Системы управления микроклиматом
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
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
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.
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.
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
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.
Туст- температура уставки (ТРМ-1)
Тмин, D3 - минимальная температура и максимальная (ТРМ-7)
1, D2 -точки переключения нагрузки(ТРМ-7)
Р - мощность нагревателей (кВт)
Системы с двумя нагревателями (охладителями)
Другой пример – морозильная камера, которая быстро замораживает мясо двумя холодильными машинами и поддерживает температуру одной из них. При выходе из строя дежурной машины и повышении температуры в работу будет включена другая. Применение ТРМ-7 позволяет легко реализовать систему резервирования.
Работа с ограничением по предельной температуре
Тпред-предельная температура;
Туст - температура уставки (ТРМ-2)
Управление реверсивными клапанами, задвижками
График изменения температуры показан на рис. 4
Туст1 - температура уставки первогоканала;
Туст2 - температура уставки
второго канала
Использование двух уставок
Использование четырех уставок
Монтаж изделий
Облегчение установки и монтажа достигается за счет применения колодок (клемников).
Вы можете легко снимать, менять, переносить прибор. Нагрузочная способность выходов составляет 2,5А 220В, что дает возмож-ность работать с мощными пускателями или небольшой нагрузкой.
Индикация, отображение и документирование
Туст1-4 - температура уставок первого-четвертого каналов;
U - значение напряжения импульсов таймера
Световые сигнализаторы
коммутационного положения позволяют легко осушествлять контроль процесса
регулирования.
Для
регистрации результатов измерений к приборам можно подключить принтер.
Такая схема документирования более дешевая и более надежная в работе.
Задание параметров и измерения
Использование цифровой линеаризации характеристики датчика позволяет получить высокую точность в широком диаппазоне измеряемых температур.
Подготовка к работе
Сервис и обслуживание
Для повышения надежности работы, точности измерений и увеличения ресурса работы реле в новых приборах приборах применена новая схема питания.
Алексея ХОРОШАВЦЕВА
Telephone: (0536) 71-69-77
E-mail:
sensor@icm-tec.com
WWW:
http://www.icm-tec.com/