Позиционные (дискретные) способы регулирования температуры

Обычно применяется двухпозиционный способ регулирования (включено – выключено или большая мощность-малая мощность), реже трехпозиционный (большая мощность, средняя мощность, малая мощность). Используется недорогая коммутационная аппаратура, обеспечивающая периодическое включение и выключение при постоянном уровне подаваемой мощности. При достижении температуры Т+ΔΤ печь выключается,

а Т-ΔΤ – включается. 2 ΔΤ – зона нечувствительности. Чем меньше ΔΤ- тем точнее работает печь, но она чаще включается, что уменьшает ресурс работы коммутационной аппаратуры и может привести к автоколебаниям. Средняя потребляемая мощность с течением времени снижается вследствие уменьшения периода включения и увеличения периода выключения. Мощность всегда подводится с избытком (превышение над уровнем теплового баланса)

Т_выкл

Т₃

Т _вкл

Р,кВт

τ,мин

Однако на самом деле картина несколько иная из-за инерционности

• Термометра
• Нагревательных элементов
• Регулирующих устройств
• Футеровки

реально

Т_выкл

Т₃

Т _вкл

термопара

Р,кВт

τ,мин

Чем больше время запаздывания, тем больше колебания температуры в печи.

Важное влияние – величина избытка мощности и положение термодатчика в печи. Увеличение мощности, подводимой к печи, ускоряет процесс выхода на режим термического оборудования, но приводит к большим температурным колебаниям. Расположение термопар вблизи нагревательных элементов уменьшает их термическое запаздывание, но температура вблизи нагревателей всегда выше, чем у поверхности детали.

Для большинства видов термической обработки, позиционные методы – являются приемлемыми, если только время позиционирования соизмеримо или более времени нагрева под ТО.

реально

Т_выкл

Т₃

Т _вкл

термопара

Р,кВт

τ,мин

Способы повышения точности управления тепловым режимом термических печей

1. Повышение чувствительности регулирующего прибора

Обычно точность прибора (класс прибора2,5) 0,25%, т. е., если диапазон регулирования 0…1000 ^оС при 1000 ^оС – допустимая погрешность + - 2,5 ^оС. Точность термопар ХА +- 3,8 ^оС при 1000 ^оС. Суммарная допустимая погрешность +- 6,3 ^оС. Для повышения точности можно использовать

• Прецизионные приборы класс 0.25 (0,025%)
• Узкополосные приборы с диапазоном регулирования 100 ^оС (например 900…1000 ^оС). При классе точности 2,5 погрешность будет составлять 100*0,0025=0,25 ^оС
• Прецизионные (индивидуально поверенные термопары)

Суммарная погрешность такой измерительной системы -0,5…1 ^оС

1. Снижение времени регулирования в системе регулятор –печь

• Время срабатывания прибора 0,1…0,5с
• Время срабатывания коммутационной системы 1..2с
• Время срабатывания исполнительных механизмов 0,1(электропечи)…4с(топливные)
• Тепловая инерция измерительных элементов 2…60с т.е при средней скорости нагрева 2..4^оС/с – погрешность может составлять до 120 ^оС, т.е необходимо применять малоинерционные датчики или уменьшать скорость нагрева.

1. Изменение мощности, подводимой к печи

Малая мощность – высокое время нагрева, высокая мощность – большой перепад температур в рабочем пространстве и возможность возникновения незатухающих колебаний в системе регулирования. Поэтому в процессе нагрева первоначально подается полная мощность, затем, при приближении к Т_зад мощность уменьшается на 30…300%. Осуществляется:

• переключением схемы питания нагревателей с параллельного на последовательное (простая, но дискретная регулировка);
• уменьшением питающего напряжения (сохраняется равномерное температурное поле, но дорогая коммутационная аппаратура);
• Выключением части нагревателей (простой способ, но сильно меняется температурное поле);
• в топливных печах – уменьшением расхода топлива и воздуха, отключение горелок не производится, т.к взрывоопасно.

1. Рациональное расположение измерительного элемента.

Близко к нагревательным элементам – выше частота переключений, меньше амплитуда колебаний т.к. меньше температура перегрева нагревателей, но фиксируется температура вблизи нагревателей.

Возле детали – тепловые колебания выше, особенно при конвективном теплообмене, т.к. среда играет функцию теплоизолятора и увеличивает термическое запаздывание.

Для повышения точности регулирования используются несколько термопар (обычно две) регулирующая (управляет нагревателями), располагается вблизи нагревательных элементов и контрольная, располагается вблизи детали и предназначена для определения температуры и настройки регулирующего прибора, настроенного на температуру выше заданной (10…20 ^оС). Вблизи нагревательных элементов могут располагаться и тепловые экраны, аккумулирующие тепло и нивелирующие тепловой поток в рабочее пространство печи.

Регуляторы непрерывного действия

Регулятор пропорционального действия (П-регулятор). Жесткая обратная связь через коэффициент усиления между отклонением температуры и мощностью, подводимой к печи. Закон регулирования ΔР =Кп*ΔТ (изменение мощности прямо пропорционально отклонению температуры). К –коэффициент усиления (избытка мощности) Кп = ΔР /ΔТ. Отклонение температуры (в %) вызывающее изменение мощности от Рмin до Pmax называется диапазоном пропорциональности Дп. С увеличением К Дп уменьшается. Чем выше К, тем больше скорость нагрева и меньше время регулирования (время достижения и стабилизации заданной температуры). Основной недостаток – абсолютная статическая ошибка системы ΔТ_ст. Статизм системы (относительная ошибка) δ=ΔТст/Тзад. Чем меньше К, тем больше δ.Но при высоких значениях К могут возникнуть незатухающие колебания. Регуляторы хорошо работают при незначительном изменении массы садки и стабильном уровне потребляемой мощности.

Т,^оС

Т_зад

τ,мин

Р,кВт

Р_ном

τ₁ τ₁ τ,мин

Т, ^оС К₃

К₂ К₁

Рmах P К₃ К₁

ΔΤ

Рmin

Регулятор интегрального действия (И-регулятор). Изменение подводимой к печи мощности осуществляется со скоростью, пропорциональной отклонению температуры от ее заданного значения. Закон регулирования dР /dτ=Ки*ΔТ (скорость изменения мощности прямо пропорционально отклонению температуры)

Т,^оС

Т_зад

τ,мин

Р,кВт

τ,мин

при достижении печью заданной температуры начинает снижаться скорость роста мощности равна нулю и мощность начинает снижаться. Основное достоинство –не возникает статическая ошибка, т.к при любом отклонении температуры регулятор будет менять ее мощность. Основной недостаток – длительность затухания колебаний, при этом значительно увеличивается амплитуда первого колебания. Регуляторы применяются как системы стабилизации в термическом оборудовании с малыми динамическими отклонениями, в печах для ТО применяются редко.

Регулятор пропорционально-интегрального действия (ПИ-регулятор, изодромный регулятор). Подобен системе двух регуляторов. При больших сигналах рассогласования регулятор работает как пропорциональный, при малых – как интегральный. Три параметра настройки –Кп,Ки,ΔТи или Δτ и– сигнал или время изодрома (величина сигнала рассогласования или время включения интегрального регулятора). Регуляторы более точны, но более дороги и требуют тщательной настройки

Т,^оС

Т_зад

τ,мин

Р,кВт ΔТи

τ,мин

.

Регулятор пропорционально-интегрального –дифференциального действия (ПИД-регулятор). Изменение подводимой к печи мощности пропорционально отклонению, интегралу и скорости изменения температуры. Работает как система трех регулятров. На первом этапе, когда температура меняется быстро, регулятор работает как дифференциальный. Закон регулирования Δ Р =dТ/ dτ (изменение мощности прямо пропорционально скорости изменения температуры). На втором этапе –как пропорциональный. При малых рассогласованиях (этап3) – как интегральный. Введение дифференциального звена позволяет уменьшить первое динамическое отклонение, оценив степень возмущающего воздействия. Самый точный регулятор, но самый дорогой и наиболее сложный в регулировке.

Т,^оС

Т_зад

τ,мин

Р,кВт

τ,мин

Наиболее часто применяемые законы автоматического регулирования: П - ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ (статический), u₀ = ke И - ИНТЕГРАЛЬНЫЙ (астатический)

ПИ - пропорционально-интегральный (изодромный)

ПИД - ПРОПОРЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРАЛЬНЫЙ С ПРОИЗВОДНОЙ

Здесь k - коэффициет усиления <регулятора>, Т_и и Т_д - постоянные времени интегрирования и дифференцирования. Фактическое воздействие u(t) отличается от u₀(t)вследствие инерционности <регулятора>. Система автоматического регулирования является динамической системой, процессы в которой описываются дифференциальными, дифференциально-разностными и т. п. уравнениями.

ТИПОВЫЕ ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ

В системах автоматического регулирования поддержание заданного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону обеспечивается аппаратурными средствами, имеющие общее название – автоматические регуляторы. По виду регулируемого параметра автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы температуры, давления, влажности, разряжения, расхода, состава и т. п. По характеру изменения регулирующего воздействия автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы с линейными и нелинейными законами регулирования. Примером регуляторов с нелинейным законом регулирования могут служить двухпозиционные регуляторы температуры в холодильных машинах. В трехпозиционных дискретных системах выходной сигнал может принимать три значения: –1, 0, +1, т.е. “меньше”, “норма”, больше”. Качество работы таких САР выше, хотя их надежность ниже. Регуляторы с линейным законом регулирования по математической зависимости между входными и выходными сигналами подразделяются на следующие основные виды:  пропорциональные (П-регуляторы);  пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы);  пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД-регуляторы). В зависимости от вида используемой энергии регуляторы подразделяются на электрические (электромеханические, электронные), пневматические, гидравлические и комбинированные. В СКВ в основном применяются электрические регуляторы. Пневматические и гидравлические регуляторы, как правило, применяются во взрыво- и пожароопасных зонах. В зависимости от задающего воздействия и параметров объекта регулирования подбирают регулятор с определенной характеристикой Wр [1]. Изменение Wр адекватно ведет к изменению коэффициентов дифференциального уравнения общего передаточного звена (регулятор-объект) и тем самым достигается необходимое качество регулирования. В промышленных регуляторах эти величины называются параметрами настройки. Параметрами настройки являются: коэффициент усиления, зона нечувствительности, постоянная времени интегрирования, постоянная времени дифференцирования и т. д. Для изменения параметров настройки в регуляторах имеются органы настройки (управления). Кроме органов настройки основных параметров, регуляторы имеют также органы настройки, косвенно влияющие на эти коэффициенты или режимы его работы, например, органы настройки, изменяющие чувствительность регулятора, демпфирование входного сигнала и

ТИПОВЫЕ ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ
В системах автоматического регулирования поддержание заданного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону обеспечивается аппаратурными средствами, имеющие общее название – автоматические регуляторы. По виду регулируемого параметра автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы температуры, давления, влажности, разряжения, расхода, состава и т. п. По характеру изменения регулирующего воздействия автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы с линейными и нелинейными законами регулирования. Примером регуляторов с нелинейным законом регулирования могут служить двухпозиционные регуляторы температуры в холодильных машинах. В трехпозиционных дискретных системах выходной сигнал может принимать три значения: –1, 0, +1, т.е. “меньше”, “норма”, больше”. Качество работы таких САР выше, хотя их надежность ниже. Регуляторы с линейным законом регулирования по математической зависимости между входными и выходными сигналами подразделяются на следующие основные виды: · пропорциональные (П-регуляторы); · пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы); · пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД-регуляторы). В зависимости от вида используемой энергии регуляторы подразделяются на электрические (электромеханические, электронные), пневматические, гидравлические и комбинированные. В СКВ в основном применяются электрические регуляторы. Пневматические и гидравлические регуляторы, как правило, применяются во взрыво- и пожароопасных зонах. В зависимости от задающего воздействия и параметров объекта регулирования подбирают регулятор с определенной характеристикой Wр [1]. Изменение Wр адекватно ведет к изменению коэффициентов дифференциального уравнения общего передаточного звена (регулятор-объект) и тем самым достигается необходимое качество регулирования. В промышленных регуляторах эти величины называются параметрами настройки. Параметрами настройки являются: коэффициент усиления, зона нечувствительности, постоянная времени интегрирования, постоянная времени дифференцирования и т. д. Для изменения параметров настройки в регуляторах имеются органы настройки (управления). Кроме органов настройки основных параметров, регуляторы имеют также органы настройки, косвенно влияющие на эти коэффициенты или режимы его работы, например, органы настройки, изменяющие чувствительность регулятора, демпфирование входного сигнала и др.
Пропорциональные регуляторы Обобщенная структурная схема САР представлена на рис. 1.
а	б
Рис. 1 Структурная схема САР: а – разомкнутой системы по каналу задающего воздействия; б – то же, но замкнутой системы
Для системы регулирования, показанной на рис. 1, ее амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) определяется выражением W(jω) = Wp(jω) · Wоб(jω), (1.1) где Wp(jω) – АФХ регулятора; Wоб(jω) – АФХ объекта регулирования. Если комплексная частотная характеристика регулятора будет Wp(jω) = kp, (1.2) то АФХ всей системы запишется в виде W (jω) = kp · Wоб(jω). (1.3) Следовательно, при подключении к объекту регулятора с АФХ (1.2) АФХ системы на каждой частоте увеличивается в kp раз. Такие регуляторы называются пропорциональными (П-регуляторы) и имеют один параметр настройки – коэффициент передачи kp. Переходные процессы в П-регуляторе описываются выражением μ = kp · ε, (1.4) где ε – входное воздействие на регулятор, равное отклонению регулируемой величины от заданного значения; μ – воздействие регулятора на объект, направленное на ликвидацию отклонения регулируемой величины от заданного значения. На рис. 2 приведен пример контура регулирования температуры приточного воздуха в канальном кондиционере. Температура воздуха поддерживается водяным калорифером, через который пропускается теплоноситель. Воздух, проходя через калорифер, нагревается. Температура воздуха после водяного калорифера измеряется датчиком (Т), далее эта величина поступает на устройство сравнения (УС) измеренного значения температуры (Тизм) и заданного (Tзад). В зависимости от разности между температурой уставки и измеренным значением температуры регулятор (Р) вырабатывает сигнал, воздействующий на исполнительный механизм (М – электропривод трехходового клапана). Электропривод открывает или закрывает трехходовой клапан до положения, при котором ошибка ε = Tзад – Тизм будет стремиться к нулю. Выходным сигналом регулятора может быть напряжение в определенном диапазоне (например, постоянное напряжение в диапазоне от 0 до 10 В, ток 0–20мА и т. д). Диапазон изменения выходного сигнала называется диапазоном регулирования (рис.3). Диапазон изменения сигнала ошибки называют пропорциональным диапазоном. В П-регуляторах имеется возможность изменять диапазон регулирования и пропорциональный диапазон.
Рис.3 Контур регулирования температуры приточного воздуха в канале центрального кондиционера	Рис.4 График пропорционального регулирования
Из графика (рис.4) видно, что чем меньше пропорциональный диапазон, тем круче характеристика регулирования. Кривая (1) соответствует диапазону изменения температуры 0–10 °С, а кривая (2) – диапазону 0–4°С. Величина kp = есть коэффициент регулирования. В первом случае kp = 1, а во втором kp = 2,5. При больших значениях kp в контуре регулирования могут возникнуть колебания (рис.5). Так, если во время включения системы температура воздуха Тизм ниже заданной температуры Tзад, устройство управления выдает большой сигнал на открытие трехходового клапана. Температура водяного калорифера и приточного воздуха начнет повышаться. Когда температура приточного воздуха после водяного калорифера достигает Tзад, устройство управления выдает команду на закрытие трехходового клапана (точка t1, рис. 5). Однако из-за того, что калорифер разогрет, температура приточного воздуха до момента t2 еще будет расти, а затем начнет снижаться. Этот процесс имеет вид затухающих колебаний, и через определенное время (t3) процесс стабилизируется. После стабилизации из-за инерционности системы всегда будет существовать статическая ошибка Δст = Tзад – Тизм. Сигнал на выходе устройства управления будет иметь вид y(t) = U0 + kp · ε, (1.5) где U0 – сигнал на выходе устройства управления при ε = 0.
Рис.5 Переходной процесс при пропорциональном (П) регулировании
Чем большим выбран пропорциональный диапазон регулирования, тем большей будет величина статистической ошибки. При малой величине пропорционального диапазона увеличивается время переходных процессов, и при некоторых условиях может возникнуть автоколебательный (незатухающий) процесс в контуре регулирования. Путем выбора параметров регулирования П-регулятора можно существенно уменьшить установившуюся ошибку регулирования, однако ее полное устранение непредставляется возможным даже теоретически. Из рис.3 видно, что в цепочке регулирования в реальном регуляторе установлено еще одно звено – исполнительный механизм (М). В данном случае – это электродвигатель привода трехходового клапана. Электрический привод является интегрирующим звеном иего влияние по возможности уменьшают, используя обратные связи. Это связано с тем, что динамические свойства участка, охваченного обратной связью, независят от динамических свойств прямого участка, а определяются в основном динамическими свойствами звена обратной связи. Эта особенность широко используется напрактике при разработке автоматических регуляторов. Исходя из этого, для устранения влияния исполнительного механизма его необходимо охватить отрицательной обратной связью. Для повышения коэффициента передачи прямого канала отрицательной обратной связью нужно охватить и усилительное звено регулятора. Такие П-регуляторы, называемые позиционерами, можно представить в виде последовательного соединения собственно П-регулятора и некоторого балластного звена с постоянной времени Тб. На рис. 6 представлена структурная схема П-регулятора, а на рис. 7 – реализуемый ею закон регулирования.
Рис.6 Структурная схема П-регулятора	Рис.7 Закон П-регулирования
Параметром настройки регулятора является коэффициент передачи устройства обратной связи kос. Коэффициент передачи регулятора kп тем больше, чем меньше kос. Однако следует иметь в виду, что чем больше kп, тем больше постоянная времени балластного звена и тем больше искажается идеальный закон П-регулирования.
Пропорционально-интегральные регуляторы
Статическую ошибку, возникающую при пропорциональном регулировании, можно исключить, если кроме пропорционального ввести еще и интегральное звено. Последнее образуется путем постоянного суммирования ε за определенный промежуток времени иформирования сигнала управления, пропорционального полученной величине. Математически этот процесс может быть описан следующей зависимостью: , (1.6) где kи=1/Ти – коэффициент пропорциональности интегральной составляющей, а Ти - постоянная времени интегрирования, параметр настройки регулятора. Если kи ≠ 0, то даже при незначительных отклонениях регулируемой величины сигнал со временем может достичь любой величины, что приведет к перемещению регулирующего органа до момента, пока ε не станет равным 0. Рассмотрим физический смысл постоянной времени интегрирования. Предположим, что на вход регулятора поступил сигнал ε = ε 0, а пропорциональная составляющая отсутствует (kп = 0). При этом выходной сигнал в соответствии (1.6) будет меняться по закону μ = ε0 · t/Tи. По истечении времени t = Tи значение выходного сигнала будет равно μ = ε0 (рис.8, а). Таким образом, постоянная времени интегрирования в И-регуляторе равна времени, в течение которого с момента поступления на вход регулятора постоянного сигнала сигнал на выходе регулятора достигнет значения, равного значению входного сигнала. Переходной процесс в И-регуляторе показан на рис.8, б. Устраняя статическую ошибку интегральный регулятор, однако, ухудшает качество переходного процесса. Поэтому на практике применяют комбинированные ПИ-регуляторы.
Рис.8 Закон регулирования (а) и переходной процесс (б) при интегральном (И) регулировании
При этом используется как параллельное соединение пропорционального и интегрального звена (рис.8, а), так и последовательного (рис.8, б). ПИ-регулятор оказывает воздействие на регулирующий орган пропорционально отклонению и интегралу от отклонения регулируемой величины. (1.7) Передаточная функция ПИ-регулятора (по схеме, рис.8, а): Wпи(р) = kp+ (1.8)
Рис.9. Структурная схема идеальныхПИ-регуляторов: а – с передаточной функцией (1.8);б – с передаточной функцией (1.10)	Рис.10. Закон ПИ-регулирования регуляторов 1 – спередаточной функцией (1.8) 2 – с передаточной функцией (1.10)
При скачкообразном изменении регулируемой величины на значение ε0 ПИ-регулятор со скоростью, определяемой быстродействием привода, перемещает исполнительный механизм на величину (kp · ε0), после чего исполнительный механизм дополнительно перемещается в ту же сторону со скоростью ε0/Ти, пропорциональной отклонению регулируемой величины. Следовательно, в ПИ-регуляторе при отклонении регулируемой величины от заданного значения мгновенно срабатывает пропорциональная (статическая) составляющая регулятора, а затем постепенно увеличивается интегральная (астатическая) составляющая регулятора. Переходная характеристика ПИ-регулятора с передаточной функцией (1.8) показана на рис.10 (прямая 1). Параметрами настойки являются независящие друг от друга коэффициенты усиления kp и постоянная времени интегрирования Ти. Схема на рис.9, б реализует закон регулирования (1.9) где Тиз – постоянная времени изодрома. Передаточная функция ПИ-регулятора по схеме рис.9,б: Wпи(р) = (1.10) Таким образом, ПИ-регулятор со структурной схемой, приведенной на рис.9, б, имеет взаимосвязанные параметры настройки статической и астатической частей по коэффициенту kp. Так, при настройке коэффициента усиления kp будет изменяться и постоянная времени интегрирования: (1.11) Рассмотрим физический смысл постоянной времени изодрома Тиз. Предположим, что на вход регулятора поступил постоянный сигнал ε0. Тогда выражение (1.9) преобразуется к виду μ = kp ε0(1+t/T) (1.12)
Рис.11. Переходной процесс при пропорционально-интегральном (ПИ) регулировании
При поступлении на вход регулятора сигнала ε0 в начальный момент сработает пропорциональная составляющая и на выходе регулятора появится сигнал μ1=kpε0. В дальнейшем по закону (1.12) линейно начинает нарастать выходной сигнал от интегральной составляющей и при t= Tиз достигнет значения μ2=2kpε0. Таким образом, Тиз – это время, в течение которого от начала действия интегральной (астатической) составляющей регулятора пропорциональная (статическая) составляющая удваивается. Переходной процесс при ПИ-регулировании показан на рис.11. Варианты структурных схем ПИ-регуляторов приведены на рис.12.
а	б
в	г
Рис.12. Структурные схемы промышленных ПИ-регуляторов
Пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы П- и ПИ-регуляторы не могут упреждать ожидаемое отклонение регулируемой величины, реагируя только на уже имеющееся отклонение. Возникает необходимость в регуляторе, который вырабатывал бы дополнительное регулирующее воздействие, пропорциональное скорости отклонения регулируемой величины от заданного значения (1.13) Такое регулирующее воздействие используется в дифференциальных и ПИД-регуляторах. ПИД-регуляторы воздействуют на объект пропорционально отклонению ε регулируемой величины, интегралу от этого отклонения и скорости изменения регулируемой величины: (1.14) По возможностям ПИД-регуляторы являются универсальными. Используя их, можно получить любой закон регулирования. Структурная схема и закон регулирования идеального ПИД-регулятора приведены на рис.13
а	б
Рис.13. Cтруктурная схема ПИД-регулятора (а) и закон ПИД-регулирования (б)
При скачкообразном изменении регулируемой величины ПИД-регулятор в начальный момент времени оказывает мгновенное бесконечно большое воздействие на объект регулирования, затем величина воздействия резко падает до значения, определяемого пропорциональной составляющей, после чего постепенно начинает оказывать влияние интегральная составляющая регулятора. Переходной процесс при этом (рис.14) имеет минимальные отклонения по амплитуде и по времени. Параметрами настройки ПИД-регуляторов являются коэффициент пропорциональности регулятора kp, постоянная времени интегрирования Ти и постоянная времени дифференцирования Тд.
Рис.14 Переходной процесс при ПИД- регулировании
ИВИК. Библиотека Учебного центра. Автоматические регуляторы и законы регулирования.

Дата добавления: 2013-12-13