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 К_р на рассогласование Dt. Единственным настраиваемым пара­метром П–регуляторов является коэффициент усиления К_р.

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 K_v, 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 К_р и по скорости K_v. Из динами­ческой характеристики ПИ–регулятора (рис.8.2, в) видно, что при постоян­ной температуре рассогласования Dt₁ через время изодрома (удвоения), равное t_и, 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 К_р, 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.