Automatische Temperaturkontrollsysteme

Nach dem Regelungsprinzip werden alle automatischen Steuerungssysteme in vier Klassen eingeteilt.

1. Automatisches Stabilisierungssystem – ein System, bei dem der Regler einen konstanten Einstellwert des gesteuerten Parameters aufrechterhält.

2. Programmiertes Steuersystem – ein System, das eine Änderung des gesteuerten Parameters gemäß einem vorgegebenen Gesetz (zeitlich) vorsieht.

3. Tracking-System – ein System, das eine Änderung des gesteuerten Parameters in Abhängigkeit von einem anderen Wert vorsieht.

4. Extremes Regulierungssystem – ein System, bei dem der Regler den Wert der Regelvariablen beibehält, der für die sich ändernden Bedingungen optimal ist.

Zur Regulierung des Temperaturregimes von Elektroheizungsanlagen werden hauptsächlich Systeme der ersten beiden Klassen eingesetzt.

Automatische Temperaturregelsysteme lassen sich nach ihrer Betriebsart in zwei Gruppen einteilen: periodische und kontinuierliche Regelung.

Automatische Regler Automatische Kontrollsysteme (ACS) Nach ihren Funktionsmerkmalen werden sie in fünf Typen unterteilt: positionell (Relais), proportional (statisch), integral (astatisch), isodrom (proportional-integral), isodrom mit Vorlauf und mit der ersten Ableitung.

Stellungsregler gehören zu den periodischen ACS, andere Arten von Reglern werden als kontinuierliche ACS bezeichnet. Im Folgenden betrachten wir die Hauptmerkmale von Positions-, Proportional-, Integral- und isodromischen Reglern, die am häufigsten in automatischen Temperaturregelsystemen verwendet werden.

Ein Funktionsdiagramm der automatischen Temperaturregelung (Abb. 1) besteht aus einem Regelobjekt 1, einem Temperatursensor 2, einem Programmiergerät oder Temperaturregler 4, einem Regler 5 und einem Aktor 8. In vielen Fällen ist ein Primärverstärker 3 platziert zwischen dem Sensor und dem Programmiergerät und zwischen dem Regler und dem Antriebsmechanismus – ein Sekundärverstärker 6. Ein zusätzlicher Sensor 7 wird in isodromen Steuerungssystemen verwendet.

Reis. 1. Funktionsschema der automatischen Temperaturregelung

Thermoelemente, Thermoelemente (Thermistoren) und Widerstandsthermometer... Die am häufigsten verwendeten Thermoelemente. Weitere Einzelheiten dazu finden Sie hier: Thermoelektrische Wandler (Thermoelemente)

Positions-(Relais-)Temperaturregler

„Positional“ bezieht sich auf solche Regler, bei denen der Regler zwei oder drei spezifische Positionen einnehmen kann. In Elektroheizungsanlagen werden Zwei- und Dreipunktregler eingesetzt. Sie sind einfach und zuverlässig zu bedienen.

In Abb. 2 zeigt ein schematisches Diagramm zur Steuerung der Lufttemperatur ein und aus.

Reis. 2.Schematische Darstellung der Lufttemperaturregelung beim Ein- und Ausschalten: 1 – Steuerobjekt, 2 – Messbrücke, 3 – polarisiertes Relais, 4 – Erregerwicklungen des Elektromotors, 5 – Motoranker, 6 – Getriebe, 7 – Heizung.

Zur Regelung der Temperatur im Regelobjekt wird der Widerstand RT verwendet, der an einen der Arme der Messbrücke 2 angeschlossen ist. Die Werte der Widerstände der Brücke sind so gewählt, dass bei Bei einer bestimmten Temperatur ist die Brücke ausgeglichen, das heißt, die Spannung in der Diagonale der Brücke ist gleich Null. Wenn die Temperatur steigt, schaltet das polarisierte Relais 3, das in der Diagonale der Messbrücke enthalten ist, eine der Wicklungen 4 des Gleichstrommotors ein, der mit Hilfe des Reduzierstücks 6 das Luftventil vor der Heizung schließt 7. Wenn die Temperatur sinkt, öffnet sich das Luftventil vollständig.

Mit der Zwei-Stufen-Temperaturregelung lässt sich die zugeführte Wärmemenge nur auf zwei Stufen einstellen – Maximum und Minimum. Die maximale Wärmemenge sollte größer sein als nötig, um die eingestellte kontrollierte Temperatur aufrechtzuerhalten, und die minimale sollte niedriger sein. In diesem Fall schwankt die Lufttemperatur um den eingestellten Wert, also den sogenannten Selbstoszillationsmodus (Abb. 3, a).

Die Temperaturlinien τn und τв definieren die untere und obere Grenze der Totzone. Wenn die Temperatur des gesteuerten Objekts sinkt und den Wert τ erreicht, steigt die zugeführte Wärmemenge sofort an und die Temperatur des Objekts beginnt zu steigen. Bei Erreichen des Wertes τв reduziert der Regler die Wärmezufuhr und die Temperatur sinkt.

Reis. 3.Zeitcharakteristik einer Auf-Zu-Regelung (a) und statische Charakteristik für einen Auf-Zu-Regler (b).

Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs und -abfalls hängt von den Eigenschaften des Regelobjekts und von dessen zeitlichem Verlauf (Beschleunigungskurve) ab. Temperaturschwankungen überschreiten die Totzone nicht, wenn Änderungen in der Wärmezufuhr sofort zu Temperaturänderungen führen, also keine Verzögerung des Regelobjekts auftritt.

Mit abnehmender Totzone sinkt die Amplitude der Temperaturschwankungen bei τn = τv auf Null. Dies erfordert jedoch eine Variation der Wärmezufuhr mit unendlich hoher Frequenz, was in der Praxis äußerst schwierig umzusetzen ist. Bei allen realen Steuerobjekten kommt es zu einer Verzögerung. Der Regulierungsprozess in ihnen läuft wie folgt ab.

Wenn die Temperatur des Steuerobjekts auf den Wert τ sinkt, ändert sich die Stromversorgung sofort, aber aufgrund der Verzögerung sinkt die Temperatur noch einige Zeit weiter. Dann steigt er auf den Wert τв, bei dem die Wärmeeinbringung schlagartig abnimmt. Die Temperatur steigt noch einige Zeit weiter an, dann sinkt die Temperatur aufgrund der geringeren Wärmezufuhr und der Vorgang wiederholt sich erneut.

In Abb. In Abb. 3, b zeigt eine statische Kennlinie eines Zweipunktreglers... Daraus folgt, dass die Regelwirkung auf das Objekt nur zwei Werte annehmen kann: Maximum und Minimum. Im betrachteten Beispiel entspricht das Maximum der Position, in der das Luftventil (siehe Abb. 2) vollständig geöffnet ist, das Minimum – wenn das Ventil geschlossen ist.

Das Vorzeichen der Regelwirkung wird durch das Vorzeichen der Abweichung des Regelwertes (Temperatur) von seinem Sollwert bestimmt. Der Grad des regulatorischen Einflusses ist konstant. Alle Ein/Aus-Regler haben einen Hysteresebereich α, der aufgrund der Differenz zwischen Anzugs- und Abfallstrom des elektromagnetischen Relais entsteht.

Beispiel für den Einsatz einer Zweipunkt-Temperaturregelung: Automatische Temperaturregelung in Öfen mit Heizwiderstand

Proportionale (statische) Temperaturregler

In Fällen, in denen eine hohe Regelgenauigkeit erforderlich ist oder der selbstoszillierende Prozess nicht akzeptabel ist, verwenden Sie Regler mit kontinuierlichem Regelungsprozess... Dazu gehören Proportionalregler (P-Regler), die zur Regelung unterschiedlichster technologischer Prozesse geeignet sind.

In Fällen, in denen eine hohe Regelgenauigkeit erforderlich ist oder der selbstoszillierende Prozess nicht akzeptabel ist, werden Regler mit kontinuierlichem Regelprozess eingesetzt. Dazu gehören Proportionalregler (P-Regler), die zur Regelung unterschiedlichster technologischer Prozesse geeignet sind.

Bei automatischen Regelsystemen mit P-Reglern ist die Stellung des Regelorgans (y) direkt proportional zum Wert des Regelparameters (x):

y = k1x,

wobei k1 der Proportionalitätsfaktor (Reglerverstärkung) ist.

Diese Proportionalität erfolgt so lange, bis der Regler seine Endlagen (Endschalter) erreicht.

Die Bewegungsgeschwindigkeit des Regelorgans ist direkt proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des geregelten Parameters.

In Abb.In Abb. 4 zeigt ein schematisches Diagramm eines automatischen Raumtemperaturregelungssystems mit einem Proportionalregler. Die Raumtemperatur wird mit einem RTD-Widerstandsthermometer gemessen, das an den Messkreis 1 der Brücke angeschlossen ist.

Reis. 4. Schema der proportionalen Lufttemperaturregelung: 1 – Messbrücke, 2 – Regelobjekt, 3 – Wärmetauscher, 4 – Kondensatormotor, 5 – phasenempfindlicher Verstärker.

Bei einer bestimmten Temperatur ist die Brücke ausgeglichen. Wenn die geregelte Temperatur vom eingestellten Wert abweicht, entsteht in der Diagonale der Brücke eine Unsymmetriespannung, deren Größe und Vorzeichen von der Größe und dem Vorzeichen der Temperaturabweichung abhängen. Diese Spannung wird durch einen phasenempfindlichen Verstärker 5 verstärkt, an dessen Ausgang die Wicklung eines zweiphasigen Kondensatormotors 4 des Antriebs eingeschaltet ist.

Der Antriebsmechanismus bewegt den Regelkörper und verändert so den Kühlmittelfluss im Wärmetauscher 3. Gleichzeitig mit der Bewegung des Regelkörpers ändert sich der Widerstand eines der Arme der Messbrücke, wodurch sich die Temperatur ändert Die Brücke ist ausbalanciert.

Aufgrund der starren Rückkopplung entspricht somit jede Position des Regelkörpers einem eigenen Gleichgewichtswert der geregelten Temperatur.

Der proportionale (statische) Regler zeichnet sich durch eine Ungleichmäßigkeit der Restregelung aus.

Im Falle einer starken Abweichung der Last vom eingestellten Wert (im Moment t1) erreicht der Regelparameter nach einer bestimmten Zeit (Moment t2) einen neuen stabilen Wert (Abb. 4).Dies ist jedoch nur mit einer neuen Stellung des Regelkörpers möglich, also mit einem neuen Wert des Regelparameters, der um δ vom vorgegebenen Wert abweicht.

Reis. 5. Zeitverhalten der Proportionalregelung

Der Nachteil von Proportionalreglern besteht darin, dass jedem Parameterwert nur eine bestimmte Stellelementposition entspricht. Um den eingestellten Wert des Parameters (Temperatur) bei Laständerungen (Wärmeverbrauch) beizubehalten, ist es erforderlich, dass das Regelorgan entsprechend dem neuen Lastwert eine andere Position einnimmt. Bei einem Proportionalregler ist dies nicht der Fall, so dass es zu einer Restabweichung der Regelgröße kommt.

Integral (astatische Regler)

Integral (astatisch) werden solche Regler genannt, bei denen sich das Regelorgan bei Abweichung des Parameters vom eingestellten Wert immer mehr oder langsamer und immer in eine Richtung (innerhalb des Arbeitshubs) bewegt, bis der Parameter wieder den eingestellten Wert annimmt. Die Bewegungsrichtung des Stellelements ändert sich erst, wenn der Parameter den eingestellten Wert überschreitet.

Bei integrierten elektrischen Reglern wird üblicherweise eine künstliche Totzone geschaffen, innerhalb derer eine Änderung eines Parameters keine Bewegungen des Regelorgans hervorruft.

Die Bewegungsgeschwindigkeit des Regelkörpers im Integralregler kann konstant und variabel sein. Ein charakteristisches Merkmal des Integralreglers ist das Fehlen eines proportionalen Zusammenhangs zwischen den stationären Werten des Regelparameters und der Stellung des Regelorgans.

In Abb.6 zeigt ein schematisches Diagramm eines automatischen Temperaturregelsystems mit einem Integralregler. Im Gegensatz zum proportionalen Temperaturregelkreis (siehe Abb. 4) verfügt es nicht über eine starre Rückkopplungsschleife.

Reis. 6. Schema der integrierten Lufttemperaturregelung

Bei einem Integralregler ist die Geschwindigkeit des Regelorgans direkt proportional zum Wert der Abweichung des Regelparameters.

Der Ablauf der integrierten Temperaturregelung bei Lastsprung (Wärmeverbrauch) ist in Abb. dargestellt. 7 unter Verwendung zeitlicher Merkmale. Wie Sie der Grafik entnehmen können, kehrt der Regelparameter bei Integralregelung langsam auf den eingestellten Wert zurück.

Reis. 7. Zeitcharakteristik der integralen Regulierung

Isodrome (Proportional-Integral)-Regler

Die esodromische Steuerung hat sowohl die Eigenschaften einer proportionalen als auch einer integralen Steuerung. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Regelorgans hängt von der Größe und Geschwindigkeit der Abweichung des Regelparameters ab.

Wenn der gesteuerte Parameter vom eingestellten Wert abweicht, erfolgt die Anpassung wie folgt. Zunächst bewegt sich das Regelorgan in Abhängigkeit von der Größe der Abweichung des Regelparameters, es erfolgt also eine Proportionalregelung. Anschließend führt der Regler eine zusätzliche Bewegung aus, die zur Beseitigung der verbleibenden Unregelmäßigkeiten erforderlich ist (Integralregelung).

Ein isodromes Lufttemperaturregelsystem (Abb. 8) kann durch Ersetzen der starren Rückführung im Proportionalregelkreis (siehe Abb.) erhalten werden.5) mit elastischer Rückkopplung (vom Regelkörper zum Motor für Rückkopplungswiderstand). Die elektrische Rückmeldung in einem isodromen System erfolgt über ein Potentiometer und wird über eine Schleife mit Widerstand R und Kapazität C in das Steuersystem eingespeist.

Bei Transienten wirkt das Rückkopplungssignal zusammen mit dem Parameterabweichungssignal auf die nachfolgenden Elemente des Systems (Verstärker, Elektromotor). Bei einem stationären Regelkörper, egal in welcher Position er sich befindet, schwächt sich das Rückkopplungssignal ab, wenn der Kondensator C aufgeladen ist (im stationären Zustand ist es gleich Null).

Reis. 8. Schema der isodromen Regulierung der Lufttemperatur

Charakteristisch für die isodrome Regelung ist, dass die Ungleichmäßigkeit der Regelung (relativer Fehler) mit zunehmender Zeit abnimmt und gegen Null geht. In diesem Fall führt die Rückmeldung nicht zu Restabweichungen der Regelgröße.

Somit liefert die isodrome Steuerung deutlich bessere Ergebnisse als die proportionale oder integrale Steuerung (ganz zu schweigen von der Positionssteuerung). Die proportionale Steuerung aufgrund des Vorhandenseins einer starren Rückkopplung erfolgt fast augenblicklich, die isodrome Steuerung erfolgt langsamer.

Softwaresysteme zur automatischen Temperaturregelung

Um eine programmierte Steuerung zu implementieren, ist es notwendig, die Einstellung (Sollwert) des Reglers kontinuierlich zu beeinflussen, damit sich der Regelwert nach einem vorgegebenen Gesetz ändert. Zu diesem Zweck ist die Regulierungsbehörde mit einem Softwareelement ausgestattet. Dieses Gerät dient zur Festlegung des Änderungsgesetzes des eingestellten Wertes.

Während der Elektroheizung kann der Aktuator des automatischen Steuersystems die Abschnitte der elektrischen Heizelemente ein- oder ausschalten und so die Temperatur der beheizten Anlage gemäß einem vorgegebenen Programm ändern. Die programmierte Steuerung der Lufttemperatur und -feuchtigkeit wird häufig in Anlagen zur künstlichen Klimatisierung eingesetzt.