Λύσεις Ερωτήσεων (σελ. 308-309) – ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις Ερωτήσεων
Ερωτήσεις κεφαλαίου 6 (μέρος Α)
Επιλογή συστήματος αυτοματισμού για πολυτελή πολυκατοικία
Ερώτηση: Σας αναθέτουν να αποφασίσετε το κατάλληλο σύστημα αυτοματισμού διαμερισμάτων με αυτονομία θέρμανσης μίας πολυκατοικίας πολυτελούς κατασκευής. Ο κατασκευαστής, θέλοντας να βάλει κάτι καλύτερο, σκέφτεται να εγκαταστήσει ένα κάπως σύνθετο σύστημα αυτοματισμού. Θα συμφωνούσατε μαζί του; Αιτιολογήστε την απάντησή σας.
Απάντηση:
- §6.3, §6.9-6.12. Η επιλογή του κατάλληλου συστήματος αυτοματισμού εξαρτάται από τις πραγματικές απαιτήσεις της εφαρμογής, όχι μόνο από την πολυπλοκότητα/κόστος.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Δεν θα συμφωνούσα αυτόματα, χωρίς να εξετάσω τις πραγματικές ανάγκες της εφαρμογής. Σε μια πολυτελή κατοικία με ατομική αυτονομία θέρμανσης ανά διαμέρισμα, η απαίτηση είναι κυρίως άνεση σταθερής θερμοκρασίας σε κάθε χώρο — μια εφαρμογή που εξυπηρετείται πολύ καλά από διαμορφωτικό έλεγχο (P ή PI), χωρίς να χρειάζεται κατ' ανάγκη το πιο σύνθετο και ακριβό PID (που δικαιολογείται κυρίως όταν υπάρχουν πολύ γρήγορες/απότομες μεταβολές φορτίου, κάτι που δεν συμβαίνει συνήθως σε οικιακή θέρμανση χώρου). Ένα υπερβολικά σύνθετο σύστημα προσθέτει κόστος αγοράς, εγκατάστασης και συντήρησης χωρίς αντίστοιχο πρακτικό όφελος για τον ένοικο. Η σωστή προσέγγιση είναι να επιλεγεί το απλούστερο σύστημα που καλύπτει επαρκώς τις πραγματικές απαιτήσεις άνεσης, όχι το πιο σύνθετο διαθέσιμο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η επιλογή πρέπει να βασίζεται στις πραγματικές ανάγκες (άνεση σταθερής θερμοκρασίας) — ένα απλό P/PI συνήθως αρκεί, χωρίς αδικαιολόγητο επιπλέον κόστος πολυπλοκότητας
Γιατί χρειάζεται διαφορετική ρύθμιση θερμοστάτη όσο πέφτει η εξωτερική θερμοκρασία (μόνιμο σφάλμα αναλογικού ελέγχου)
Ερώτηση: Σε ένα διαμέρισμα με αναλογικό σύστημα ελέγχου της θερμοκρασίας οι ένοικοι διαπίστωσαν ότι στο σύνηθες κρύο, π.χ. εξωτερικό περιβάλλον 10°C, είναι πολύ ικανοποιημένοι αν ο εσωτερικός θερμοστάτης είναι στους 20°C. Όταν όμως η θερμοκρασία του περιβάλλοντος πέσει πιο πολύ, π.χ. στους 5°C, τότε για να είναι το ίδιο ευχαριστημένοι, βλέπουν ότι θα πρέπει να ρυθμίσουν το θερμοστάτη στους 21°C, και όταν το περιβάλλον πέφτει στους 0°C, χρειάζεται να τον ρυθμίσουν στους 22°C. Μπορείτε, με απλά λόγια, να εξηγήσετε γιατί τους συμβαίνει αυτό;
Απάντηση:
- §6.11-6.12 (αναλογικός έλεγχος P). Ένας καθαρά αναλογικός ελεγκτής (P) αφήνει πάντα ένα μόνιμο σφάλμα ανάμεσα στην επιθυμητή και την πραγματική τιμή, το οποίο αυξάνεται όσο μεγαλώνει η απαιτούμενη διόρθωση (εδώ, όσο αυξάνεται η απώλεια θερμότητας προς το ψυχρότερο περιβάλλον).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το φαινόμενο αυτό είναι το γνωστό μόνιμο σφάλμα (offset) του καθαρά αναλογικού ελέγχου (τύπος P). Σε έναν αναλογικό ελεγκτή, η βαλβίδα/ενεργοποιητής ανοίγει περισσότερο όσο μεγαλώνει η ανάγκη για θέρμανση (δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια θερμότητας προς το εξωτερικό περιβάλλον) — αλλά για να ανοίξει περισσότερο η βαλβίδα, ο αναλογικός ελεγκτής χρειάζεται ένα μεγαλύτερο σφάλμα εισόδου, δηλαδή η πραγματική θερμοκρασία πρέπει να αποκλίνει περισσότερο από τη ρύθμιση. Όσο πιο κρύο είναι το περιβάλλον (άρα όσο μεγαλύτερη η απαιτούμενη ροή θερμότητας), τόσο μεγαλύτερο είναι αυτό το μόνιμο σφάλμα, και οι ένοικοι αντισταθμίζουν διαισθητικά αυτό το σφάλμα ανεβάζοντας τη ρύθμιση του θερμοστάτη. (Ένας ελεγκτής τύπου PI θα εξάλειφε αυτό το μόνιμο σφάλμα αυτόματα, χωρίς να χρειάζεται συνεχή αναπροσαρμογή του θερμοστάτη από τους ενοίκους.)
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Μόνιμο σφάλμα (offset) του αναλογικού (P) ελέγχου: όσο μεγαλύτερη η απαιτούμενη διόρθωση, τόσο μεγαλύτερο το σφάλμα που χρειάζεται ο ελεγκτής για να την πετύχει
Εξαρτήματα αυτοματισμών ελέγχου συνθηκών χώρου και λειτουργίας-προστασίας
Ερώτηση: Αναφέρετε από 5 τουλάχιστον εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στους αυτοματισμούς (α) που εξασφαλίζουν τις συνθήκες του χώρου, (β) που ελέγχουν τη λειτουργία και προστατεύουν τις συσκευές.
Απάντηση:
- §6.3, §6.4. Αισθητήρες, ελεγκτές και ενεργοποιητές χρησιμοποιούνται τόσο στους αυτοματισμούς ελέγχου συνθηκών χώρου όσο και σε αυτούς λειτουργίας-προστασίας, με διαφορετικό ρόλο σε κάθε περίπτωση.
Σύνοψη: (α) Αυτοματισμοί ελέγχου συνθηκών χώρου (κυρίως κλιματισμός): 1) θερμοστάτης χώρου, 2) υγροστάτης, 3) αισθητήρας θερμοκρασίας αέρα προσαγωγής, 4) βάνα ελέγχου παροχής νερού (δίοδη/τρίοδη), 5) τάμπερ ελέγχου παροχής αέρα, 6) ελεγκτής (electronic controller). (β) Αυτοματισμοί λειτουργίας-προστασίας (κυρίως ψύξη): 1) πρεσοστάτης υψηλής/χαμηλής πίεσης, 2) θερμοστάτης προστασίας (π.χ. αντιψυκτικός), 3) ρελέ προστασίας κινητήρα (θερμικό/ρεύματος), 4) πιεσοστάτης λαδιού (διαφορικός), 5) φλοτέρ στάθμης υγρού, 6) ασφάλειες/διακόπτες προστασίας κυκλώματος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Χώρου: θερμοστάτης, υγροστάτης, βάνα, τάμπερ, ελεγκτής · Λειτουργίας-προστασίας: πρεσοστάτης, ρελέ προστασίας, φλοτέρ, ασφάλειες
Αυτοματισμοί ελέγχου συνθηκών χώρου vs λειτουργίας-προστασίας: πού εφαρμόζονται κυρίως
Ερώτηση: Επιλέξτε τη σωστή απάντηση: (α) Οι αυτοματισμοί ελέγχου των συνθηκών χώρου χρειάζονται κυρίως στον κλιματισμό και οι αυτοματισμοί λειτουργίας-προστασίας κυρίως στην ψύξη. (β) Οι αυτοματισμοί ελέγχου των συνθηκών χώρου χρειάζονται κυρίως στην ψύξη και οι λειτουργίας-προστασίας στον κλιματισμό. (γ) Οι αυτοματισμοί ελέγχου των συνθηκών χώρου και οι αυτοματισμοί λειτουργίας-προστασίας χρειάζονται εξίσου, τόσο στον κλιματισμό όσο και στην ψύξη.
Απάντηση:
- §6.3. «Τα συστήματα ελέγχου των συνθηκών των χώρων, τα οποία βρίσκουν εφαρμογή κυρίως στις εγκαταστάσεις κλιματισμού [...] Τα συστήματα λειτουργίας και προστασίας εγκαταστάσεων, τα οποία βρίσκουν εφαρμογή κυρίως στις ψυκτικές εγκαταστάσεις».
Σύνοψη: Σωστή είναι η επιλογή (α): οι αυτοματισμοί ελέγχου των συνθηκών χώρου (θερμοκρασία/υγρασία δωματίου) βρίσκουν εφαρμογή κυρίως στον κλιματισμό, ενώ οι αυτοματισμοί λειτουργίας-προστασίας (προστασία κινητήρων, συμπιεστών, κυκλωμάτων) βρίσκουν εφαρμογή κυρίως στην ψύξη.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστή η (α): συνθήκες χώρου→κλιματισμός, λειτουργία-προστασία→ψύξη
Παραδείγματα αυτοματισμών με ελεγχόμενο μέσο αέρα, νερό, ψυκτικό ρευστό
Ερώτηση: Δώστε παραδείγματα αυτοματισμών με ελεγχόμενο μέσο τον αέρα, το νερό και το ψυκτικό ρευστό.
Απάντηση:
- §6.17. «Οι ενεργοποιητές που υπάρχουν στα δίκτυα κινούν κάποιες διατάξεις οι οποίες ρυθμίζουν τη ροή [...] Τα τάμπερ, για τη ρύθμιση της ροής του αέρα. Οι βάνες, για τη ρύθμιση της ροής των υγρών».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Αέρας: τάμπερ ελέγχου παροχής αέρα σε αεραγωγό κλιματιστικής μονάδας (ελεγχόμενο από θερμοστάτη/υγροστάτη χώρου). Νερό: τρίοδη ή δίοδη βάνα ελέγχου παροχής/θερμοκρασίας νερού σε στοιχείο (μπαταρία) fan coil, ελεγχόμενη από θερμοστάτη χώρου. Ψυκτικό ρευστό: θερμοστατική εκτονωτική βαλβίδα (ή ηλεκτρονική εκτονωτική βαλβίδα) που ελέγχει την παροχή ψυκτικού ρευστού προς τον εξατμιστή, ανάλογα με τον βαθμό υπερθέρμανσης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Αέρας: τάμπερ σε αεραγωγό · Νερό: βάνα σε στοιχείο fan coil · Ψυκτικό ρευστό: θερμοστατική εκτονωτική βαλβίδα
Αυτοματισμός κλειστού και ανοικτού βρόχου: ορισμός, εφαρμογή, παραδείγματα
Ερώτηση: Τι είναι ο αυτοματισμός κλειστού βρόχου και τι ο ανοικτού βρόχου; Σε ποιες περιπτώσεις εφαρμόζονται; Δώστε παραδείγματα.
Απάντηση:
- §6.5-6.6. Στα συστήματα κλειστού βρόχου, «ο ελεγκτής, αφού δώσει στον ενεργοποιητή μία εντολή ρύθμισης, παίρνει μετά το αποτέλεσμα της ρύθμισης, το συγκρίνει με την επιθυμητή τιμή και δίνει νέα εντολή στον ενεργοποιητή».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο αυτοματισμός ανοικτού βρόχου δίνει εντολή στον ενεργοποιητή χωρίς να ελέγχει το πραγματικό αποτέλεσμα (καμία ανάδραση) — εφαρμόζεται σε απλές διατάξεις όπου η σχέση εισόδου-εξόδου είναι προβλέψιμη, π.χ. η θερμοστατική εκτονωτική βαλβίδα ρυθμίζει την παροχή ψυκτικού με βάση την υπερθέρμανση, χωρίς ξεχωριστό «κύκλωμα ελέγχου» ανάδρασης. Ο αυτοματισμός κλειστού βρόχου παίρνει πίσω, μέσω αισθητήρα, το πραγματικό αποτέλεσμα της ρύθμισης, το συγκρίνει με την επιθυμητή τιμή, και δίνει νέα διορθωτική εντολή — εφαρμόζεται όπου χρειάζεται συνεχής, ακριβής παρακολούθηση μιας μεταβλητής, π.χ. στο σύστημα θερμοστάτη-δίοδης βάνας ενός διαμερίσματος (ο θερμοστάτης «βλέπει» συνεχώς την πραγματική θερμοκρασία και προσαρμόζει τη βάνα) ή στον έλεγχο στάθμης νερού σε δεξαμενή με φλοτέρ.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ανοικτός βρόχος: καμία ανάδραση (π.χ. θερμοστατική εκτονωτική βαλβίδα) · Κλειστός βρόχος: με ανάδραση (π.χ. θερμοστάτης-βάνα, φλοτέρ στάθμης)
Διάγραμμα λειτουργίας συστήματος αυτοματισμού κλειστού βρόχου
Ερώτηση: Φτιάξτε ένα διάγραμμα που να δείχνει τη λειτουργία ενός συστήματος αυτοματισμού κλειστού βρόχου.
Απάντηση:
- §6.6, §6.8 (Σχήμα 6.5, διάγραμμα ελέγχου κλειστού βρόχου). Το διάγραμμα δείχνει τη ροή σήματος: επιθυμητή τιμή → σύγκριση → ελεγκτής → ενεργοποιητής → σύστημα (διεργασία) → αισθητήρας μέτρησης → πίσω στη σύγκριση.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένα τυπικό διάγραμμα κλειστού βρόχου έχει τη μορφή: Επιθυμητή τιμή (σημείο ρύθμισης) → [Σύγκριση με πραγματική τιμή] → Ελεγκτής → Ενεργοποιητής → Σύστημα/διεργασία (π.χ. ψυκτικός θάλαμος, αεραγωγός) → Αισθητήρας (μέτρηση πραγματικής τιμής) → επιστροφή του σήματος μέτρησης στο σημείο της Σύγκρισης, κλείνοντας τον βρόχο. Η διαφορά ανάμεσα στην επιθυμητή και την πραγματική (μετρούμενη) τιμή είναι το σφάλμα, το οποίο τροφοδοτεί τον ελεγκτή για τον υπολογισμό της επόμενης διορθωτικής εντολής προς τον ενεργοποιητή. Αυτός ο βρόχος «Σύγκριση→Ελεγκτής→Ενεργοποιητής→Σύστημα→Αισθητήρας→πίσω στη Σύγκριση» επαναλαμβάνεται συνεχώς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Επιθυμητή τιμή → Σύγκριση → Ελεγκτής → Ενεργοποιητής → Σύστημα → Αισθητήρας → πίσω στη Σύγκριση (κλειστός βρόχος)
Μέρη συστήματος αυτοματισμού — δύο ή μία συσκευή
Ερώτηση: Από ποια μέρη αποτελείται ένα σύστημα αυτοματισμού; Μπορεί ένα σύστημα να αποτελείται από μόνο δύο συσκευές ή να είναι όλα ενσωματωμένα σε μία και μοναδική συσκευή; Αν ναι, δώστε από ένα παράδειγμα.
Απάντηση:
- §6.4. «Στους αυτοματισμούς γενικά μπορούμε να διακρίνουμε τρία βασικά τμήματα: τους αισθητήρες, τον ελεγκτή και τους ενεργοποιητές».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένα σύστημα αυτοματισμού αποτελείται από τρία βασικά τμήματα: αισθητήρες, ελεγκτή και ενεργοποιητές. Αυτά όμως δεν χρειάζεται πάντα να είναι τρεις ξεχωριστές συσκευές. Παράδειγμα με δύο συσκευές: ένας ηλεκτρονικός θερμοστάτης (που ενσωματώνει αισθητήρα+ελεγκτή σε μία συσκευή) συνδεδεμένος με μια ξεχωριστή ηλεκτροβάνα (ενεργοποιητής). Παράδειγμα με μία μοναδική συσκευή: ένας απλός μηχανικός θερμοστάτης χώρου (π.χ. θερμοστάτης δωματίου με διμεταλλικό στοιχείο), όπου το ίδιο μηχανικό εξάρτημα λειτουργεί ταυτόχρονα ως αισθητήρας (ανιχνεύει τη θερμοκρασία), ως ελεγκτής (συγκρίνει με τη ρύθμιση) και ως ενεργοποιητής (ανοιγοκλείνει απευθείας τις ηλεκτρικές επαφές του κυκλώματος θέρμανσης/ψύξης).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Αισθητήρες+ελεγκτής+ενεργοποιητές· μπορεί να είναι λιγότερες συσκευές ή και μία (π.χ. απλός μηχανικός θερμοστάτης χώρου)
Σχέση ενεργοποιητή και σερβοκινητήρα
Ερώτηση: Ποια είναι η σχέση μεταξύ των όρων ενεργοποιητής και σερβοκινητήρας;
Απάντηση:
- §6.17, §6.22. Ο ενεργοποιητής είναι η γενική έννοια της συσκευής που κινεί τάμπερ/βάνες βάσει εντολών του ελεγκτή· ο σερβοκινητήρας είναι ο συνηθέστερος τύπος ηλεκτρικού ενεργοποιητή σε συστήματα αυτοματισμού ψύξης-κλιματισμού.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο σερβοκινητήρας είναι ένας συγκεκριμένος, πολύ συνηθισμένος τύπος ενεργοποιητή — δηλαδή η σχέση τους είναι σχέση είδους προς γένος: κάθε σερβοκινητήρας είναι ενεργοποιητής, αλλά όχι κάθε ενεργοποιητής είναι απαραίτητα σερβοκινητήρας (υπάρχουν και πνευματικοί ή υδραυλικοί ενεργοποιητές). Ο σερβοκινητήρας είναι μια ηλεκτρική συσκευή που δέχεται το σήμα εντολής από τον ελεγκτή και το μετατρέπει σε μηχανική κίνηση (συνήθως περιστροφική), κινώντας μια βάνα ή ένα τάμπερ στη θέση που υπαγορεύει η εντολή — συχνά διαθέτει και δικό του ρυθμιστή (ποτενσιόμετρο) για επιλογή της χαρακτηριστικής καμπύλης κίνησής του.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ο σερβοκινητήρας είναι συγκεκριμένος (ηλεκτρικός) τύπος ενεργοποιητή — σχέση είδους προς γένος
Κατηγορίες αυτοματισμών ανάλογα με τον τρόπο επενέργησης
Ερώτηση: Ποιες είναι οι κατηγορίες στις οποίες διακρίνονται οι αυτοματισμοί, ανάλογα με τον τρόπο που επενεργούν;
Απάντηση:
- §6.9-6.12. «(1) Δύο θέσεων (ON-OFF). (2) Πλωτού ελέγχου (floating action) [...] (3) Διαμορφωτικού ελέγχου (modulating control) [...] (4) Λογικού ελέγχου (fuzzy logic)».
Σύνοψη: Οι αυτοματισμοί, ανάλογα με τον τρόπο που επενεργούν, διακρίνονται σε τέσσερις κατηγορίες: 1) Δύο θέσεων (ON-OFF) — μόνο δύο ακραίες θέσεις. 2) Πλωτού ελέγχου (floating action) — ταχύς ελεγκτής, αργός ενεργοποιητής. 3) Διαμορφωτικού ελέγχου (modulating control) — με τρεις υποκατηγορίες: αναλογικός (P), αναλογικός-ολοκληρωτικός (PI), αναλογικός-ολοκληρωτικός-διαφορικός (PID). 4) Λογικού ελέγχου (fuzzy logic) — προσομοιώνει την ανθρώπινη σκέψη με κανόνες ΑΝ...ΤΟΤΕ.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- ON-OFF, πλωτού ελέγχου, διαμορφωτικού ελέγχου (P/PI/PID), λογικού ελέγχου (fuzzy logic)
Κατηγορίες αυτοματισμών διαμορφωτικού ελέγχου
Ερώτηση: Ποιες είναι οι κατηγορίες των αυτοματισμών διαμορφωτικού ελέγχου;
Απάντηση:
- §6.9. «Διαμορφωτικού ελέγχου (modulating control), που διακρίνεται σε τρεις επιμέρους κατηγορίες: Αναλογικού ελέγχου (Ρ) [...] Αναλογικού και ολοκληρωτικού ελέγχου (ΡΙ) [...] Αναλογικού, ολοκληρωτικού και διαφορικού ελέγχου (PID)».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο διαμορφωτικός έλεγχος (modulating control) διακρίνεται σε τρεις κατηγορίες: α) Αναλογικός έλεγχος (P) — η διόρθωση είναι ανάλογη του στιγμιαίου σφάλματος (π.χ. φλοτέρ στάθμης δεξαμενής). β) Αναλογικός-ολοκληρωτικός έλεγχος (PI) — προστίθεται ολοκληρωτική διόρθωση που εξαλείφει το μόνιμο σφάλμα του καθαρά αναλογικού ελέγχου, πετυχαίνοντας καλύτερη προσέγγιση της επιθυμητής τιμής. γ) Αναλογικός-ολοκληρωτικός-διαφορικός έλεγχος (PID) — προστίθεται επιπλέον διαφορική διόρθωση, χρήσιμη όταν η ελεγχόμενη μεταβλητή παρουσιάζει γρήγορες, απότομες διακυμάνσεις.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Αναλογικός (P), αναλογικός-ολοκληρωτικός (PI), αναλογικός-ολοκληρωτικός-διαφορικός (PID)
Χαρακτηριστικά μεγέθη συστήματος διαμορφωτικού ελέγχου
Ερώτηση: Ποια είναι τα χαρακτηριστικά μεγέθη ενός συστήματος αυτοματισμού διαμορφωτικού ελέγχου;
Απάντηση:
- §6.12-6.13 (Πίνακας 6.3). «Οι τυπικοί ελεγκτές και οι ρυθμίσεις τους: Ρ→ΡΒ, ΡΙ→ΡΒ+Ti, PID→ΡΒ+Ti+Td».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα βασικά χαρακτηριστικά μεγέθη ενός συστήματος διαμορφωτικού ελέγχου, ανάλογα με τον τύπο του ελεγκτή, είναι: PB (αναλογικό εύρος, Proportional Band — η βασική παράμετρος και για τους τρεις τύπους ελεγκτή), Ti (χρόνος ολοκλήρωσης, επιπλέον παράμετρος στους ελεγκτές PI και PID) και Td (χρόνος διαφόρισης, επιπλέον παράμετρος μόνο στον ελεγκτή PID). Έτσι, ένας ελεγκτής τύπου P χρειάζεται μόνο ρύθμιση PB, ένας PI χρειάζεται PB και Ti, ενώ ένας PID χρειάζεται και τα τρία: PB, Ti και Td.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- PB (όλοι), Ti (PI, PID), Td (μόνο PID)
Σχέση εύρους στραγγαλισμού με τον συντελεστή PB
Ερώτηση: Τι σχέση έχει το εύρος στραγγαλισμού με το συντελεστή ΡΒ;
Απάντηση:
- §6.12. «Η περιοχή μέσα στην οποία μπορεί να βρεθεί η τιμή της Vp είναι το αναλογικό εύρος και συμβολίζεται ως ΡΒ [...] Δηλαδή στην αναλογική ρύθμιση το εύρος στραγγαλισμού ταυτίζεται με την περιοχή ΡΒ».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στην αναλογική ρύθμιση, το «εύρος στραγγαλισμού» και το αναλογικό εύρος PB είναι το ίδιο πράγμα — δύο ονόματα για την ίδια έννοια: την περιοχή τιμών μέσα στην οποία κινείται το σήμα εξόδου (π.χ. η τάση ελέγχου Vp) του αναλογικού ελεγκτή, καθώς η ελεγχόμενη μεταβλητή διατρέχει όλο το εύρος τιμών της. Όσο μεγαλύτερο είναι το PB, τόσο «πλατύτερο» είναι το εύρος στραγγαλισμού, και το αντίστροφο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ταυτίζονται: το εύρος στραγγαλισμού ΕΙΝΑΙ το αναλογικό εύρος PB στην αναλογική ρύθμιση
Περιοχή τιμών σφάλματος σε διαμορφωτικό αυτοματισμό
Ερώτηση: Σε ποια περιοχή τιμών μπορεί να βρίσκεται το σφάλμα σε ένα διαμορφωτικό αυτοματισμό;
Απάντηση:
- §6.11. «Έτσι, σε ένα σωστά κατασκευασμένο σύστημα διαμορφωτικού ελέγχου το σφάλμα είναι μικρό και η μεταβλητή θα βρίσκεται πολύ κοντά στο σημείο ελέγχου».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σε ένα σωστά ρυθμισμένο διαμορφωτικό αυτοματισμό, το σφάλμα (διαφορά ανάμεσα στην επιθυμητή και την πραγματική τιμή της μεταβλητής) παραμένει μικρό, μέσα στα όρια του αναλογικού εύρους PB — δηλαδή η μεταβλητή βρίσκεται συνεχώς κοντά στο σημείο ελέγχου (setpoint), χωρίς ποτέ να το ξεπερνά σημαντικά. Αυτό είναι το βασικό πλεονέκτημα του διαμορφωτικού ελέγχου σε σύγκριση με τον έλεγχο δύο θέσεων (ON-OFF), όπου η μεταβλητή «πηδάει» ανάμεσα σε δύο ακραίες τιμές.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Μικρό σφάλμα, μέσα στο εύρος PB, με τη μεταβλητή κοντά στο σημείο ελέγχου
Εύρος στραγγαλισμού και περιοχή διακύμανσης σε σύστημα ON-OFF: ομοιότητα και βασική διαφορά
Ερώτηση: Τι σχέση έχει το εύρος στραγγαλισμού με την περιοχή διακύμανσης της τιμής της μεταβλητής σε ένα σύστημα ON-OFF; Είναι σχεδόν το ίδιο πράγμα ή υπάρχει μία βασική διαφορά;
Απάντηση:
- §6.9, §6.12 (σύγκριση ON-OFF με αναλογικό έλεγχο). Στο ON-OFF η μεταβλητή ταλαντεύεται ανάμεσα σε δύο ακραίες, διακριτές τιμές· στον αναλογικό έλεγχο κινείται συνεχόμενα μέσα στο εύρος PB.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι δύο έννοιες μοιάζουν επιφανειακά (και οι δύο περιγράφουν ένα «εύρος» τιμών της μεταβλητής), αλλά υπάρχει μία βασική διαφορά: στο σύστημα ON-OFF, η μεταβλητή ταλαντεύεται ανάμεσα σε δύο διακριτές, ακραίες τιμές (π.χ. θερμοστάτης ανοίγει στους 21°C, κλείνει στους 23°C) — η κίνηση είναι «απότομη», χωρίς ενδιάμεσες θέσεις του ενεργοποιητή. Στο εύρος στραγγαλισμού (PB) του αναλογικού ελέγχου, η μεταβλητή κινείται συνεχόμενα μέσα σε μια περιοχή τιμών, με τον ενεργοποιητή να παίρνει ενδιάμεσες, αναλογικές θέσεις ανάλογα με το μέγεθος του σφάλματος — δεν υπάρχει «απότομο πήδημα» ανάμεσα σε δύο ακραίες καταστάσεις. Άρα το κοινό σημείο είναι ότι και οι δύο ορίζουν ένα «εύρος διακύμανσης» της μεταβλητής, αλλά διαφέρουν στο πώς η μεταβλητή κινείται μέσα σε αυτό το εύρος (διακριτά/απότομα στο ON-OFF, συνεχόμενα/αναλογικά στο PB).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Κοινό: και τα δύο ορίζουν εύρος διακύμανσης· Διαφορά: ON-OFF=απότομη μετάβαση ανάμεσα σε 2 ακραίες τιμές, PB=συνεχής/αναλογική κίνηση μέσα στο εύρος
Παράμετροι ρύθμισης ελεγκτών τύπου P, PI, PID
Ερώτηση: Πόσες παραμέτρους θα πρέπει να εκτιμήσουμε για να εισάγουμε σε μία συσκευή αυτοματισμού (α) τύπου Ρ, (β) τύπου ΡΙ, (γ) τύπου PID. Ποιες είναι αυτές;
Απάντηση:
- §6.13 (Πίνακας 6.3). «1 Ρ ΡΒ, 2 ΡΙ ΡΒ, Ti, 3 PID ΡΒ, Ti, Td».
Σύνοψη: Σύμφωνα με τον συγκεντρωτικό πίνακα του βιβλίου: (α) Τύπος P: 1 παράμετρος — το PB (αναλογικό εύρος). (β) Τύπος PI: 2 παράμετροι — το PB και ο Ti (χρόνος ολοκλήρωσης). (γ) Τύπος PID: 3 παράμετροι — το PB, ο Ti (χρόνος ολοκλήρωσης) και ο Td (χρόνος διαφόρισης).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- P: 1 (PB) · PI: 2 (PB, Ti) · PID: 3 (PB, Ti, Td)
Κρίση: «διαμορφωτικός έλεγχος» vs «αναλογικός έλεγχος» ως όροι
Ερώτηση: Συχνά οι αυτοματισμοί που σ' αυτό το βιβλίο αποδίδονται με τον όρο διαμορφωτικού ελέγχου (κατά λέξη μετάφραση του αγγλικού όρου modulating action), συναντώνται και με τον όρο αυτοματισμοί αναλογικού ελέγχου. Είναι σωστή κατά τη γνώμη σας αυτή η απόδοση του όρου;
Απάντηση:
- §6.9. Ο «διαμορφωτικός έλεγχος (modulating control)» περιλαμβάνει τρεις υποκατηγορίες: P, PI και PID — ο «αναλογικός έλεγχος» (P) είναι μόνο μία από αυτές.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η απόδοση «αυτοματισμοί αναλογικού ελέγχου» για το σύνολο του διαμορφωτικού ελέγχου είναι ανακριβής, αν και συνηθισμένη στην πράξη. Ο διαμορφωτικός έλεγχος (modulating control) περιλαμβάνει τρεις υποκατηγορίες: τον καθαρά αναλογικό (P), τον αναλογικό-ολοκληρωτικό (PI) και τον αναλογικό-ολοκληρωτικό-διαφορικό (PID). Ο όρος «αναλογικός έλεγχος» αναφέρεται αυστηρά μόνο στην πρώτη υποκατηγορία (P). Ωστόσο, επειδή όλες οι υποκατηγορίες περιλαμβάνουν έναν αναλογικό όρο (το PB/Kp) ως βάση τους, στην καθομιλουμένη ο όρος «αναλογικός έλεγχος» χρησιμοποιείται μερικές φορές χαλαρά και για το σύνολο του διαμορφωτικού ελέγχου — κάτι που τεχνικά είναι ανακριβές, αλλά κατανοητό ως συντόμευση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ανακριβής αλλά συνηθισμένη απλούστευση: ο «αναλογικός» είναι μόνο μία (η P) από τις τρεις υποκατηγορίες του διαμορφωτικού ελέγχου
Έννοιες αναλογικής, ολοκληρωτικής και διαφορικής ρύθμισης
Ερώτηση: Τι σημαίνουν οι όροι: αναλογική ρύθμιση, ολοκληρωτική ρύθμιση και διαφορική ρύθμιση;
Απάντηση:
- §6.12. «Ορισμός: Ολοκληρωτικός έλεγχος είναι ο έλεγχος κατά τον οποίο ο ελεγκτής διορθώνει, με ένα επιπλέον σήμα...» και «Ορισμός: Διαφορικός έλεγχος είναι ο έλεγχος κατά τον οποίο ο ελεγκτής παρακολουθεί το ρυθμό με τον οποίο μεταβάλλεται η ελεγχόμενη μεταβλητή».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Αναλογική ρύθμιση (P): η διόρθωση (η μετακίνηση του ενεργοποιητή) είναι ανάλογη του στιγμιαίου σφάλματος — μεγαλύτερο σφάλμα σημαίνει μεγαλύτερη διόρθωση, αλλά αφήνει πάντα ένα μόνιμο υπολειπόμενο σφάλμα. Ολοκληρωτική ρύθμιση (I): ο ελεγκτής διορθώνει με ένα επιπλέον σήμα ανάλογο του αθροίσματος (ολοκληρώματος) του σφάλματος στο χρόνο — όσο περισσότερο επιμένει το σφάλμα, τόσο μεγαλώνει αυτή η επιπλέον διόρθωση, μέχρι να το εξαλείψει τελείως. Διαφορική ρύθμιση (D): ο ελεγκτής παρακολουθεί τον ρυθμό με τον οποίο μεταβάλλεται η μεταβλητή (πόσο γρήγορα αλλάζει) και προσθέτει μια ενισχυμένη διόρθωση όταν η μεταβολή είναι απότομη, βοηθώντας το σύστημα να αντιδράσει έγκαιρα σε ξαφνικές διαταραχές.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Αναλογική: διόρθωση ανάλογη του σφάλματος · Ολοκληρωτική: διόρθωση ανάλογη του αθροίσματος σφάλματος στο χρόνο (εξαλείφει μόνιμο σφάλμα) · Διαφορική: διόρθωση ανάλογη του ρυθμού μεταβολής
Σχέση PB με τον συντελεστή αναλογικού κέρδους
Ερώτηση: Ποια είναι η σχέση μεταξύ του ΡΒ και του συντελεστή αναλογικού κέρδους;
Απάντηση:
- §6.12. «Ο συντελεστής Κp ονομάζεται αναλογικό κέρδος (proportional gain) και είναι αντιστρόφως ανάλογος του εύρους στραγγαλισμού, δηλαδή του αναλογικού εύρους ΡΒ [...] Η αλλαγή του Κp έχει ως συνέπεια και την αλλαγή του ΡΒ».
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το αναλογικό κέρδος Kp είναι αντιστρόφως ανάλογο του αναλογικού εύρους PB: όσο μεγαλύτερο είναι το Kp, τόσο μικρότερο γίνεται το PB, και αντίστροφα. Πρακτικά: ένα μεγάλο Kp (άρα μικρό PB) σημαίνει ταχεία ανταπόκριση του συστήματος στο σφάλμα, αλλά με κίνδυνο ο ενεργοποιητής να μετακινείται σχεδόν σαν σύστημα ON-OFF ακόμη και σε πολύ μικρές διακυμάνσεις της μεταβλητής (αστάθεια). Ένα μικρό Kp (άρα μεγάλο PB) σημαίνει βραδύτερη αντίδραση, αλλά μεγαλύτερη ανοχή σε διακυμάνσεις χωρίς να προκαλείται αστάθεια.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Kp αντιστρόφως ανάλογο του PB: μεγάλο Kp → μικρό PB (γρήγορη αλλά ασταθέστερη απόκριση) και αντίστροφα
