Λύσεις Ερωτήσεων (σελ. 308-309) – ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Γ΄ ΕΠΑΛ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Γ΄ ΕΠΑΛ – ΛΥΣΕΙΣ – ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ Ασκήσεων Σχολικού Βιβλίου 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, (οπότε αυξάνεται η ροή θερμότητας από το διαμέρισμα προς το εξωτερικό περιβάλλον), 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:

§6.2(δ), §6.12 (αναλογικός έλεγχος Ρ). 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, Πίνακας 6.1. Ο πίνακας με τις δύο βασικές κατηγορίες συστημάτων αυτοματισμού δίνει για την καθεμία τα εξαρτήματα που κυρίως χρησιμοποιούνται.

Σύνοψη: (α) Αυτοματισμοί συνθηκών χώρου (εξασφαλίζουν τις επιθυμητές συνθήκες στον κλιματιζόμενο χώρο): 1) θερμοστάτες, 2) υγροστάτες, 3) σερβοκινητήρες, 4) τάμπερ, 5) ηλεκτροβάνες, 6) ειδικές ηλεκτρονικές συσκευές, 7) ηλεκτρονικοί υπολογιστές. (β) Αυτοματισμοί λειτουργίας και προστασίας (ελέγχουν τη σωστή λειτουργία του εξοπλισμού και προστατεύουν τις συσκευές): 1) πρεσοστάτες, 2) θερμοστατικές εκτονωτικές βαλβίδες, 3) ελεγκτές ροής (flow switch), 4) θερμικά προστασίας κινητήρων, 5) πηνία έλλειψης τάσης, 6) ρελέ, 7) συστήματα inverter, 8) συστήματα PLC.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Χώρου: θερμοστάτες, υγροστάτες, σερβοκινητήρες, τάμπερ, ηλεκτροβάνες, ειδικές ηλεκτρονικές συσκευές, ηλεκτρονικοί υπολογιστές · Λειτουργίας-προστασίας: πρεσοστάτες, Θ.Ε.Β., ελεγκτές ροής (flow switch), θερμικά προστασίας κινητήρων, πηνία έλλειψης τάσης, ρελέ, inverter, PLC (Πίνακας 6.1)

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. Στα συστήματα ανοικτού βρόχου «το σύστημα αυτοματισμού δίνει μία εντολή αφού δεχτεί το κατάλληλο σήμα από τους αισθητήρες, αλλά μετά ουδόλως ενδιαφέρεται να παρακολουθήσει το αποτέλεσμα της εντολής που έδωσε ή να κάνει κάποια άλλη διορθωτική κίνηση».
§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 μία εντολή μόλις δεχτεί το κατάλληλο σήμα από τους αισθητήρες, αλλά στη συνέχεια δεν παρακολουθεί το αποτέλεσμα της εντολής του ούτε κάνει κάποια διορθωτική κίνηση. Εφαρμόζεται κυρίως στην προστασία και στον έλεγχο της λειτουργίας των ψυκτικών συγκροτημάτων. Παραδείγματα: οι διατάξεις προστασίας των ηλεκτροκινητήρων (διακοπή της λειτουργίας όταν πέσει η τάση, διακοπεί μία φάση ή αυξηθεί πολύ το απορροφούμενο ρεύμα), ένα σύστημα κλιματισμού που λειτουργεί ορισμένες μόνο ώρες την ημέρα μέσω χρονοδιακόπτη και οι εντολές αποπαγοποίησης του εξωτερικού στοιχείου μίας αντλίας θερμότητας, κατά τακτά διαστήματα, όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι κάτω από 4°C. Ο αυτοματισμός κλειστού βρόχου δίνει εντολή ρύθμισης στον ενεργοποιητή, παίρνει μετά το αποτέλεσμα της ρύθμισης, το συγκρίνει με την επιθυμητή τιμή και δίνει νέα εντολή. Εφαρμόζεται κυρίως στις εγκαταστάσεις κλιματισμού (έλεγχος των συνθηκών του χώρου) και λιγότερο στις εγκαταστάσεις ψύξης. Παραδείγματα: το σύστημα θερμοστάτη-δίοδης βάνας ενός διαμερίσματος και ο έλεγχος της στάθμης νερού σε μία δεξαμενή με φλοτέρ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ανοικτός βρόχος: χωρίς παρακολούθηση του αποτελέσματος (π.χ. προστασία ηλεκτροκινητήρων, χρονοδιακόπτης λειτουργίας κλιματισμού, αποπαγοποίηση αντλίας θερμότητας) — κυρίως στην ψύξη · Κλειστός βρόχος: σύγκριση του αποτελέσματος με την επιθυμητή τιμή και νέα εντολή (π.χ. θερμοστάτης-δίοδη βάνα, φλοτέρ δεξαμενής) — κυρίως στον κλιματισμό

Διάγραμμα λειτουργίας συστήματος αυτοματισμού κλειστού βρόχου

Ερώτηση: Φτιάξτε ένα διάγραμμα που να δείχνει τη λειτουργία ενός συστήματος αυτοματισμού κλειστού βρόχου.

Απάντηση:

§6.7 (Σχήμα 6.3, διάγραμμα βαθμίδων ελέγχου μίας διάταξης αυτοματισμού κλειστού βρόχου· Σχήμα 6.5, η υλοποίησή του σε διάταξη ελέγχου θερμοκρασίας). Το διάγραμμα δείχνει τη ροή του σήματος: είσοδος (επιθυμητή τιμή) → σύγκριση → ελεγκτής → ενεργοποιητές → σύστημα → έξοδος, ενώ η μέτρηση των πραγματικών τιμών από τους αισθητήρες επιστρέφει 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. Δεν είναι όμως απαραίτητο να είναι τρεις ξεχωριστές συσκευές. Παράδειγμα με δύο συσκευές (§6.4): ο συνήθης θερμοστάτης διαμερίσματος με αυτονομία θέρμανσης, στον οποίο ο αισθητήρας και ο ελεγκτής είναι ενσωματωμένοι στην ίδια συσκευή, ενώ ενεργοποιητής είναι ο κινητήρας (ή το πηνίο) της δίοδης βάνας ON-OFF. Παράδειγμα με μία συσκευή: το φλοτέρ μίας δεξαμενής νερού (§6.2), όπου ο πλωτήρας «αισθάνεται» τη στάθμη και ο ίδιος μηχανισμός ανοίγει ανάλογα τη βαλβίδα· αντίστοιχα η θερμοστατική εκτονωτική βαλβίδα, στην οποία μέσο λειτουργίας είναι το ίδιο το διερχόμενο ρευστό (§6.3).

Κριτήρια αξιολόγησης:

Αισθητήρες+ελεγκτής+ενεργοποιητές· δύο συσκευές: θερμοστάτης διαμερίσματος (αισθητήρας+ελεγκτής) και βάνα ON-OFF· μία συσκευή: φλοτέρ δεξαμενής ή Θ.Ε.Β.

Σχέση ενεργοποιητή και σερβοκινητήρα

Ερώτηση: Ποια είναι η σχέση μεταξύ των όρων ενεργοποιητής και σερβοκινητήρας;

Απάντηση:

§5.30, §6.7. Ενεργοποιητής είναι το εξάρτημα που δέχεται το σήμα εξόδου του ελεγκτή· οι σερβοκινητήρες «χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ροής σε διάφορα ρευστά», κινώντας τάμπερ και βάνες.

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:

§6.8. «(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:

§6.8. «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:

§6.11 (Σχήμα 6.7). «Οι αυτοματισμοί αυτοί έχουν τέσσερα χαρακτηριστικά μεγέθη»: το σημείο ρύθμισης, το σημείο ελέγχου, το σφάλμα και το εύρος στραγγαλισμού.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένα σύστημα αυτοματισμού διαμορφωτικού ελέγχου έχει τέσσερα χαρακτηριστικά μεγέθη: (1) Το σημείο ρύθμισης (set point): η επιθυμητή τιμή της μεταβλητής που ελέγχεται. (2) Το σημείο ελέγχου (control point): η πραγματική τιμή της μεταβλητής που ελέγχεται. (3) Το σφάλμα (offset ή signal error): η απόκλιση που έχει πάντα το σημείο ρύθμισης από το σημείο ελέγχου και την οποία το σύστημα προσπαθεί συνεχώς να διορθώσει. (4) Το εύρος στραγγαλισμού (throttling range): η περιοχή μέσα στην οποία μπορεί να βρίσκεται η τιμή της μεταβλητής· μεταβολή της μεταβλητής ίση με το εύρος στραγγαλισμού μετακινεί τον ενεργοποιητή από τη μία ακραία θέση του στην άλλη, ενώ κάθε μικρότερη μεταβολή τον μετακινεί σε μία ενδιάμεση θέση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Σημείο ρύθμισης, σημείο ελέγχου, σφάλμα, εύρος στραγγαλισμού (§6.11) — όχι οι παράμετροι ΡΒ, Ti, Td, που είναι οι ρυθμίσεις των ελεγκτών (§6.13)

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:

§6.11 (Σημείωση). «Η έννοια του εύρους στραγγαλισμού φαίνεται να μοιάζει πολύ με την έννοια της περιοχής διακύμανσης της μεταβλητής κατά τον τρόπο που αυτή ορίζεται σε ένα σύστημα ON-OFF ή προοδευτικής λειτουργίας. Όμως εδώ πρόκειται για κάτι τελείως διαφορετικό».

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). Επιπλέον, όπως τονίζει το βιβλίο, στη διαμορφωτική ρύθμιση το να βρεθεί η μεταβλητή στα όρια του εύρους στραγγαλισμού είναι μία ακραία κατάσταση, που μετά τη σταθεροποίηση της λειτουργίας συμβαίνει μόνο σε κάποια πολύ απότομη μεταβολή: η μεταβλητή βρίσκεται κανονικά πολύ κοντά στο σημείο ελέγχου, ενώ στο σύστημα δύο θέσεων μεταπηδά συνεχώς από τη μία ακραία τιμή της στην άλλη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Μοιάζουν, αλλά πρόκειται για κάτι τελείως διαφορετικό: στο ON-OFF η μεταβλητή μεταπηδά συνεχώς ανάμεσα στις ακραίες τιμές, ενώ στο διαμορφωτικό έλεγχο τα όρια του εύρους στραγγαλισμού είναι ακραία κατάσταση και η μεταβλητή μένει κοντά στο σημείο ελέγχου

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:

§6.8, §6.11 (υποσημείωση). Ο όρος modulating control «θα τον συναντήσετε και με τον όρο αναλογικός έλεγχος, πράγμα που δεν είναι απόλυτα σωστό, [...] επειδή ο αναλογικός έλεγχος αποτελεί μία από τις κατηγορίες αυτού του ελέγχου».

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 (Ρ): η διόρθωση είναι ανάλογη του σφάλματος (όπως στο φλοτέρ της δεξαμενής: όσο περισσότερο πέφτει η στάθμη, τόσο περισσότερο ανοίγει η βαλβίδα)· η μεταβλητή σταθεροποιείται κάπου μέσα στην περιοχή ΡΒ, αλλά σχεδόν ποτέ ακριβώς στην επιθυμητή τιμή. Ολοκληρωτική ρύθμιση (Ι): ο ελεγκτής διορθώνει, με ένα επιπλέον σήμα (την ολοκληρωτική διόρθωση Vi), την ελεγχόμενη μεταβλητή με σκοπό να τη φέρει πιο κοντά στο σημείο ρύθμισης· το διορθωτικό σήμα είναι τόσο ισχυρότερο όσο μεγαλύτερη είναι η απόκλιση της μεταβλητής από το σημείο ελέγχου και μειώνεται όσο πλησιάζουμε σε αυτό (η διόρθωση ανανεώνεται κατά χρονικά διαστήματα Ti). Διαφορική ρύθμιση (D): ο ελεγκτής παρακολουθεί τον ρυθμό με τον οποίο μεταβάλλεται η ελεγχόμενη μεταβλητή (μετρώντας τη διαφορά Δe μεταξύ δύο διαδοχικών σφαλμάτων ανά μικρά χρονικά διαστήματα Td) και, μέσω του κατάλληλου σήματος, προσπαθεί να εξισορροπήσει τις ταχείες διακυμάνσεις της· όσο ταχύτερα αποκλίνει η μεταβλητή από το σημείο ελέγχου, τόσο ισχυρότερο είναι το διορθωτικό σήμα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Αναλογική: διόρθωση ανάλογη του σφάλματος · Ολοκληρωτική: επιπλέον διόρθωση Vi που φέρνει τη μεταβλητή πιο κοντά στο σημείο ρύθμισης (ισχυρότερη όσο μεγαλύτερη η απόκλιση) · Διαφορική: διόρθωση Vd βάσει του ρυθμού μεταβολής, για τις ταχείες διακυμάνσεις

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: