Systèmes de contrôle automatique de la température

Selon le principe de régulation, tous les systèmes de contrôle automatique sont divisés en quatre classes.

1. Système de stabilisation automatique - un système dans lequel le régulateur maintient une valeur de consigne constante du paramètre contrôlé.

2. Système de contrôle programmé - un système qui fournit un changement dans le paramètre contrôlé selon une loi prédéterminée (dans le temps).

3. Système de suivi - un système qui fournit un changement dans le paramètre contrôlé en fonction d'une autre valeur.

4. Système de régulation extrême - un système dans lequel le régulateur maintient la valeur de la variable contrôlée qui est optimale pour les conditions changeantes.

Pour réguler le régime de température des installations de chauffage électrique, les systèmes des deux premières classes sont principalement utilisés.

Les systèmes de contrôle automatique de la température par leur type de fonctionnement peuvent être divisés en deux groupes : régulation périodique et continue.

Régulateurs automatiques systèmes de contrôle automatique (ACS) selon leurs caractéristiques fonctionnelles, ils sont divisés en cinq types : positionnel (relais), proportionnel (statique), intégral (astatique), isodromique (proportionnel-intégral), isodromique avec avance et avec la première dérivée.

Les positionneurs appartiennent à l'ACS périodique et les autres types de régulateurs sont appelés ACS continus. Ci-dessous, nous examinons les principales caractéristiques des régulateurs de position, proportionnels, intégraux et isodromiques, qui sont le plus souvent utilisés dans les systèmes de contrôle automatique de la température.

Un schéma fonctionnel de contrôle automatique de la température (Fig. 1) se compose d'un objet de contrôle 1, d'un capteur de température 2, d'un dispositif de programmation ou d'un régulateur de température 4, d'un régulateur 5 et d'un actionneur 8. Dans de nombreux cas, un amplificateur primaire 3 est placé entre le capteur et le dispositif de programmation, et entre le régulateur et le mécanisme d'entraînement - un amplificateur secondaire 6. Un capteur supplémentaire 7 est utilisé dans les systèmes de contrôle isodromiques.

Riz. 1. Schéma fonctionnel de la régulation automatique de la température

Thermocouples, thermocouples (thermistances) et thermomètres à résistance... Les thermocouples les plus couramment utilisés. Pour plus de détails à leur sujet voir ici: Convertisseurs thermoélectriques (thermocouples)

Régulateurs de température positionnels (relais)

Positionnel fait référence à de tels régulateurs où le régulateur peut occuper deux ou trois positions spécifiques. Les régulateurs à deux et trois positions sont utilisés dans les installations de chauffage électrique. Leur fonctionnement est simple et fiable.

En figue. 2 montre un diagramme schématique pour contrôler la température de l'air en marche et à l'arrêt.

Riz. 2.Schéma de principe de la régulation de la température de l'air lors de la mise en marche et de l'arrêt : 1 - objet de commande, 2 - pont de mesure, 3 - relais polarisé, 4 - enroulements d'excitation du moteur électrique, 5 - armature du moteur, 6 - boîte de vitesses, 7 - chauffage .

Pour contrôler la température dans l'objet de régulation, on utilise la résistance RT, qui est reliée à l'un des bras du pont de mesure 2. Les valeurs des résistances du pont sont choisies de telle sorte qu'à A température donnée le pont est équilibré, c'est-à-dire que la tension dans la diagonale du pont est égale à zéro. Lorsque la température augmente, le relais polarisé 3, inclus dans la diagonale du pont de mesure, active l'un des enroulements 4 du moteur à courant continu qui, à l'aide du réducteur 6, ferme la vanne d'air devant le réchauffeur 7. Lorsque la température baisse, la vanne d'air s'ouvre complètement.

Avec la régulation de la température à deux positions, la quantité de chaleur fournie ne peut être réglée que sur deux niveaux - maximum et minimum. La quantité maximale de chaleur doit être supérieure à ce qui est nécessaire pour maintenir la température contrôlée définie et la quantité minimale doit être inférieure. Dans ce cas, la température de l'air fluctue autour de la valeur définie, c'est-à-dire le mode dit auto-oscillant (Fig. 3, a).

Les lignes de température τn et τв définissent les limites inférieure et supérieure de la zone morte. Lorsque la température de l'objet contrôlé, en diminuant, atteint la valeur τ, la quantité de chaleur fournie augmente instantanément et la température de l'objet commence à augmenter. Atteignant le sens τв, le régulateur réduit l'apport de chaleur et la température diminue.

Riz. 3.Caractéristique temporelle d'une régulation tout ou rien (a) et caractéristique statique d'un régulateur tout ou rien (b).

La vitesse de montée et de descente en température dépend des propriétés de l'objet contrôlé et de sa caractéristique temporelle (courbe d'accélération). Les fluctuations de température ne dépassent pas la zone morte si des changements dans l'apport de chaleur entraînent immédiatement des changements de température, c'est-à-dire s'il n'y a pas de décalage de l'objet contrôlé.

Lorsque la zone morte diminue, l'amplitude des fluctuations de température diminue jusqu'à zéro à τn = τv. Cependant, cela nécessite que l'apport de chaleur varie à une fréquence infiniment élevée, ce qui est extrêmement difficile à mettre en oeuvre en pratique. Il y a un retard dans tous les objets de contrôle réels. Le processus de régulation en eux se déroule comme suit.

Lorsque la température de l'objet de contrôle chute à la valeur τ, l'alimentation change immédiatement, mais en raison du retard, la température continue de baisser pendant un certain temps. Ensuite, il monte à la valeur τв, à laquelle l'apport de chaleur diminue instantanément. La température continue d'augmenter pendant un certain temps, puis en raison de l'apport de chaleur réduit, la température baisse et le processus se répète à nouveau.

En figue. 3, b montre une caractéristique statique d'un régulateur à deux positions... Il s'ensuit que l'effet régulateur sur l'objet ne peut prendre que deux valeurs : maximum et minimum. Dans l'exemple considéré, le maximum correspond à la position où la vanne d'air (voir Fig. 2) est complètement ouverte, le minimum — lorsque la vanne est fermée.

Le signe de l'action de contrôle est déterminé par le signe de l'écart de la valeur contrôlée (température) par rapport à sa valeur de consigne. Le degré d'influence réglementaire est constant. Tous les contrôleurs marche/arrêt ont une zone d'hystérésis α, qui se produit en raison de la différence entre les courants de démarrage et de chute du relais électromagnétique.

Exemple d'utilisation de la régulation de température à deux points : Contrôle automatique de la température dans les fours à résistance chauffante

Régulateurs de température proportionnels (statiques)

Dans les cas où une grande précision de régulation est requise ou lorsque le processus d'auto-oscillation est inacceptable, utilisez des régulateurs avec un processus de régulation continu... Il s'agit notamment de régulateurs proportionnels (régulateurs P) adaptés à la régulation d'une grande variété de processus technologiques.

Dans les cas où une grande précision de régulation est requise ou lorsque le processus d'auto-oscillation est inacceptable, des régulateurs avec un processus de régulation continu sont utilisés. Il s'agit notamment de régulateurs proportionnels (régulateurs P) adaptés à la régulation d'une grande variété de processus technologiques.

Dans les systèmes de contrôle automatique avec régulateurs P, la position de l'organe de régulation (y) est directement proportionnelle à la valeur du paramètre contrôlé (x) :

y = k1x,

où k1 est le facteur de proportionnalité (gain du contrôleur).

Cette proportionnalité a lieu jusqu'à ce que le régulateur atteigne ses positions finales (interrupteurs de fin de course).

La vitesse de déplacement de l'organe régulateur est directement proportionnelle à la vitesse de variation du paramètre contrôlé.

En figue.4 montre un schéma de principe d'un système de régulation automatique de la température ambiante utilisant un régulateur proportionnel. La température ambiante est mesurée avec un thermomètre à résistance RTD connecté au circuit de mesure 1 du pont.

Riz. 4. Schéma de contrôle proportionnel de la température de l'air : 1 - pont de mesure, 2 - objet de contrôle, 3 - échangeur de chaleur, 4 - moteur à condensateur, 5 - amplificateur sensible à la phase.

A une température donnée, le pont est équilibré. Lorsque la température contrôlée s'écarte de la valeur de consigne, une tension de déséquilibre apparaît dans la diagonale du pont, dont l'amplitude et le signe dépendent de l'amplitude et du signe de l'écart de température. Cette tension est amplifiée par un amplificateur sensible à la phase 5, en sortie duquel l'enroulement d'un moteur à condensateur diphasé 4 du variateur est mis en marche.

Le mécanisme d'entraînement déplace le corps de régulation, modifiant le débit de liquide de refroidissement dans l'échangeur de chaleur 3. Simultanément au mouvement du corps de régulation, la résistance de l'un des bras du pont de mesure change, à la suite de quoi la température à laquelle le chevalet est équilibré.

Ainsi, du fait de la rétroaction rigide, chaque position de l'organe régulateur correspond à sa propre valeur d'équilibre de la température régulée.

Le régulateur proportionnel (statique) se caractérise par une non-uniformité de la régulation résiduelle.

Dans le cas d'un écart brutal de la charge par rapport à la valeur de consigne (à l'instant t1), le paramètre contrôlé atteindra après un certain laps de temps (instant t2) une nouvelle valeur stable (Fig. 4).Cependant, cela n'est possible qu'avec une nouvelle position de l'organe réglant, c'est-à-dire avec une nouvelle valeur du paramètre commandé, qui diffère de la valeur préréglée de δ.

Riz. 5. Caractéristiques de synchronisation du contrôle proportionnel

L'inconvénient des contrôleurs proportionnels est qu'une seule position spécifique de l'élément de contrôle correspond à chaque valeur de paramètre. Pour maintenir la valeur de consigne du paramètre (température) lorsque la charge (consommation de chaleur) change, il est nécessaire que l'organe de régulation prenne une position différente correspondant à la nouvelle valeur de charge. Dans un contrôleur proportionnel, cela ne se produit pas, ce qui entraîne une déviation résiduelle du paramètre contrôlé.

Intégrale (contrôleurs astatiques)

Les régulateurs intégraux (astatiques) sont appelés de tels régulateurs dans lesquels, lorsque le paramètre s'écarte de la valeur définie, le corps de régulation se déplace plus ou plus lentement et tout le temps dans une direction (dans la course de travail) jusqu'à ce que le paramètre reprenne la valeur définie . Le sens de déplacement de l'élément de réglage ne change que lorsque le paramètre dépasse la valeur réglée.

Dans les contrôleurs à action électrique intégrale, une zone morte artificielle est généralement créée, à l'intérieur de laquelle une modification d'un paramètre ne provoque pas de mouvements de l'organe de régulation.

La vitesse de déplacement de l'organe régulateur dans le contrôleur intégré peut être constante et variable. Une caractéristique du contrôleur intégral est l'absence de relation proportionnelle entre les valeurs d'état stable du paramètre contrôlé et la position de l'organe de régulation.

En figue.La figure 6 montre un schéma de principe d'un système de contrôle automatique de la température utilisant un contrôleur intégré Contrairement au circuit de contrôle proportionnel de la température (voir Fig. 4), il n'a pas de boucle de rétroaction rigide.

Riz. 6. Schéma de contrôle intégré de la température de l'air

Dans un régulateur intégral, la vitesse de l'organe réglant est directement proportionnelle à la valeur de l'écart du paramètre contrôlé.

Le processus de contrôle de température intégré avec un changement soudain de charge (consommation de chaleur) est illustré à la Fig. 7 en utilisant des caractéristiques temporelles. Comme vous pouvez le voir sur le graphique, le paramètre contrôlé avec contrôle intégral revient lentement à la valeur définie.

Riz. 7. Caractéristiques temporelles de la régulation intégrale

Régulateurs isodromiques (proportionnels-intégraux)

Le contrôle ésodromique a les propriétés du contrôle proportionnel et intégral. La vitesse de déplacement de l'organe de régulation dépend de l'amplitude et de la vitesse de déviation du paramètre contrôlé.

Lorsque le paramètre contrôlé s'écarte de la valeur définie, le réglage est effectué comme suit. Initialement, l'organe de régulation se déplace en fonction de l'amplitude de l'écart du paramètre contrôlé, c'est-à-dire qu'un contrôle proportionnel est effectué. Ensuite, le régulateur effectue un mouvement supplémentaire, nécessaire pour supprimer les irrégularités résiduelles (régulation intégrale).

Un système de contrôle isodromique de la température de l'air (Fig. 8) peut être obtenu en remplaçant la contre-réaction rigide dans le circuit de contrôle proportionnel (voir Fig.5) avec rétroaction élastique (du corps de régulation au moteur pour la résistance de rétroaction). La rétroaction électrique dans un système isodromique est fournie par un potentiomètre et est introduite dans le système de commande via une boucle contenant la résistance R et la capacité C.

Pendant les transitoires, le signal de retour ainsi que le signal de déviation des paramètres affectent les éléments suivants du système (amplificateur, moteur électrique). Avec un organe régulateur stationnaire, quelle que soit sa position, lorsque le condensateur C est chargé, le signal de rétroaction décroît (à l'état stationnaire, il est égal à zéro).

Riz. 8. Schéma de régulation isodromique de la température de l'air

Il est caractéristique de la régulation isodromique que la non-uniformité de la régulation (erreur relative) diminue avec le temps, se rapprochant de zéro. Dans ce cas, le retour ne provoquera pas d'écarts résiduels de la valeur contrôlée.

Ainsi, le contrôle isodromique produit des résultats nettement meilleurs que le contrôle proportionnel ou intégral (sans parler du contrôle de position). Le contrôle proportionnel dû à la présence d'une rétroaction rigide se produit presque instantanément, isodromique - plus lentement.

Systèmes logiciels pour le contrôle automatique de la température

Pour mettre en œuvre une régulation programmée, il est nécessaire d'influencer en permanence le réglage (consigne) du régulateur pour que la valeur régulée évolue selon une loi prédéterminée. A cet effet, le régulateur régulateur est équipé d'un élément logiciel. Ce dispositif sert à établir la loi d'évolution de la valeur de consigne.

Lors d'un chauffage électrique, l'actionneur de l'automatisme peut agir pour allumer ou éteindre les tronçons des éléments chauffants électriques, modifiant ainsi la température de l'installation chauffée selon un programme donné. Le contrôle programmé de la température et de l'humidité de l'air est largement utilisé dans les installations de climatisation artificielle.