Sistemas automáticos de controle de temperatura

De acordo com o princípio de regulação, todos os sistemas de controle automático são divididos em quatro classes.

1. Sistema de estabilização automática — um sistema no qual o regulador mantém um valor constante do parâmetro controlado.

2. Sistema de controle programado — um sistema que fornece uma alteração no parâmetro controlado de acordo com uma lei predeterminada (no tempo).

3. Sistema de rastreamento — um sistema que fornece uma alteração no parâmetro controlado dependendo de algum outro valor.

4. Sistema de regulação extrema — um sistema no qual o regulador mantém o valor da variável controlada que é ótimo para as condições variáveis.

Para regular o regime de temperatura das instalações de aquecimento elétrico, são utilizados principalmente sistemas das duas primeiras classes.

Os sistemas de controle automático de temperatura por tipo de operação podem ser divididos em dois grupos: regulação periódica e contínua.

reguladores automáticos sistemas de controle automático (ACS) de acordo com suas características funcionais, eles são divididos em cinco tipos: posicional (relé), proporcional (estático), integral (astático), isodrômico (proporcional-integral), isodrômico com avanço e com a primeira derivada.

Os posicionadores pertencem ao ACS periódico, e outros tipos de reguladores são chamados de ACS contínuos. Abaixo, consideramos as principais características dos controladores posicionais, proporcionais, integrais e isodrômicos, que são mais usados ​​em sistemas automáticos de controle de temperatura.

Um diagrama funcional do controle automático de temperatura (Fig. 1) consiste em um objeto de controle 1, um sensor de temperatura 2, um dispositivo de programa ou regulador de temperatura 4, um regulador 5 e um atuador 8. Em muitos casos, um amplificador primário 3 é colocado entre o sensor e o dispositivo de programa e entre o regulador e o mecanismo de acionamento - um amplificador secundário 6. Um sensor adicional 7 é usado em sistemas de controle isodrômicos.

Arroz. 1. Esquema funcional de regulação automática de temperatura

Termopares, termopares (termistores) e termômetros de resistência... Os termopares mais usados. Para mais detalhes sobre eles veja aqui: Conversores termoelétricos (termopares)

Reguladores de temperatura posicionais (relé)

Posicional refere-se a tais reguladores onde o regulador pode ocupar duas ou três posições específicas. Reguladores de duas e três posições são usados ​​em instalações de aquecimento elétrico. Eles são simples e confiáveis ​​para operar.

Na fig. 2 mostra um diagrama esquemático para ligar e desligar a temperatura do ar.

Arroz. 2.Diagrama esquemático da regulação da temperatura do ar ao ligar e desligar: 1 - objeto de controle, 2 - ponte de medição, 3 - relé polarizado, 4 - enrolamentos de excitação do motor elétrico, 5 - armadura do motor, 6 - caixa de engrenagens, 7 - aquecedor .

Para controlar a temperatura no objeto de regulação, é utilizada a resistência RT, que é conectada a um dos braços da ponte de medição 2. Os valores das resistências da ponte são selecionados de forma que em a uma dada temperatura a ponte está balanceada, ou seja, a tensão na diagonal da ponte é igual a zero. Quando a temperatura aumenta, o relé polarizado 3, incluído na diagonal da ponte de medição, liga um dos enrolamentos 4 do motor DC, que, com a ajuda do redutor 6, fecha a válvula de ar na frente do aquecedor 7. Quando a temperatura cai, a válvula de ar abre completamente.

Com regulagem de temperatura em duas posições, a quantidade de calor fornecido pode ser ajustada para apenas dois níveis — máximo e mínimo. A quantidade máxima de calor deve ser maior do que o necessário para manter a temperatura controlada definida e a mínima deve ser menor. Neste caso, a temperatura do ar flutua em torno do valor definido, ou seja, o chamado modo auto-oscilante (Fig. 3, a).

As linhas de temperatura τn e τв definem os limites inferior e superior da zona morta. Quando a temperatura do objeto controlado, diminuindo, atinge o valor τA quantidade de calor fornecido aumenta instantaneamente e a temperatura do objeto começa a subir. Atingindo o sentido τв, o regulador reduz o fornecimento de calor e a temperatura diminui.

Arroz. 3.Característica temporal da regulação on-off (a) e característica estática de um regulador on-off (b).

A velocidade de aumento e queda de temperatura depende das propriedades do objeto controlado e de sua característica de tempo (curva de aceleração). As flutuações de temperatura não excedem a zona morta se as mudanças no fornecimento de calor causarem mudanças de temperatura imediatamente, ou seja, se não houver atraso do objeto controlado.

À medida que a zona morta diminui, a amplitude das flutuações de temperatura diminui para zero em τn = τv. No entanto, isso requer que o fornecimento de calor varie em uma frequência infinitamente alta, o que é extremamente difícil de implementar na prática. Há um atraso em todos os objetos de controle reais. O processo de regulação neles procede da seguinte forma.

Quando a temperatura do objeto de controle cai para o valor τ, a fonte de alimentação muda imediatamente, mas devido ao atraso, a temperatura continua diminuindo por algum tempo. Em seguida, aumenta para o valor τв, no qual a entrada de calor diminui instantaneamente. A temperatura continua subindo por algum tempo, então, devido à entrada de calor reduzida, a temperatura cai e o processo se repete novamente.

Na fig. 3, b mostra uma característica estática de um controlador de duas posições... Segue-se que o efeito de regulação no objeto pode assumir apenas dois valores: máximo e mínimo. No exemplo considerado, o máximo corresponde à posição onde a válvula de ar (ver Fig. 2) está totalmente aberta, o mínimo - quando a válvula está fechada.

O sinal da ação de controle é determinado pelo sinal do desvio do valor controlado (temperatura) de seu valor definido. O grau de influência regulatória é constante. Todos os controladores liga/desliga possuem uma área de histerese α, que ocorre devido à diferença entre as correntes de pick-up e drop-off do relé eletromagnético.

Exemplo de uso do controle de temperatura de dois pontos: Controle automático de temperatura em fornos com resistência de aquecimento

Controladores de temperatura proporcionais (estáticos)

Nos casos em que é necessária uma alta precisão de controle ou quando o processo auto-oscilante é inaceitável, use reguladores com um processo de regulação contínua... Estes incluem controladores proporcionais (P-controllers) adequados para regular uma ampla variedade de processos tecnológicos.

Nos casos em que se requer alta precisão de regulagem ou quando o processo auto-oscilante é inaceitável, são utilizados reguladores com processo de regulagem contínua. Estes incluem controladores proporcionais (controladores P) adequados para regular uma ampla variedade de processos tecnológicos.

Em sistemas de controle automático com reguladores P, a posição do corpo regulador (y) é diretamente proporcional ao valor do parâmetro controlado (x):

y = k1x,

onde k1 é o fator de proporcionalidade (ganho do controlador).

Essa proporcionalidade ocorre até que o regulador atinja suas posições finais (chaves de fim de curso).

A velocidade de movimento do corpo regulador é diretamente proporcional à velocidade de mudança do parâmetro controlado.

Na fig.4 mostra um diagrama esquemático de um sistema automático de controle de temperatura ambiente usando um controlador proporcional. A temperatura ambiente é medida com um termômetro de resistência RTD conectado ao circuito de medição 1 da ponte.

Arroz. 4. Esquema de controle proporcional da temperatura do ar: 1 — ponte de medição, 2 — objeto de controle, 3 — trocador de calor, 4 — motor capacitor, 5 — amplificador sensível à fase.

A uma dada temperatura, a ponte está equilibrada. Quando a temperatura controlada se desvia do valor definido, uma tensão de desequilíbrio aparece na diagonal da ponte, cuja magnitude e sinal dependem da magnitude e do sinal do desvio de temperatura. Essa tensão é amplificada por um amplificador sensível à fase 5, em cuja saída o enrolamento de um motor capacitor bifásico 4 do drive é ligado.

O mecanismo de acionamento move o corpo regulador, alterando o fluxo de refrigerante no trocador de calor 3. Simultaneamente ao movimento do corpo regulador, a resistência de um dos braços da ponte de medição muda, como resultado da temperatura na qual a ponte está balanceada.

Assim, devido à realimentação rígida, cada posição do corpo regulador corresponde ao seu próprio valor de equilíbrio da temperatura controlada.

O controlador proporcional (estático) é caracterizado pela não uniformidade da regulação residual.

No caso de um desvio acentuado da carga em relação ao valor definido (no momento t1), o parâmetro controlado atingirá após um determinado período de tempo (momento t2) um novo valor estável (Fig. 4).Porém, isso só é possível com uma nova posição do corpo regulador, ou seja, com um novo valor do parâmetro controlado, que difere do valor pré-selecionado em δ.

Arroz. 5. Características de temporização do controle proporcional

A desvantagem dos controladores proporcionais é que apenas uma posição específica do elemento de controle corresponde a cada valor de parâmetro. Para manter o valor definido do parâmetro (temperatura) quando a carga (consumo de calor) muda, é necessário que o corpo regulador assuma uma posição diferente correspondente ao novo valor de carga. Em um controlador proporcional isso não ocorre, resultando em um desvio residual do parâmetro controlado.

Integral (controladores astáticos)

Integrais (astáticos) são chamados de reguladores nos quais, quando o parâmetro se desvia do valor definido, o corpo regulador se move mais ou mais lentamente e o tempo todo em uma direção (dentro do curso de trabalho) até que o parâmetro assuma novamente o valor definido. A direção do movimento do elemento de ajuste muda apenas quando o parâmetro excede o valor definido.

Nos controladores integrais de ação elétrica, geralmente é criada uma zona morta artificial, dentro da qual uma alteração em um parâmetro não causa movimentos do corpo regulador.

A velocidade de movimento do corpo regulador no controlador integral pode ser constante e variável. Uma característica do controlador integral é a ausência de uma relação proporcional entre os valores de estado estacionário do parâmetro controlado e a posição do órgão regulador.

Na fig.A Figura 6 mostra um diagrama esquemático de um sistema de controle automático de temperatura usando um controlador integral.Ao contrário do circuito de controle de temperatura proporcional (ver Fig. 4), ele não possui um loop de realimentação rígido.

Arroz. 6. Esquema de controle de temperatura do ar integrado

Em um controlador integral, a velocidade do corpo regulador é diretamente proporcional ao valor do desvio do parâmetro controlado.

O processo de controle de temperatura integrado com uma mudança repentina na carga (consumo de calor) é mostrado na Fig. 7 usando características temporais. Como você pode ver no gráfico, o parâmetro controlado com controle integral retorna lentamente ao valor definido.

Arroz. 7. Características de tempo de regulação integral

Controladores isodrômicos (proporcional-integral)

O controle esodrômico tem as propriedades de controle proporcional e integral. A velocidade de movimento do corpo regulador depende da magnitude e velocidade de desvio do parâmetro controlado.

Quando o parâmetro controlado desvia do valor definido, o ajuste é feito da seguinte forma. Inicialmente, o corpo regulador se move dependendo da magnitude do desvio do parâmetro controlado, ou seja, o controle proporcional é realizado. Em seguida, o regulador faz um movimento adicional, necessário para remover as irregularidades residuais (regulação integral).

Um sistema isodrômico de controle de temperatura do ar (Fig. 8) pode ser obtido substituindo o feedback rígido no circuito de controle proporcional (consulte a Fig.5) com realimentação elástica (do corpo regulador ao motor para resistência de realimentação). A realimentação elétrica em um sistema isodrômico é fornecida por um potenciômetro e alimenta o sistema de controle por meio de um loop contendo resistência R e capacitância C.

Durante transientes, o sinal de feedback junto com o sinal de desvio de parâmetro afeta os elementos subseqüentes do sistema (amplificador, motor elétrico). Com um corpo regulador estacionário, em qualquer posição que esteja, quando o capacitor C é carregado, o sinal de feedback decai (no estado estacionário é igual a zero).

Arroz. 8. Esquema de regulação isodrômica da temperatura do ar

É característico da regulação isodrômica que a não uniformidade da regulação (erro relativo) diminua com o aumento do tempo, aproximando-se de zero. Neste caso, a realimentação não causará desvios residuais do valor controlado.

Assim, o controle isodrômico produz resultados significativamente melhores do que proporcional ou integral (para não mencionar o controle posicional). O controle proporcional devido à presença de feedback rígido ocorre quase instantaneamente, isodrômico - mais lentamente.

Sistemas de software para controle automático de temperatura

Para implementar o controle programado, é necessário influenciar continuamente o ajuste (setpoint) do regulador para que o valor controlado mude de acordo com uma lei predeterminada. Para este efeito, o regulador regulador está equipado com um elemento de software. Este dispositivo serve para estabelecer a lei de mudança do valor definido.

Durante o aquecimento elétrico, o atuador do sistema de controle automático pode atuar para ligar ou desligar as seções dos elementos de aquecimento elétrico, alterando assim a temperatura da instalação aquecida de acordo com um determinado programa. O controle programado de temperatura e umidade do ar é amplamente utilizado em instalações de climatização artificial.