СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2008 года по МПК G05D23/19 

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, МПК H02J 13/00, G05D 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.

Известен способ управления электронагревательным устройством (см. патент РФ №2287886, МПК H02J 13/00, G05D 23/19), заключающийся в регулировании мощности электронагревательного устройства в соответствии с величиной результирующих возмущений: внешних и внутренних поступлений и потерь теплоты. В каждом такте регулирования устанавливают мощность электронагревательного устройства при температуре ниже желаемого значения равной сумме среднего значения мощности электронагревательного устройства в предыдущем цикле и первой поправки, 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, 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, а при температуре, равной или выше желаемого значения - равной разности среднего значения мощности электронагревательного устройства в цикле, предшествующем началу первого цикла, и второй поправки.

Недостатком данного способа является то, что при заниженном значении поправок к мощности под действием изменений результирующих возмущений отклонения температуры от желаемого значения могут возрастать, то есть процесс управления может оказаться неустойчивым. При завышенном значении поправок к мощности увеличиваются колебания температуры относительно желаемого значения, что снижает качество регулирования. Для возвращения системы в устойчивое состояние требуется контролировать допустимое отклонение температуры, что ведет к усложнению термоизмерительного устройства и блока управления.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в расширении зоны устойчивости процесса регулирования и упрощении устройств контроля температуры.

Указанная техническая задача достигается способом управления электронагревательным устройством, подключенным к сети энергоснабжения с использованием управляющего блока, заключающимся в последовательных двухтактных циклах регулирования мощности 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, при этом 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, согласно изобретению поправки к мощности в каждом такте изменяют по закону возрастающей функции.

Изменение поправок в каждом такте регулирования по закону возрастающей функции обеспечивает устойчивость процесса регулирования во всем диапазоне управления. Упрощается контроль температуры: не требуется устанавливать и контролировать допустимые пределы ее отклонения.

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 температуры в зоне расположения термоизмерительного устройств и 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.

В начальный момент времени t₀ (фиг.2) температура θ, контролируемая термоизмерительным устройством 4, меньше желаемого значения θ<θ_ж, с блока управления 3 на регулятор мощности 1 поступает команда включения электронагревательного устройства 2 на полную мощность Р(θ<θ_ж)=Р_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 изменяется по закону Р(θ<θ_ж)=P_cp[t₀,t₂]+P_n1(t), где P_n1(t) - поправка к мощности, закон изменения которой представляет возрастающую функцию. Поправка обеспечивает 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. Какими бы ни были по величине дополнительные теплопотери, мощность электронагревательного устройства будет увеличиваться до тех пор, пока теплопоступления от него не будут превосходить теплопотери, и температура в помещении не станет увеличиваться и не достигнет желаемого значения.

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<θж)=t₃-t₂, в течение которого температура θ 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, закон изменения которой представляет возрастающую функцию. Поправка обеспечивает 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. Какими бы ни были по величине дополнительные теплопоступления, мощность электронагревательного устройства будет снижаться до тех пор, пока теплопоступления от него не будут меньше теплопотерь и температура в помещении не станет уменьшаться и не достигнет желаемого значения.

На фиг.1 приведен пример, когда закон изменения поправки к мощности выбран линейным. При необходимости увеличения быстродействия системы регулирования закон изменения поправки к мощности может представлять, например, квадратичную функцию. Однако увеличение быстродействия связано с увеличением амплитуды колебаний регулируемой величины. Поэтому выбор закона изменения поправки к мощности необходимо осуществлять исходя из требований обеспечения нужного качества регулируемой величины с учетом параметров объекта регулирования и возмущающих воздействий.

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)+Р_n1 и т.д.

Таким образом, поправки к мощности, закон изменения которых описывается возрастающей функцией, позволяют обеспечить устойчивость системы регулирования во всем диапазоне изменения мощности электронагревательного устройства за счет того, что изменение величины поправки к мощности электронагревательного устройства осуществляется до тех пор, пока температура в помещении ни достигнет желаемого значения.

Изобретение относится к технической кибернетике и может быть использовано для управления электронагревательным устройством. Техническая задача изобретения заключается в расширении зоны устойчивости процесса регулирования и упрощении устройств контроля температуры. Способ управления электронагревательным устройством, подключенным к сети энергоснабжения с использованием управляющего блока, заключается в последовательных двухтактных циклах регулирования мощности электронагревательного устройства. Включают в первом цикле устройство на полную мощность, если контролируемая температура ниже желаемого значения, и отключают 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. Поправки к мощности в каждом такте изменяют по закону возрастающей функции. 2 ил.

Способ управления электронагревательным устройством, подключенным к сети энергоснабжения с использованием управляющего блока, заключающийся в последовательных двухтактных циклах регулирования мощности электронагревательного устройства путем включения в первом цикле устройства на полную мощность при контролируемой температуре ниже желаемого значения, и отключения его при температуре, равной 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, отличающийся тем, что поправки к мощности в каждом такте изменяют по закону возрастающей функции.