СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР В АППАРАТЕ С ОБОГРЕВАЮЩЕЙ РУБАШКОЙ Российский патент 2005 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к области автоматического управления технологическими объектами химической, пищевой и других промышлеиностей и может быть применено для автоматического управления температурой в технологических аппаратах.

Известен способ автоматического регулирования процесса в объекте управления, заключающийся в измерении текущего значения управляемой величины, сравнении ее с заданной, выработке по установленному закону в зависимости от разности фактической температуры и заданной скорости ее изменения и воздействия через исполнительный блок на регулируемый процесс или объект управления /1/.

Известен также способ автоматического регулирования процесса в объекте управления с уменьшенной динамической ошибкой в установившемся режиме, заключающийся в дополнительном вводе в систему автоматического регулирования температуры “по отклонению” корректирующих блоков, уменьшающих с помощью внутренних обратных связей постоянные времени звеньев, входящих в замкнутый контур системы автоматического регулирования температур “по отклонению” и тем самым повышающих качество регулирования /1/.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ, реализованный в устройстве /2/, который предполагает осуществление многоточечного регулирования температуры с использованием парных элементов системы автоматического регулирования температур, то есть регулирование температуры производится в зависимости от отклонения фактической температуры, измеряемой конкретным термодатчиком, от заданной парным термозадатчиком.

Однако применение способа /2/ для аппарата с обогревающей рубашкой, содержащей теплоноситель, имеет следующие недостатки: при этом оперативно и предварительно влияние соседних тепловых нагревающих и охлаждающих потоков теплоносителя, находящегося в рубашке аппарата, на температуру теплоносителя, измеряемую конкретным термодатчиком, не учитывается. Этот учет система автоматического регулирования температур производит только после того, как упомянутое ранее влияние будет оказано, то есть с задержкой по времени, что, естественно, ухудшает качество регулирования. Способ, применяемый в устройстве /2/, при его использовании для регулирования поверхностного поля температур в технологическом аппарате с обогревающей рубашкой, содержащей жидкий теплоноситель, также может привести к ухудшению качества регулирования.

Для иллюстрации этого рассмотрим следующие варианты при определенных условиях: в технологическом аппарате с обогревающей рубашкой (внутри нее) имеются три источника тепла (центральный, правый и левый), расположенные на одной прямой линии и в одной горизонтальной плоскости, причем правый и левый источники расположены на одинаковом расстоянии от центрального источника: соответствующие термодатчики (центральный, правый и левый) расположены внутри обогревающей рубашки над единоканальными источниками тепла.

Все элементы, задействованные в одном канале системы автоматического регулирования температур (термодатчик, термозадатчик, источник тепла), назовем единоканальными.

Регулирование температуры теплоносителя производится по каждой паре “термодатчик-термозадатчик” по определенному закону в зависимости от параметров отклонения фактической температуры, измеряемой термодатчиком, от сигнала, вырабатываемого единоканальным термозадатчиком. В изложении применены следующие обозначения видов температур при отсутствии взаимного влияния тепловых потоков, то есть при отсутствии влияния тепловых потоков в точках, где установлены термодатчики, измеряющие температуру Т_фп и Т_фл, на температуру в точке, где установлен термодатчик, измеряющий фактическую температуру теплоносителя Т_фц.

Т_фц - фактическая температура, измеряемая центральным термодатчиком.

Т_зц - заданная температура, вырабатываемая центральным термозадатчиком.

Заданная температура Т_зц в разных точках поверхности аппарата может быть различной, а совокупность этих температур составляет температурное поле.

Т_фп - фактическая температура теплоносителя, измеряемая правым термодатчиком.

Т_фл - фактическая температура, измеряемая левым термодатчиком теплоносителя.

При учете дополнительного подогрева центрального термодатчика потоками теплоносителя в точках, в которых установлены термодатчики, измеряющие температуры в точках Т_фп и Т_фл, температура центрального термодатчика будет Т_дц.

Законы регулирования Sn, Sл, Sц, вырабатываемые соответствующими регуляторами температуры, предполагают зависимость сигнала, вырабатываемого регуляторами температуры, от соответствующих отклонений фактических температур от заданных, по формулам

где отклонения могут быть определены разностями

Рассмотрены следующие варианты регулирования температуры:

- синфазный фиг.1, когда изменения фактических температур Т_фп, Т_фл, Т_фц идентичны, находятся в одной фазе;

- противофазный боковой фиг.2, когда изменения фактических температур Т_фп и Т_фл находятся в противофазе между собой;

- синфазный боковой, когда изменения фактических температур Т_фп и Т_фл находятся в одной фазе и противофазны изменениям фактической температуры Т_фц фиг.3.

При анализе графиков фиг.1 видно, что увеличение температуры Т_фц совпадает с увеличением температур соседних точек, где расположены термодатчики, измеряющие температуры Т_фп и Т_фл.

Поэтому происходит дополнительный подогрев потоками теплоносителя в точках, где установлены термодатчики, измеряющие температуры Т_фп и Т_фл, теплоносителя в точке, где установлен термодатчик, измеряющий фактическую температуру Т_фц.

Это приводит к тому, что изменение действительной температуры теплоносителя Т_дц с учетом дополнительного подогрева соседними слоями будет происходить по графику действительной температуры центрального термодатчика Т_дц, что приводит к ухудшению качества регулирования.

Анализ графиков фиг.2 показывает, что поток теплоносителя в точке, в которой установлен термодатчик, измеряющий фактическую действительную температуру Т_фп фиг.2(б), оказывает охлаждающее действие на теплоноситель в точке, где установлен термодатчик, измеряющий температуру Т_фц фиг.2(а), а поток теплоносителя в точке, в которой установлен термодатчик, измеряющий фактическую температуру Т_фл фиг.2(в), дополнительно нагревает теплоноситель в точке, в которой установлен термодатчик Т_фц, поэтому влияние потоков в точках, в которых установлены термодатчики, измеряющие фактические температуры Т_фп и Т_фл, на фактическую температуру Т_фц, измеряемую центральным термодатчиком, взаимно компенсируются, а суммарное влияние сводится к нулю, дополнительного ухудшения качества регулирования не происходит, изменение действительной температуры Т_дц совпадает с изменением фактической температуры Т_фц.

Из рассмотренных графиков, изображенных на (фиг.3), видно, что увеличение фактической температуры Т_фц совпадает по времени с уменьшением фактических температур Т_фп и Т_фл, то есть соседние потоки теплоносителя оказывают синфазное охлаждающее действие на теплоноситель в точке, где расположен термодатчик, измеряющий фактической температуру Т_фц.

Если бы не было влияния соседних потоков на фактическую температуру Т_фц, то ее изменение происходило бы по кривой 1 (фиг.3).

Соседние потоки в первом полупериоде регулирования от t=0 до t=τ/2 способствуют одновременному охлаждению теплоносителя в точке, в которой установлен термодатчик, измеряющий фактическую температуру Т_фц, что приводит не к увеличению фактической температуры Т_фц, измеряемой центральным термодатчиком, как планирует система автоматического регулирования температуры, а наоборот - к уменьшению температуры из-за сильного охлаждающего воздействия соседних потоков.

Поэтому система автоматического регулирования температуры вынуждена во втором полупериоде регулирования от t=τ/2 до t=τ увеличивать температуру по кривой 2 (фиг.3), без учета влияния соседних тепловых потоков во втором полупериоде, причем τ-период регулирования фактических температур.

Однако соседние слои производят дополнительный нагрев теплоносителя в точке, в которой установлен термодатчик, измеряющий фактическую температуру Т_фц, процесс регулирования во втором полупериоде превращается в синфазный аналогично изображенному на фиг.1, и действительное изменение температуры Т_дц будет происходить по кривой 3, то есть с ухудшением качества регулирования.

Таким образом, влияние соседних тепловых потоков на качество автоматического регулирования температуры может быть бесконечно многообразным, в частности, как было показано на фиг.1-3, противофазным, синфазным, синфазным боковым и др.

Влияние соседних тепловых потоков на температуру, измеряемую центральным термодатчиком проиллюстрировано на фиг.4, где на фрагменте 4(а) изображены элементы системы автоматического регулирования температуры, измеряемой центральным термодатчиком под №7: передним термодатчиком под №6, задним термодатчиком под №8, соответствующие источники тепла под №6, 7, 8.

На фрагментах 4(6) и 4(в) показаны графики ступенчатых воздействий увеличением мощности источников тепла Р_ц центрального источника, Р_пр - переднего источника.

Фрагменты фиг.4(г) и 4(д) отражают изменение, то есть отклик температуры, измеряемой центральным термодатчиком Т’_эц - в первом и Т’’_эц во втором эксперименте.

В первом эксперименте фиг.4(г) определялось собственное время запаздывания (t_ц), то есть время от момента увеличения мощности центрального источника тепла №7 до момента начала увеличения температуры Т_эц, измеряемой центральным термодатчиком №7.

Во втором эксперименте определялось взаимное время запаздывания t_прц, то есть время от момента увеличения мощности переднего источника №6 до момента начала увеличения температуры Т_эц, измеряемой центральным термодатчиком №7.

Анализ графиков фиг.4(б), (в), (г), (д) показывает, что взаимное время запаздывания всегда больше собственного времени запаздывания, то есть t_прц>t_ц. Такой же вывод следует из рассмотрения расположения термодатчиков и источников тепла, изображенных на фиг.4(а).

Известные законы регулирования, вырабатываемые расчетно-экспериментальным путем по методикам, изложенным в [1], в зависимости от параметров, характеризующих отклонения фактической температуры от заданной, не учитывают влияние соседних тепловых потоков.

Использование этих законов в реальных технологических аппаратах с многоточечным регулированием приводит к ухудшению качества регулирования температуры из-за многообразного и неоднозначного влияния соседних тепловых потоков.

Закон регулирования температуры по [1, 2] определяется расчетно-экспериментальным путем по методике, изложенной в [1], в зависимости от параметров, характеризующих отклонения

Если закон выработан для идеального случая, не учитывая влияние соседних тепловых потоков на фактическую температуру Т_фц, измеряемую центральным термодатчиком, то использование этого закона в реальных технологических аппаратах с многоточечным регулированием приводит к ухудшению качества регулирования температуры из-за взаимного влияния соседних тепловых потоков.

Если даже закон регулирования выработан в зависимости от параметров, характеризующих δ, для случая с учетом влияния соседних тепловых потоков, то, так как это влияние может быть бесконечно многообразным (противофазным, синфазным и др.), использование выработанных законов по методике [1] для регулирования температуры приводит к неоднозначным результатам, то есть в конечном итоге к ухудшению качества регулирования.

Технической задачей изобретения является повышение качества регулирования поверхностного поля температур в аппарате с обогревающей рубашкой независимо от влияния соседних тепловых потоков.

Задача решается тем, что температуру измеряют множеством термодатчиков, установленных в различных характерных местах объекта и принадлежащих заданной поверхности объекта, вырабатывают основной сигнал S, дополнительно в качестве объекта автоматического регулирования температуры используют технологический аппарат с обогревающей рубашкой, содержащий жидкий или газообразный теплоноситель, источники тепла располагают равномерно в обогревающей рубашке, в качестве источников тепла используют нагреватели, каждый из элементов групп основных элементов системы автоматического регулирования температуры: термодатчик, термозадатчик, источник тепла, находящийся в составе одного канала системы автоматического регулирования температуры, именуют единоканальным, каждый термодатчик располагают над единоканальным источником тепла, каждый из единоканальных основных элементов одной группы: термодатчик, термозадатчик, источник тепла именуют центральными, а четыре аналогичных элемента, соседних по отношению к центральному, находящихся на одной и той же заданной поверхности, на которой находится центральный элемент, именуют в соответствии с их расположением по отношению к наблюдателю: правым и левым, передним и задним, совокупность заданных значений температур Т_фц, соответствующих различным точкам заданной поверхности внутри обогревающей рубашки, считают поверхностным полем температур, с помощью термодатчиков производят измерение температур Т_фц, Т_фл, Т_фп, Т_пф, Т_зф, а с термодатчика передают сигнал, пропорциональный заданной температуре Т_зц, в блоках сравнения производят сравнение каждого из сигналов Т_фц, Т_фл, Т_фп, Т_пф, Т_зф с сигналом, пропорциональным заданной температуре Т_зц, сигналы, вырабатываемые в блоках сравнения, пропорциональные отклонениям δ_1л, δ_1n, δ_2п, δ_2з, передают на входы двух сумматоров, в которых принятые сигналы попарно суммируются и в виде двух сумм с выходов сумматором поступают на входы двух функциональных блоков, которые вырабатывают дополнительные сигналы S₁ и S₂, передают сигнал, пропорциональный δ_E выхода блока сравнения, на вход функционального блока, в котором вырабатывается основной сигнал S, алгебраически складывают основной сигнал S и два дополнительных сигнала S₁ и S₂ в общем сумматоре, результирующий сигнал δ_E с выхода общего сумматора передают на блок управления тиристорами, который производит управление мощностью нагревателя, установленного в обогревающей рубашке, причем Т_фц - фактическая температура, измеряемая центральным термодатчиком, Т_фл - фактическая температура теплоносителя, измеряемая левым термодатчиком, Т_фп - фактическая температура теплоносителя, измеряемая правым термодатчиком, Т_пф - фактическая температура теплоносителя, измеряемая передним термодатчиком, Т_зф - фактическая температура теплоносителя, измеряемая задним термодатчиком, Т_зц - заданная температура, вырабатываемая центральным термозадатчиком, δ_1л - отклонение фактического значения температуры, измеряемой левым термодатчиком от заданной Т_зц, δ_1п - отклонение фактического значения температуры, измеряемой правым термодатчиком от заданной Т_зц, δ_2п - отклонение фактического значения температуры, измеряемой передним термодатчиком от заданной Т_зц, δ_2з - отклонение фактического значения температуры, измеряемой задним термодатчиком от заданной Т_зц.

Сущность способа автоматического регулирования поверхностного поля температур в аппарате с обогревающей рубашкой, конструкция которого показана на фиг.5, состоит в следующем: технологический аппарат А имеет обогревающую рубашку Р с жидким или газообразным теплоносителем, в которой равномерно расположены источники тепла, например нагреватели И, Иц, Ипр, Ил, Из, Ипр, термодатчики Д, Дп, Дц, Дпр, Дл, Дз, которые расположены над единоканальными источниками тепла, то есть термодатчик центральный Дц расположен над центральным источником Иц, термодатчик правый Дп - над правым источником Ин, термодатчик левый Дл - над левым источником Ил, термодатчик передний Дпр - над передним источником Ипр, а задний термодатчик Дз - над задним источником Из. Термодатчики Д и источники тепла расположены в несколько рядов по высоте обогревающей рубашки. На фиг.5 показан нижний ряд HP и средний ряд СР.

В каждом ряду имеется центральный, правый, левый, передний и задний источники и соответствующие термодатчики, принадлежащие определенному каналу системы автоматического регулирования температуры.

Причем каждый источник и соответствующий ему единоканальный термодатчик могут быть использованы в системе автоматического регулирования поверхностного поля температур в качестве любого из принятых датчиков: центрального, правого, левого, переднего и заднего. Каждому термодатчику и находящемуся под ним соответствующему источнику тепла, также соответствующему термозадатчику, принадлежащим определенному каналу системы автоматического регулирования температуры, присвоены порядковые номера, как показано на фиг.5 (а), (б), (в).

Так, центральный термодатчик Дц, источник тепла Иц имеют №7, правые аналогичные элементы - №3, левые - №11, передние - №6, задние - №8 фиг.4 (а), (б).

Это означает, что в системе автоматического регулирования температуры, измеряемой термодатчиком №7, дополнительно задействованы термодатчики №3, 6, 8, 11 (а) в системе автоматического регулирования температур, измеряемой термодатчиком №11 фиг.5(в), дополнительно задействованы термодатчики №7, 10, 12, 15; при этом элементы системы автоматического регулирования температур под №11 приняты в качестве центральных, под №10 - в качестве передних, под №12 - в качестве задних, под №15 - в качестве левых, под №7 - в качестве правых и так далее.

Термодатчики и источники тепла среднего ряда, задействованные в системе автоматического регулирования температуры, измеряемой термодатчиком №7, на фиг.5 (а), (б), обозначены затемненными прямоугольниками, а - в системе автоматического регулирвания температуры, измеряемой термодатчиком №11, - заштрихованными прямоугольниками. Причем профильная проекция на фиг.5(а) выполнена по направлению 1-1, изображенному на фиг.5(б).

Реализация предложенного способа рассмотрена на примере устройства, структурная схема которого представлена на фиг.6, а наименование блоков - в перечне блоков и элементов к фиг.4, 5, 6.

С помощью термодатчиков 1, 5, 8, 13, 16 производят измерения температур Т_фц, Т_фл, Т_фп, Т_пф, Т_зф соответственно.

С термозадатчика 2 поступает сигнал, пропорциональный заданной температуре Т_зц.

В блоках сравнения 3, 6, 7, 14, 15 производится сравнение каждого из сигналов, пропорциональных температурам Т_фц, Т_фл, Т_фп, Т_пф, Т_зф соответственно с сигналом, пропорциональным заданной температуре Т_зц.

Сигналы, вырабатываемые в блоках 6, 7, 14, 15, пропорциональные отклонениям δ_1л, δ_1п, δ_2п, δ_2з соответственно, поступают на входы двух сумматоров 9, 17, в которых попарно суммируются и в виде двух сумм с выходов сумматоров 9, 17 поступают на входы двух функциональных блоков 18, 19, которые вырабатывают дополнительные сигналы S₁ и S₂.

Сигнал, пропорциональный 5, с выхода блока 3 сравнения поступает на вход функционального блока 4, в котором вырабатывается основной сигнал S.

Основной сигнал S и два дополнительных сигнала S₁ и S₂ алгебраически складываются в общем сумматоре 10, результирующий сигнал δ_E с выхода общего сумматора 10 подается на блок управления тиристорами 11, а последний производит управление блоком тиристоров 12. Блок тиристоров 12 производит управление мощностью нагревателя 20, установленного в обогревающей рубашке Р.

Библиографический список

1. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Автоматическое регулирование непрерывных линейных систем. - М.: Энергия, 1980. - 312 с.

2. АС. СССР №1141386, G 05 D 23/19.

Перечень элементов к фиг.4, 5, 6

Дпр - термодатчик передний

Дц - термодатчик центральный

Дз - термодатчик задний

Дл - термодатчик левый

Дп - термодатчик правый

Ил - источник тепла левый

Ип - источник тепла правый

Ипр - источник тепла передний

Ип - источник тепла центральный

Из - источник тепла задний

А - аппарат

СР - средний ряд

HP - нижний ряд

1 - центральный термодатчик

5 - левый термодатчик

8 - правый термодатчик

13 - передний термодатчик

16 - задний термодатчик

2 - термозадатчик

6, 7, 14, 15 - блоки сравнения

4, 18, 19 - функциональные блоки

9, 17 - сумматоры

10 - общий сумматор

11 - блок управления тиристорами

12 - блок тиристоров

20 - нагреватель

Изобретение относится к области автоматического управления объектами химической, пищевой и других промышленностей и может быть использовано для автоматического управления температурой в технологических аппаратах. Согласно заявленному способу источники тепла располагают равномерно в обогревающей рубашке. Термодатчики располагают над соответствующими источниками тепла. Один из термодатчиков и соответствующий источник тепла принимают в качестве центральных, а четыре соседних термодатчика и соответствующих источника тепла именуют правым и левым, передним и задним, которые вырабатывают основной сигнал. Формируют также два дополнительных сигнала. Основной сигнал и два дополнительных суммируют и подают на регулятор температуры, управляющий температурой, измеряемой центральным термодатчиком. 6 ил.

Способ автоматического регулирования поверхностного поля температур в аппарате с обогревающей рубашкой, заключающийся в том, что температуру измеряют множеством термодатчиков, установленных в различных характерных местах объекта и принадлежащих заданной поверхности объекта, вырабатывают основной сигнал S, дополнительно в качестве объекта автоматического регулирования температуры используют технологический аппарат с обогревающей рубашкой, содержащий жидкий или газообразный теплоноситель, источники тепла располагают равномерно в обогревающей рубашке, в качестве источников тепла используют нагреватели, каждый из элементов групп основных элементов системы автоматического регулирования температуры: термодатчик, термозадатчик, источник тепла, находящийся в составе одного канала системы автоматического регулирования температуры, именуют единоканальным, каждый термодатчик располагают над единоканальным источником тепла, каждый из единоканальных основных элементов одной группы: термодатчик, термозадатчик, источник тепла именуют центральными, а четыре аналогичных элемента, соседних по отношению к центральному, находящихся на одной и той же заданной поверхности, на которой находится центральный элемент, именуют в соответствии с их расположением по отношению к наблюдателю: правым и левым, передним и задним, совокупность заданных значений температур Т_фц, соответствующих различным точкам заданной поверхности внутри обогревающей рубашки, считают поверхностным полем температур, с помощью термодатчиков производят измерение температур Т_фц, Т_фл, Т_фп, Т_пф, Т_зф, а с термодатчика передают сигнал, пропорциональный заданной температуре Т_зц, в блоках сравнения производят сравнение каждого из сигналов Т_фц, Т_фл, Т_фп, Т_пф, Т_зф, с сигналом, пропорциональным заданной температуре Т_зц, сигналы, вырабатываемые в блоках сравнения, пропорциональные отклонениям δ1 л, δ1n, δ2п, δ2з, передают на входы двух сумматоров, в которых принятые сигналы попарно суммируются и в виде двух сумм с выходов сумматоров поступают на входы двух функциональных блоков, которые вырабатывают дополнительные сигналы S1 и S2, передают сигнал, пропорциональный δ_Е выхода блока сравнения, на вход функционального блока, в котором вырабатывается основной сигнал S, алгебраически складывают основной сигнал S и два дополнительных сигнала S1 и S2 в общем сумматоре, результирующий сигнал δ_E с выхода общего сумматора передают на блок управления тиристорами, который производит управление мощностью нагревателя, установленного в обогревающей рубашке, причем Т_фц - фактическая температура, измеряемая центральным термодатчиком, Т_фл - фактическая температура теплоносителя, измеряемая левым термодатчиком, Т_фп - фактическая температура теплоносителя, измеряемая правым термодатчиком, Т_пф - фактическая температура теплоносителя, измеряемая передним термодатчиком, Т_зф - фактическая температура теплоносителя, измеряемая задним термодатчиком, Т_зц - заданная температура, вырабатываемая центральным термозадатчиком, δ1л - отклонение фактического значения температуры, измеряемой левым термодатчиком от заданной Т_зц, δ1n - отклонение фактического значения температуры, измеряемой правым термодатчиком от заданной Т_зц, δ2п - отклонение фактического значения температуры, измеряемой передним термодатчиком от заданной Т_зц, δ2з - отклонение фактического значения температуры, измеряемой задним термодатчиком от заданной Т_зц.