БОРТОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ ПЕЧИ С РЕЖИМАМИ НАГРЕВ - СТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ - ОХЛАЖДЕНИЕ Российский патент 2011 года по МПК G05B11/01 H05B6/06 

Изобретение относится к системам автоматического управления электронагревателями печей для получения инфраструктуры на космических станциях.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является бортовая система управления, содержащая задатчик сигнала начальной температуры нагрева, 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 [1].

Недостатками известного решения, принятого за прототип, 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 пропорционально-интегрально-дифференцирующего принципа, не обеспечивающего стабильность всех режимов: нагрева, стабилизации температуры и охлаждения.

Решаемой технической задачей является расширение функциональных возможностей системы управления и повышение точности управления.

Указанный технический результат достигается тем, что в известную бортовую систему управления, содержащую задатчик сигнала начальной температуры нагрева, 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, дополнительно введены управляемый ограничитель сигнала, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения, а выход - со входом первого усилителя, гистерезисный релейный элемент положительной полярности, первый вход которого соединен с выходом второго элемента сравнения, а выход является выходом системы управления, последовательно соединенные задатчик сигналов скорости основного и корректирующего нагрева, первый управляемый ключ и третий усилитель, выход которого соединен со вторым входом управляемого ограничителя сигнала, последовательно соединенные второй управляемый ключ, вход которого соединен со вторым выходом задатчика сигналов скорости основного и корректирующего нагрева, и сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого управляемого ключа, а выход - со вторым входом гистерезисного релейного элемента положительной полярности, четвертый усилитель, вход которого соединен с выходом первого управляемого ключа, а выход - с третьим входом гистерезисного релейного элемента положительной полярности, последовательно соединенные задатчик сигнала скорости охлаждения, третий управляемый ключ, интегратор и третий элемент сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала начальной температуры нагрева, а выход - со вторым входом первого элемента сравнения, вторые вход и выход третьего управляемого ключа соединены соответственно со вторым выходом задатчика сигналов скорости основного и корректирующего нагрева и с третьим входом сумматора, и блок управления режимами, первый выход которого соединен со вторым входом первого управляемого ключа, второй выход - со вторым входом второго управляемого ключа, третий выход - с третьим входом третьего управляемого ключа.

На фиг.1 представлена структурная схема бортовой системы управления температурой электронагревателя печи для всех рассматриваемых режимов: нагрев, стабилизация температуры, охлаждение, на фиг.2 представлена характеристика гистерезисного релейного элемента положительной полярности.

Система управления содержит задатчик сигнала начальной температуры нагрева 1, первый элемент сравнения 2, последовательно соединенные первый усилитель 3 и второй элемент сравнения 4, последовательно соединенные датчик температуры 5, выход которого соединен со вторым входом первого элемента сравнения 3, элемент дифференцирования 6 и второй усилитель 7, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения 4, управляемый ограничитель сигнала 8, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения 2, а выход - со входом первого усилителя 3, гистерезисный релейный элемент положительной полярности 9, первый вход которого соединен с выходом второго элемента сравнения 4, а выход является выходом системы управления, последовательно соединенные задатчик сигналов скорости основного и корректирующего нагрева 10, первый управляемый ключ 11 и третий усилитель 12, выход которого соединен со вторым входом управляемого ограничителя сигнала 8, последовательно соединенные второй управляемый ключ 13, вход которого соединен со вторым выходом задатчика сигналов скорости основного и корректирующего нагрева 10, и сумматор 14, второй вход которого соединен с выходом первого управляемого ключа 11, а выход - со вторым входом гистерезисного релейного элемента положительной полярности 9, четвертый усилитель 15, вход которого соединен с выходом первого управляемого ключа 11, а выход - с третьим входом гистерезисного релейного элемента положительной полярности 9, последовательно соединенные задатчик сигнала скорости охлаждения 16, третий управляемый ключ 17, интегратор 18 и третий элемент сравнения 19, второй вход которого соединен с выходом задатчика начальной температуры нагрева 1, а выход - со вторым входом первого элемента сравнения 2, вторые вход и выход третьего управляемого ключа 17 соединены соответственно со вторым выходом задатчика сигналов скорости основного и корректирующего нагрева 10 и с третьим входом сумматора 14, и блок управления режимами 20, первый выход которого соединен со вторым входом первого управляемого ключа 11, второй выход - со вторым входом второго управляемого ключа 13, третий выход - с третьим входом третьего управляемого ключа 17. Пунктиром на схеме показан объект управления - электронагреватель печи.

Система управления работает следующим образом.

Блок управления режимами 20 формирует команды:

A₁ - на замыкание первого управляемого ключа 11 для режима нагрева;

A₂ - на замыкание второго ключа 13 для режима стабилизации температуры;

A₃ - на замыкание третьего ключа 17 для режима охлаждения.

I. Режим нагрева

Задатчиком сигнала начальной температуры нагрева 1 задается сигнал Т_зад.н..

Задатчиком скорости нагрева 10 задается скорость основного нагрева

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

Первый элемент сравнения 2 формирует рассогласование ΔТ:

где

Для этого режима (нагрева) канал интегратора 18 отключен ключом 17, т.е.

Следовательно, T_зад.(t)=T_зад.н..

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.

Закон регулирования формируется по сигналам Т_зад.н. блока 1, текущей температуры T(t) датчика 5 и скорости изменения температуры блока 6 с учетом передаточных чисел усилителей 3 и 7. Базовый сигнал управления σ₀(t) формируется на основе сигналов рассогласования по температуре и скорости изменения температуры блоками 1, 19, 2, 8, 3, 4, 6, 7 в виде:

где σ(ΔT) - функциональный сигнал по рассогласованию, формируемый блоками 8 и 3 следующим образом:

- блоком 8 ограничивается сигнал ΔT с ограничением F_m (пояснение по расчету приведено ниже), т.е. текущий сигнал с блока 8 F(ΔT) формируется в виде:

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

где K_T - передаточный коэффициент первого усилителя 3.

Сигнал σ₀(t), сформированный в соответствии с базовым законом управления (4)÷(6), поступает на гистерезисный релейный элемент положительной полярности 9, сигнал с выхода которого u является выходным сигналом системы управления. Этот сигнал в релейном элементе 9 формируется функционально следующим образом. Зона нечувствительности ρ₀ блока 9 в сочетании с коэффициентом усиления K_T (усилителя 3) определяется, исходя из допустимости в контуре управления заданной статической ошибки (рассогласования) ΔТ_ст.зад.:

Сигнал u формируется гистерезисным релейным элементом положительной полярности 9 согласно фиг, 2 в функции от сигнала σ₀ с выхода сумматора 14, т.е. равным нулю или Т_зад.н.

В сумматор 14 поступают разновременно (порежимно) 3 сигнала от задатчика 10: для режима нагрева (основного) и для корректирующего нагрева в режимах стабилизации и охлаждения. Поступление сигналов регулируется блоком управления 20 и ключами 11, 13, 17.

Отрицательная зона нечувствительности ρ₁ определена в прямопропорциональной зависимости от скорости нагрева блока 8 с учетом (7):

где K_ρ - коэффициент пропорциональности, выставленный в четвертом усилителе 15.

Относительно функционального ограничения F_m в ограничителе 8 следует отметить необходимость его определенной выставки в функции для исключения перерегулирования по текущей скорости изменения температуры

Действительно, пусть это требование выдерживается, тогда сигнал σ₀ определится по (4) и (5) в виде:

В пределах зоны нечувствительности ρ₀ сигнал σ₀ должен быть в окрестности нуля. Следовательно,

Значение коэффициента для формирования ограничения F_m выставляется по (10) в третьем усилителе 12.

II. Режим стабилизации температуры

Этот режим состоит в поддержании достигнутой температуры нагрева (описанной в предыдущем разделе) в течение определенного фиксированного интервала времени. Начало режима определяется выдачей команды A₂ из блока управления режимами 20 на замыкание второго управляемого ключа 13 и снятием соответственно команды A₁ и размыканием первого управляемого ключа 11.

Физически этот режим характерен тем, что сформированы циклические чередующиеся фазы естественного охлаждения нагревателя и принудительного, так называемого корректирующего нагрева, определенного минимальной реально осуществимой скоростью нагрева . Этот сигнал от блока 10 через ключ 13 и сумматор 14 поступает на гистерезисный релейный элемент положительной полярности 9. Режим функционирует в пределах допустимого допуска температуры ±ΔT_ст.зад..

Для этого режима сигналы ρ₀ для релейного элемента 9 (см. фиг.2) и F_m для управляемого ограничителя сигнала 8 определены и выставлены минимальными, соответствующими минимальной скорости корректирующего нагрева

В основном контуре регулирования температуры для ее стабилизации по аналогии с режимами нагрева также задействованы блоки 1, 19, 2, 8, 3, 4, 9, 5, 6 и 7.

III. Режим охлаждения

Начало режима определяется командой A₃ блока управления режимами 20 на замыкание ключа 17 по цепям сигналов задатчика сигнала скорости охлаждения 16 и задатчика 10. Одновременно снимается команда A₃ и размыкается ключ 13 предыдущего режима - стабилизации.

Принципом режима является формирование идеальной требуемой температурной функции на основе исходной от предыдущего режима начальной температуры T₀=T_зад.н. и заданной функции охлаждения - сигналу . блока 16, поступающего через ключ 17 на интегратор 18. Для этого с задатчика 1 на элемент сравнения 19 поступает сигнал Задатчиком сигнала скорости охлаждения 16 формируется сигнал требуемой скорости охлаждения который интегрируется на интеграторе 18 и выдается с него на третий элемент сравнения 19 в виде сигнала

Элемент сравнения 19 формирует функциональный заданный сигнал управления:

Элемент сравнения 2 формирует сигнал рассогласования ΔT:

Дополнительным приемом является осуществление циклического естественного охлаждения и корректирующего нагрева в пределах допуска температуры ±ΔТ_ст.зад. относительно сформированной идеальной температурной функции по (10), по существу аналогичных режиму стабилизации.

Сигнал корректирующего нагрева от блока 10 через ключ 17 и сумматор 14 поступает на гистерезисный релейный элемент положительной полярности 9.

Также по аналогии с режимом стабилизации для этого режима сигналы ρ₀ для релейного элемента 9 (см. фиг.2) и F_m для управляемого ограничителя сигнала 8 определены и выставлены минимальными, соответствующими минимальной скорости корректирующего нагрева

В основном контуре регулирования температуры для режима охлаждения по аналогии с режимами нагрева и стабилизации также задействованы блоки 1, 19, 2, 8, 3, 4, 9, 5, 6 и 7.

Режим охлаждения завершается снятием команды A₃ блока 20 и отключением ключа 17.

Таким образом, проведен полный температурный цикл электронагревателя: нагрев - стабилизация температуры - охлаждение.

Предложенная бортовая система управления электронагревателем печи для получения инфраструктуры на космической станции позволяет расширить функциональные возможности управления температурой электронагревателя для всех режимов - нагрева, стабилизации и охлаждения - в широком диапазоне условий по заданной температуре и скорости нагрева и охлаждения и обеспечить при этом достижение заданных характеристик с высокой точностью и без перерегулирования.

Положительный эффект предложения подтвержден результатами анализа и математического моделирования.

Все составные операции способа, звенья и блоки системы 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.

Изобретение относится к системам автоматического управления электронагревателями печей для получения инфраструктуры на космических станциях. Технический результат заключается в повышении точности управления. Он достигается тем, что предложена бортовая система управления температурой электронагревателя печи с режимами нагрев -стабилизация температуры - охлаждение, которая содержит задатчик сигнала начальной температуры нагрева, задатчик сигнала скорости охлаждения, задатчик сигнала скорости основного и корректирующего нагрева, три элемента сравнения, управляемый ограничитель сигнала, четыре усилителя, гистерезисный релейный элемент положительной полярности, три управляемых ключа, сумматор, элемент дифференцирования, интегратор, датчик температуры и блок управления режимами. 2 ил.

Бортовая система управления электронагревателя печи для получения инфраструктуры с режимами нагрев - стабилизация температуры - охлаждение, содержащая задатчик сигнала начальной температуры нагрева, 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, отличающаяся тем, что в нее введены управляемый ограничитель сигнала, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения, а выход - со входом первого усилителя, гистерезисный релейный элемент положительной полярности, первый вход которого соединен с выходом второго элемента сравнения, а выход является выходом системы управления, последовательно соединенные задатчик сигналов скорости основного и корректирующего нагрева, первый управляемый ключ и третий усилитель, выход которого соединен со вторым входом управляемого ограничителя сигнала, последовательно соединенные второй управляемый ключ, вход которого соединен со вторым выходом задатчика сигналов скорости основного и корректирующего нагрева, и сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого управляемого ключа, а выход - со вторым входом гистерезисного релейного элемента положительной полярности, четвертый усилитель, вход которого соединен с выходом первого управляемого ключа, а выход - с третьим входом гистерезисного релейного элемента положительной полярности, последовательно соединенные задатчик сигнала скорости охлаждения, третий управляемый ключ, интегратор и третий элемент сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала начальной температуры нагрева, а выход - со вторым входом первого элемента сравнения, вторые вход и выход третьего управляемого ключа соединены соответственно со вторым выходом задатчика сигналов скорости основного и корректирующего нагрева и с третьим входом сумматора, и блок управления режимами, первый выход которого соединен со вторым входом первого управляемого ключа, второй выход - со вторым входом второго управляемого ключа, третий выход - с третьим входом третьего управляемого ключа.