Sistem kontrol suhu otomatis

Menurut prinsip regulasi, semua sistem kontrol otomatis dibagi menjadi empat kelas.

1. Sistem stabilisasi otomatis — sistem di mana regulator mempertahankan nilai yang ditetapkan konstan dari parameter yang dikontrol.

2. Sistem kontrol terprogram — sistem yang memberikan perubahan parameter yang dikontrol menurut hukum yang telah ditentukan sebelumnya (dalam waktu).

3. Sistem pelacakan — sistem yang memberikan perubahan pada parameter yang dikontrol tergantung pada beberapa nilai lainnya.

4. Sistem regulasi ekstrem — sistem di mana regulator mempertahankan nilai variabel terkontrol yang optimal untuk kondisi yang berubah.

Untuk mengatur rezim suhu instalasi pemanas listrik, sistem dari dua kelas pertama terutama digunakan.

Sistem kontrol suhu otomatis berdasarkan jenis operasinya dapat dibagi menjadi dua kelompok: pengaturan berkala dan berkelanjutan.

Regulator otomatis sistem kontrol otomatis (ACS) menurut fitur fungsionalnya, mereka dibagi menjadi lima jenis: posisi (relay), proporsional (statis), integral (astatik), isodromik (proporsional-integral), isodromik dengan muka dan dengan turunan pertama.

Positioner milik ACS periodik, dan jenis regulator lainnya disebut ACS kontinu. Di bawah ini kami mempertimbangkan karakteristik utama pengontrol posisi, proporsional, integral, dan isodromik, yang paling sering digunakan dalam sistem kontrol suhu otomatis.

Diagram fungsional kontrol suhu otomatis (Gbr. 1) terdiri dari objek kontrol 1, sensor suhu 2, perangkat program atau pengatur suhu 4, pengatur 5 dan aktuator 8. Dalam banyak kasus, penguat utama 3 ditempatkan antara sensor dan perangkat program, dan antara regulator dan mekanisme penggerak — penguat sekunder 6. Sensor tambahan 7 digunakan dalam sistem kontrol isodromik.

Beras. 1. Skema fungsional pengaturan suhu otomatis

Termokopel, termokopel (termistor) dan termometer resistansi... Termokopel yang paling umum digunakan. Untuk detail lebih lanjut tentang mereka lihat di sini: Konverter termoelektrik (termokopel)

Pengatur suhu posisi (relai).

Posisi mengacu pada regulator semacam itu di mana regulator dapat menempati dua atau tiga posisi tertentu. Regulator dua dan tiga posisi digunakan dalam instalasi pemanas listrik. Mereka sederhana dan dapat diandalkan untuk dioperasikan.

Dalam gambar. 2 menunjukkan diagram skematik untuk mengontrol suhu udara hidup dan mati.

Beras. 2.Diagram skema pengaturan suhu udara saat dihidupkan dan dimatikan: 1 — objek kontrol, 2 — jembatan pengukur, 3 — relai terpolarisasi, 4 — belitan eksitasi motor listrik, 5 — angker motor, 6 — kotak roda gigi, 7 — pemanas .

Untuk mengontrol suhu pada objek pengaturan digunakan resistansi RT yang dihubungkan ke salah satu lengan jembatan pengukur 2. Nilai resistansi jembatan dipilih sedemikian rupa sehingga pada suhu tertentu jembatan seimbang, yaitu tegangan pada diagonal jembatan sama dengan nol. Ketika suhu naik, relai terpolarisasi 3, termasuk dalam diagonal jembatan pengukur, menyalakan salah satu belitan 4 motor DC, yang dengan bantuan peredam 6 menutup katup udara di depan pemanas 7. Saat suhu turun, katup udara terbuka sepenuhnya.

Dengan pengaturan suhu dua posisi, jumlah panas yang disuplai hanya dapat diatur ke dua tingkat — maksimum dan minimum. Jumlah maksimum panas harus lebih besar dari yang diperlukan untuk mempertahankan suhu yang diatur, dan minimum harus lebih kecil. Dalam hal ini, suhu udara berfluktuasi di sekitar nilai yang ditetapkan, yaitu yang disebut mode berosilasi sendiri (Gbr. 3, a).

Garis suhu τn dan τв menentukan batas bawah dan atas zona mati. Ketika suhu benda yang dikontrol, menurun, mencapai nilai τJumlah panas yang disuplai langsung meningkat dan suhu benda mulai naik. Mencapai arti τв, regulator mengurangi suplai panas dan suhu menurun.

Beras. 3.Karakteristik waktu regulasi on-off (a) dan karakteristik statis untuk regulator on-off (b).

Kecepatan kenaikan dan penurunan suhu tergantung pada sifat-sifat objek yang dikendalikan dan pada karakteristik waktunya (kurva percepatan). Fluktuasi suhu tidak melebihi zona mati jika perubahan suplai panas segera menyebabkan perubahan suhu, yaitu jika tidak ada lag dari objek yang dikontrol.

Saat zona mati berkurang, amplitudo fluktuasi suhu berkurang menjadi nol pada τn = τv. Namun, ini membutuhkan suplai panas untuk bervariasi pada frekuensi yang sangat tinggi, yang sangat sulit diterapkan dalam praktiknya. Ada penundaan di semua objek kontrol nyata. Proses regulasi di dalamnya berlangsung sebagai berikut.

Ketika suhu objek kontrol turun ke nilai τ, catu daya segera berubah, tetapi karena penundaan, suhu terus menurun selama beberapa waktu. Kemudian naik ke nilai τв, di mana masukan panas langsung berkurang. Suhu terus meningkat selama beberapa waktu, kemudian karena input panas berkurang, suhu turun dan proses berulang lagi.

Dalam gambar. 3, b menunjukkan karakteristik statis dari pengontrol dua posisi... Oleh karena itu, efek pengaturan pada objek hanya dapat mengambil dua nilai: maksimum dan minimum. Dalam contoh yang dipertimbangkan, maksimum sesuai dengan posisi katup udara (lihat Gbr. 2) terbuka penuh, minimum - saat katup ditutup.

Tanda tindakan kontrol ditentukan oleh tanda penyimpangan nilai yang dikontrol (suhu) dari nilai yang ditetapkan. Tingkat pengaruh pengaturan adalah konstan. Semua pengontrol on/off memiliki area histeresis α, yang terjadi karena perbedaan antara arus pick-up dan drop-off relai elektromagnetik.

Contoh penggunaan kontrol suhu dua titik: Kontrol suhu otomatis dalam tungku dengan ketahanan panas

Pengontrol suhu proporsional (statis).

Dalam kasus di mana akurasi kontrol yang tinggi diperlukan atau ketika proses berosilasi sendiri tidak dapat diterima, gunakan regulator dengan proses regulasi berkelanjutan... Ini termasuk pengontrol proporsional (pengontrol-P)cocok untuk mengatur berbagai macam proses teknologi.

Dalam kasus di mana diperlukan akurasi regulasi yang tinggi atau ketika proses osilasi mandiri tidak dapat diterima, regulator dengan proses regulasi berkelanjutan digunakan. Ini termasuk pengontrol proporsional (P-controllers) yang cocok untuk mengatur berbagai macam proses teknologi.

Dalam sistem kontrol otomatis dengan P-regulator, posisi badan pengatur (y) berbanding lurus dengan nilai parameter yang dikontrol (x):

y = k1x,

di mana k1 adalah faktor proporsionalitas (penguatan pengontrol).

Proporsionalitas ini berlangsung hingga regulator mencapai posisi ujungnya (sakelar batas).

Kecepatan gerakan badan pengatur berbanding lurus dengan kecepatan perubahan parameter yang dikontrol.

Dalam gambar.4 menunjukkan diagram skematik sistem kontrol suhu ruangan otomatis menggunakan kontroler proporsional. Suhu ruangan diukur dengan termometer resistensi RTD yang terhubung ke sirkuit pengukuran 1 jembatan.

Beras. 4. Skema kontrol suhu udara proporsional: 1 — jembatan pengukur, 2 — objek kontrol, 3 — penukar panas, 4 — motor kapasitor, 5 — penguat peka fase.

Pada suhu tertentu, jembatan seimbang. Ketika suhu yang dikontrol menyimpang dari nilai yang ditetapkan, tegangan ketidakseimbangan muncul di diagonal jembatan, yang besarnya dan tandanya bergantung pada besar dan tanda penyimpangan suhu. Tegangan ini diperkuat oleh amplifier peka-fase 5, pada keluarannya belitan motor kapasitor dua fase 4 penggerak dihidupkan.

Mekanisme penggerak menggerakkan badan pengatur, mengubah aliran pendingin di penukar panas 3. Bersamaan dengan gerakan badan pengatur, resistansi salah satu lengan jembatan pengukur berubah, akibatnya suhu di mana jembatan seimbang.

Jadi, karena umpan balik yang kaku, setiap posisi badan pengatur sesuai dengan nilai kesetimbangannya sendiri dari suhu yang dikontrol.

Pengontrol proporsional (statis) dicirikan oleh ketidakseragaman regulasi residual.

Dalam kasus penyimpangan beban yang tajam dari nilai yang ditetapkan (pada saat t1), parameter yang dikontrol akan mencapai setelah periode waktu tertentu (momen t2) nilai stabil baru (Gbr. 4).Namun, ini hanya mungkin dengan posisi baru dari badan pengatur, yaitu dengan nilai baru dari parameter yang dikontrol, yang berbeda dari nilai yang telah ditentukan oleh δ.

Beras. 5. Karakteristik waktu kontrol proporsional

Kerugian dari pengontrol proporsional adalah bahwa hanya satu posisi elemen kontrol tertentu yang sesuai dengan setiap nilai parameter. Untuk mempertahankan nilai yang ditetapkan dari parameter (suhu) ketika beban (konsumsi panas) berubah, badan pengatur perlu mengambil posisi berbeda yang sesuai dengan nilai beban baru. Dalam kontroler proporsional, hal ini tidak terjadi, menghasilkan deviasi residual dari parameter yang dikontrol.

Integral (pengontrol astatik)

Integral (astatik) disebut regulator semacam itu di mana, ketika parameter menyimpang dari nilai yang ditetapkan, badan pengatur bergerak lebih atau lebih lambat dan sepanjang waktu dalam satu arah (dalam langkah kerja) hingga parameter kembali mengasumsikan nilai yang ditetapkan . Arah pergerakan elemen penyesuaian hanya berubah ketika parameter melebihi nilai yang ditetapkan.

Dalam pengontrol aksi listrik integral, zona mati buatan biasanya dibuat, di mana perubahan parameter tidak menyebabkan pergerakan badan pengatur.

Kecepatan gerakan badan pengatur dalam pengontrol integral dapat konstan dan bervariasi. Ciri khas dari pengontrol integral adalah tidak adanya hubungan proporsional antara nilai kondisi-mapan dari parameter yang dikontrol dan posisi badan pengatur.

Dalam gambar.6 menunjukkan diagram skematik sistem kontrol suhu otomatis menggunakan pengontrol integral... Berbeda dengan sirkuit kontrol suhu proporsional (lihat Gambar 4), sirkuit ini tidak memiliki loop umpan balik yang kaku.

Beras. 6. Skema kontrol suhu udara terintegrasi

Pada pengontrol integral, kecepatan badan pengatur berbanding lurus dengan nilai deviasi parameter yang dikontrol.

Proses kontrol suhu terintegrasi dengan perubahan beban yang tiba-tiba (konsumsi panas) ditunjukkan pada Gambar. 7 menggunakan karakteristik temporal. Seperti yang Anda lihat dari grafik, parameter yang dikontrol dengan kontrol integral perlahan-lahan kembali ke nilai yang ditetapkan.

Beras. 7. Karakteristik waktu dari regulasi integral

Pengontrol isodromik (proporsional-integral).

Kontrol esodromik memiliki sifat kontrol proporsional dan integral. Kecepatan gerakan badan pengatur tergantung pada besarnya dan kecepatan penyimpangan parameter yang dikontrol.

Ketika parameter yang dikontrol menyimpang dari nilai yang ditetapkan, penyesuaian dilakukan sebagai berikut. Awalnya, badan pengatur bergerak tergantung pada besarnya penyimpangan parameter yang dikontrol, yaitu kontrol proporsional dilakukan. Kemudian pengatur membuat gerakan tambahan, yang diperlukan untuk menghilangkan penyimpangan sisa (regulasi integral).

Sistem kontrol suhu udara isodromik (Gbr. 8) dapat diperoleh dengan mengganti umpan balik kaku di sirkuit kontrol proporsional (lihat Gbr.5) dengan umpan balik elastis (dari badan pengatur ke motor untuk resistensi umpan balik). Umpan balik listrik dalam sistem isodromik disediakan oleh potensiometer dan dimasukkan ke dalam sistem kontrol melalui loop yang berisi resistansi R dan kapasitansi C.

Selama transien, sinyal umpan balik bersama dengan sinyal deviasi parameter memengaruhi elemen sistem berikutnya (penguat, motor listrik). Dengan badan pengatur stasioner, dalam posisi apa pun, ketika kapasitor C diisi, sinyal umpan balik meluruh (dalam keadaan stasioner sama dengan nol).

Beras. 8. Skema pengaturan suhu udara isodromik

Ini adalah karakteristik regulasi isodromik bahwa ketidakseragaman regulasi (kesalahan relatif) berkurang dengan bertambahnya waktu, mendekati nol. Dalam hal ini, umpan balik tidak akan menyebabkan penyimpangan sisa dari nilai yang dikontrol.

Dengan demikian, kontrol isodromik menghasilkan hasil yang jauh lebih baik daripada kontrol proporsional atau integral (belum lagi kontrol posisi). Kontrol proporsional karena adanya umpan balik yang kaku terjadi hampir seketika, isodromik - lebih lambat.

Sistem perangkat lunak untuk kontrol suhu otomatis

Untuk mengimplementasikan kontrol terprogram, pengaturan (setpoint) regulator perlu terus menerus dipengaruhi sehingga nilai kontrol berubah sesuai dengan hukum yang telah ditentukan. Untuk tujuan ini, regulator pengatur dilengkapi dengan elemen perangkat lunak. Perangkat ini berfungsi untuk menetapkan hukum perubahan nilai yang ditetapkan.

Selama pemanasan listrik, penggerak sistem kontrol otomatis dapat bertindak untuk menghidupkan atau mematikan bagian elemen pemanas listrik, sehingga mengubah suhu instalasi yang dipanaskan sesuai dengan program yang diberikan. Kontrol suhu dan kelembaban udara terprogram banyak digunakan dalam instalasi iklim buatan.