AGH , Wydz. EAIiE Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych			Imię , nazwisko : JAROSŁAW GANDZEL
TEORIA STEROWANIA I TECHNIKA REGULACJI			Semestr : letni .
Rok akademicki : 1998 / 99	Rok studiów : II		Grupa : II
Kierunek : ELEKTROTECHNIKA			środa , godz . 10^00 .
Temat ćwiczenia : Regulacja temperatury .			Nr ćwiczenia : 14 .
Data wykonania ćwiczenia : 19.05.1999.		Data zaliczenia sprawozdania :

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z różnego rodzajami układów automatycznej regulacji temperatury stosowanymi powszechnie w grzejnictwie elektrycznym.

Przebieg ćwiczenia:

1. Regulacja dwustawna:

Pierwszym rodzajem automatycznej regulacji jest regulacja dwustawna zwana też często dwupołożeniową jest najczęściej stosowaną metodą regulacji temperatury w urządzeniach grzejnictwa elektrycznego. Regulacja ta polega na załączaniu i wyłączaniu „pełnej mocy” urządzenia tak aby zadana temperatura była cały czas utrzymana.

Schemat pomiarowy:

S - obiekt regulacji

Reg - regulator dwustawny

W - stycznik

Schemat blokowy:

 mierzona temperatura

 sygnał z czujnika temperatury

 zadana wartość temperatury

Obiekt regulacji S aproksymuje się członem inercyjnym pierwszego rzędu z czasem opóźnienia. Blok T uwzględnia stałą czasową czujnika, który traktuje się jako człon inercyjny pierwszego rzędu. Należy jednak zaznaczyć, że stała czasowa czujnika jest zwykle wielokrotnie mniejsza od stałej czasowej obiektu. Różnica  między temperaturą zadaną a zmierzoną podawana jest na wyjście regulatora, który poprzez sygnał pośredniczący u i człon wykonawczy W decyduje o średniej wartości mocy P doprowadzonej do obiektu.

Po załączeniu pełnej mocy P_n temperatura narasta i po przekroczeniu zadanej wartości temperatury
następuje wyłączenie mocy. Po wyłączeniu mocy temperatura obiektu jeszcze przez jakiś czas rośnie aż do wartości maksymalnej po czym zaczyna maleć. Jest to spowodowane tym iż pomiar temperatury obiektu i sterowanie wartością temperatury nie jest w tych samych miejscach. Gdy temperatura spadnie poniżej wartości zadanej, następuje ponowne załączenie mocy czynnej, temperatura jeszcze przez pewien okres maleje ale później zaczyna narastać. Cykl taki się powtarza prowadząc do oscylacji ustalonych.

Charakterystyka ustalania temperatury:

Wyniki pomiarów:

Elektroda grzewcza pieca akumulacyjnego:

• temperatura nastawiona: 300 °C,

• wartość temperatury, po której następuje załączenie stycznika: 312°C,

• wartość temperatury, przy której następuje wyłączenie stycznika: 323°C,

• minimalna wartość temperatury: 305°C,

• maksymalna wartość temperatury: 343°C,

• wartość histerezy H: 11°C.

• wartość rozrzutu R: 38°C,

• czas trwania jednego cyklu: 100s,

Spirala grzewcza:

• temperatura nastawiona: 300 °C,

• wartość temperatury, po której następuje załączenie stycznika: 311°C,

• wartość temperatury, przy której następuje wyłączenie stycznika: 323°C,

• minimalna wartość temperatury: 308°C,

• maksymalna wartość temperatury: 341°C,

• wartość histerezy H: 12°C.

• wartość rozrzutu R: 33°C,

• czas trwania jednego cyklu: 40s,

Jak widzimy z powyższych pomiarów spirala ma dużo mniejszą stałą czasową co skraca czas ustalania się temperatury oraz cały ten cykl ma mniejszą wartość rozrzutu ( element szybciej się grzeje i szybciej stygnie) od elementu grzejnego pieca akumulacujnego. Dzięki temu regulator dokładniej dostosowuje temperaturę układu do zadanej.

2. Regulacja trójstawna:

W ćwiczeniu tym wykorzystaliśmy regulator RK2, a jako obciążenie użyliśmy spiralę 3-faz. z poprzedniego ćwiczenia, która się załączała poniżej dolnego nastawu temperatury najpierw w połączeniu w trójkąt (maksymalna moc, szybsze nagrzewanie), natomiast gdy temperatura przekroczyła dolny nastaw połączenie faz zmieniało się na gwiazdę (mniejsza moc, wolniejsze nagrzewanie). Najpierw górny nastaw był na tyle duży aby wentylator się nie włączał, później zmniejszyliśmy na tyle aby powyżej niego włączał się wentylator.

Wyniki pomiarów:

Pomiar bez zastosowania wiatraka:

• temperatura nastawiona: 300 °C,

• wartość temperatury, po której następuje załączenie stycznika: 314°C,

• wartość temperatury, przy której następuje wyłączenie stycznika: 325°C,

• minimalna wartość temperatury: 308°C,

• maksymalna wartość temperatury: 341°C,

• wartość histerezy H: 11°C.

• wartość rozrzutu R: 33°C,

• czas trwania jednego cyklu: 40s.

Przy pomiarze z wiatraczkiem zmniejszył się rozrzut i czas chłodzenia.

Z przeprowadzonego powyżej doświadczenia wynika iż zastosowanie regulacji trójstawnej z wentylatorem zmniejsza rozrzut regulacji oraz czas całego cyklu. Powyższy rodzaj regulacji jest stosowany w klimatyzacji.

3. Regulacja ciągła:

Regulacje ciągłą stosujemy, gdy wymagane jest duża dokładność utrzymywanej temperatury.

Schemat pomiarowy:

Temperatura  wnętrza obiektu, będąca wielkością regulowaną, jest mierzona czujnikiem termometrycznym T. Sygnał z czujnika jest podawany do regulatora Reg o wyjściu ciągłym. Regulator steruje członem wykonawczym W zmieniając moc grzejną doprowadzoną do obiektu w sposób ciągły. Dzięki temu uzyskujemy niewielkie oscylacje.

Charakterystyka ustalania temperatury:

Do wykonania tego doświadczenia użyliśmy elektronicznego regulatora temperatury PID. Napięcie wyjściowe U(t) w funkcji czasu opisuje następujący wzór:

gdzie:

(t) - uchyb

K_R - współczynnik wzmocnienia

T_I - czas zdwojenia

T_D - czas wyprzedzenia

Dzięki zastosowaniu członu całkującego „I” uzyskujemy zerowy ustalony błąd regulacji, a dzięki członowi różniczkującemu „D” uzyskaliśmy szybką reakcję na zakłócenia.

Przypadkowe nastawy regulatora:

P=382 I=332 D=208

Przy powyższych nastawach układ niestety się nie ustalił (temperatura cały czas rosła), co świadzcy o złych nastawach regulatora.

Po zastosowaniu funkcji Auto-tuning regulator sam dopasował nastawy, które ywnoszą:

P=182 I=33 D=8

Pomiar:

• temperatura nastawiona: 300 °C,

• minimalna wartość temperatury: 297°C,

• maksymalna wartość temperatury: 307°C,

• wartość rozrzutu R: 10°C,

• czas trwania jednego cyklu: 20s.

Jak widać z powyższych pomiarów w układ z nastawami automatycznymi temperatura się stabilizuje z niewielkim rozrzutem, a czas trwania cyklu ustalania temperatury jest krótki.

Wnioski:

Regulatory temperatury w dzisiejszych czasach mają szerokie zastosowanie począwszy od sprzętu w gospodarstwie domowych, klimatyzacji w budynkach i samochodach aż po przemysł. Do niedawna układy regulacji ciągłej w przemysłowych urządzeniach elektrotermicznych były rzadkością .Spowodowane było to z jednej strony niedopracowaniem ich jak i względami ekonomicznymi (po prostu były one bardzo drogie). Jednak w ostatnich latach szybki rozwój elektroniki spowodował łatwy i tani dostęp do elektronicznych regulatorów opartych na mikrokontrolerach i mikroprocesorach. Spowodowało to wypieranie regulatorów dwu- i trójstawnych przez regulatory ciągłe. lecz nadal są one jeszcze stosowane. Wadami tych regulatorów jest duża pulsacja temperatury. Lecz mają także zalety: niskie ceny, duża niezawodność, prostota układu, łatwość konserwacji, zapewnienie szybkiego usuwania wpływu zakłóceń (jeśli np. w razie awarii przy nagłym spadku temperatury następuje włączenie natychmiastowe pełnej mocy grzejnej). Więc dzięki tym zaletą nadal stosuje się regulatory dwu- i trójstawne (m. in. w klimatyzacjach). Regulatory ciągłe stosuje się jedynie tam gdzie wymagana jest duża dokładność utrzymywanej temperatury (głównie przy szybko zmiennych temperaturach i obiektach o małej bezwładności cieplnej).

- 4 -

---