Описание системы автоматического регулирования

Система автоматического регулирования температуры (САРТ) в сушильной камере предназначена для поддержания заданной температуры в определенном интервале.

Упрощенная принципиальная схема САРТ изображена на рисунке 9.1. Позиционные обозначения основных функциональных элементов потенциометра А1 рассмотрены в лабораторной работе № 3.

Объект регулирования – муфельная печь А3, которая предназначена для термической обработки металлов при температуре до 1000 °С. Температура в печи измеряется термопарой ВК, которая подключена на вход потенциометра А.

При включении системы в сеть автоматическим выключателем QF и потенциометра тумблером SA1 указатель 3 покажет температуру печи, близкую к комнатной. Стрелка (указатель) 3 находится вблизи левого края шкалы. Одновременно со стрелкой 3 двигатель М1 перемещает подвижный контакт реохорда R_р, (см. рисунок 9.1) в положение, при котором напряжение термопары Е_х становится равным напряжению на диагонали моста U_ав. Механическая связь между валом двигателя и реохордом является внутренней отрицательной обратной связью потенциометра. Благодаря этой связи при любом напряжении термопары двигатель вращается до тех пор, пока U_ав не станет равным Е_х. Этим обеспечивается пропорциональная зависимость между напряжением термопары и перемещением стрелки 3.

Рисунок 9.1 – Принципиальная схема САР температуры

 

Если задатчик 10 установлен на более высокую температуру, чем та, которую в данный момент показывает прибор, то контакт микропереключателя SQ разомкнут, катушка реле КV обесточена, его контакт в цепи питания катушки пускателя КМ замкнут. Пускатель своим замыкающим контактом КМ подключает нагревательный элемент ЕК печи к сети при включенном (замкнутом) положении переключателя SA2. При повышении температуры в печи соответственно возрастает выходное напряжение термопары Е_х. Разность напряжений термопары и моста DU – пропорциональное изменению температуры печи, отслеживается следящей системой потенциометра непрерывно уравновешивая измерительно-компенсационную схему (мост) А1. Одновременно стрелка 3 перемещается на величину, пропорциональную изменению температуры. Когда температура в печи повысится до заданного значения Т_з, указатель 3 достигнет положения стрелки 10 задатчика, при этом контакт регулирующего устройства SQ замыкается и включает катушку реле КV. Своим размыкающим контактом KV реле обесточивает катушку пускателя КМ, его контакт КМ размыкается, отключая нагревательный элемент ЕК печи от сети.

Некоторое время после отключения нагревателя ЕК температура в печи продолжает увеличиваться вследствие инерционности тепловых процессов. Стрелка 3 перемещается вправо, при этом контакт регулирующего устройства SQ замкнут. Затем печь начинает остывать. При снижении температуры указатель 3 перемещается влево и контакт SQ размыкается, нагреватель печи снова подключается к сети по вышеописанному алгоритму. Дальнейший процесс регулирования температуры носит колебательный характер. Амплитуда колебаний зависит от параметров, характеризующих инерционные свойства объекта регулирования – печи.

 

Рисунок 9.2 – Функциональная схема САРТ

 

Функциональная схема САРТ приведена на рисунке 9.2. Задатчиком является стрелка 10 с микропереключателем SQ. Задающий сигнал Х – положение стрелки 10, отсчитываемое от нуля шкалы потенциометра до заданного значения температуры Т_з. Выходная (регулируемая) величина СAPТ – температура Т в печи A3. Измерительным элементом является прибор А (КСП-4) с термопарой ВК. Измерительный элемент преобразует температуру Т в положение Х_u подвижной стрелки (указателя) 3 (см. рисунок 9.1.), т. е. в величину, удобную для сравнения с задающим сигналом Х. Сравнивающее устройство СУ на функциональной схеме отражает сравнение положений стрелок 10 (Х) и 3 (Х_и) относительно шкалы 4 прибора А. Разность положений стрелок X – Х_и = e соответствует отклонению температуры в печи от заданного значения e = DТ = Тз – Т и является ошибкой регулирования САРТ. Регулятор объединяет микропереключатель SQ (выходное регулирующее устройство), промежуточное реле KV (усилитель) и магнитный пускатель КМ (исполнительное устройство). Регулирующим элементом (рабочим органом) САРТ является нагреватель печи ЕК, входящий в структуру объекта регулирования.

Входной сигнал для регулятора – ошибка регулирования e, выходной – коммутируемое напряжение U_p, подаваемое исполнительным элементом КM на рабочий орган ЕК объекта регулирования. В зависимости от знака величины e выходная величина U_p может принять только два значения. При e > 0 (Х_и < Х или Т < Т_з) U_р = U_с, и нагреватель печи подключается регулятором к сети напряжением U_c= 220 В. При e < 0 (Х_и > Х или Т > Т_з ) U_p= 0, и нагреватель отключается. Поскольку регулятор работает в режиме «включено–выключено» его называют двухпозиционным. Аналогично называют и закон регулирования, при котором выходной сигнал регулятора принимает только два значения. Статическая характеристика двухпозиционного регулятора соответствует типовому звену «двухпозиционное реле с гистерезисом», у которого ширина петли гистерезиса характеризует зону нечувствительности (дифференциал) регулятора 2 В (рисунок 9.3а). При В = 0 регулятор называют идеальным двухпозиционным (рисунок 9.3б).

 

Рисунок 9.3 – Статическая характеристика двухпозиционного регулятора:

а – с зоной нечувствительности 2В; б – идеального (2 В = 0)

 

Двухпозиционное регулирование инерционных объектов, к которым относится муфельная печь, характеризуется колебательным установившимся процессом. Однако в других CAP возможен монотонный переходный процесс, когда скорость изменения регулируемой величины не меняет знака в течение всего времени регулирования.