자동 온도 제어 시스템

규정 원칙에 따라 모든 자동 제어 시스템은 네 가지 등급으로 나뉩니다.

1. 자동 안정화 시스템 - 조절기가 제어 매개변수의 일정한 설정 값을 유지하는 시스템입니다.

2. 프로그래밍된 제어 시스템 - 사전 결정된 법칙(시간)에 따라 제어된 매개변수의 변경을 제공하는 시스템입니다.

3. 추적 시스템 - 다른 값에 따라 제어 매개변수의 변경을 제공하는 시스템입니다.

4. 극한 조절 시스템 - 조절기가 변화하는 조건에 최적인 제어 변수 값을 유지하는 시스템입니다.

전기 난방 설비의 온도 체계를 조절하기 위해 처음 두 등급의 시스템이 주로 사용됩니다.

작동 유형에 따른 자동 온도 제어 시스템은 주기적 및 연속 조절의 두 그룹으로 나눌 수 있습니다.

자동 조절기 자동 제어 시스템(ACS) 기능적 특징에 따라 위치(릴레이), 비례(정적), 적분(비정적), 등위성(비례-적분), 등위성 및 1차 도함수의 5가지 유형으로 나뉩니다.

포지셔너는 주기적 ACS에 속하며 다른 유형의 레귤레이터는 연속 ACS라고합니다. 아래에서는 자동 온도 제어 시스템에서 가장 자주 사용되는 위치, 비례, 적분 및 등방성 컨트롤러의 주요 특성을 고려합니다.

자동 온도 제어의 기능 다이어그램(그림 1)은 제어 대상 1, 온도 센서 2, 프로그램 장치 또는 온도 조절기 4, 조절기 5 및 액추에이터 8로 구성됩니다. 대부분의 경우 1차 증폭기 3이 배치됩니다. 센서와 프로그램 장치 사이, 레귤레이터와 구동 메커니즘 사이 - 보조 증폭기 6. 추가 센서 7은 isodromic 제어 시스템에 사용됩니다.

쌀. 1. 자동 온도 조절 기능 체계

열전대, 열전대(서미스터) 및 저항 온도계... 가장 일반적으로 사용되는 열전쌍. 자세한 내용은 여기를 참조하세요. 열전 변환기(열전대)

위치(릴레이) 온도 조절기

위치형은 조절기가 2개 또는 3개의 특정 위치를 점유할 수 있는 조절기를 말합니다. 2위치 및 3위치 조절기는 전기 난방 설비에 사용됩니다. 작동이 간단하고 안정적입니다.

무화과에서. 도 2는 공기 온도를 온/오프 제어하기 위한 개략도를 도시한다.

쌀. 2.켜고 끌 때 공기 온도 조절의 개략도: 1 — 제어 대상, 2 — 측정 브리지, 3 — 극성 릴레이, 4 — 전기 모터의 여기 권선, 5 — 모터 전기자, 6 — 기어박스, 7 — 히터 .

조절 대상의 온도를 제어하기 위해 측정 브리지 2의 암 중 하나에 연결된 저항 RT가 사용됩니다. 브리지의 저항 값은 다음과 같은 방식으로 선택됩니다. 주어진 온도에서 브리지는 균형을 이룹니다. 즉, 브리지 대각선의 전압은 0입니다. 온도가 상승하면 측정 브리지의 대각선에 포함된 극성 릴레이 3이 DC 모터의 권선 4 중 하나를 켜고 감속기 6의 도움으로 히터 앞의 공기 밸브를 닫습니다. 7. 온도가 떨어지면 공기 밸브가 완전히 열립니다.

2단계 온도 조절을 통해 공급되는 열량은 최대 및 최소의 두 가지 수준으로만 설정할 수 있습니다. 최대 열량은 설정된 제어 온도를 유지하는 데 필요한 것보다 커야 하며 최소 열량은 적어야 합니다. 이 경우 공기 온도는 설정 값, 즉 소위 자체 발진 모드 (그림 3, a) 주변에서 변동합니다.

온도 선 τn 및 τв는 데드 존의 하한 및 상한을 정의합니다. 제어 대상의 온도가 감소하면 τ 값에 도달하면 공급되는 열의 양이 순간적으로 증가하고 대상의 온도가 상승하기 시작합니다. 감지 τв에 도달하면 조절기는 열 공급을 줄이고 온도는 감소합니다.

쌀. 삼.온오프 조절기의 시간 특성(a) 및 온오프 조절기의 정적 특성(b).

온도 상승 및 하강 속도는 제어 대상의 속성과 시간 특성(가속 곡선)에 따라 달라집니다. 열 공급의 변화가 즉시 온도 변화를 일으키는 경우, 즉 제어 대상의 지연이 없는 경우 온도 변동은 데드 존을 초과하지 않습니다.

데드 존이 감소함에 따라 온도 변동의 진폭은 τn = τv에서 0으로 감소합니다. 그러나 이를 위해서는 열 공급이 무한히 높은 주파수에서 변화해야 하므로 실제로 구현하기가 매우 어렵습니다. 모든 실제 제어 개체에는 지연이 있습니다. 규제 프로세스는 다음과 같이 진행됩니다.

제어 대상의 온도가 τ 값으로 떨어지면 전원 공급 장치가 즉시 변경되지만 지연으로 인해 한동안 온도가 계속 감소합니다. 그런 다음 열 입력이 즉시 감소하는 값 τв로 상승합니다. 일정 시간 동안 온도가 계속 상승한 다음 열 입력 감소로 인해 온도가 떨어지고 프로세스가 다시 반복됩니다.

무화과에서. 3, b는 2 위치 컨트롤러의 정적 특성을 보여줍니다.... 물체에 대한 조절 효과는 최대 값과 최소값의 두 가지 값만 취할 수 있습니다. 고려한 예에서 최대값은 공기 밸브(그림 2 참조)가 완전히 열린 위치에 해당하고 최소값은 밸브가 닫힌 위치에 해당합니다.

제어 동작의 부호는 제어 값(온도)과 설정 값의 편차 부호로 결정됩니다. 규제 영향의 정도는 일정합니다. 모든 온/오프 컨트롤러는 전자기 릴레이의 픽업 전류와 드롭 오프 전류의 차이로 인해 발생하는 히스테리시스 영역 α를 가집니다.

2점 온도 제어 사용 예: 가열 저항이 있는 용광로의 자동 온도 제어

비례(정적) 온도 컨트롤러

높은 제어 정확도가 필요하거나 자체 진동 프로세스가 허용되지 않는 경우 연속 조정 프로세스가 있는 조정기를 사용합니다. 여기에는 비례 컨트롤러(P-컨트롤러)다양한 기술 프로세스를 조정하는 데 적합합니다.

높은 조정 정확도가 요구되거나 자체 진동 프로세스가 허용되지 않는 경우 연속 조정 프로세스가 있는 조정기가 사용됩니다. 여기에는 다양한 기술 프로세스를 조절하는 데 적합한 비례 컨트롤러(P-컨트롤러)가 포함됩니다.

P-조절기가 있는 자동 제어 시스템에서 조절 본체(y)의 위치는 제어 매개변수(x)의 값에 정비례합니다.

y = k1x,

여기서 k1은 비례 계수(컨트롤러 게인)입니다.

이 비례는 레귤레이터가 끝 위치(리미트 스위치)에 도달할 때까지 발생합니다.

규제 기관의 이동 속도는 제어 매개변수의 변화 속도에 정비례합니다.

무화과에서.도 4는 비례 제어기를 사용하는 자동 실내 온도 제어 시스템의 개략도를 도시한다. 실내 온도는 브리지의 측정 회로 1에 연결된 RTD 저항 온도계로 측정됩니다.

쌀. 4. 공기 온도 비례 제어 방식: 1 — 브리지 측정, 2 — 제어 대상, 3 — 열교환기, 4 — 커패시터 모터, 5 — 위상 민감 증폭기.

주어진 온도에서 브리지는 균형을 이룹니다. 제어된 온도가 설정 값에서 벗어나면 브리지의 대각선에 불균형 전압이 나타나며 그 크기와 부호는 온도 편차의 크기와 부호에 따라 달라집니다. 이 전압은 드라이브의 2상 커패시터 모터(4)의 권선이 켜지는 출력에서 ​​위상에 민감한 증폭기(5)에 의해 증폭됩니다.

구동 메커니즘은 조절 몸체를 움직여 열 교환기 3의 냉각수 흐름을 변경합니다. 조절 몸체의 움직임과 동시에 측정 브리지 암 중 하나의 저항이 변경되어 그 결과 온도가 다리가 균형을 이룹니다.

따라서 강성 피드백으로 인해 조절 장치의 각 위치는 제어된 온도의 자체 평형 값에 해당합니다.

비례(정적) 컨트롤러는 잔여 규제의 불균일성을 특징으로 합니다.

부하가 설정 값(순간 t1)에서 급격히 벗어나는 경우 제어된 매개변수는 일정 시간(순간 t2) 후에 새로운 안정 값에 도달합니다(그림 4).그러나 이것은 규제 기관의 새로운 위치, 즉 미리 설정된 값과 δ 만큼 다른 제어 매개변수의 새로운 값을 통해서만 가능합니다.

쌀. 5. 비례 제어의 타이밍 특성

비례 컨트롤러의 단점은 하나의 특정 제어 요소 위치만 각 매개변수 값에 해당한다는 것입니다. 부하(열소모량)가 변할 때 파라미터(온도)의 설정값을 유지하기 위해서는 조절체가 새로운 부하값에 따라 다른 위치를 취하는 것이 필요합니다. 비례 컨트롤러에서는 이런 일이 발생하지 않아 제어되는 매개변수의 잔여 편차가 발생합니다.

적분(비정적 컨트롤러)

일체형(비정적)은 매개변수가 설정값에서 벗어날 때 매개변수가 다시 설정값을 가정할 때까지 매개변수가 다소 느리게 그리고 항상 한 방향(작동 스트로크 내)으로 움직이는 조절기라고 합니다. 조정 요소의 이동 방향은 매개변수가 설정값을 초과하는 경우에만 변경됩니다.

일체형 전기 동작 컨트롤러에서는 일반적으로 인공 데드 존이 생성되며, 그 내에서 매개변수의 변경으로 인해 조절 본체가 움직이지 않습니다.

일체형 컨트롤러에서 조절 몸체의 이동 속도는 일정하고 가변적일 수 있습니다. 일체형 컨트롤러의 특징은 제어 매개변수의 정상 상태 값과 규제 기관의 위치 사이에 비례 관계가 없다는 것입니다.

무화과에서.도 6은 통합 제어기를 이용한 자동 온도 제어 시스템의 개략도를 나타내며, 비례 온도 제어 회로(그림 4 참조)와 달리 강성 피드백 루프가 없습니다.

쌀. 6. 통합 공기 온도 제어 방식

일체형 컨트롤러에서 규제 기관의 속도는 제어되는 매개변수의 편차 값에 정비례합니다.

급격한 부하 변화(열 소비)에 따른 통합 온도 제어 프로세스가 그림 1에 나와 있습니다. 7 시간적 특성을 사용합니다. 그래프에서 볼 수 있듯이 적분 제어로 제어되는 매개 변수는 천천히 설정 값으로 돌아갑니다.

쌀. 7. 적분조절의 시간적 특성

등방성(비례 적분) 제어기

Esodromic 제어는 비례 제어와 적분 제어의 속성을 모두 가지고 있습니다. 규제 기관의 이동 속도는 제어 매개변수의 편차의 크기와 속도에 따라 달라집니다.

제어 매개 변수가 설정 값에서 벗어나면 다음과 같이 조정됩니다. 처음에는 제어 대상 변수의 편차 크기에 따라 규제 기관이 움직입니다. 즉, 비례 제어가 수행됩니다. 그런 다음 레귤레이터는 잔류 불규칙성을 제거하는 데 필요한 추가 동작을 수행합니다(통합 조절).

등방성 공기 온도 제어 시스템(그림 8)은 비례 제어 회로에서 강성 피드백을 교체하여 얻을 수 있습니다(그림 8 참조).5) 탄성 피드백(피드백 저항을 위해 조절 본체에서 모터까지). 등방성 시스템의 전기적 피드백은 전위차계에 의해 제공되며 저항 R과 커패시턴스 C를 포함하는 루프를 통해 제어 시스템에 공급됩니다.

과도 상태 동안 파라미터 편차 신호와 함께 피드백 신호는 시스템의 후속 요소(증폭기, 전기 모터)에 영향을 미칩니다. 고정된 조절 몸체의 경우 위치에 관계없이 커패시터 C가 충전되면 피드백 신호가 감소합니다(정상 상태에서는 0과 같음).

쌀. 8. 공기 온도의 등방성 조절 방식

조절의 불균일성(상대 오차)이 시간이 증가함에 따라 감소하여 0에 접근하는 것이 등색 조절의 특징입니다. 이 경우 피드백으로 인해 제어된 값의 잔류 편차가 발생하지 않습니다.

따라서 등방성 제어는 비례 또는 적분(위치 제어는 말할 것도 없고)보다 훨씬 더 나은 결과를 생성합니다. 강성 피드백의 존재로 인한 비례 제어는 거의 즉각적으로 등방성으로 발생합니다.

자동 온도 제어용 소프트웨어 시스템

프로그래밍된 제어를 구현하려면 미리 정해진 법칙에 따라 제어된 값이 변경되도록 조절기의 설정(설정값)에 지속적으로 영향을 미칠 필요가 있습니다. 이를 위해 규제 기관에는 소프트웨어 요소가 장착되어 있습니다. 이 장치는 설정 값의 변화 법칙을 확립하는 역할을 합니다.

전기 가열 중에 자동 제어 시스템의 액추에이터는 전기 가열 요소의 섹션을 켜거나 끄도록 작동하여 주어진 프로그램에 따라 가열 설비의 온도를 변경할 수 있습니다. 공기 온도 및 습도의 프로그래밍된 제어는 인공 기후 설비에서 널리 사용됩니다.