Sistemas automáticos de control de temperatura

Según el principio de regulación, todos los sistemas de control automático se dividen en cuatro clases.

1. Sistema de estabilización automática: un sistema en el que el regulador mantiene un valor fijo constante del parámetro controlado.

2. Sistema de control programado: un sistema que proporciona un cambio en el parámetro controlado de acuerdo con una ley predeterminada (en el tiempo).

3. Sistema de seguimiento: un sistema que proporciona un cambio en el parámetro controlado dependiendo de algún otro valor.

4. Sistema de regulación extrema: un sistema en el que el regulador mantiene el valor de la variable controlada que es óptimo para las condiciones cambiantes.

Para regular el régimen de temperatura de las instalaciones de calefacción eléctrica, se utilizan principalmente sistemas de las dos primeras clases.

Los sistemas automáticos de control de temperatura por su tipo de operación se pueden dividir en dos grupos: regulación periódica y continua.

Reguladores automáticos sistemas de control automático (ACS) según sus características funcionales se dividen en cinco tipos: posicionales (relé), proporcionales (estáticas), integrales (aestáticas), isodrómicas (proporcionales-integrales), isodrómicas con avance y con primera derivada.

Los posicionadores pertenecen al ACS periódico, y otros tipos de reguladores se denominan ACS continuos. A continuación, consideramos las principales características de los controladores posicionales, proporcionales, integrales e isodrómicos, que se utilizan con mayor frecuencia en los sistemas automáticos de control de temperatura.

Un diagrama funcional de control automático de temperatura (Fig. 1) consta de un objeto de control 1, un sensor de temperatura 2, un dispositivo de programa o regulador de temperatura 4, un regulador 5 y un actuador 8. En muchos casos, se coloca un amplificador primario 3 entre el sensor y el dispositivo de programa, y ​​entre el regulador y el mecanismo de accionamiento, un amplificador secundario 6. Un sensor adicional 7 se usa en sistemas de control isodrómico.

Arroz. 1. Esquema funcional de regulación automática de temperatura.

Termopares, termopares (termistores) y termómetros de resistencia... Los termopares más utilizados. Para más detalles sobre ellos ver aquí: Convertidores termoeléctricos (termopares)

Reguladores de temperatura posicionales (relé)

Posicional se refiere a tales reguladores donde el regulador puede ocupar dos o tres posiciones específicas. Los reguladores de dos y tres posiciones se utilizan en instalaciones de calefacción eléctrica. Son simples y confiables de operar.

En la Fig. 2 muestra un diagrama esquemático para controlar el encendido y apagado de la temperatura del aire.

Arroz. 2.Diagrama esquemático de la regulación de la temperatura del aire al encender y apagar: 1 — objeto de control, 2 — puente de medición, 3 — relé polarizado, 4 — devanados de excitación del motor eléctrico, 5 — armadura del motor, 6 — caja de cambios, 7 — calentador.

Para controlar la temperatura en el objeto de regulación se utiliza la resistencia RT, la cual está conectada a uno de los brazos del puente de medición 2. Los valores de las resistencias del puente se seleccionan de tal forma que en a una temperatura dada el puente está equilibrado, es decir, la tensión en la diagonal del puente es igual a cero. Cuando la temperatura aumenta, el relé polarizado 3, incluido en la diagonal del puente de medición, enciende uno de los devanados 4 del motor de CC, que, con la ayuda del reductor 6, cierra la válvula de aire frente al calentador. 7. Cuando baja la temperatura, la válvula de aire se abre por completo.

Con la regulación de temperatura de dos posiciones, la cantidad de calor suministrado se puede establecer en solo dos niveles: máximo y mínimo. La cantidad máxima de calor debe ser mayor que la necesaria para mantener la temperatura controlada establecida, y la mínima debe ser menor. En este caso, la temperatura del aire fluctúa alrededor del valor establecido, es decir, el llamado modo de auto-oscilación (Fig. 3, a).

Las líneas de temperatura τn y τв definen los límites inferior y superior de la zona muerta. Cuando la temperatura del objeto controlado, al disminuir, alcanza el valor τ, la cantidad de calor suministrada aumenta instantáneamente y la temperatura del objeto comienza a aumentar. Al alcanzar el sentido τв, el regulador reduce el suministro de calor y la temperatura disminuye.

Arroz. 3.Característica de tiempo de la regulación todo-nada (a) y característica estática para un regulador todo-nada (b).

La velocidad de subida y bajada de temperatura depende de las propiedades del objeto controlado y de su característica de tiempo (curva de aceleración). Las fluctuaciones de temperatura no exceden la zona muerta si los cambios en el suministro de calor provocan inmediatamente cambios de temperatura, es decir, si no hay retraso del objeto controlado.

A medida que disminuye la zona muerta, la amplitud de las fluctuaciones de temperatura se reduce a cero en τn = τv. Sin embargo, esto requiere que el suministro de calor varíe a una frecuencia infinitamente alta, lo que es extremadamente difícil de implementar en la práctica. Hay un retraso en todos los objetos de control real. El proceso de regulación en ellos procede de la siguiente manera.

Cuando la temperatura del objeto de control cae al valor τ, la fuente de alimentación cambia inmediatamente, pero debido a la demora, la temperatura continúa disminuyendo durante algún tiempo. Luego sube al valor τв, en el cual la entrada de calor disminuye instantáneamente. La temperatura sigue aumentando durante algún tiempo, luego, debido a la reducción de la entrada de calor, la temperatura desciende y el proceso se repite de nuevo.

En la Fig. 3, b muestra una característica estática de un controlador de dos posiciones... De ello se deduce que el efecto regulador sobre el objeto puede tomar solo dos valores: máximo y mínimo. En el ejemplo considerado, el máximo corresponde a la posición en la que la válvula de aire (ver Fig. 2) está completamente abierta, el mínimo, cuando la válvula está cerrada.

El signo de la acción de control está determinado por el signo de la desviación del valor controlado (temperatura) de su valor establecido. El grado de influencia regulatoria es constante. Todos los controladores de encendido/apagado tienen un área de histéresis α, que se produce debido a la diferencia entre las corrientes de activación y desactivación del relé electromagnético.

Ejemplo de uso de control de temperatura de dos puntos: Control automático de temperatura en hornos con resistencia calefactora

Controladores de temperatura proporcionales (estáticos)

En los casos en que se requiera una alta precisión de control o cuando el proceso de autooscilación sea inaceptable, utilice reguladores con un proceso de regulación continuo... Estos incluyen controladores proporcionales (controladores P) adecuados para regular una amplia variedad de procesos tecnológicos.

En los casos en que se requiera una alta precisión de regulación o cuando el proceso de autooscilación sea inaceptable, se utilizan reguladores con un proceso de regulación continuo. Estos incluyen controladores proporcionales (controladores P) adecuados para regular una amplia variedad de procesos tecnológicos.

En los sistemas de control automático con reguladores P, la posición del cuerpo regulador (y) es directamente proporcional al valor del parámetro controlado (x):

y = k1x,

donde k1 es el factor de proporcionalidad (ganancia del controlador).

Esta proporcionalidad tiene lugar hasta que el regulador alcanza sus posiciones finales (finales de carrera).

La velocidad de movimiento del cuerpo regulador es directamente proporcional a la velocidad de cambio del parámetro controlado.

En la Fig.4 muestra un diagrama esquemático de un sistema automático de control de temperatura ambiente utilizando un controlador proporcional. La temperatura ambiente se mide con un termómetro de resistencia RTD conectado al circuito de medición 1 del puente.

Arroz. 4. Esquema de control de temperatura del aire proporcional: 1 — puente de medición, 2 — objeto de control, 3 — intercambiador de calor, 4 — motor de condensador, 5 — amplificador sensible a la fase.

A una temperatura dada, el puente está equilibrado. Cuando la temperatura controlada se desvía del valor establecido, aparece una tensión de desequilibrio en la diagonal del puente, cuya magnitud y signo dependen de la magnitud y el signo de la desviación de temperatura. Este voltaje es amplificado por un amplificador 5 sensible a la fase, en cuya salida se enciende el devanado de un motor 4 de condensador bifásico del accionamiento.

El mecanismo de accionamiento mueve el cuerpo regulador, cambiando el flujo de refrigerante en el intercambiador de calor 3. Simultáneamente con el movimiento del cuerpo regulador, cambia la resistencia de uno de los brazos del puente de medición, como resultado de lo cual la temperatura a la que el puente esta balanceado

Así, debido a la retroalimentación rígida, cada posición del cuerpo regulador corresponde a su propio valor de equilibrio de la temperatura controlada.

El controlador proporcional (estático) se caracteriza por la falta de uniformidad de la regulación residual.

En el caso de una fuerte desviación de la carga del valor establecido (en el momento t1), el parámetro controlado alcanzará después de un cierto período de tiempo (momento t2) un nuevo valor estable (Fig. 4).Sin embargo, esto sólo es posible con una nueva posición del cuerpo regulador, es decir, con un nuevo valor del parámetro controlado, que difiere del valor preestablecido en δ.

Arroz. 5. Características de temporización del control proporcional

La desventaja de los controladores proporcionales es que solo una posición específica del elemento de control corresponde a cada valor de parámetro. Para mantener el valor establecido del parámetro (temperatura) cuando cambia la carga (consumo de calor), es necesario que el cuerpo regulador tome una posición diferente correspondiente al nuevo valor de carga. En un controlador proporcional, esto no sucede, resultando en una desviación residual del parámetro controlado.

Integral (controladores estáticos)

Integrales (astáticos) se denominan reguladores en los que, cuando el parámetro se desvía del valor establecido, el cuerpo regulador se mueve más o más lentamente y todo el tiempo en una dirección (dentro de la carrera de trabajo) hasta que el parámetro vuelve a asumir el valor establecido. La dirección de movimiento del elemento de ajuste cambia solo cuando el parámetro excede el valor establecido.

En los controladores integrales de acción eléctrica se suele crear una zona muerta artificial, dentro de la cual un cambio en un parámetro no provoca movimientos del cuerpo regulador.

La velocidad de movimiento del cuerpo regulador en el controlador integral puede ser constante y variable. Un rasgo característico del controlador integral es la ausencia de una relación proporcional entre los valores de estado estable del parámetro controlado y la posición del cuerpo regulador.

En la Fig.La figura 6 muestra un diagrama esquemático de un sistema de control de temperatura automático que utiliza un controlador integral. A diferencia del circuito de control de temperatura proporcional (ver Fig. 4), no tiene un circuito de retroalimentación rígido.

Arroz. 6. Esquema de control de temperatura del aire integrado

En un controlador integral, la velocidad del cuerpo regulador es directamente proporcional al valor de la desviación del parámetro controlado.

El proceso de control de temperatura integrado con un cambio repentino en la carga (consumo de calor) se muestra en la Fig. 7 usando características temporales. Como puede ver en el gráfico, el parámetro controlado con control integral vuelve lentamente al valor establecido.

Arroz. 7. Características temporales de la regulación integral

Controladores isodrómicos (proporcionales-integrales)

El control esodrómico tiene las propiedades del control tanto proporcional como integral. La velocidad de movimiento del cuerpo regulador depende de la magnitud y velocidad de desviación del parámetro controlado.

Cuando el parámetro controlado se desvía del valor establecido, el ajuste se realiza de la siguiente manera. Inicialmente, el cuerpo regulador se mueve dependiendo de la magnitud de la desviación del parámetro controlado, es decir, se realiza un control proporcional. Luego, el regulador realiza un movimiento adicional, que es necesario para eliminar las irregularidades residuales (regulación integral).

Se puede obtener un sistema de control de temperatura del aire isodrómico (Fig. 8) reemplazando la retroalimentación rígida en el circuito de control proporcional (ver Fig.5) con captación elástica (del cuerpo regulador al motor por resistencia de captación). La retroalimentación eléctrica en un sistema isodrómico es proporcionada por un potenciómetro y se alimenta al sistema de control a través de un bucle que contiene resistencia R y capacitancia C.

Durante los transitorios, la señal de realimentación junto con la señal de desviación de parámetros afecta a los elementos posteriores del sistema (amplificador, motor eléctrico). Con un cuerpo regulador estacionario, en cualquier posición que esté, cuando el capacitor C está cargado, la señal de retroalimentación decae (en el estado estacionario es igual a cero).

Arroz. 8. Esquema de regulación isodrómica de la temperatura del aire.

Es característico de la regulación isodrómica que la falta de uniformidad de la regulación (error relativo) disminuya con el aumento del tiempo, acercándose a cero. En este caso, la realimentación no provocará desviaciones residuales del valor controlado.

Por lo tanto, el control isodrómico produce resultados significativamente mejores que el proporcional o integral (sin mencionar el control posicional). El control proporcional debido a la presencia de retroalimentación rígida ocurre casi instantáneamente, isodrómico, más lentamente.

Sistemas de software para el control automático de la temperatura

Para implementar el control programado, es necesario influir continuamente en la configuración (punto de referencia) del regulador para que el valor controlado cambie de acuerdo con una ley predeterminada. Para ello, el regulador regulador está equipado con un elemento de software. Este dispositivo sirve para establecer la ley de cambio del valor fijado.

Durante la calefacción eléctrica, el actuador del sistema de control automático puede actuar para encender o apagar las secciones de los elementos de calefacción eléctrica, cambiando así la temperatura de la instalación calentada de acuerdo con un programa dado. El control programado de la temperatura y la humedad del aire es muy utilizado en instalaciones de clima artificial.