Sistemi di controllo automatico della temperatura

Secondo il principio di regolazione, tutti i sistemi di controllo automatico sono suddivisi in quattro classi.

1. Sistema di stabilizzazione automatico — un sistema in cui il regolatore mantiene un valore impostato costante del parametro controllato.

2. Sistema di controllo programmato — un sistema che fornisce un cambiamento nel parametro controllato secondo una legge predeterminata (nel tempo).

3. Sistema di tracciamento: un sistema che fornisce un cambiamento nel parametro controllato in base a qualche altro valore.

4. Sistema di regolazione estrema — un sistema in cui il regolatore mantiene il valore della variabile controllata che è ottimale per le mutevoli condizioni.

Per regolare il regime di temperatura degli impianti di riscaldamento elettrico, vengono utilizzati principalmente i sistemi delle prime due classi.

I sistemi di controllo automatico della temperatura in base al loro tipo di funzionamento possono essere suddivisi in due gruppi: regolazione periodica e continua.

Regolatori automatici sistemi di controllo automatico (ACS) in base alle loro caratteristiche funzionali si dividono in cinque tipi: posizionali (relè), proporzionali (statici), integrali (astatici), isodromici (proporzionale-integrali), isodromici con anticipo e con derivata prima.

I posizionatori appartengono all'ACS periodico e altri tipi di regolatori sono chiamati ACS continui. Di seguito consideriamo le principali caratteristiche dei regolatori posizionali, proporzionali, integrali e isodromici, che sono più spesso utilizzati nei sistemi di controllo automatico della temperatura.

Uno schema funzionale del controllo automatico della temperatura (Fig. 1) è costituito da un oggetto di controllo 1, un sensore di temperatura 2, un dispositivo di programmazione o regolatore di temperatura 4, un regolatore 5 e un attuatore 8. In molti casi, viene posizionato un amplificatore primario 3 tra il sensore e il dispositivo di programmazione e tra il regolatore e il meccanismo di azionamento - un amplificatore secondario 6. Un sensore aggiuntivo 7 viene utilizzato nei sistemi di controllo isodromico.

Riso. 1. Schema funzionale della regolazione automatica della temperatura

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Regolatori di temperatura posizionali (relè).

Posizionale si riferisce a tali regolatori in cui il regolatore può occupare due o tre posizioni specifiche. I regolatori a due e tre posizioni sono utilizzati negli impianti di riscaldamento elettrico. Sono semplici e affidabili da usare.

Nella fig. 2 mostra un diagramma schematico per controllare l'accensione e lo spegnimento della temperatura dell'aria.

Riso. 2.Schema schematico della regolazione della temperatura dell'aria all'accensione e allo spegnimento: 1 - oggetto di controllo, 2 - ponte di misurazione, 3 - relè polarizzato, 4 - avvolgimenti di eccitazione del motore elettrico, 5 - armatura del motore, 6 - cambio, 7 - riscaldatore .

Per controllare la temperatura nell'oggetto di regolazione, viene utilizzata la resistenza RT, che è collegata a uno dei bracci del ponte di misura 2. I valori delle resistenze del ponte sono selezionati in modo tale che a ad una data temperatura il ponte è bilanciato, cioè la tensione nella diagonale del ponte è uguale a zero. Quando la temperatura sale, il relè polarizzato 3, compreso nella diagonale del ponte di misura, accende uno degli avvolgimenti 4 del motore DC, che, con l'ausilio del riduttore 6, chiude la valvola dell'aria davanti al riscaldatore 7. Quando la temperatura scende, la valvola dell'aria si apre completamente.

Con la regolazione della temperatura a due posizioni, la quantità di calore fornita può essere impostata solo su due livelli: massimo e minimo. La quantità massima di calore dovrebbe essere maggiore del necessario per mantenere la temperatura controllata impostata e la minima dovrebbe essere inferiore. In questo caso, la temperatura dell'aria oscilla attorno al valore impostato, ovvero la cosiddetta modalità auto-oscillante (Fig. 3, a).

Le linee di temperatura τn e τв definiscono i limiti inferiore e superiore della zona morta. Quando la temperatura dell'oggetto controllato, diminuendo, raggiunge il valore τLa quantità di calore fornita aumenta istantaneamente e la temperatura dell'oggetto comincia a salire. Raggiunto il senso τв, il regolatore riduce l'apporto di calore e la temperatura diminuisce.

Riso. 3.Tempo caratteristico della regolazione on-off (a) e caratteristica statica per un regolatore on-off (b).

La velocità di salita e discesa della temperatura dipende dalle proprietà dell'oggetto controllato e dalla sua caratteristica temporale (curva di accelerazione). Le fluttuazioni di temperatura non superano la zona morta se i cambiamenti nella fornitura di calore provocano immediatamente cambiamenti di temperatura, cioè se non c'è ritardo dell'oggetto controllato.

Man mano che la zona morta diminuisce, l'ampiezza delle fluttuazioni di temperatura diminuisce a zero a τn = τv. Tuttavia, ciò richiede che la fornitura di calore vari a una frequenza infinitamente elevata, il che è estremamente difficile da implementare nella pratica. C'è un ritardo in tutti gli oggetti di controllo reali. Il processo di regolamentazione in essi procede come segue.

Quando la temperatura dell'oggetto di controllo scende al valore τ, l'alimentazione cambia immediatamente, ma a causa del ritardo la temperatura continua a diminuire per qualche tempo. Quindi sale al valore τв, al quale l'apporto di calore diminuisce istantaneamente. La temperatura continua a salire per un po' di tempo, poi a causa del ridotto apporto di calore, la temperatura scende e il processo si ripete nuovamente.

Nella fig. 3, b mostra una caratteristica statica di un controller a due posizioni... Ne consegue che l'effetto di regolazione sull'oggetto può assumere solo due valori: massimo e minimo. Nell'esempio considerato, il massimo corrisponde alla posizione in cui la valvola dell'aria (vedi Fig. 2) è completamente aperta, il minimo - quando la valvola è chiusa.

Il segno dell'azione di controllo è determinato dal segno della deviazione del valore controllato (temperatura) dal suo valore impostato. Il grado di influenza normativa è costante. Tutti i controller on/off hanno un'area di isteresi α, che si verifica a causa della differenza tra le correnti di attivazione e disattivazione del relè elettromagnetico.

Esempio di utilizzo del controllo della temperatura a due punti: Controllo automatico della temperatura nei forni con resistenza di riscaldamento

Termoregolatori proporzionali (statici).

Nei casi in cui è richiesta un'elevata precisione di controllo o quando il processo auto-oscillante è inaccettabile, utilizzare regolatori con un processo di regolazione continuo... Questi includono controller proporzionali (P-controller)adatto per regolare un'ampia varietà di processi tecnologici.

Nei casi in cui è richiesta un'elevata precisione di regolazione o quando il processo di autooscillazione è inaccettabile, vengono utilizzati regolatori con processo di regolazione continuo. Questi includono regolatori proporzionali (regolatori P) adatti a regolare un'ampia varietà di processi tecnologici.

Nei sistemi di controllo automatico con regolatori P, la posizione del corpo regolatore (y) è direttamente proporzionale al valore del parametro controllato (x):

y = k1x,

dove k1 è il fattore di proporzionalità (guadagno del regolatore).

Questa proporzionalità si verifica fino a quando il regolatore non raggiunge le sue posizioni finali (finecorsa).

La velocità di movimento del corpo regolatore è direttamente proporzionale alla velocità di variazione del parametro controllato.

Nella fig.4 mostra un diagramma schematico di un sistema di controllo automatico della temperatura ambiente che utilizza un regolatore proporzionale. La temperatura ambiente viene misurata con una termoresistenza RTD collegata al circuito di misura 1 del ponte.

Riso. 4. Schema di controllo proporzionale della temperatura dell'aria: 1 - ponte di misurazione, 2 - oggetto di controllo, 3 - scambiatore di calore, 4 - motore a condensatore, 5 - amplificatore sensibile alla fase.

Ad una data temperatura, il ponte è bilanciato. Quando la temperatura controllata si discosta dal valore impostato, nella diagonale del ponte appare una tensione di squilibrio, la cui entità e segno dipendono dall'entità e dal segno della deviazione della temperatura. Questa tensione è amplificata da un amplificatore sensibile alla fase 5, all'uscita del quale è acceso l'avvolgimento di un motore a condensatore bifase 4 dell'azionamento.

Il meccanismo di azionamento sposta il corpo di regolazione, modificando il flusso del refrigerante nello scambiatore di calore 3. Contemporaneamente al movimento del corpo di regolazione, cambia la resistenza di uno dei bracci del ponte di misurazione, per cui la temperatura alla quale il ponte è bilanciato.

Pertanto, a causa della retroazione rigida, ogni posizione del corpo regolatore corrisponde al proprio valore di equilibrio della temperatura controllata.

Il regolatore proporzionale (statico) è caratterizzato dalla non uniformità della regolazione residua.

Nel caso di una forte deviazione del carico dal valore impostato (all'istante t1), il parametro controllato raggiungerà dopo un certo periodo di tempo (istante t2) un nuovo valore stabile (Fig. 4).Tuttavia, ciò è possibile solo con una nuova posizione del corpo regolatore, cioè con un nuovo valore del parametro controllato, che differisce dal valore preimpostato di δ.

Riso. 5. Caratteristiche temporali del controllo proporzionale

Lo svantaggio dei regolatori proporzionali è che a ciascun valore di parametro corrisponde solo una posizione specifica dell'elemento di controllo. Per mantenere il valore impostato del parametro (temperatura) al variare del carico (consumo termico), è necessario che il corpo di regolazione assuma una posizione diversa corrispondente al nuovo valore di carico. In un regolatore proporzionale ciò non accade, determinando una deviazione residua del parametro controllato.

Integrale (controllori astatici)

Integrali (astatici) sono chiamati tali regolatori in cui, quando il parametro si discosta dal valore impostato, il corpo di regolazione si muove più o più lentamente e sempre in una direzione (entro la corsa di lavoro) fino a quando il parametro assume nuovamente il valore impostato . La direzione del movimento dell'elemento di regolazione cambia solo quando il parametro supera il valore impostato.

Nei regolatori ad azione elettrica integrale viene solitamente creata una zona morta artificiale, all'interno della quale una variazione di un parametro non provoca movimenti del corpo regolatore.

La velocità di movimento del corpo regolatore nel controller integrato può essere costante e variabile. Una caratteristica del controller integrale è l'assenza di una relazione proporzionale tra i valori di stato stazionario del parametro controllato e la posizione dell'organo di regolazione.

Nella fig.La figura 6 mostra un diagramma schematico di un sistema di controllo automatico della temperatura che utilizza un controller integrato.A differenza del circuito di controllo della temperatura proporzionale (vedere la figura 4), non ha un anello di retroazione rigido.

Riso. 6. Schema di controllo integrato della temperatura dell'aria

In un controllore integrale la velocità del corpo regolatore è direttamente proporzionale al valore dello scostamento del parametro controllato.

Il processo di controllo integrato della temperatura con un improvviso cambiamento di carico (consumo di calore) è mostrato in Fig. 7 utilizzando le caratteristiche temporali. Come si vede dal grafico, il parametro controllato con controllo integrale torna lentamente al valore impostato.

Riso. 7. Caratteristiche temporali della regolazione integrale

Controllori isodromici (proporzionali-integrali).

Il controllo esodromico ha le proprietà sia del controllo proporzionale che integrale. La velocità di movimento del corpo regolatore dipende dall'entità e dalla velocità di deviazione del parametro controllato.

Quando il parametro controllato si discosta dal valore impostato, la regolazione viene effettuata come segue. Inizialmente, l'organo di regolazione si sposta in base all'entità della deviazione del parametro controllato, ovvero viene eseguito il controllo proporzionale. Successivamente il regolatore effettua un ulteriore movimento, necessario per rimuovere le irregolarità residue (regolazione integrale).

Un sistema isodromico di controllo della temperatura dell'aria (Fig. 8) può essere ottenuto sostituendo la retroazione rigida nel circuito di controllo proporzionale (vedi Fig.5) con retroazione elastica (dal corpo regolatore al motore per resistenza di retroazione). Il feedback elettrico in un sistema isodromico è fornito da un potenziometro e viene immesso nel sistema di controllo attraverso un anello contenente resistenza R e capacità C.

Durante i transitori, il segnale di retroazione insieme al segnale di deviazione del parametro influisce sugli elementi successivi del sistema (amplificatore, motore elettrico). Con corpo regolatore fermo, qualunque sia la sua posizione, quando il condensatore C è carico, il segnale di retroazione decade (nello stato stazionario è uguale a zero).

Riso. 8. Schema di regolazione isodromica della temperatura dell'aria

È caratteristico della regolazione isodromica che la non uniformità della regolazione (errore relativo) diminuisce con l'aumentare del tempo, avvicinandosi allo zero. In questo caso la retroazione non causerà scostamenti residui della grandezza controllata.

Pertanto, il controllo isodromico produce risultati significativamente migliori rispetto a quello proporzionale o integrale (per non parlare del controllo posizionale). Il controllo proporzionale dovuto alla presenza di un feedback rigido avviene quasi istantaneamente, isodromico - più lentamente.

Sistemi software per il controllo automatico della temperatura

Per implementare il controllo programmato è necessario influenzare continuamente l'impostazione (setpoint) del regolatore in modo che il valore controllato vari secondo una legge prestabilita. A tale scopo, il regolatore di regolamentazione è dotato di un elemento software. Questo dispositivo serve a stabilire la legge di variazione del valore impostato.

Durante il riscaldamento elettrico, l'attuatore del sistema di controllo automatico può agire per accendere o spegnere le sezioni degli elementi riscaldanti elettrici, modificando così la temperatura dell'impianto riscaldato secondo un determinato programma. Il controllo programmato della temperatura e dell'umidità dell'aria è ampiamente utilizzato nelle installazioni climatiche artificiali.