מערכות בקרת טמפרטורה אוטומטיות

על פי עקרון הרגולציה, כל מערכות הבקרה האוטומטיות מחולקות לארבע מחלקות.

1. מערכת ייצוב אוטומטית - מערכת בה הווסת שומר על ערך קבוע קבוע של הפרמטר הנשלט.

2. מערכת בקרה מתוכנתת - מערכת המספקת שינוי בפרמטר המבוקר לפי חוק שנקבע מראש (בזמן).

3. מערכת מעקב - מערכת המספקת שינוי בפרמטר הנשלט בהתאם לערך אחר.

4. מערכת ויסות אקסטרים - מערכת בה הרגולטור שומר על ערכו של המשתנה המבוקר האופטימלי לתנאים המשתנים.

כדי לווסת את משטר הטמפרטורה של מתקני חימום חשמליים, משתמשים בעיקר במערכות של שני המעמדות הראשונים.

ניתן לחלק מערכות בקרת טמפרטורה אוטומטיות לפי סוג הפעולה שלהן לשתי קבוצות: ויסות תקופתי ורציף.

רגולטורים אוטומטיים מערכות בקרה אוטומטיות (ACS) לפי המאפיינים הפונקציונליים שלהם, הם מחולקים לחמישה סוגים: מיקום (ממסר), פרופורציונלי (סטטי), אינטגרלי (סטטי), איזודרום (פרופורציונלי-אינטגרלי), איזודרום עם מקדמה ועם הנגזרת הראשונה.

המנחים שייכים ל-ACS תקופתיים, וסוגים אחרים של רגולטורים נקראים ACS רציפה. להלן נשקול את המאפיינים העיקריים של בקרים מיקוםיים, פרופורציונליים, אינטגרלים ואיזודרומיים, המשמשים לרוב במערכות בקרת טמפרטורה אוטומטיות.

תרשים פונקציונלי של בקרת טמפרטורה אוטומטית (איור 1) מורכב מאובייקט בקרה 1, חיישן טמפרטורה 2, התקן תוכנית או וסת טמפרטורה 4, ווסת 5 ומפעיל 8. במקרים רבים, מגבר ראשי 3 ממוקם בין החיישן להתקן התוכנית, ובין הרגולטור למנגנון ההנעה - מגבר משני 6. חיישן נוסף 7 משמש במערכות בקרה איזודרום.

אורז. 1. תכנית פונקציונלית של ויסות טמפרטורה אוטומטי

צמדים תרמיים, צמדים תרמיים (תרמיסטורים) ו מדי חום התנגדות... הצמדים התרמיים הנפוצים ביותר. לפרטים נוספים עליהם ראה כאן: ממירים תרמיים (צמדים תרמיים)

ווסתי טמפרטורה מיקום (ממסר).

מיקום מתייחס לרגולטורים כאלה שבהם הרגולטור יכול לתפוס שניים או שלושה עמדות ספציפיות. במתקני חימום חשמליים משתמשים בווסתים דו- ושלושה מצבים. הם פשוטים ואמינים לתפעול.

באיור. 2 מציג תרשים סכמטי לשליטה בטמפרטורת האוויר להפעלה וכיבוי.

אורז. 2.תרשים סכמטי של ויסות טמפרטורת האוויר בעת הפעלה וכיבוי: 1 - אובייקט בקרה, 2 - גשר מדידה, 3 - ממסר מקוטב, 4 - פיתולי עירור של המנוע החשמלי, 5 - אבזור מנוע, 6 - תיבת הילוכים, 7 - דוד .

כדי לשלוט על הטמפרטורה במושא הוויסות, משתמשים בהתנגדות RT המחוברת לאחת מזרועות גשר המדידה 2. ערכי ההתנגדויות של הגשר נבחרים כך שבשעה בטמפרטורה נתונה הגשר מאוזן, כלומר, המתח באלכסון הגשר שווה לאפס. כאשר הטמפרטורה עולה, הממסר המקוטב 3, הכלול באלכסון של גשר המדידה, מפעיל את אחת הפיתולים 4 של מנוע ה-DC, אשר בעזרת המפחית 6 סוגר את שסתום האוויר מול המחמם. 7. כשהטמפרטורה יורדת, שסתום האוויר נפתח לחלוטין.

עם ויסות טמפרטורה דו-מצבי, ניתן להגדיר את כמות החום המסופק לשתי רמות בלבד - מקסימום ומינימלי. כמות החום המקסימלית צריכה להיות גדולה מהנדרש כדי לשמור על הטמפרטורה המבוקרת שנקבעה, והמינימום צריך להיות פחות. במקרה זה, טמפרטורת האוויר משתנה סביב הערך שנקבע, כלומר, מה שנקרא מצב נדנוד עצמי (איור 3, א).

קווי טמפרטורה τn ו-τв מגדירים את הגבול התחתון והעליון של האזור המת. כאשר הטמפרטורה של האובייקט הנשלט, הולכת ופוחתת, מגיעה לערך τכמות החום המסופק עולה באופן מיידי וטמפרטורת האובייקט מתחילה לעלות. בהגיעו לתחושת τв, הרגולטור מקטין את אספקת החום והטמפרטורה יורדת.

אורז. 3.מאפיין זמן של ויסות הפעלה-כיבוי (א) ומאפיין סטטי לווסת הפעלה-כיבוי (ב).

מהירות עליית וירידת הטמפרטורה תלויה בתכונות האובייקט הנשלט ובאופן הזמן שלו (עקומת התאוצה). תנודות הטמפרטורה אינן חורגות מהאזור המת אם שינויים באספקת החום גורמים מיד לשינויי טמפרטורה, כלומר אם אין פיגור של האובייקט הנשלט.

ככל שהאזור המת יורד, משרעת תנודות הטמפרטורה יורדת לאפס ב-τn = τv. עם זאת, זה מחייב את אספקת החום להשתנות בתדר גבוה לאין שיעור, דבר שקשה מאוד ליישם בפועל. יש עיכוב בכל אובייקטי הבקרה האמיתיים. תהליך ההסדרה בהם מתנהל באופן הבא.

כאשר הטמפרטורה של אובייקט הבקרה יורדת לערך τ, אספקת החשמל משתנה מיד, אך עקב העיכוב, הטמפרטורה ממשיכה לרדת במשך זמן מה. ואז הוא עולה לערך τв, שבו קלט החום פוחת באופן מיידי. הטמפרטורה ממשיכה לעלות במשך זמן מה, ולאחר מכן עקב כניסת החום המופחתת, הטמפרטורה יורדת והתהליך חוזר שוב.

באיור. 3, b מראה מאפיין סטטי של בקר דו-מצבי... מכאן נובע שהשפעת הוויסות על האובייקט יכולה לקבל רק שני ערכים: מקסימום ומינימום. בדוגמה הנחשבת, המקסימום מתאים למצב שבו שסתום האוויר (ראה איור 2) פתוח לחלוטין, המינימום - כאשר השסתום סגור.

הסימן של פעולת הבקרה נקבע לפי סימן הסטייה של הערך המבוקר (הטמפרטורה) מהערך שנקבע. מידת ההשפעה הרגולטורית קבועה. לכל בקרי ההפעלה/כיבוי יש אזור היסטרזה α, המתרחש עקב ההבדל בין זרמי האיסוף וההפסקה של הממסר האלקטרומגנטי.

דוגמה לשימוש בקרת טמפרטורה בשתי נקודות: בקרת טמפרטורה אוטומטית בתנורים בעלי עמידות לחימום

בקרי טמפרטורה פרופורציונליים (סטטיים).

במקרים בהם נדרש דיוק בקרה גבוה או כאשר תהליך הנדנוד העצמי אינו מקובל, השתמשו ברגולטורים עם תהליך ויסות מתמשך... אלה כוללים בקרים פרופורציונליים (בקרי P) המתאימים לוויסות מגוון רחב של תהליכים טכנולוגיים.

במקרים בהם נדרש דיוק רגולציה גבוה או כאשר תהליך הנדנוד העצמי אינו מקובל, משתמשים ברגולטורים בעלי תהליך וויסות מתמשך. אלה כוללים בקרים פרופורציונליים (בקרי P) המתאימים לוויסות מגוון רחב של תהליכים טכנולוגיים.

במערכות בקרה אוטומטיות עם ווסתי P, המיקום של גוף הוויסות (y) הוא פרופורציונלי ישר לערך של הפרמטר הנשלט (x):

y = k1x,

כאשר k1 הוא גורם המידתיות (הגבר של הבקר).

מידתיות זו מתקיימת עד שהווסת מגיע למצבי הקצה שלו (מתגי גבול).

מהירות התנועה של הגוף המווסת עומדת ביחס ישר למהירות השינוי של הפרמטר הנשלט.

באיור.4 מציג תרשים סכמטי של מערכת בקרת טמפרטורת חדר אוטומטית באמצעות בקר פרופורציונלי. טמפרטורת החדר נמדדת באמצעות מדחום התנגדות RTD המחובר למעגל המדידה 1 של הגשר.

אורז. 4. ערכת בקרת טמפרטורת אוויר פרופורציונלית: 1 - גשר מדידה, 2 - אובייקט בקרה, 3 - מחליף חום, 4 - מנוע קבלים, 5 - מגבר רגיש לפאזה.

בטמפרטורה נתונה, הגשר מאוזן. כאשר הטמפרטורה המבוקרת חורגת מהערך שנקבע, מופיע מתח חוסר איזון באלכסון הגשר, שגודלו וסימנו תלויים בגודל ובסימן של סטיית הטמפרטורה. מתח זה מוגבר על ידי מגבר רגיש לפאזה 5, שבמוצאו מופעל הפיתול של מנוע קבלים דו-פאזי 4 של הכונן.

מנגנון ההנעה מזיז את גוף הוויסות, משנה את זרימת נוזל הקירור במחליף החום 3. במקביל לתנועת הגוף המווסת, משתנה ההתנגדות של אחת מזרועות גשר המדידה, וכתוצאה מכך הטמפרטורה שבה הגשר מאוזן.

לפיכך, בשל המשוב הנוקשה, כל מיקום של הגוף המווסת מתאים לערך שיווי המשקל שלו של הטמפרטורה המבוקרת.

הבקר הפרופורציונלי (סטטי) מאופיין בחוסר אחידות של הרגולציה השיורית.

במקרה של סטייה חדה של העומס מהערך שנקבע (ברגע t1), הפרמטר המבוקר יגיע לאחר פרק זמן מסוים (רגע t2) לערך יציב חדש (איור 4).עם זאת, זה אפשרי רק עם מיקום חדש של הגוף המווסת, כלומר, עם ערך חדש של הפרמטר הנשלט, השונה מהערך הקבוע מראש ב-δ.

אורז. 5. מאפייני תזמון של בקרה פרופורציונלית

החיסרון של בקרים פרופורציונליים הוא שרק מיקום רכיב בקרה ספציפי אחד מתאים לכל ערך פרמטר. כדי לשמור על הערך המוגדר של הפרמטר (טמפרטורה) כאשר העומס (צריכת החום) משתנה, יש צורך שהגוף המווסת יקבל עמדה שונה התואמת לערך העומס החדש. בבקר פרופורציונלי, זה לא קורה, מה שגורם לסטייה שיורית של הפרמטר הנשלט.

אינטגרלי (בקרים סטטיים)

אינטגרלי (סטטי) נקראים ווסתים כאלה שבהם, כאשר הפרמטר חורג מהערך שנקבע, הגוף המווסת נע לאט יותר או יותר וכל הזמן בכיוון אחד (בתוך מהלך העבודה) עד שהפרמטר שוב מקבל את הערך שנקבע. כיוון התנועה של אלמנט ההתאמה משתנה רק כאשר הפרמטר חורג מהערך שנקבע.

בבקרי פעולה חשמליים אינטגרליים, נוצר בדרך כלל אזור מת מלאכותי, שבתוכו שינוי בפרמטר אינו גורם לתנועות של הגוף המווסת.

מהירות התנועה של הגוף המווסת בבקר האינטגרלי יכולה להיות קבועה ומשתנה. מאפיין אופייני של הבקר האינטגרלי הוא היעדר יחסים פרופורציונליים בין ערכי המצב היציב של הפרמטר הנשלט לבין המיקום של הגוף המסדיר.

באיור.6 מציג תרשים סכמטי של מערכת בקרת טמפרטורה אוטומטית המשתמשת בבקר אינטגרלי. בניגוד למעגל בקרת הטמפרטורה הפרופורציונלית (ראה איור 4), אין לו לולאת משוב קשיחה.

אורז. 6. תכנית של בקרת טמפרטורת אוויר משולבת

בבקר אינטגרלי, מהירות הגוף המווסת עומדת ביחס ישר לערך הסטייה של הפרמטר הנשלט.

התהליך של בקרת טמפרטורה משולבת עם שינוי פתאומי בעומס (צריכת חום) מוצג באיור. 7 באמצעות מאפיינים זמניים. כפי שניתן לראות מהגרף, הפרמטר הנשלט עם שליטה אינטגרלית חוזר לאט לאט לערך שנקבע.

אורז. 7. מאפייני זמן של ויסות אינטגרלי

בקרים איזודומיים (פרופורציונליים-אינטגרליים).

לשליטה אזודרומית יש תכונות של שליטה פרופורציונלית וגם אינטגרלית. מהירות התנועה של הגוף המווסת תלויה בגודל ובמהירות הסטייה של הפרמטר הנשלט.

כאשר הפרמטר המבוקר חורג מהערך שנקבע, ההתאמה מתבצעת כדלקמן. בתחילה, הגוף המווסת נע בהתאם לגודל הסטייה של הפרמטר המבוקר, כלומר, מתבצעת בקרה פרופורציונלית. ואז הרגולטור מבצע תנועה נוספת, אשר נחוצה כדי להסיר את אי הסדרים הנותרים (ויסות אינטגרלי).

ניתן להשיג מערכת בקרת טמפרטורת אוויר איזודרום (איור 8) על ידי החלפת המשוב הקשיח במעגל הבקרה הפרופורציונלי (ראה איור.5) עם משוב אלסטי (מהגוף המווסת למנוע להתנגדות משוב). משוב חשמלי במערכת איזודרום מסופק על ידי פוטנציומטר ומוזן למערכת הבקרה דרך לולאה המכילה התנגדות R וקיבול C.

במהלך ארעיות, אות המשוב יחד עם אות סטיית הפרמטר משפיע על האלמנטים הבאים של המערכת (מגבר, מנוע חשמלי). עם גוף ויסות נייח, בכל מיקום שהוא, כאשר הקבל C נטען, אות המשוב דועך (במצב נייח הוא שווה לאפס).

אורז. 8. ערכת ויסות איזודרום של טמפרטורת האוויר

אופייני לוויסות איזודרום שחוסר האחידות של הרגולציה (שגיאה יחסית) פוחת עם הזמן המתקרב ומתקרב לאפס. במקרה זה, המשוב לא יגרום לסטיות שיוריות של הערך המבוקר.

לפיכך, שליטה איזודרום מייצרת תוצאות טובות יותר באופן משמעותי מאשר פרופורציונלי או אינטגרלי (שלא לדבר על שליטה מיקום). שליטה פרופורציונלית עקב נוכחות משוב נוקשה מתרחשת כמעט באופן מיידי, איזודרום - לאט יותר.

מערכות תוכנה לבקרת טמפרטורה אוטומטית

כדי ליישם בקרה מתוכנתת, יש צורך להשפיע באופן רציף על ההגדרה (setpoint) של הרגולטור כך שהערך המבוקר ישתנה בהתאם לחוק שנקבע מראש. לשם כך, הרגולטור הרגולטורי מצויד באלמנט תוכנה. מכשיר זה משמש לבסס את חוק השינוי של הערך שנקבע.

במהלך חימום חשמלי, המפעיל של מערכת הבקרה האוטומטית יכול לפעול להפעלה או כיבוי של חלקי גופי החימום החשמליים, ובכך לשנות את הטמפרטורה של המתקן המחומם בהתאם לתוכנית נתונה. שליטה מתוכנתת של טמפרטורת האוויר והלחות נמצאת בשימוש נרחב במתקני אקלים מלאכותיים.