Системы автоматического регулирования температуры
Системы автоматического регулирования температуры обычно разрабатываются по единой структурной схеме (рис.8.1) и состоят из задатчика 3, устройства сравнения УС, чувствительного элемента (датчика) ЧЭ, объекта регулирования OP исполнительного устройства ИУ и усилителя У. Задатчиком (уставкой) устанавливают в термической установке требуемый уровень температуры, который должен поддерживаться системой автоматически. Чувствительный элемент (например, термоэлектрический преобразователь – термопара), находящийся в термической установке – объекте регулирования, измеряет действительное значение температуры и подает сигнал в устройство сравнения. Этот сигнал сравнивается с заданным ,и в результате вырабатывается сигнал рассогласования. Усилитель преобразует сигнал рассогласования в управляющий сигнал требуемого вида и мощности, который воздействует на исполнительное устройство, регулирующее подачу электроэнергии. При этом система приходит в равновесие, и сигнал рассогласования становится равным нулю.
Температура термической установки прямо пропорциональна подводимой мощности питания. Плавно изменяя подводимую мощность, поддерживают постоянную в любой момент времени температуру. При ступенчатом изменении подводимой мощности температура лишь в среднем за какой-то период времени может быть пропорциональна ей.
Точность регулирования температуры обеспечивается охватом блоков питания отрицательной обратной связью по напряжению, которая способствует постоянству температуры установки, так как основные внешние колебания сетевого напряжения стабилизируются контуром усилителя. Кроме того, точность регулирования температуры зависит от используемого блока питания. Чем чаще включается установка, тем выше должна быть точность регулирования. Однако частота включения установки ограничивается допустимым режимом работы коммутационной аппаратуры. При использовании бесконтактных блоков питания на магнитных усилителях или тиристорах частота включения установки не ограничивается.
Рисунок 8.1 – Структурная схема системы автоматического регулирования
Так как при разогреве нагревательных элементов из молибдена, дисилицида молибдена или вольфрама их сопротивление возрастает в десятки раз, чтобы не перегружать источник питания по току, установку разогревают при пониженном напряжении, постепенно повышая его по мере роста температуры и сопротивления нагревателей. Блоки питания автоматически поддерживают требуемый режим разогрева. Блоки питания на тиристорах характеризуются высокими быстродействием и кпд, малыми габаритами и низкой стоимостью, а на магнитных усилителях — высокой надежностью.
Для изменения мощности термических установок чаще других используют двухпозиционное регулирование, при котором они периодически включаются на номинальную мощность, а затем полностью отключаются. Изменяя время включения и отключения, можно плавно в широких пределах изменять среднюю мощность, а, следовательно, температуру нагрева. Иногда применяют трехпозиционное регулирование, при котором дополнительная ступень позволяет включать установку на полную или частичную мощность. Широкое использование позиционного регулирования объясняется его простотой. Но оно обладает низкой точностью поддержания заданной температуры и поэтому не может применяться, например, в диффузионных термических установках, точность поддержания температуры в которых должна быть ±0,5°С по длине канала 600 мм.
По принципу действия системы регулирования бывают непрерывные и дискретные (релейные и импульсные). Каждый элемент систем регулирования непрерывного действия воздействует на другие постоянно, т.е. выходной сигнал является непрерывной функцией рассогласования на выходе регулятора. В релейных системах регулирования положение исполнительного органа зависит не от значения сигнала рассогласования, а от его знака. В импульсных системах выходной сигнал регулятора представляет собой последовательный ряд импульсов, амплитуда, длительность или частота которых зависят от сигнала рассогласования.
Регуляторы, используемые в системах автоматического регулирования, работают по одному из четырех основных законов: пропорциональному (П), интегральному (И), пропорционально–интегральному (ПИ) и пропорционально–интегрально–дифференциальному (ПИД).
Регуляторы пропорционального действия (П–регуляторы) имеют жесткую связь между входным и выходным сигналами, т.е. между отклонением температуры и приращением подводимой к установке мощности (DР). Каждому значению отклонения температуры (рассогласования Dt) соответствует единственное значение подводимой мощности. Идеальный П–регулятор не имеет инерции. При скачкообразном изменении температуры Dt в момент времени t1 мгновенно возникает соответствующее изменение мощности, как это видно из динамической характеристики (рис.8.2,а), которое соответствует произведению коэффициента усиления Кр на рассогласование Dt. Единственным настраиваемым параметром П–регуляторов является коэффициент усиления Кр.
Реальные П–регуляторы обладают неравномерностью регулирования (статизмом) тем меньшей, чем больше коэффициент усиления. Уменьшить неравномерность регулирования увеличением коэффициента усиления не всегда удается, так как из-за инерционности установки и датчика регулятор получает сигнал о наличии возмущающего воздействия с запаздыванием и с опозданием формируется компенсирующее воздействие. В результате сигнал о возмущающем воздействии может изменить не только свое значение, но и знак, что вызывает колебательный режим при большом усилении регулятора.
Жесткая связь между входным и выходным сигналами П–регуляторов при работе установок, имеющих резистивный нагрев, с переменным потреблением мощности не обеспечивает поддержания температуры на заданном уровне, что является их недостатком.
Регуляторы интегрального действия (И–регуляторы) не имеют определенной зависимости между отклонением значения регулируемого параметра и его выходного значения. Другими словами, можно сказать, что И–регуляторы изменяют подводимую мощность со скоростью, пропорциональной отклонению регулируемой температуры от заданной. Из динамической характеристики И–регулятора (рис.8.2,б) следует, что пока происходит изменение температуры Dt1 выходной сигнал увеличивается и через единицу времени будет равен произведению температуры рассогласования Dt на коэффициент усиления по скорости Kv, являющийся единственным параметром настройки регуляторов данного типа.
Основным преимуществом И–регуляторов по сравнению с П–регуляторами является то, что они не обладают неравномерностью регулирования, так как при наличии даже малого отклонения температуры непрерывно изменяют мощность. Однако запас устойчивости систем с И–регуляторами значительно меньше, а переходные процессы имеют, как правило, колебательный характер. Поэтому в термических установках с резистивными нагревателями И–регуляторы из-за низких динамических свойств не применяют.
Рисунок – 8.2 – Динамические характеристики П–регулятора (а),
И–регулятора (б), ПИ–регулятора (в), ПИД–регулятора (г)
Регуляторы пропорционально-интегрального действия – изодромные (ПИ–регуляторы) совмещают П– и И–регулирующие воздействия. Параметрами настройки этих регуляторов являются коэффициенты усиления по мощности Кр и по скорости Kv. Из динамической характеристики ПИ–регулятора (рис.8.2, в) видно, что при постоянной температуре рассогласования Dt1 через время изодрома (удвоения), равное tи, входной сигнал становится пропорциональным мощности. Время изодрома характеризует степень введения в закон регулирования интегрального воздействия. Интегральная часть регулятора делает связь между температурой и мощностью гибкой, изменяющейся во времени в зависимости от значения и длительности сигнала рассогласования.
При правильной настройке ПИ–регулятор обладает достоинствами как П–, так и И–регулятора. Однако настройка ПИ-регулятора довольно трудоемка, и при этом важно обеспечить приемлемые время регулирования, колебательность переходного процесса и динамическое отклонение мощности.
Регуляторы пропорционально-интегрально-дифференциального действия – изодромные с предварением (ПИД–регуляторы, называемые также РЕПИД) изменяют мощность пропорционально отклонению регулируемого параметра, его интегралу, а также скорости изменения и имеют три параметра настройки: коэффициент усиления Кр, время предварения и время изодрома.
Динамическая характеристика ПИД–регулятора, представляющего собой систему из трех параллельно включенных звеньев – пропорционального, интегрирующего и дифференцирующего, показана на рис.8.2,г. При введении воздействия регулятор учитывает тенденцию в отклонении, оценивает значимость вносимого возмущения до возникновения большого рассогласования и в соответствии с этим заранее выполняет регулирование, что способствует уменьшению динамического отклонения регулируемого параметра, снижению колебательности системы и времени регулирования.
Регуляторы этого типа обеспечивают высокую точность регулирования, так как не допускают остаточной неравномерности, обладают наименьшим динамическим отклонением и имеют минимальное время регулирования. Их применяют в термических диффузионных установках при особенно высоких требованиях к точности поддержания заданной температуры на определенной длине рабочего канала.
Дата добавления: 2016-01-29; просмотров: 1070;