ТермоФаг
 
Звоните нам бесплатно My status Skype Главная Информация Статьи
Другие полезные статьи
Измерители-регуляторы температуры. Принципы регулирования.

В настоящее время благодаря бурному внедрению микроконтроллеров автоматизируются все более сложные объекты . Поэтому для применения систем управления и авторегулирования от пользователя требуются определенные знания автоматики.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ОБЪЕКТЫ И ИХ МОДЕЛИ Для описания систем автоматического управления (регулирования) обычно используется следующая структурная схема:

Схема автоматического управления
Рис. 1. Обобщенная структурная схема САУ (САР)
где: U - уставка (программно задаваемая величина); X - контролируемая величина (состояние объекта); E - невязка; Y - управляющий сигнал; G - внешние возмущения; П - программный задатчик (в частном случае оператор)

В процессе работы система автоматического регулирования (САР) сравнивает текущее значение измеряемой величины Х с заданием U (уставкой) и устраняет рассогласование Е (невязку ). Возмущающие воздействия G также устраняются регулятором. Например, при регулировании температуры в печи, уставкой U является требуемая температура воздуха, контролируемой величиной X - текущая температура, невяз кой E является их разница, управляющей величиной Y является напряжение на теплонагревательном элементе (ТЭНе).
Программный задатчик П изменяет уставки в течение суток (режим термической обработки в печах, досвет в теплицах, изменение температуры помещения и пр.). Его использование обычно не представляет особой сложности с позиции настройки и эксплуатации.
На температуру в печи влияют температура окружающей среды, открытая заслонка, состояние ТЭН и пр. Пользователю необходимо, чтобы температура в печи как можно точнее совпадала с уставкой.
Основной задачей при построении САР является выбор и наладка регулятора, адекватного объекту управления. Кроме того, необходим подбор соответствующих измерительных преобразователей (датчиков). Для успешного решения этой задачи в первую очередь необходимо определить динамические свойства объекта управления.

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ Для определения динамических свойств объекта на практике чаще всего используют методику снятия переходной характеристики, которая излагается ниже.
В начальный момент требуется, чтобы система находилась в покое (т.е. контролируемая величина X (температура в печи) и управляющее воздействие Y (напряжение на ТЭНе) не изменялись, а внешние возмущения отсутствовали. Например, температура в печи оставалась постоянной и заслонка не открывалась. Затем на вход исполнительного органа подается ступенчатое воздействие, например, включается нагреватель. В результате состояние объекта начинает изменяться. Процесс изменения Х(t) – переходная характеристика изображена
на рис. 2.

Процесс изменения температуры нагреваемого объекта
Рис. 2. Процесс изменения температуры нагреваемого объекта:
Ху – установившееся значение. Максимальное значение температуры в печи, которое может быть достигнуто при данной мощности нагревателя;
tо – транспортное запаздывание. Время после включения нагревателя, за которое температура в печи достигнет значения 0,1Ху;
tи – постоянная времени объекта. Достаточно точно может быть определено как время, за которое температура достигнет значения 0,63Ху минус tо;
R – наклон разгонной кривой – максимальная скорость изменения температуры, может быть определена по формуле R = Xу/tи

По виду переходной характеристики можно определить динамические свойства объекта: Ху, to, tи, R.
Для регуляторов с релейным выходом на объект подается 100% мощности. В ряде случаев длительное воздействие такой мощности недопустимо. В этом случае допускается выключение нагревательного элемента после определения to и R. При этом скорость изменения температуры достаточно точно можно определить после достижения величиной Х значения 0,3 Ху . Тогда скорость изменения температуры R и постоянная времени tи определяются по формуле: R = DT/Dt; tи = Ху/R.
Значение Ху = Хmax определяется из паспортных данных объекта управления (например максимальная температура печи).
Исходя из соотношения tо/tи объекты делятся на:
1. Объекты без запаздывания: tо/tи < 0,05.
2. Объекты с большой инерционностью и с малым запаздыванием: tо/tи< 0.1.
3. Объекты с существенным транспортным запаздыванием: tо/tи > 0.2.
Вышеперечисленные объекты устойчивы и обладают самовыравниванием, т.е. если подать ступенчатое воздействие Y меньше, чем Ymax, то установившееся значение Ху будет меньше Хmax. Существуют неустойчивые объекты без самовыравнивания. Например, вентилятор с асинхронным электродвигателем с жесткой характеристикой. При изменении напряжения питания двигатель или находится в заторможенном состоянии, или разгоняется до номинальных оборотов. Для каждого объекта управления необходимо применять регуляторы с соответствующим алгоритмом – законом регулирования. Это позволяет существенно снизить потери при функционировании объекта (расход энергии, потери продукции и пр.). Исходя из соотношения tо/tи, выбирается тот или иной тип регулятора (см. таблицу). На параметры объекта значительное влияние оказывает взаимное расположение исполнительных органов (ТЭНа) и первичного преобразователя (датчика). На рис.3 изображена САР водяным отоплением с управлением задвижкой.

Система автоматического регулирования
Рис.3.
Блок-схема САР водяным отоплением

Величина транспортного запаздывания - to определяется временем притока воды в батарею из отопительной сети и временем распространения теплового потока в воздухе. Постоянная времени - tи определяется объемом помещения- V.Следовательно, уменьшая длину трубопровода и приближая датчик к батарее мы можем снизить соотношение tо/tи и упростить задачу регулирования.

ВЫХОДНЫЕ ЦЕПИ РЕГУЛЯТОРОВ По типу выходной величины регуляторы делятся на:
Непрерывные регуляторы, имеющие непрерывно изменяющуюся выходную величину.
а)Регуляторы с выходом по постоянному току или напряжению (Стандартный выход 0-5 мА или 0-10V) Выходная величина формируется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) и представляет собой неизменную величину в каждый интервал времени. Применяется редко, так как требуются дополнительные аналоговые схемы для вычисления коэффициентов. Следует иметь в виду, что при неточном задании коэффициентов настройки ПИД регулятор может иметь худшие показатели, чем Т - регулятор (релейный) и даже перейти в режим автоколебаний. Для типовых ПИД регуляторов известны простейшие аналитические и табличные методы настройки (например две методики Цидлера).
Современные микропроцессорные приборы автоматически подбирают коэффициенты настройки регуляторов, такие регуляторы называются адаптивными. Адаптация производится:
– в процессе вывода состояния объекта на новое задание - U. В этом случае говорят о самонастройке или самооптимизации;
– в процессе стабилизации состояния объекта. Адаптивные регуляторы позволяют улучшить качество регулирования температуры, например, при изменении загрузки печи и состояния нагревательного элемента в процессе эксплуатации.
Однако можно отметить и недостаток адаптивных систем. В случае очень больших возмущающих воздействий параметры настройки могут “сбиться” и система на некоторое время может перейти в колебательный режим с запредельными значениями регулируемой величины Х.
В любом случае для установки адаптивных систем требуется хотя бы грубое задание некоторых параметров: частоты опроса, максимального и минимального значения регулируемой величины Х, зоны нечувствительности.
ПИД регуляторы позволяют для объектов с большой инерционностью tи и с малым запаздыванием tо<0.2 · tи обеспечить хорошее качество регулирования: E << 1% от U, достаточное малое время выхода на режим и невысокую чувствительность к возмущениям. Однако при tо>0.2 · tи ПИД регулятор обладает плохим качеством регулирования. В этом случае хорошие качественные показатели обеспечивают системы управления с моделью объекта.
Системы управления с моделью объекта обладают возможностью предугадывать будущие изменения состояния объекта. Они могут быть адаптивными или нет и незаменимы для объектов с существенным временем запаздывания tо>0.2 · tи.
Приведенная выше таблица параметров объектов регулирования указывает на то, что наиболее распространенными являются позиционные – Т-регуляторы.

Составлено по материалам Аркадия ЕРКОВА,
Алексея ХОРОШАВЦЕВА


Автор Корниенко Д.Г.

Источник: http://logic-bratsk.ru/