ระบบควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติ

ตามหลักการควบคุม ระบบควบคุมอัตโนมัติทั้งหมดแบ่งออกเป็นสี่ชั้น

1. ระบบรักษาเสถียรภาพอัตโนมัติ — ระบบที่ตัวควบคุมรักษาค่าคงที่ของพารามิเตอร์ที่ควบคุม

2. ระบบควบคุมแบบตั้งโปรแกรม — ระบบที่ให้การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ควบคุมตามกฎหมายที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (ในเวลา)

3. ระบบติดตาม — ระบบที่ให้การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ควบคุมขึ้นอยู่กับค่าอื่น ๆ

4. ระบบการควบคุมขั้นสูง — ระบบที่ตัวควบคุมรักษาค่าของตัวแปรควบคุมที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสภาวะที่เปลี่ยนแปลง

เพื่อควบคุมระบอบอุณหภูมิของการติดตั้งเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า ระบบของสองคลาสแรกส่วนใหญ่จะใช้

ระบบควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติตามประเภทการทำงานสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: การควบคุมเป็นระยะและต่อเนื่อง

ตัวควบคุมอัตโนมัติ ระบบควบคุมอัตโนมัติ (ACS) ตามคุณสมบัติการทำงานแบ่งออกเป็นห้าประเภท: ตำแหน่ง (รีเลย์), สัดส่วน (คงที่), อินทิกรัล (astatic), ไอโซโดรมิก (สัดส่วน - อินทิกรัล), ไอโซโดรมิกล่วงหน้าและอนุพันธ์อันดับหนึ่ง

ตัวกำหนดตำแหน่งอยู่ใน ACS เป็นระยะ และตัวควบคุมประเภทอื่น ๆ เรียกว่า ACS แบบต่อเนื่อง ด้านล่างเราจะพิจารณาคุณสมบัติหลักของตัวควบคุมตำแหน่ง สัดส่วน ส่วนประกอบ และไอโซโดรมิก ซึ่งมักใช้ในระบบควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติ

แผนภาพการทำงานของการควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติ (รูปที่ 1) ประกอบด้วยวัตถุควบคุม 1 เซ็นเซอร์อุณหภูมิ 2 อุปกรณ์โปรแกรมหรือตัวควบคุมอุณหภูมิ 4 ตัวควบคุม 5 และตัวกระตุ้น 8 ในหลายกรณี เครื่องขยายเสียงหลัก 3 จะถูกวางไว้ ระหว่างเซ็นเซอร์และอุปกรณ์โปรแกรมและระหว่างตัวควบคุมและกลไกขับเคลื่อน - แอมพลิฟายเออร์รอง 6 เซ็นเซอร์เพิ่มเติม 7 ใช้ในระบบควบคุมไอโซโดรมิก

ข้าว. 1. รูปแบบการทำงานของการควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติ

เทอร์โมคัปเปิล, เทอร์โมคัปเปิล (เทอร์มิสเตอร์) และ เครื่องวัดอุณหภูมิความต้านทาน... เทอร์โมคัปเปิลที่ใช้บ่อยที่สุด สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับพวกเขา ดูที่นี่: ตัวแปลงเทอร์โมอิเล็กทริก (เทอร์โมคัปเปิล)

ตัวควบคุมอุณหภูมิตำแหน่ง (รีเลย์)

ตำแหน่งหมายถึงหน่วยงานกำกับดูแลดังกล่าวซึ่งหน่วยงานกำกับดูแลสามารถครอบครองตำแหน่งเฉพาะสองหรือสามตำแหน่งได้ ตัวควบคุมสองและสามตำแหน่งใช้ในการติดตั้งเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า ใช้งานง่ายและเชื่อถือได้

ในรูป 2 แสดงแผนผังสำหรับควบคุมการเปิดและปิดอุณหภูมิอากาศ

ข้าว. 2.แผนผังของการควบคุมอุณหภูมิอากาศเมื่อเปิดและปิด: 1 - วัตถุควบคุม, 2 - สะพานวัด, 3 - รีเลย์โพลาไรซ์, 4 - ขดลวดกระตุ้นของมอเตอร์ไฟฟ้า, 5 - กระดองมอเตอร์, 6 - กล่องเกียร์, 7 - เครื่องทำความร้อน .

ในการควบคุมอุณหภูมิในวัตถุของการควบคุมจะใช้ความต้านทาน RT ซึ่งเชื่อมต่อกับแขนข้างหนึ่งของสะพานวัด 2 ค่าของความต้านทานของสะพานจะถูกเลือกในลักษณะที่ อุณหภูมิที่กำหนด สะพานมีความสมดุล นั่นคือ แรงดันไฟฟ้าในแนวทแยงของสะพานเท่ากับศูนย์ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นรีเลย์โพลาไรซ์ 3 ซึ่งรวมอยู่ในเส้นทแยงมุมของสะพานวัดจะเปิดหนึ่งในขดลวด 4 ของมอเตอร์กระแสตรงซึ่งด้วยความช่วยเหลือของตัวลด 6 จะปิดวาล์วอากาศที่ด้านหน้าของเครื่องทำความร้อน 7. เมื่ออุณหภูมิลดลง วาล์วอากาศจะเปิดออกจนสุด

ด้วยการควบคุมอุณหภูมิแบบสองตำแหน่ง คุณสามารถตั้งค่าปริมาณความร้อนที่จ่ายได้เพียงสองระดับเท่านั้น — สูงสุดและต่ำสุด ปริมาณความร้อนสูงสุดควรมากกว่าที่จำเป็นเพื่อรักษาอุณหภูมิควบคุมที่ตั้งไว้ และต่ำสุดควรน้อยกว่านี้ ในกรณีนี้ อุณหภูมิอากาศจะผันผวนตามค่าที่ตั้งไว้ นั่นคือ โหมดสั่นเองที่เรียกว่า (รูปที่ 3, a)

เส้นอุณหภูมิ τn และ τв กำหนดขอบเขตล่างและบนของเขตตาย เมื่ออุณหภูมิของวัตถุที่ควบคุมลดลงถึงค่า τ ปริมาณความร้อนที่จ่ายให้จะเพิ่มขึ้นทันทีและอุณหภูมิของวัตถุจะเริ่มสูงขึ้น เมื่อเข้าถึงความรู้สึก τв ตัวควบคุมจะลดการจ่ายความร้อนและอุณหภูมิจะลดลง

ข้าว. 3.ลักษณะเวลาของตัวควบคุมการเปิด-ปิด (a) และลักษณะคงที่สำหรับตัวควบคุมการเปิด-ปิด (b)

ความเร็วของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและลดลงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัตถุที่ควบคุมและลักษณะเวลาของมัน (เส้นโค้งความเร่ง) ความผันผวนของอุณหภูมิไม่เกินโซนตายหากการเปลี่ยนแปลงของแหล่งจ่ายความร้อนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิทันที นั่นคือถ้าไม่มีความล่าช้าของวัตถุควบคุม

เมื่อโซนตายลดลง แอมพลิจูดของความผันผวนของอุณหภูมิจะลดลงเป็นศูนย์ที่ τn = τv อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ต้องการการจ่ายความร้อนที่ความถี่สูงอย่างไม่สิ้นสุด ซึ่งเป็นเรื่องยากมากที่จะนำไปใช้ในทางปฏิบัติ มีความล่าช้าในวัตถุควบคุมจริงทั้งหมด กระบวนการควบคุมในนั้นดำเนินการดังนี้

เมื่ออุณหภูมิของวัตถุควบคุมลดลงถึงค่า τ แหล่งจ่ายไฟจะเปลี่ยนทันที แต่เนื่องจากความล่าช้า อุณหภูมิจึงลดลงอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นจะเพิ่มขึ้นเป็นค่า τв ซึ่งความร้อนที่ป้อนเข้าจะลดลงทันที อุณหภูมิยังคงเพิ่มขึ้นเป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นเนื่องจากการป้อนความร้อนที่ลดลง อุณหภูมิจะลดลงและกระบวนการจะทำซ้ำอีกครั้ง

ในรูป 3, b แสดงลักษณะคงที่ของตัวควบคุมสองตำแหน่ง... ตามมาว่าเอฟเฟกต์การควบคุมบนวัตถุสามารถรับได้เพียงสองค่าเท่านั้น: สูงสุดและต่ำสุด ในตัวอย่างที่พิจารณา ค่าสูงสุดตรงกับตำแหน่งที่วาล์วอากาศ (ดูรูปที่ 2) เปิดจนสุด ค่าต่ำสุด — เมื่อวาล์วปิด

เครื่องหมายของการดำเนินการควบคุมถูกกำหนดโดยเครื่องหมายของการเบี่ยงเบนของค่าควบคุม (อุณหภูมิ) จากค่าที่ตั้งไว้ ระดับของอิทธิพลด้านกฎระเบียบคงที่ ตัวควบคุมเปิด/ปิดทั้งหมดมีพื้นที่ฮิสเทรีซิส α ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างระหว่างกระแสรับและกระแสปล่อยของรีเลย์แม่เหล็กไฟฟ้า

ตัวอย่างการใช้การควบคุมอุณหภูมิแบบสองจุด: การควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติในเตาเผาแบบต้านทานความร้อน

ตัวควบคุมอุณหภูมิตามสัดส่วน (คงที่)

ในกรณีที่ต้องการความแม่นยำในการควบคุมสูงหรือเมื่อกระบวนการสั่นตัวเองไม่เป็นที่ยอมรับ ให้ใช้ตัวควบคุมที่มีกระบวนการควบคุมอย่างต่อเนื่อง... ซึ่งรวมถึงตัวควบคุมตามสัดส่วน (ตัวควบคุม P) ซึ่งเหมาะสำหรับควบคุมกระบวนการทางเทคโนโลยีที่หลากหลาย

ในกรณีที่ต้องการความแม่นยำในการควบคุมสูงหรือเมื่อกระบวนการสั่นตัวเองไม่เป็นที่ยอมรับ จะใช้ตัวควบคุมที่มีกระบวนการควบคุมแบบต่อเนื่อง ซึ่งรวมถึงตัวควบคุมตามสัดส่วน (ตัวควบคุม P) ที่เหมาะสำหรับการควบคุมกระบวนการทางเทคโนโลยีที่หลากหลาย

ในระบบควบคุมอัตโนมัติที่มีตัวควบคุม P ตำแหน่งของตัวควบคุม (y) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าของพารามิเตอร์ที่ควบคุม (x):

y = k1x,

โดยที่ k1 คือปัจจัยสัดส่วน (อัตราขยายของตัวควบคุม)

สัดส่วนนี้จะเกิดขึ้นจนกว่าเรกูเลเตอร์จะถึงตำแหน่งสิ้นสุด (ลิมิตสวิตช์)

ความเร็วของการเคลื่อนที่ของตัวควบคุมนั้นแปรผันโดยตรงกับความเร็วของการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ที่ควบคุม

ในรูป4 แสดงแผนผังของระบบควบคุมอุณหภูมิห้องอัตโนมัติโดยใช้ตัวควบคุมสัดส่วน อุณหภูมิห้องวัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์แบบต้านทาน RTD ที่ต่อกับวงจรการวัด 1 ของบริดจ์

ข้าว. 4. รูปแบบของการควบคุมอุณหภูมิอากาศตามสัดส่วน: 1 - สะพานวัด, 2 - วัตถุควบคุม, 3 - เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน, 4 - มอเตอร์ตัวเก็บประจุ, 5 - แอมพลิฟายเออร์ที่ไวต่อเฟส

ที่อุณหภูมิที่กำหนด สะพานจะสมดุล เมื่ออุณหภูมิที่ควบคุมเบี่ยงเบนไปจากค่าที่ตั้งไว้ แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุลจะปรากฏขึ้นในแนวทแยงของสะพาน ขนาดและเครื่องหมายขึ้นอยู่กับขนาดและเครื่องหมายของการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิ แรงดันไฟฟ้านี้ถูกขยายโดยแอมพลิฟายเออร์ที่ไวต่อเฟส 5 ที่เอาต์พุตซึ่งขดลวดของมอเตอร์ตัวเก็บประจุแบบสองเฟส 4 ของไดรฟ์เปิดอยู่

กลไกขับเคลื่อนจะเคลื่อนตัวควบคุมเปลี่ยนการไหลของสารหล่อเย็นในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน 3. พร้อมกันกับการเคลื่อนไหวของตัวควบคุมการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของแขนข้างหนึ่งของสะพานวัดอันเป็นผลมาจากอุณหภูมิที่ สะพานมีความสมดุล

ดังนั้น เนื่องจากการป้อนกลับที่เข้มงวด แต่ละตำแหน่งของตัวควบคุมจะสอดคล้องกับค่าสมดุลของอุณหภูมิที่ควบคุม

ตัวควบคุมสัดส่วน (คงที่) มีลักษณะที่ไม่สม่ำเสมอของการควบคุมที่เหลือ

ในกรณีที่โหลดเบี่ยงเบนอย่างรวดเร็วจากค่าที่ตั้งไว้ (ณ ช่วงเวลา t1) พารามิเตอร์ที่ควบคุมจะไปถึงหลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง (ช่วงเวลา t2) ค่าคงที่ใหม่ (รูปที่ 4)อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้เป็นไปได้เฉพาะกับตำแหน่งใหม่ขององค์กรควบคุม นั่นคือ ด้วยค่าใหม่ของพารามิเตอร์ควบคุม ซึ่งแตกต่างจากค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้าโดย δ

ข้าว. 5. ลักษณะเวลาของการควบคุมตามสัดส่วน

ข้อเสียของตัวควบคุมแบบสัดส่วนคือตำแหน่งองค์ประกอบการควบคุมเฉพาะตำแหน่งเดียวเท่านั้นที่สอดคล้องกับค่าพารามิเตอร์แต่ละค่า เพื่อรักษาค่าที่ตั้งไว้ของพารามิเตอร์ (อุณหภูมิ) เมื่อโหลด (การใช้ความร้อน) เปลี่ยนแปลง ร่างกายควบคุมจำเป็นต้องเปลี่ยนตำแหน่งให้สอดคล้องกับค่าโหลดใหม่ ในตัวควบคุมแบบสัดส่วน สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น ส่งผลให้ค่าเบี่ยงเบนที่เหลือของพารามิเตอร์ที่ควบคุม

อินทิกรัล (ตัวควบคุมแบบแอสแตติก)

อินทิกรัล (astatic) เรียกว่าตัวควบคุมดังกล่าวซึ่งเมื่อพารามิเตอร์เบี่ยงเบนไปจากค่าที่ตั้งไว้ ตัวควบคุมจะเคลื่อนที่มากขึ้นหรือช้าลงและตลอดเวลาในทิศทางเดียว (ภายในจังหวะการทำงาน) จนกว่าพารามิเตอร์จะถือว่าค่าที่ตั้งไว้อีกครั้ง . ทิศทางการเคลื่อนที่ขององค์ประกอบการปรับจะเปลี่ยนเฉพาะเมื่อพารามิเตอร์เกินค่าที่ตั้งไว้

ในตัวควบคุมการดำเนินการทางไฟฟ้าแบบรวม มักจะมีการสร้างโซนตายเทียมขึ้น ซึ่งภายในนั้นการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์จะไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวของหน่วยงานควบคุม

ความเร็วของการเคลื่อนที่ของตัวควบคุมในตัวควบคุมแบบอินทิกรัลสามารถคงที่และแปรผันได้ คุณลักษณะเฉพาะของตัวควบคุมแบบรวมคือการไม่มีความสัมพันธ์ตามสัดส่วนระหว่างค่าสถานะคงตัวของพารามิเตอร์ที่ควบคุมและตำแหน่งของตัวควบคุม

ในรูป6 แสดงแผนผังของระบบควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติโดยใช้ตัวควบคุมแบบอินทิกรัล (integral controller) ซึ่งแตกต่างจากวงจรควบคุมอุณหภูมิแบบสัดส่วน (ดูรูปที่ 4) วงจรนี้ไม่มีวงจรป้อนกลับที่เข้มงวด

ข้าว. 6. แผนการควบคุมอุณหภูมิอากาศแบบบูรณาการ

ในตัวควบคุมแบบรวม ความเร็วของตัวควบคุมจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าเบี่ยงเบนของพารามิเตอร์ที่ควบคุม

กระบวนการควบคุมอุณหภูมิแบบรวมที่มีการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างกะทันหัน (การใช้ความร้อน) แสดงอยู่ในรูปที่ 7 โดยใช้ลักษณะทางโลก ดังที่คุณเห็นจากกราฟ พารามิเตอร์ที่ควบคุมด้วยการควบคุมแบบรวมจะกลับคืนสู่ค่าที่ตั้งไว้อย่างช้าๆ

ข้าว. 7. ลักษณะเวลาของระเบียบแบบบูรณาการ

ตัวควบคุม Isodromic (ส่วนประกอบตามสัดส่วน)

การควบคุม Esodromic มีคุณสมบัติในการควบคุมทั้งแบบสัดส่วนและแบบรวม ความเร็วของการเคลื่อนที่ของตัวควบคุมขึ้นอยู่กับขนาดและความเร็วของการเบี่ยงเบนของพารามิเตอร์ที่ควบคุม

เมื่อพารามิเตอร์ที่ควบคุมเบี่ยงเบนไปจากค่าที่ตั้งไว้ การปรับจะดำเนินการดังนี้ ในขั้นต้น ตัวควบคุมจะเคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับขนาดของส่วนเบี่ยงเบนของพารามิเตอร์ที่ควบคุม นั่นคือ การควบคุมตามสัดส่วนจะดำเนินการ จากนั้นตัวควบคุมจะทำการเคลื่อนไหวเพิ่มเติม ซึ่งจำเป็นเพื่อขจัดสิ่งผิดปกติที่เหลืออยู่ (กฎรวม)

ระบบควบคุมอุณหภูมิอากาศแบบไอโซโดรมิก (รูปที่ 8) สามารถหาได้โดยการแทนที่ฟีดแบ็คแบบแข็งในวงจรควบคุมสัดส่วน (ดูรูปที่5) พร้อมการป้อนกลับแบบยืดหยุ่น (จากตัวควบคุมไปยังมอเตอร์เพื่อต้านทานการป้อนกลับ) ข้อมูลป้อนกลับทางไฟฟ้าในระบบไอโซโดรมิกมีให้โดยโพเทนชิออมิเตอร์และป้อนเข้าระบบควบคุมผ่านลูปที่มีความต้านทาน R และความจุ C

ในช่วงเวลาชั่วคราว สัญญาณป้อนกลับพร้อมกับสัญญาณเบี่ยงเบนพารามิเตอร์จะส่งผลต่อองค์ประกอบที่ตามมาของระบบ (แอมพลิฟายเออร์ มอเตอร์ไฟฟ้า) ด้วยตัวควบคุมที่อยู่กับที่ ไม่ว่าจะอยู่ในตำแหน่งใดก็ตาม เมื่อตัวเก็บประจุ C ถูกชาร์จ สัญญาณป้อนกลับจะสลายตัว (ในสถานะอยู่กับที่ ค่าเท่ากับศูนย์)

ข้าว. 8. แผนการควบคุมไอโซโดรมิกของอุณหภูมิอากาศ

เป็นลักษณะของการควบคุมแบบไอโซโดรมิกที่ความไม่สม่ำเสมอของการควบคุม (ข้อผิดพลาดสัมพัทธ์) จะลดลงตามเวลาที่เพิ่มขึ้น เข้าใกล้ศูนย์ ในกรณีนี้ ข้อมูลป้อนกลับจะไม่ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนที่เหลือของค่าที่ควบคุม

ดังนั้น การควบคุมแบบไอโซโดรมิกจึงให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าแบบสัดส่วนหรือแบบรวมอย่างมีนัยสำคัญ (ไม่ต้องพูดถึงการควบคุมตำแหน่ง) การควบคุมตามสัดส่วนเนื่องจากการตอบรับที่เข้มงวดเกิดขึ้นเกือบจะในทันที isodromic - ช้ากว่า

ระบบซอฟต์แวร์สำหรับควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติ

ในการใช้การควบคุมที่ตั้งโปรแกรมไว้ จำเป็นต้องมีอิทธิพลต่อการตั้งค่า (setpoint) ของตัวควบคุมอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้ค่าที่ควบคุมเปลี่ยนแปลงตามกฎหมายที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เพื่อจุดประสงค์นี้หน่วยงานกำกับดูแลจะติดตั้งองค์ประกอบซอฟต์แวร์ อุปกรณ์นี้ทำหน้าที่สร้างกฎแห่งการเปลี่ยนแปลงของค่าที่ตั้งไว้

ในระหว่างการให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า ตัวกระตุ้นของระบบควบคุมอัตโนมัติสามารถทำหน้าที่เปิดหรือปิดส่วนขององค์ประกอบความร้อนด้วยไฟฟ้า ซึ่งจะเป็นการเปลี่ยนอุณหภูมิของการติดตั้งที่ทำความร้อนตามโปรแกรมที่กำหนด โปรแกรมควบคุมอุณหภูมิและความชื้นของอากาศใช้กันอย่างแพร่หลายในการติดตั้งสภาพอากาศเทียม