Hệ thống kiểm soát nhiệt độ tự động

Theo nguyên tắc điều chỉnh, tất cả các hệ thống điều khiển tự động được chia thành bốn lớp.

1. Hệ thống ổn định tự động — một hệ thống trong đó bộ điều chỉnh duy trì giá trị cài đặt không đổi của tham số được điều khiển.

2. Hệ thống điều khiển được lập trình — một hệ thống cung cấp sự thay đổi trong tham số được điều khiển theo luật định trước (theo thời gian).

3. Hệ thống theo dõi — một hệ thống cung cấp sự thay đổi trong tham số được kiểm soát tùy thuộc vào một số giá trị khác.

4. Hệ thống điều chỉnh cực đoan — một hệ thống trong đó bộ điều chỉnh duy trì giá trị của biến được điều khiển là tối ưu cho các điều kiện thay đổi.

Để điều chỉnh chế độ nhiệt độ của việc lắp đặt hệ thống sưởi điện, các hệ thống thuộc hai loại đầu tiên được sử dụng chủ yếu.

Hệ thống kiểm soát nhiệt độ tự động theo loại hoạt động của chúng có thể được chia thành hai nhóm: điều chỉnh định kỳ và liên tục.

Bộ điều chỉnh tự động hệ thống điều khiển tự động (ACS) theo các tính năng chức năng của chúng, chúng được chia thành năm loại: vị trí (chuyển tiếp), tỷ lệ (tĩnh), tích phân (bất định), đẳng lượng (tích phân tỷ lệ), đẳng lượng với trước và với đạo hàm bậc nhất.

Bộ định vị thuộc về ACS định kỳ và các loại bộ điều chỉnh khác được gọi là ACS liên tục. Dưới đây chúng tôi xem xét các đặc điểm chính của bộ điều khiển vị trí, tỷ lệ, tích phân và đẳng tốc, thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động.

Sơ đồ chức năng của điều khiển nhiệt độ tự động (Hình 1) bao gồm đối tượng điều khiển 1, cảm biến nhiệt độ 2, thiết bị chương trình hoặc bộ điều chỉnh nhiệt độ 4, bộ điều chỉnh 5 và bộ truyền động 8. Trong nhiều trường hợp, bộ khuếch đại chính 3 được đặt giữa cảm biến và thiết bị chương trình, và giữa bộ điều chỉnh và cơ chế truyền động — bộ khuếch đại thứ cấp 6. Một cảm biến bổ sung 7 được sử dụng trong các hệ thống điều khiển đẳng tốc.

Cơm. 1. Sơ đồ chức năng tự động điều chỉnh nhiệt độ

Cặp nhiệt điện, cặp nhiệt điện (nhiệt điện trở) và nhiệt kế điện trở... Các loại cặp nhiệt điện thông dụng nhất. Để biết thêm chi tiết về họ xem tại đây: Bộ chuyển đổi nhiệt điện (cặp nhiệt điện)

Bộ điều chỉnh nhiệt độ vị trí (rơle)

Vị trí đề cập đến các bộ điều chỉnh như vậy trong đó bộ điều chỉnh có thể chiếm hai hoặc ba vị trí cụ thể. Bộ điều chỉnh hai và ba vị trí được sử dụng trong lắp đặt hệ thống sưởi điện. Chúng đơn giản và đáng tin cậy để vận hành.

Trong bộ lễ phục. 2 cho thấy một sơ đồ để điều khiển bật và tắt nhiệt độ không khí.

Cơm. 2.Sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ không khí khi bật và tắt: 1 — đối tượng điều khiển, 2 — cầu đo, 3 — rơle phân cực, 4 — cuộn dây kích thích của động cơ điện, 5 — phần ứng động cơ, 6 — hộp số, 7 — lò sưởi .

Để kiểm soát nhiệt độ trong đối tượng điều chỉnh, điện trở RT được sử dụng, được kết nối với một trong các nhánh của cầu đo 2. Các giá trị của điện trở cầu được chọn sao cho tại một nhiệt độ nhất định, cây cầu được cân bằng, nghĩa là điện áp trên đường chéo của cây cầu bằng không. Khi nhiệt độ tăng lên, rơle phân cực 3, nằm trong đường chéo của cầu đo, sẽ bật một trong các cuộn dây 4 của động cơ DC, với sự trợ giúp của bộ giảm tốc 6, đóng van khí phía trước lò sưởi. 7. Khi nhiệt độ giảm, van khí mở hoàn toàn.

Với điều chỉnh nhiệt độ hai vị trí, lượng nhiệt cung cấp chỉ có thể được đặt ở hai mức — tối đa và tối thiểu. Lượng nhiệt tối đa phải lớn hơn mức cần thiết để duy trì nhiệt độ được kiểm soát đã đặt và mức tối thiểu phải ít hơn. Trong trường hợp này, nhiệt độ không khí dao động xung quanh giá trị cài đặt, tức là cái gọi là chế độ tự dao động (Hình 3, a).

Các đường nhiệt độ τn và τв xác định giới hạn dưới và trên của vùng chết. Khi nhiệt độ của đối tượng được điều khiển giảm xuống đạt đến giá trị τ Lượng nhiệt cung cấp ngay lập tức tăng lên và nhiệt độ của đối tượng bắt đầu tăng lên. Đạt đến cảm giác τв, bộ điều chỉnh giảm nguồn cung cấp nhiệt và nhiệt độ giảm.

Cơm. 3.Đặc tính thời gian của điều chỉnh bật tắt (a) và đặc tính tĩnh đối với bộ điều chỉnh bật tắt (b).

Tốc độ tăng và giảm nhiệt độ phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng được điều khiển và đặc tính thời gian của nó (đường cong gia tốc). Biến động nhiệt độ không vượt quá vùng chết nếu những thay đổi trong nguồn cung cấp nhiệt ngay lập tức gây ra thay đổi nhiệt độ, nghĩa là nếu không có độ trễ của đối tượng được điều khiển.

Khi vùng chết giảm, biên độ dao động nhiệt độ giảm đến 0 tại τn = τv. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi nguồn cung cấp nhiệt phải thay đổi ở tần số cao vô hạn, điều này cực kỳ khó thực hiện trong thực tế. Có độ trễ trong tất cả các đối tượng điều khiển thực. Quá trình điều tiết trong chúng diễn ra như sau.

Khi nhiệt độ của đối tượng điều khiển giảm xuống giá trị τ, nguồn điện sẽ thay đổi ngay lập tức, nhưng do bị trễ nên nhiệt độ tiếp tục giảm trong một thời gian. Sau đó, nó tăng lên giá trị τв, tại đó nhiệt đầu vào giảm ngay lập tức. Nhiệt độ tiếp tục tăng trong một thời gian, sau đó do lượng nhiệt đầu vào giảm nên nhiệt độ giảm xuống và quá trình này lặp lại một lần nữa.

Trong bộ lễ phục. 3, b cho thấy một đặc tính tĩnh của bộ điều khiển hai vị trí... Theo đó, tác động điều chỉnh lên đối tượng chỉ có thể nhận hai giá trị: cực đại và cực tiểu. Trong ví dụ được xem xét, mức tối đa tương ứng với vị trí mà van khí (xem Hình 2) mở hoàn toàn, mức tối thiểu - khi van đóng.

Dấu hiệu của hành động điều khiển được xác định bằng dấu hiệu của độ lệch của giá trị được điều khiển (nhiệt độ) so với giá trị cài đặt của nó. Mức độ ảnh hưởng quy định là không đổi. Tất cả các bộ điều khiển bật/tắt đều có vùng trễ α, xảy ra do sự khác biệt giữa dòng điện lên và xuống của rơle điện từ.

Ví dụ về sử dụng điều khiển nhiệt độ hai điểm: Điều khiển nhiệt độ tự động trong lò có điện trở gia nhiệt

Bộ điều khiển nhiệt độ tỷ lệ (tĩnh)

Trong trường hợp cần độ chính xác điều khiển cao hoặc khi quá trình tự dao động không được chấp nhận, hãy sử dụng bộ điều chỉnh có quy trình điều chỉnh liên tục... Chúng bao gồm bộ điều khiển tỷ lệ (bộ điều khiển P)phù hợp để điều chỉnh nhiều quy trình công nghệ.

Trong trường hợp yêu cầu độ chính xác điều chỉnh cao hoặc khi quá trình tự dao động không được chấp nhận, thì bộ điều chỉnh có quy trình điều chỉnh liên tục được sử dụng. Chúng bao gồm các bộ điều khiển tỷ lệ (bộ điều khiển P) phù hợp để điều chỉnh nhiều quy trình công nghệ.

Trong các hệ thống điều khiển tự động có bộ điều chỉnh P, vị trí của cơ quan điều chỉnh (y) tỷ lệ thuận với giá trị của tham số điều khiển (x):

y = k1x,

trong đó k1 là hệ số tỷ lệ (độ lợi của bộ điều khiển).

Tỷ lệ này diễn ra cho đến khi bộ điều chỉnh đạt đến vị trí cuối (công tắc giới hạn).

Tốc độ chuyển động của cơ quan điều chỉnh tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi của tham số được điều khiển.

Trong bộ lễ phục.4 thể hiện sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng tự động sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ. Nhiệt độ phòng được đo bằng nhiệt kế điện trở RTD nối với mạch đo 1 của cầu.

Cơm. 4. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ không khí theo tỷ lệ: 1 — cầu đo, 2 — đối tượng điều khiển, 3 — bộ trao đổi nhiệt, 4 — động cơ tụ điện, 5 — bộ khuếch đại nhạy pha.

Ở một nhiệt độ nhất định, cầu cân bằng. Khi nhiệt độ được kiểm soát lệch khỏi giá trị cài đặt, một điện áp không cân bằng xuất hiện ở đường chéo của cầu, độ lớn và dấu của nó phụ thuộc vào độ lớn và dấu của độ lệch nhiệt độ. Điện áp này được khuếch đại bởi bộ khuếch đại nhạy pha 5, ở đầu ra mà cuộn dây của động cơ tụ điện hai pha 4 của ổ đĩa được bật.

Cơ cấu truyền động di chuyển bộ phận điều chỉnh, thay đổi lưu lượng chất làm mát trong bộ trao đổi nhiệt 3. Đồng thời với chuyển động của bộ phận điều chỉnh, điện trở của một trong các nhánh của cầu đo thay đổi, do đó nhiệt độ tại đó cây cầu được cân bằng.

Do đó, do phản hồi cứng nhắc, mỗi vị trí của cơ thể điều chỉnh tương ứng với giá trị cân bằng của nhiệt độ được kiểm soát.

Bộ điều khiển tỷ lệ (tĩnh) được đặc trưng bởi sự không đồng nhất của quy định dư.

Trong trường hợp độ lệch lớn của tải so với giá trị đặt (tại thời điểm t1), tham số được điều khiển sẽ đạt đến giá trị ổn định mới sau một khoảng thời gian nhất định (thời điểm t2) (Hình 4).Tuy nhiên, điều này chỉ có thể thực hiện được với vị trí mới của cơ quan điều chỉnh, nghĩa là với giá trị mới của tham số được điều khiển, khác với giá trị đặt trước bởi δ.

Cơm. 5. Đặc tính thời gian của điều khiển tỷ lệ

Nhược điểm của bộ điều khiển tỷ lệ là chỉ có một vị trí phần tử điều khiển cụ thể tương ứng với từng giá trị tham số. Để duy trì giá trị cài đặt của tham số (nhiệt độ) khi tải (mức tiêu thụ nhiệt) thay đổi, cơ quan điều chỉnh cần phải đảm nhận một vị trí khác tương ứng với giá trị tải mới. Trong bộ điều khiển tỷ lệ, điều này không xảy ra, dẫn đến độ lệch dư của tham số được điều khiển.

Tích hợp (bộ điều khiển astatic)

Tích phân (không ổn định) được gọi là các bộ điều chỉnh như vậy, trong đó, khi tham số lệch khỏi giá trị đã đặt, cơ quan điều chỉnh sẽ di chuyển chậm hơn hoặc chậm hơn và luôn theo một hướng (trong hành trình làm việc) cho đến khi tham số lại đảm nhận giá trị đã đặt . Hướng chuyển động của phần tử điều chỉnh chỉ thay đổi khi tham số vượt quá giá trị đã đặt.

Trong các bộ điều khiển hành động điện tích hợp, một vùng chết nhân tạo thường được tạo ra, trong đó sự thay đổi tham số không gây ra chuyển động của cơ quan điều chỉnh.

Tốc độ chuyển động của cơ quan điều chỉnh trong bộ điều khiển tích hợp có thể không đổi và thay đổi. Một tính năng đặc trưng của bộ điều khiển tích hợp là không có mối quan hệ tỷ lệ giữa các giá trị trạng thái ổn định của tham số được điều khiển và vị trí của cơ quan điều chỉnh.

Trong bộ lễ phục.Hình 6 trình bày sơ đồ của hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động sử dụng bộ điều khiển tích hợp. Không giống như mạch điều khiển nhiệt độ tỷ lệ (xem Hình 4), nó không có vòng phản hồi cứng.

Cơm. 6. Sơ đồ tích hợp điều khiển nhiệt độ không khí

Trong một bộ điều khiển tích hợp, tốc độ của cơ thể điều chỉnh tỷ lệ thuận với giá trị độ lệch của tham số được điều khiển.

Quá trình kiểm soát nhiệt độ tích hợp với sự thay đổi đột ngột về tải (tiêu thụ nhiệt) được thể hiện trong hình. 7 sử dụng các đặc điểm thời gian. Như bạn có thể thấy từ biểu đồ, tham số được kiểm soát với điều khiển tích phân từ từ trở về giá trị cài đặt.

Cơm. 7. Đặc tính thời gian của điều hòa tích phân

Bộ điều khiển đẳng tốc (tỷ lệ-tích phân)

Điều khiển Esodromic có các thuộc tính của cả điều khiển tỷ lệ và tích phân. Tốc độ chuyển động của cơ thể điều chỉnh phụ thuộc vào độ lớn và tốc độ sai lệch của tham số được điều khiển.

Khi tham số được điều khiển khác với giá trị cài đặt, việc điều chỉnh được thực hiện như sau. Ban đầu, cơ quan điều chỉnh di chuyển tùy thuộc vào mức độ sai lệch của tham số được điều khiển, nghĩa là điều khiển tỷ lệ được thực hiện. Sau đó, bộ điều chỉnh thực hiện một chuyển động bổ sung cần thiết để loại bỏ các bất thường còn lại (điều chỉnh tích hợp).

Có thể thu được hệ thống điều khiển nhiệt độ không khí đẳng tốc (Hình 8) bằng cách thay thế hồi tiếp cứng trong mạch điều khiển tỷ lệ (xem Hình.5) với phản hồi đàn hồi (từ cơ quan điều chỉnh đến động cơ để chống phản hồi). Phản hồi điện trong hệ thống đẳng tốc được cung cấp bởi một chiết áp và được đưa vào hệ thống điều khiển thông qua một vòng chứa điện trở R và điện dung C.

Trong quá trình chuyển tiếp, tín hiệu phản hồi cùng với tín hiệu sai lệch tham số ảnh hưởng đến các phần tử tiếp theo của hệ thống (bộ khuếch đại, động cơ điện). Với vật điều hòa đứng yên, dù ở vị trí nào thì khi tụ C tích điện thì tín hiệu phản hồi cũng suy giảm (ở trạng thái đứng yên nó bằng 0).

Cơm. 8. Sơ đồ điều hòa đẳng nhiệt nhiệt độ không khí

Đặc điểm của quy định đẳng tốc là tính không đồng nhất của quy định (sai số tương đối) giảm dần theo thời gian, tiến gần đến 0. Trong trường hợp này, phản hồi sẽ không gây ra sai lệch còn lại của giá trị được kiểm soát.

Do đó, điều khiển đẳng tốc tạo ra kết quả tốt hơn đáng kể so với điều khiển tỷ lệ hoặc tích phân (không đề cập đến điều khiển vị trí). Kiểm soát tỷ lệ do sự hiện diện của phản hồi cứng xảy ra gần như ngay lập tức, đẳng tốc - chậm hơn.

Hệ thống phần mềm điều khiển nhiệt độ tự động

Để thực hiện điều khiển theo lập trình, cần tác động liên tục vào giá trị cài đặt (setpoint) của bộ điều chỉnh sao cho giá trị điều khiển thay đổi theo một quy luật định trước. Với mục đích này, bộ điều chỉnh quy định được trang bị một phần tử phần mềm. Thiết bị này dùng để thiết lập quy luật thay đổi của giá trị đã đặt.

Trong quá trình sưởi ấm bằng điện, bộ truyền động của hệ thống điều khiển tự động có thể hoạt động để bật hoặc tắt các phần của bộ phận làm nóng bằng điện, do đó thay đổi nhiệt độ của hệ thống sưởi theo một chương trình nhất định. Điều khiển lập trình nhiệt độ và độ ẩm không khí được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở lắp đặt khí hậu nhân tạo.