2.1. Анализ объекта

Задача регулирования температуры объекта при помощи активного управления мощностью нагревателя является достаточно сложной. Успешное решение этой задачи требует учета многих факторов, таких как размеры объекта, теплофизические свойства материала объекта, мощность нагревателя, форма и место расположения нагревателя, место расположения датчиков температуры и т.д. Однако в теории автоматического управления построены достаточно простые математические модели, в которых все перечисленные факторы могут быть учтены при помощи минимально необходимого числа параметров. Опыт показывает, что применение таких простых моделей позволяет вполне удовлетворительно решить задачу поддержания температуры почти любого объекта на заданном уровне. Именно такие теоретические модели положены в основу управления температурой при помощи регуляторов Термодат.

Весьма полезно провести предварительный анализ тепловых свойств объекта регулирования, прежде чем выбрать для него нагреватель, метод и параметры регулирования.

2.2. Позиционный метод регулирования температуры

В позиционном методе на нагреватель подается полная мощность, пока заданное значение температуры, называемое уставкой T_SP (set point), не достигнуто. Подача мощности полностью прекращается, когда температура превысит уставку. Чтобы избежать частого срабатывания (или «дребезга») контактов пускателя, вводится еще один параметр, называемый гистерезисом K_H (hysteresis). Благодаря этому параметру подача мощности на нагреватель включается повторно только тогда, когда температура понизится ниже величины T_SP – K_H.

На рис.2.1 приведен пример применения позиционного метода регулирования. Использовались: регулятор температуры Термодат-13 с релейными выходами, сосуд с водой объемом 0.5 л, нагреватель мощностью 300 Вт, датчик температуры - медный термометр сопротивления в металлическом кожухе диаметром 10 мм. Задано значение температуры регулирования (уставка) T_SP = 70 °С. Гистерезис K_H был выбран равным 1°С (кривая 1) и 5°С (кривая 2).

З

Рис.2.1. Регулирование температуры позиционным методом

(уставка T_SP = 70°С),

Кривая 1 - гистерезис K_H = 1 °С

Кривая 2 – гистерезис K_H = 5 °С

апись графиков температуры выполнена при помощи компьютерной программы «Термодат 5.13». Видно, что при позиционном регулировании температура совершает колебания вокруг уставки, период и амплитуда которых зависит от заданного гистерезиса. При гистерезисе K_H = 1°С температура колеблется относительно уставки от -1 °С до +2 °С с периодом τ = 600 с (кривая 1), а при гистерезисе K_H = 5°С колебания от -5 °С до +4°С с периодом τ = 1200 с (кривая 2).

Заметные колебания температуры вообще характерны для позиционного метода регулирования. Единственный параметр прибора, который влияет на размах и период колебаний температуры – это гистерезис K_H. Если мы хотим максимально уменьшить размах колебаний, следует выбирать минимальное значение гистерезиса. В этом случае амплитуда колебаний и их период перестают зависеть от параметров регулятора, а определяются исключительно конструкцией и параметрами управляемого объекта, например, относительным расположением датчика температуры и нагревателя. При неудачном подборе мощности нагревателя или неудачном расположении датчика, колебания температуры вокруг заданного значения могут оказаться недопустимо большими.

Если характерное время прогрева (тепловая инерционность объекта) больше, чем инерционность датчика, то можно существенно улучшить параметры регулирования применением нагревателя оптимальной мощности и оптимизацией места расположения датчика температуры. Чрезмерное удаление датчика от нагревателя или массивные защитные чехлы на датчике (увеличивающие его тепловую инерционность) ухудшают качество регулирования.

Таким образом, для улучшения работы позиционного регулятора можно рекомендовать приблизить датчик к нагревателю, стремиться к использованию малоинерционных датчиков (с тем, чтобы уменьшить временное запаздывание управляющего сигнала) и выбирать нагреватели, соответствующие по мощности объекту регулирования. Вреден как избыток мощности, приводящий к сильным колебаниям температуры вокруг уставки, так и недостаток мощности нагревателя, приводящий к медленному выходу на заданный температурный режим.

Для улучшения работы полезно также обеспечивать условия для максимально быстрого распределения тепла от нагревателя, например, при регулировании температуры вязкой жидкости ее перемешивание будет способствовать качеству регулирования.

Если перечисленные возможности оптимизации затруднены или невозможны, и позиционный закон Вас не устроил, то можно применить другие методы регулирования температуры, например, пропорциональный метод с постоянной составляющей мощности. При этом переходная характеристика позиционного закона может дать первое приближение для подбора коэффициентов пропорционального закона.