СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ НЕПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ ПЕЧИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G05B11/01 H05B6/06 

Изобретение относится к устройствам систем автоматического управления электронагревателями печей для получения инфраструктуры на космических станциях. При этом характерным условием является то обстоятельство, что собственное естественное охлаждение нагревателя значительно более быстродействующее, чем требование принудительного охлаждения. Следствием этого фактора является необходимость в циклическом корректирующем нагреве.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования сигнала управления, заключающийся в том, что задают сигнал начальной температуры электронагревателя, измеряют сигнал текущей температуры электронагревателя, формируют сигнал текущей скорости изменения температуры электронагревателя посредством дифференцирования сигнала текущей температуры, формируют разностный сигнал между базовым функциональным заданным сигналом и сигналом текущей температуры, усиливают сигнал текущей скорости изменения температуры электронагревателя, усиливают функциональный сигнал рассогласования, формируют сигнал разности между усиленным функциональным сигналом рассогласования и усиленным сигналом скорости изменения температуры электронагревателя [1].

Известно устройство формирования сигнала управления, содержащее задатчик начальной температуры, первый элемент сравнения, последовательно соединенные первый усилитель и второй элемент сравнения, и последовательно соединенные датчик температуры, выход которого соединен с входом первого элемента сравнения, элемент дифференцирования и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения [1].

Недостатками известных способа и устройства являются ограниченность функциональных возможностей управления и невысокая точность по температурной и скоростной характеристикам, по статической погрешности и перерегулированию, к которым предъявляются жесткие требования по допускам. Это обстоятельство, в частности, определило отрицательные свойства чистого пропорционально-интегрально-дифференцирующего принципа, не обеспечивающего стабильность скорости охлаждения. В известных решениях задача охлаждения с корректирующим нагревом также не решена.

Решаемой в предлагаемых способе и устройстве технической задачей является расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности управления.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе формирования сигнала управления, заключающемся в том, что задают сигнал начальной температуры электронагревателя, измеряют сигнал текущей температуры электронагревателя, формируют сигнал текущей скорости изменения температуры электронагревателя посредством дифференцирования сигнала текущей температуры, формируют разностный сигнал между базовым функциональным заданным сигналом и сигналом текущей температуры, усиливают сигнал текущей скорости изменения температуры электронагревателя, усиливают функциональный сигнал рассогласования, формируют сигнал разности между усиленным функциональным сигналом рассогласования и усиленным сигналом скорости изменения температуры электронагревателя, дополнительно задают сигнал скорости охлаждения, интегрируют заданный сигнал скорости охлаждения, формируют функциональный заданный сигнал управления посредством вычитания из заданного сигнала начальной температуры интегральный заданный сигнал скорости охлаждения, задают сигнал скорости корректирующего нагрева, формируют функциональный сигнал рассогласования, равным сигналу положительной полярности разностного сигнала, формируют пороговый сигнал, пропорциональный значению заданной статической ошибки, и формируют выходной сигнал управления, равным заданному сигналу скорости корректирующего нагрева при превышении сигнала разности над пороговым сигналом.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известное устройство формирования сигнала управления, содержащее задатчик начальной температуры, первый элемент сравнения, последовательно соединенные первый усилитель и второй элемент сравнения, и последовательно соединенные датчик температуры, выход которого соединен со вторым входом первого элемента сравнения, элемент дифференцирования и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения, дополнительно введены последовательно соединенные задатчик сигнала скорости охлаждения, интегратор и третий элемент сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика начальной температуры, а выход - со вторым входом первого элемента сравнения, задатчик сигнала скорости корректирующего нагрева, блок выделения сигнала положительной полярности, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения, а выход - со входом первого усилителя, и релейный элемент положительной полярности, вход которого соединен с выходом задатчика сигнала скорости корректирующего нагрева, второй вход - с выходом второго элемента сравнения, а выход является выходом устройства.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства формирования сигнала управления охлаждением электронагревателя печи, на фиг.2 представлена характеристика релейного элемента положительной полярности.

Устройство формирования сигнала управления непринудительным охлаждением электронагревателя печи содержит задатчик начальной температуры 1, первый элемент сравнения 2, последовательно соединенные первый усилитель 3 и второй элемент сравнения 4, и последовательно соединенные датчик температуры 5, выход которого соединен со входом первого элемента сравнения 2, элемент дифференцирования 6 и второй усилитель 7, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения 4, последовательно соединенные задатчик сигнала скорости охлаждения 8, интегратор 9 и третий элемент сравнения 10, второй вход которого соединен с выходом задатчика начальной температуры 1, а выход - со вторым входом первого элемента сравнения 2, задатчик сигнала скорости корректирующего нагрева 11, блок выделения сигнала положительной полярности 12, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения 2, а выход - со входом первого усилителя 3, и релейный элемент положительной полярности 13, первый вход которого соединен с выходом задатчика сигнала скорости корректирующего нагрева 11, второй вход - с выходом второго элемента сравнения 4, а выход является выходом устройства. Пунктиром на схеме показан объект управления - электронагреватель печи.

Устройство формирования сигнала управления непринудительным охлаждением электронагревателя печи, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Задатчиком начальной температуры 1 задается сигнал T₀.

Задатчиком сигнала скорости корректирующего нагрева 11 задается сигнал

Датчик температуры 5 (например, термопара) формирует сигнал текущей температуры нагревателя T(t).

Третий элемент сравнения 10 формирует функциональный заданный сигнал управления:

Первый элемент сравнения 2 формирует сигнал рассогласования ΔT(t):

Гибкая обратная - связь по скорости изменения температуры - формируется дифференцированием сигнала текущей температуры T(t) элементом дифференцирования 6 с соответствующим передаточным коэффициентом , выставляемым во втором усилителе 7.

Задатчиком сигнала скорости охлаждения 8 формируется сигнал требуемой скорости охлаждения который интегрируется на интеграторе 9 и выдается с него на третий элемент сравнения 10 в виде сигнала

Закон регулирования формируется по сигналам Т_зад.(t) блока 10, текущей температуры T(t) датчика 5 и скорости изменения температуры блока 6. Базовый сигнал управления σ₀(t) формируется вторым элементом сравнения 4 на основе сигналов рассогласования и скорости изменения температуры в виде:

где σ(ΔT⁺(t)) - функциональный сигнал рассогласования, формируемый следующим образом:

- блоком 12 выделяется сигнал ΔT⁺(t) положительной полярности сигнала рассогласования ΔT(t) с целью большего приближения текущего сигнала функции T(t) к функции Т_зад.(t);

- сигнал σ(ΔT⁺(t)) формируется первым усилителем 3 сигнала ΔT⁺(t), т.е.

где K_T - передаточный коэффициент первого усилителя 3.

Сигнал σ₀(t), сформированный в соответствии с базовым законом управления (3), поступает на релейный элемент положительной полярности 13, сигнал с выхода которого u является выходным сигналом устройства. Выходной сигнал устройства функционально формируется в релейном элементе положительной полярности 13 согласно фиг.2. Зона нечувствительности ρ₀ блока 13 в сочетании с коэффициентом усиления Кт определяется исходя из допустимости в контуре управления заданной статической ошибки (рассогласования) ΔТ_ст.зад.:

При σ₀≥ρ₀ формируется сигнал u, равный сигналу заданной скорости корректирующего нагрева от блока 11, т.е. u формируется в виде:

Предложенные способ формирования сигнала управления с непринудительным охлаждением электронагревателя печи для получения инфраструктуры и устройство для его осуществления позволяют расширить функциональные возможности управления и повысить при этом точность в широком диапазоне заданных значений температур и скорости охлаждения.

Положительный эффект предложения подтвержден результатами анализа и математического моделирования.

Все составные операции способа, звенья и блоки устройства управления могут быть выполнены на современных элементах автоматики и вычислительной техники [2], а также и программно-алгоритмически в бортовых вычислительных машинах.

Источники информации

1. Д.П.Ким. Теория автоматического управления, том 1, М., Физматлит, 2007, с.204-205.

2. А.У.Ялышев, О.И.Разоренов. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики, М., Машиностроение, 1981, с.103.

Данная группа изобретений относится к устройствам систем автоматического управления электронагревателями печей для получения инфраструктуры на космических станциях. Технический результат заключается в повышении точности управления. Он достигается тем, что предложены способ и устройство формирования сигнала управления непринудительным охлаждением электронагревателя печи, причем устройство содержит задатчик начальной температуры, задатчик сигнала скорости охлаждения, задатчик сигнала скорости корректирующего нагрева, три элемента сравнения, блок выделения сигнала положительной полярности, два усилителя, релейный элемент положительной полярности, элемент дифференцирования, интегратор и датчик температуры. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования сигнала управления непринудительным охлаждением электронагревателя печи, заключающийся в том, что задают сигнал начальной температуры электронагревателя, измеряют сигнал текущей температуры электронагревателя, формируют сигнал текущей скорости изменения температуры электронагревателя посредством дифференцирования сигнала текущей температуры, формируют разностный сигнал между базовым функциональным заданным сигналом и сигналом текущей температуры, усиливают сигнал текущей скорости изменения температуры электронагревателя, усиливают функциональный сигнал рассогласования, формируют сигнал разности между усиленным функциональным сигналом рассогласования и усиленным сигналом скорости изменения температуры электронагревателя, отличающийся тем, что задают сигнал скорости охлаждения, интегрируют заданный сигнал скорости охлаждения, формируют функциональный заданный сигнал управления посредством вычитания из заданного сигнала начальной температуры интегральный заданный сигнал скорости охлаждения, задают сигнал скорости корректирующего нагрева, формируют функциональный сигнал рассогласования равным сигналу положительной полярности разностного сигнала, формируют пороговый сигнал, пропорциональный значению заданной статической ошибки, и формируют выходной сигнал управления равным заданному сигналу скорости корректирующего нагрева при превышении сигнала разности над пороговым сигналом.

2. Устройство формирования сигнала управления непринудительным охлаждением электронагревателя печи, содержащее задатчик начальной температуры, первый элемент сравнения, последовательно соединенные первый усилитель и второй элемент сравнения, и последовательно соединенные датчик температуры, выход которого соединен со входом первого элемента сравнения, элемент дифференцирования и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные задатчик сигнала скорости охлаждения, интегратор и третий элемент сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика начальной температуры, а выход - со вторым входом первого элемента сравнения, задатчик сигнала скорости корректирующего нагрева, блок выделения сигнала положительной полярности, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения, а выход - со входом первого усилителя, и релейный элемент положительной полярности, вход которого соединен с выходом задатчика сигнала скорости корректирующего нагрева, второй вход - с выходом второго элемента сравнения, а выход является выходом устройства.