СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2006 года по МПК H02J13/00 G05D23/19 

Предлагаемое изобретение относится к технической кибернетике и может быть использовано для управления электронагревательным устройством, например, при электрообогреве (охлаждении) помещения.

Известен способ управления температурно-временным режимом электронагревательных устройств (см. патент РФ №2189684, МПК⁷ H 02 J 13/00, G 05 D 23/19), осуществляющий оптимизацию работы нагревательного устройства с учетом желательной циклограммы пользователя, включающую желаемое изменение температуры. Однако данный способ характеризуется низким качеством регулирования: отклонения температуры от желаемого значения из-за присущей нагреваемой среде тепловой инерционности могут намного превосходить допустимые пределы вариации.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ управления группой электронагревательных устройств (см. патент РФ №2249287, МПК⁷ H 02 J 13/00, G 05 D 23/19), содержащий подключение электронагревательных устройств к сети энергоснабжения с использованием управляющего блока, выполненного с возможностью управления работой электронагревательных устройств, заключающийся в последовательных циклах включения электронагревательных устройств при температуре ниже желаемого значения и отключения электронагревательных устройств при температуре выше желаемого значения.

Недостатком данного способа является низкое качество регулирования температуры: значительные колебания температуры относительно желаемого значения, особенно в зоне расположения электронагревательных устройств. При включении электронагревательных устройств, когда результирующие теплопотери помещения незначительны, происходит резкое повышение температуры, а при отключении электронагревательных устройств, когда результирующие теплопотери помещения значительны, происходит резкое снижение температуры.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в повышении качества регулирования температуры нагреваемой среды: в уменьшении отклонений температуры нагреваемой среды от желаемого значения за счет регулирования мощности электронагревательного устройства в соответствии с величиной результирующих возмущений: внешних и внутренних поступлений и потерь теплоты.

Указанный технический результат достигается способом управления электронагревательным устройством, подключенным к сети электроснабжения с использованием управляющего блока, заключающимся в последовательных двухтактных циклах включения электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения и отключения электронагревательного устройства при температуре, равной или выше желаемого значения, в котором согласно предлагаемому изобретению регулируют мощность электронагревательного устройства, включая в первом цикле устройство на полную мощность, если контролируемая температура ниже желаемого значения, и отключая устройство, если температура равна или выше желаемого значения, в каждом такте следующих циклов устанавливают мощность электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения, равной сумме среднего значения мощности электронагревательного устройства в предыдущем цикле и первой поправки к мощности, обеспечивающей запас устойчивости процесса управления при изменении внешних возмущений в виде теплопотерь, а при температуре, равной или выше желаемого значения, - равной разности среднего значения мощности электронагревательного устройства в предыдущем цикле и второй поправки к мощности, обеспечивающей запас устойчивости процесса управления при изменении внешних возмущений в виде теплопоступлений, при отклонении температуры, превышающем допустимые пределы, управление осуществляют с первого цикла, во втором такте которого устанавливают мощность электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения, равной сумме среднего значения мощности электронагревательного устройства в цикле, предшествующем началу первого цикла, и первой поправки к мощности, а при температуре равной или выше желаемого значения, - равной разности среднего значения мощности электронагревательного устройства в цикле, предшествующем началу первого цикла, и второй поправки к мощности.

Регулирование мощности электронагревательного устройства включением в первом цикле устройства на полную мощность, если контролируемая температура ниже желаемого значения, и отключением электронагревательного устройства, если температура равна или выше желаемого значения, или, если отклонения температуры от желаемого значения превышают допустимые пределы, позволяет быстро установить в помещении желаемую температуру и определить минимальную мощность электронагревательного устройства, необходимую для ее поддержания.

Установка мощности электронагревательного устройства в каждом следующем такте при температуре ниже желаемого значения, равной сумме среднего значения мощности электронагревательного устройства в предыдущем цикле и первой поправки к мощности, а при температуре, равной или выше желаемого значения, - равной разности между средним значением мощности электронагревательного устройства в предыдущем цикле и второй поправки к мощности, обеспечивает более равномерное теплопоступление от электронагревательного устройства.

Установка мощности устройства при температуре ниже желаемого значения, равной сумме среднего значения мощности устройства в цикле, предшествующем началу первого цикла, и первой поправки к мощности, а при температуре, равной или выше желаемого значения, - равной разности среднего значения мощности устройства в цикле, предшествующем началу первого цикла, и второй поправки к мощности, также обеспечивает более равномерное теплопоступление от электронагревательного устройства.

Предложенная регулировка позволяет существенно снизить амплитуду колебания температуры, особенно в зоне расположения электронагревательного устройства, а также непрерывно отслеживать изменения результирующих возмущений и быстро их компенсировать.

Вводимые поправки к мощности обеспечивают необходимый запас устойчивости процесса управления в случае изменения внешних (результирующих) возмущений в текущем такте управления.

Все это способствует повышению качества регулирования температуры: значительно уменьшает амплитуду ее колебаний, особенно в зоне расположения электронагревательного устройства.

Предлагаемый способ управления электронагревательным устройством применим в системах автоматического управления, предназначенных для стабилизации температурного режима с помощью релейных термоизмерительных устройств, следовательно, он обладает промышленной применимостью.

Подробное описание предлагаемого изобретения в одном из вариантов его реализации приведено ниже совместно с сопровождающими чертежами.

На фиг.1 приведена структурная схема управления для осуществления способа предлагаемого изобретения.

На фиг.2 представлены диаграммы изменения температуры в зонах расположения электронагревательного и термоизмерительного устройств и график мощности электронагревательного устройства, величина которой условно показана отрезками прямых линий.

Напряжение питающей сети U_c (фиг.1) через регулятор мощности 1 подается на электронагревательное устройство 2. Управление регулятором мощности осуществляется блоком управления 3, на который поступает сигнал с термоизмерительного устройства 4. Электронагревательное 2 и термоизмерительное 4 устройства размещены в одном помещении, на температуру которого осуществляется воздействие.

Способ управления электронагревательным устройством осуществляется следующим образом.

Если в начальный момент времени t₀ (фиг.2) температура θ, контролируемая термоизмерительным устройством 4, меньше желаемого значения θ<θ_ж, то с блока управления 3 на регулятор мощности 1 поступает команда включения электронагревательного устройства 2 на полную мощность P(θ<θ_ж)=P_max и фиксируется момент времени t₀, соответствующий началу первого цикла.

В момент времени t₁, когда температура θ достигает желаемого значения θ_ж, блок управления 3 формирует команду отключения нагревательного устройства 2 Р(θ≥θ_ж)=0 и фиксирует продолжительность интервала времени Δt(θ<θ_ж)=t₁-t₀. За счет тепловой инерционности как самого электронагревательного устройства 2, так и конвективных потоков воздуха в помещении, еще некоторое время продолжается рост температуры θ и лишь потом происходит ее снижение. В момент времени t₂, когда температура θ становится меньше желаемого значения θ_ж, блок управления 3 фиксирует продолжительность интервала времени Δt(θ≥θ_ж)=t₂-t₁, в течение которого температура θ была равна или больше желаемого значения θ_ж. По полученным данным рассчитывается среднее значение мощности электронагревательного устройства 2 за первый цикл регулирования на интервале времени [t₀, t₂] согласно выражению:

В момент времени t₂ блок управления 3 подает команду на регулятор мощности 1, согласно которой мощность электронагревательного устройства 2 при температуре θ<θ_ж устанавливается равной Р(θ<θ_ж)=P_ср[t₀,t₂]+P_nl, где P_nl - поправка к мощности, обеспечивающая компенсацию изменений результирующих возмущений, возникновение которых возможно в текущем такте управления на интервале времени [t₂, t₃] соответственно при температуре θ<θ_ж в виде дополнительных потерь теплоты. За счет тепловой инерционности еще некоторое время продолжается снижение температуры θ и лишь потом происходит ее рост. В момент времени t₃, когда температура θ достигает желаемого значения θ_ж, в блоке управления 3 фиксируется продолжительность интервала времени Δt(θ<θ_ж)=t₃-t₂, в течение которого температура (была меньше желаемого значения θ_ж. Рассчитывается среднее значение мощности электронагревательного устройства 2 за цикл регулирования на интервале времени [t₁, t₃] согласно выражению (1).

В момент времени t₃ блок управления 3 подает команду на регулятор мощности 1, согласно которой мощность электронагревательного устройства 2 при температуре θ<θ_ж устанавливается равной Р(θ≥θ_ж)=Р_ср-Р_n2, где Р_n2 - поправка к мощности, обеспечивающая компенсацию изменений результирующих возмущений, возникновение которых возможно в текущем такте на интервале времени [t₂, t₃] при температуре θ≥θ_ж в виде дополнительных поступлений теплоты.

При заниженном значении поправок к мощностям P_n1 и Р_n2 под действием изменений результирующих возмущений отклонения температуры θ от желаемого значения θ_ж могут возрастать, то есть процесс управления может оказаться неустойчивым. При завышенном значении поправок к мощностям P_n1 и Р_n2 увеличиваются колебания температуры θ относительно желаемого значения θ_ж, что снижает качество регулирования.

В момент времени t₄ в блоке управления 3 рассчитывается среднее значение мощности электронагревательного устройства 2 за цикл регулирования, на интервале времени [t₂, t₄] согласно выражению (1) и подается команда на регулятор мощности 1, согласно которой мощность электронагревательного устройства 2 при температуре θ<θ_ж устанавливается равной Р(θ<θ_ж)=Р_ср[t₂,t₄]+P_nl и т.д.

В случае изменения значения желаемой температуры θ_ж, например, в момент времени t₆ (фиг.2) или значительного изменения величины результирующих возмущений, когда значение температуры θ могут превысить максимально допустимое значение (θ-θ_ж)>θ_max или (θ_ж-θ)>Δθ_min алгоритм работы блок управления 3 начинается с первого цикла.

В первом такте на интервале времени [t₆,t₇] электронагревательное устройство включается на полную мощность, так как значение температуры меньше желаемого значения. Во втором такте, начинающимся в момент времени t₇, когда значение температуры становится равным желаемому, устанавливается мощность электронагревательного устройства, равной разности среднего значения мощности электронагревательного устройства на интервале, предшествующему первому [t₄, t₆] и второй поправки к мощности.

Таким образом, непрерывное регулирование мощности электронагревательного устройства в зависимости от изменяющихся результирующих возмущений позволяет существенно сгладить график температуры, особенно график температуры θ_н (фиг.2) в зоне установки электронагревательного устройства 2.

При использовании данного способа для охлаждения взаимно меняются команды включения и отключения электронагревательного и электроохлаждающего устройств, поступающие с блока управления 2.

Использование: для управления электронагревательным устройством. Техническим результатом изобретения является повышение качества регулирования температуры нагреваемой среды. Способ управления электронагревательным устройством, подключенным к сети электроснабжения с использованием управляющего блока, заключается в последовательных двухтактных циклах включения электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения и отключения электронагревательного устройства при температуре, равной или выше желаемого значения. Регулируют мощность электронагревательного устройства, включая в первом цикле устройство на полную мощность, если контролируемая температура ниже желаемого значения, и отключая устройство, если температура равна или выше желаемого значения, в каждом такте следующих циклов устанавливают мощность электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения, равной сумме среднего значения мощности электронагревательного устройства в предыдущем цикле и первой поправки к мощности, обеспечивающей запас устойчивости процесса управления при изменении внешних возмущений в виде теплопотерь, а при температуре, равной или выше желаемого значения, - равной разности среднего значения мощности электронагревательного устройства в предыдущем цикле, и второй поправки к мощности, обеспечивающей запас устойчивости процесса управления при изменении внешних возмущений в виде теплопоступлений, при отклонении температуры, превышающем допустимые пределы, управление осуществляют с первого цикла, во втором такте которого устанавливают мощность электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения, равной сумме среднего значения мощности электронагревательного устройства в цикле, предшествующем началу первого цикла, и первой поправки к мощности, а при температуре равной или выше желаемого значения, - равной разности среднего значения мощности электронагревательного устройства в цикле, предшествующем началу первого цикла, и второй поправки к мощности. 2 ил.

Способ управления электронагревательным устройством, подключенным к сети электроснабжения с использованием управляющего блока, заключающийся в последовательных двухтактных циклах включения электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения и отключения электронагревательного устройства при температуре, равной или выше желаемого значения, отличающийся тем, что регулируют мощность электронагревательного устройства, включая в первом цикле устройство на полную мощность, если контролируемая температура ниже желаемого значения, и отключая устройство, если температура равна или выше желаемого значения, в каждом такте следующих циклов устанавливают мощность электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения, равной сумме среднего значения мощности электронагревательного устройства в предыдущем цикле и первой поправки к мощности, обеспечивающей запас устойчивости процесса управления при изменении внешних возмущений в виде теплопотерь, а при температуре, равной или выше желаемого значения - равной разности среднего значения мощности электронагревательного устройства в предыдущем цикле и второй поправки к мощности, обеспечивающей запас устойчивости процесса управления при изменении внешних возмущений в виде теплопоступлений, при отклонении температуры, превышающем допустимые пределы, управление осуществляют с первого цикла, во втором такте которого устанавливают мощность электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения, равной сумме среднего значения мощности электронагревательного устройства в цикле, предшествующем началу первого цикла, и первой поправки к мощности, а при температуре, равной или выше желаемого значения - равной разности среднего значения мощности электронагревательного устройства в цикле, предшествующем началу первого цикла, и второй поправки к мощности.