvia, com a resultat de la qual cosa la temperatura a la qual el pont està equilibrat.

Així, a causa de la retroalimentació rígida, cada posició del cos regulador correspon al seu propi valor d'equilibri de la temperatura controlada.

El controlador proporcional (estàtic) es caracteritza per la no uniformitat de la regulació residual.

En el cas d'una desviació brusca de la càrrega respecte al valor establert (en el moment t1), el paràmetre controlat arribarà al cap d'un determinat període de temps (moment t2) a un nou valor estable (Fig. 4).Tanmateix, això només és possible amb una nova posició del cos regulador, és a dir, amb un nou valor del paràmetre controlat, que difereix del valor preestablert per δ.

Arròs. 5. Característiques temporals del control proporcional

El desavantatge dels controladors proporcionals és que només una posició específica de l'element de control correspon a cada valor de paràmetre. Per mantenir el valor establert del paràmetre (temperatura) quan la càrrega (consum de calor) canvia, és necessari que l'organisme regulador prengui una posició diferent corresponent al nou valor de càrrega. En un controlador proporcional, això no passa, donant lloc a una desviació residual del paràmetre controlat.

Integral (controladors astàtics)

Els reguladors integrals (astàtics) s'anomenen aquests reguladors en què, quan el paràmetre es desvia del valor establert, el cos regulador es mou més o més lentament i tot el temps en una direcció (dins de la carrera de treball) fins que el paràmetre torna a assumir el valor establert. La direcció del moviment de l'element d'ajust només canvia quan el paràmetre supera el valor establert.

En els controladors d'acció elèctrica integrals, normalment es crea una zona morta artificial, dins de la qual un canvi en un paràmetre no provoca moviments del cos regulador.

La velocitat de moviment del cos regulador en el controlador integral pot ser constant i variable. Un tret característic del controlador integral és l'absència de relació proporcional entre els valors d'estat estacionari del paràmetre controlat i la posició de l'organisme regulador.

A la fig.La figura 6 mostra un diagrama esquemàtic d'un sistema de control automàtic de la temperatura mitjançant un controlador integral.A diferència del circuit de control de temperatura proporcional (vegeu la figura 4), no té un bucle de retroalimentació rígid.

Arròs. 6. Esquema de control integrat de la temperatura de l'aire

En un controlador integral, la velocitat del cos regulador és directament proporcional al valor de la desviació del paràmetre controlat.

El procés de control de temperatura integrat amb un canvi sobtat de càrrega (consum de calor) es mostra a la Fig. 7 utilitzant característiques temporals. Com es pot veure al gràfic, el paràmetre controlat amb control integral torna lentament al valor establert.

Arròs. 7. Característiques temporals de la regulació integral

Controladors isodròmics (proporcionals-integrals).

El control esodròmic té les propietats tant del control proporcional com integral. La velocitat de moviment del cos regulador depèn de la magnitud i la velocitat de desviació del paràmetre controlat.

Quan el paràmetre controlat es desvia del valor establert, l'ajust es fa de la següent manera. Inicialment, el cos regulador es mou en funció de la magnitud de la desviació del paràmetre controlat, és a dir, es realitza un control proporcional. A continuació, el regulador fa un moviment addicional, necessari per eliminar les irregularitats residuals (regulació integral).

Es pot obtenir un sistema de control de temperatura de l'aire isodròmic (Fig. 8) substituint la retroalimentació rígida en el circuit de control proporcional (vegeu la Fig.5) amb retroalimentació elàstica (des del cos regulador fins al motor per a la resistència de retroalimentació). La retroalimentació elèctrica en un sistema isodròmic és proporcionada per un potenciòmetre i s'introdueix al sistema de control mitjançant un bucle que conté la resistència R i la capacitat C.

Durant els transitoris, el senyal de retroalimentació juntament amb el senyal de desviació del paràmetre afecta els elements posteriors del sistema (amplificador, motor elèctric). Amb un cos regulador estacionari, en la posició que sigui, quan el condensador C està carregat, el senyal de retroalimentació decau (en estat estacionari és igual a zero).

Arròs. 8. Esquema de regulació isodròmica de la temperatura de l'aire

És característic de la regulació isodròmica que la no uniformitat de la regulació (error relatiu) disminueix amb l'augment del temps, apropant-se a zero. En aquest cas, la retroalimentació no provocarà desviacions residuals del valor controlat.

Així, el control isodròmic produeix resultats significativament millors que el proporcional o integral (per no parlar del control posicional). El control proporcional a causa de la presència de retroalimentació rígida es produeix gairebé a l'instant, isodròmic, més lentament.

Sistemes de programari per al control automàtic de la temperatura

Per implementar el control programat, cal influir contínuament en la configuració (punt de consigna) del regulador de manera que el valor controlat canviï segons una llei predeterminada. Amb aquesta finalitat, el regulador regulador està equipat amb un element de programari. Aquest dispositiu serveix per establir la llei de canvi del valor establert.

Durant la calefacció elèctrica, l'actuador del sistema de control automàtic pot actuar per encendre o apagar les seccions dels elements de calefacció elèctrics, canviant així la temperatura de la instal·lació de calefacció d'acord amb un programa determinat. El control programat de la temperatura i la humitat de l'aire s'utilitza àmpliament en instal·lacions de clima artificial.