Устройство регулирования температуры Советский патент 1983 года по МПК G05D23/19 

Изобретение огаосится к области автоматизации технологических процессов и может быть использовано для регулирования температуры в объектах с элехтронагревателями. Известно устройство для регулирования температуры, содержащее термочувствительный элемент, усилитель мощности, генератор импульсной, обрат ной связи, подключенный параллельно входу нагревательного элемента Недостатком этого устройства явля ется зависимость точности стабилизации температуры от стабильности напряжения источника питания ( сети ). Известна система многопозиционног регулирования, состоящая из последовательно включенных датчика, измерительного моста, ступенчатого импульс ного прерывателя, предцназ аченного для прерывания системы с определенной частотой, двоичного реверсивного счетчика, нагревателя 2. Недостатком этой система является то, что она предназначена для работы только с секционными нагревателями, соотношение мощностей секций которых находятся в установленном порядке. В большинстве случаев применяемые в объекташ терморегулирования нагреватели не имеют разделения на секции, причем такое разделение всего нагревателя не представляется возможным по техническим и технологическим причинам. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является регулятор температуры, содержгиций датчик и задатчик температуры, подключенные через блок сравнения к блоку управления, счетчик и ключевой элемент, синхронизируекые генератором импульсов, исполнительный элемент и второй счетчик выделившегося тепла L3 ij. Данное устройство при работе с объектами, характеризующимися большой тепловой энерционностью, не позволяет получить достаточную точность поддержания температуры ввиду того, что постоянная времени устройства регулирования значительно меньше нне ционности самого объекта. Кроме того, устройство работает таким образом, что в момент равенства температуры в объекте заданной мощность в нагревателе не вьщеляется, а это является случаем неустойчнвого термо динамического рсшновесия в объекте. В более общем -Случае для устойчивого поддержания текшературы на заданном уровне в нагревателе в момент термо.динсмического равновесия должна выделяться определенная мощность, т.е. AW ла при задгшной, где 4W-энергия, выделяемая нагревателем в единицу времени, Л Л энерги;( рассеиваемая объектом в окружгиощую среду в единицу времени. Цель изобретения - повышение точности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные дифференциальный усилитель с подключенными к его входам датчиком и задатчиком температуры и блок управления, соединенные последовательно генератор импульсов и двоичный счетчик, а также ключевой Элемент и подключенный к его выходу исполнительный элемент, причем блок управления включает в себя элемент сравнения, первый вход которого является входом блока управления, содержит .первый реверсивный счетчик, компаратор кодов, триггер и первый элемент И, первый вход которого соединен с первыг/1 выходом ксмпаратора кодов, другие входы - с выходами двоичного счетчика, подключенными соответственно к первой группе входов компаратора кодов, второй выход которого через триггер, соединенный вторым входом с выходом первого элемента И, подключен к входу ключевого элемента, а вторая группа входов компаратора коаов соединена с соответствующими выходами первого реверсивного счетчика, первый и второй входы которо- , го связаны с первым и вторым выходами блока управления соответственно. Блок управления устройства содержит соединенные последовательно управляегиый генератор импульсов, первы1 и второй инверторы и элемент 2И-ИЛИ, а также второй, третий и четвертый элементы И, второй реверсивный счет-, i чик, цифро-аналоговый преобразователь, фopмйpoвaтeJ{ь импульсов и элемент сравнения, причем выход управляемого генератора импульсов соединен с первым входом элемента 2 И-ИЛИ и через первый инвертор - с вторым входом элемента 2И-ИЛИ, с первыми входами второго и третьего элементов И, а вход управляемого генератора импульсов связан с выходом элемента сравнения, с входом формирователя импульсов и с вторыгл входом второго элемента И, подключенного выходом к первому входу второго реверсивного . счетчика, связанного вторым входом с выходом формирователя импульсов и с третьим входом элемента 2И-ИЛИ, а выходами через цифро-аналоговый преобразователь - с вторым входом элемента сравнения и через четвертый элемент И, к выходу которого через второй инвертор подключен второй вход третьего элемента И- - с четвертым входом элемента 2 и с третьим входом второго элемента И,причем выход элемента 2 И-ИЛИ является первьол выходом блока управления, а выход третьего элемента И - вторым выходом. На чертеже представлена блок-схе ма устройства. Устройство содержит датчик 1 и задатчик 2 температуры, дифференциальный Усилитель 3, служсиций для получения усиленного в К раз раз- . ностного сигнала рассогласования сигнала задатчика 2 и датчика 1, блок 4 управления, служащий для управления заполнением первого 5 реверсивного счетчика, компаратора 6 кодов, служащий для сравнения кодов реверсивного счетчика 5 идво ичного 7 счетчика, а также для уста новки триггера 8 в единичное состоя ние, генератор 9 импульсов, выдающи икшуль.сы на счетный вход счетчика 7 элемент И 10 нулевых состоянии разр дов счетчика 7 и сигнал Неравно компаратора 6, ключевой 11 элемент, служащий для управления исполнител ным 12 элементом, причем блок управ ления 4 содержит элемент 13 сравнения, сравнивающий сигнал с дифферен .цигихьного усилителя и цифро-аналого вого преобразователя ЦЛП ) 14, второй 15 реверсивный; счетчик, управля ющий ЦАП 14, первый 16 элемент И нулевых состояний старших разрядов счетчика 15, начиная с пятого, где 2 - число дискретов ЦАП, составлякицйх зону стабилизации величины рас согласования, четвертый 16 элемент второй 17 элемент И наличия сигнала рассогласования на элементе 13, сигнала совпадения элемента 16 и си нала с управляемого генератора импульсов 18, который служит для формирования импульсов с заданной частотой, если сигнал рассогласования на выходе элемента 13 присутствует а течение времени, не меньше, чем период следования этих импульсов, первый 19 инвертор, формирователь 20 импульсов от положительного перепада напряжения на выходе элемента 13, третий 21 элемент И сйгна гов генератора 18 и инвертора 19, элемент 2 И-ИЛИ 22 и второй 23 инвертор. Устройство работает следующим об разом. I. В исходном состоянии датчик 1 и задатчик 2 выдают на дифференциальный усилитель 3 нулевой сигнал. Счетчики 5 и 15 находятся в нулевом состоянии. Счетчик 7 работает с переполнением от генератора 9, 8 находится в единичном состоянии и не может быть сброшен сигналом с элемента 10, покав счетчике 5 не появится любое число, кроме нуля, причем единичное состояние триггера 8 соответствует отключенному состоянию исполнительного элемента 12. Схема начинает работать по сигналу Пуск, который устанавливает в задатчике 2 сигнеш, соответствующий требуемой температуре, и в счетчиках 15 единичное состояние (все разряды счетчиков находятся в единичном состоянии ). На выходе усилителя 3 появляется сигнал рассогласования cf . усиленный в К раз, т.е. (Uj-U)K, где УЗ - сигнал задатчика 2, и - сигналу .датчика 1. Единичному состоянию счетчика 15 соответствует напряжение ЦАП ,, Процесс регулирования начинает- i ся, когда -сигнал на выходе усилителя 3 достигает величины Urricrx и при дальнейшем росте сигнала Ц становится меньше этой величины. В этом случае величина рассогласования --д sUj-U Изменение величины (f от величины тн;| до нуля и составляет процесс регулирования, а зона g JSH3L является зоной регулирования. Работа регулятора основана на плавном выводе мощности нагревателя и поддержании ее на уровне с точностью одного дискрета ДР, соответствующем заданной температуре, причем где и - разрядность счетчика 5; . максимс1льная мсяцность нагревателя. Это достигается тем, что на кгикдом цикле просчета счетчика 7 в нагреватель (на чертеже не показан) подается полная мощность до достижения равенства чисел в счетчиках 5 и 7, т.е. в нагреватель выдается мсяцность, пропорциональная числу, записанному в счетчйке 5. Изменение мощности на один дискрет ЛР приводит к изменению температуры также на один Дискрет лТ , слёдовательгю количество дискретов температуры также равно , а также количество дискретов величины , К должно быть равно , так как изменение температуры на один дискрет лТ приводит к изменению величины рассогла-: сованйя на величину дсГХ . Umcoc В начальный момент, когда cf- , в нагреватель выдается полная мощность и на выходе ЦАП 14 сигнал U. В момент перехода неравенства в состояние срабатывает элемент к 13, на выходе которого появляется положительный перепад, формирователь 20 из него формирует положительный импульс, который поступает на вычитающий вход счетчика 15 и через эле мент 2 И-ИЛИ 22 - на вычитающий вхо счетчика 5, если генератор 18 не во бузкден. Счетчики 5 и 15 работают бе переполнения. В данном случае описы вается работа устройства при выходе на температуру, обеспечивгистцую в на Цт«х чальный момент величину (ft. It , При меньших температурах в счетчиках 5 и 15 устанавливается соотве ствуквдее число в момент Пуск. Сче чик 15 уменьшает свое содержание на единицу, а на выходе ЦАП 14 сигнал уменьшается на один дискрет /KfK в результате чего элемент 13 меняет знак неравенства, а генератор 18 подготавливается к запуску. Неравенство vf- К держат время Л J где i - число. записанное в счетчике 15, а Atj - время нахояедения этого числа в счетчике. Эт время зависит от скорости нагрева Объекта и равно , время ат. /dt Atg возбуждения генератора 18 вы бирается из условия подгона темйературы объекта в зону стабилизации со скоростью при которой динамическая погрешность g не превышает заданного значения Е , т.е. / L Vdrr c При уменьшении величины рассогласования уменьшается содержимое счетчиков 5 и 15, а следовательно,умень шается и мощность нагревателя, пока сксфость разгона выше заданной. Как только скорость разгона обеспечит неравенство генератор 18 будет возбужден и элег юнт 22 запретит вычитание в счетчике 5 импульсов с формирователя 20 а элемент И 21 будет пропускать импульсы генератора 18 на сукмируюотй вход счетчика 5, если в счетчике 15 содержится , большее максимального числд зоны стабилизации, т.е. большее.2. Зона стабилизации необходима для погашения заданного разгона. Эибором можно достич точности поддержания рассогласовани в пределах одного дискрета счетчико 5, но в этом случае увеличивается время выхода в зону стабилизации. поэтому вОбщем случае зону стабилизации удобно выдирать при . Как только величина рассогласования будет меньше 2, элемент И 21 закрывается и из счетчика 5 начинают вычитаться импульсы генератора 18, в результате чего мощность нагревателя уменьшается и температура выравнивается, а дальше начинает падать, что приводит к неравенству {А. и Открывается элемент И 17 и начинает пропускать на йуммирующий вход счетчика 15 импульсы с генератора 18, пока неравенство не изменит знак. Таким образом, стабилизация температуры будет проходить в области рассогласования, величину которой можно подсчитать следующим образом. Величина рассогласования зоны peivлирования (. дискрет заМ«.«« датчика 2 j;- -дискрет датчика 1 д Од , причем 4 U а U, , дискрет рассогласования зоны регулировасО;ния ДеЛ С учетом рас2 -1 K( смотренных величин зона стабилизации равна 2йо ) а через дискрет задатчика Т т«х men э к{2 -1}и„„ Kd.. Так как работа устройства синхронизируется скоростью разгона нагревателя, инерционность объекта не вносит дополнительных погрешностей. Чем выше разрядность счетчиков 5 и 15 и коэффициент усиления К , тем меньше зона стабилизации, но увеличение коэффициента К приводит к колебательному процессу, а увеличение разрядности счетчика ограничено точностью преобразования ЦАП и точностью сравнения элемента 13. Применение дифференциального усилителя и схемы сравнения на базе операционного, усилителя типа К 140УД8 и ЦАП 12 разрядов позволяет достичь точности регулирования не хуже одного градуса у объектов с температурным диапазоном от десятков до . В устройстве осуществляется управление скоростью вывода температуры в узкую зону стаб(1лизсидии с учетом инерционности управляемого объекта, что позволяет ycTpaHjiTb динамическую погрешность для объектов с мощностью до 40-100 кВт и сделать ее не более .

Наличие цифровой информации о величине рассогласования заданной и текущей температуры и выдаваемой в нагреватель мощности позволяет проводить текущий контроль качества регулирования и использовать ЭВМ и другие цифровые управляп1(ие устройства для проведения документирования основных паргшетров регулирования и коррекции регулирукхцих воздействий.

1. УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные дифференциальный уси штель с подключенными к его входам датчиком и задатчиком температуры и блок управления, соединенные последовательно генератор импульсов и двоичный счетчик, а также ключевой элемент и подключенный к его выходу исполнительный элемент, причем блок управления включает в себя элемент сравнения, первый вход которого является входом блока управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит первый реверсивный счетчик, компаратор кодов, триггер и первый элемент кодов, другие входы - с выходс ш двоичного счетчика, подключенными соответственно к первой группе входов компаратора кодов, второй выход которого через триггер, соединённый ВТОРШ4 входом с выходом пер вого элемента И, подключен к- входу ключевого элемента, а вторая группа входов компаратора кодов соединена с соответствующими выходами первого реверсивног -Счетчика, первый и второй входы которого связаны с первым и вторым выходами блока управлейия соответственно. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит соединенные последовательно управляемый генератор импульсов, первый и второй инверторы и элемент 2И-ИЛИ, а также второй, . третий и четвертый элементы И, второй реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, формирователь, импульсов и элемент сравнения, причем выход управляемого генератора Импульсов соединен с первым входом элемента 2И-ИЛ1{ и через первый ин(Л вертор - с вторым входом элемента 2И-ИЛИ, с первыми входами второго и с третьего элементов И, а в1ход управляемого генератора импульсов связан с выходом элемента сравнения, с входом форг шрователя импульсов и с вторым входом второго элемента И, подключенного выходом к первому вхоо ду второго реверсивного счетчика, связанного вторым входом с выходом формирователя импульсов и с третьим входом элемента 2И-ИЛИ, а выходами через цифро-аналоговый преобразователь - с вторым входом элемента сравнения и через четвертый элемент И, к выходу которого через второй инвертор подключен второй вход трехьего элемента И с четвертым входом элемента 2И-ИЛИ и с третьим входом второго элемента И, причем выход элемента 2И-ИЛИ является первым выходом блока управления, а выход третьего элемента И - вторым выходом.