Регулятор температуры Советский патент 1984 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к автомати ческому регулированию температуры и может быть использовано для автоматизации физических экспериментов, когда требуется изменять температур во времени с заданной скоростью до наперед установленного значения с последующей стабилизацией ее на это . уровне. Известно ycTjJoftCTBo для регулиро вания температуры, содержащее свяванный с нагревателем первый датчик температуры, связанный с объектом, Между выходами этих датчиков включен потенциометр, подвижный контакт которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого связан с задатчиком температуры, а выход через регулирующий орган с нагревателем 1. Потенциометр позволяет производи оптимальную настройку регулятора, однако для осуществления линейной развертки температуры необходимо задавать с задатчика температуры ли нейно-изменяющееся напряжение. Данное устройство не позволяет контролировать температуру объекта по сиг налу задания. Кроме того, существует зависимость степени подавления флуктуации температуры в нагревателе и объекте от настройки регулятора. j Наиболее близким по технической Ьущности к предлагаемому является терморегулятор, содержащий задатчик температуры и термодатчик, подключе ные к вычитателю, выход которого соединен с входом усилителя, а выхо усилителя через последовательно сое диненные сумматор и блок управления подключен к нагревателю, задатчик температуры подсоединен к суммирующему входу вычитателя, вычитающий вход которого подключен к выходу те модатчика и второму входу сумматора . Терморегулятор обеспечивает выхо на заданное значение температуры с требуемой скоростью и автоматически переход в режим стабилизации по достижений этого значения. Однако для реализации линейной развертки темпе ратуры используется положительная обратная связь, а отрицательная обратная связь при этом разомкнута, в связи с чем регулятор не обеспечивает подавления флуктуации температуры на нагревателе, которые, в частности, связаны, с колебанием напряжения питания нагревателя, изменением условий теплообменна, например, с изменением расхода теплообменного газа и т.д., что приводит к флуктуации температуры объекта. Кроме того, в терморегуляторе не учитывается инерционность нагревателя, что снижает точность регулирования температуры, так как при близких по величине постоянных времени нагревателя и объекта обеспечить его устойчивую работу затруднительно. Цель изобретения - повышение точности регулирования за счет подавления флуктуации температуры нагревателя . Поставленная цель достигается Тем, что регулятор температуры, содерзсащий термодатчик объекта и задатчик температуры, подключенные к элементу сравнения, выход которого подключен через усилитель-ограничитель к первому суммирующему входу сумматора, второй суммирующий вход KOTQporo соединен с термодатчиком объекта, а вЬход - с нагревателем, содержит термодатчик нагревателя, который подключен к вычитающему входу сумматора.. В таком устройстве термодатчик нагревателя, обеспечивает подавление флуктуации температуры на нагревателе в момент появления, до того как они проявят себя на объекте. На чертеже представлена структурная схема устройства. Устройство содержит элемент 1 сравнения, суммирующий вход которо-го соединен с выходом задатчика 2 температуры, а вычитающий вход подсоединен к выходу термодатчика 3 объекта. Выход элемент.а 1 сравнения по)гледовательно соединен с усилителемограничителем 4 с регулируемым уровнем ограничения, сумматором 5, усилителем 6, регулирующим органом 7- и - нагревателем 8, который воздействует на объект. Второй суммирующий вход сумматора подсоединен к выходу термодатчика 3 объекта, а вычитающий вход - к выходу термодатчика 9 нагревателя, расположенного в среде, непосредственно окружа ющей нагреватель. Термодатчик 9 подключен так, что его сигнал при алгебраическом суммировании в сумматоре 5 вычитается из выходных сигналов усилителя-ограничителя 4 и термодатчика 3. Регулятор температуры работает следующим образом. Задатчик 2 температуры вырабатывает сигнал, соответствующий требуемой температу. При изменении сигнала задания, например скачком сигнал рассогласования, равный разности между сигналом задания и сигналом термодатчика 3 объекта, усилившись усилителем-ограничителем 4, переведет его в режим ограничения, разомкнув тем самым второй контур регулирования. Первый контур получив управляющее воздействие, равное установленному уровню ограничения усилителя-ограничителя 4 отработает его так, что разность сигналов термодатчиков 3 и 9 станет равной выходному сигналу

усилителя-ограничителя 4. Объект нанет, например, разогреваться, однаК9 пока температура объекта не достигнет заданного значения, на выходе усилителя-ограничителя 4 будет поддерживаться постоянный сигнал. По этой постоянной команде первый контур будет изменять мощность нагревателя 8 так, чтобы разность температур между температурой нагревателя и температурой объекта (тепловой напор) была постоянна. Если, например, теплообмен между объектом и нагревателем осуществляется струей газа, последовательно омывающей в теплоизолированном канале нагреватель и объект, то градиент температур между газом и объектом будет постоянен, что соответственно вызовет линейное нарастание температуры объекта.

По достижении объектом заданной температуры, точнее/ когда усилитель-ограничитель 4 выйдет из режима ограничения, замкнется второй котур регулирования. Регулятор автоматически перейдет из режима линейной развертки температуры в режим стабилизации. При этом любая флуктуация температуры газа, вызванная либо колебаниями его расхода, либо, колебаниями напряжения питания нагрейателя,, как в режиме линейной развертки, так и в режиме стабили(зации, сразу же будет зафиксирована 1те1 лодатчиком 9 нагревателя и подавлена по первому контуру, не дойдя до объекта и термодатчика 3. А любы флуктуации температуры объекта в режиме стабилизации будут зафиксированы .термодатчиком 3 и подавлены по второму контуру.

Такта образом, регулятор температуры обеспечивает выход по линейнму закону с требуемой скоростью на заданное значение температуры с автоматическим переходом в режим стабилизации. При этом скорость изменения температуры можно изменять, изменяя уровень ограничения усилителяограничителя 4.

Кроме этого, регулятор температуры может также работать от прог граммного задатчика, реализующего требуемый закон изменения температуры. В этом случае достижение уровня ограничения усилетелем-ограничителем 4 может служить индикатором превышения максимальной скорости набора (сброса) температуры.

За счет наличия первого контура устраняется влияние инерционности нагревателя, обеспечивается линейна развёртка температуры и подавление флуктуации температуры нагревателя, что можно доказать следующим образом.

Пусть Ц -выходное напряжение усилителя-ограничителя 4, Ug, Ug выходные сигналы термодатчиков 3 и 9 соответственно, К - коэффициент передачи узлов 5, 6, и 7.

В упрощенном виде передаточную функцию нагревателя можно представить выражением

. 1

0

где постоянная времени нагревателя;

Р - оператор Лапласа, а передаточную функцию объекта

t5

.1 + ТоР

где T.(j - постоянная времени объекта.

Тогда для первого контура можно записать

(II;.U,-U,).K:. S .)

Отсюда

(14-ТнР) (1+ТоР)

+ТпР .

к

30

При достаточно большом К первым чле ном знаменателя можно пренебречь,

т.е.

. 1

(1)

З 4 Т. р

откуда следует, что влияние инерцион ности нагревателя устранено.

Из формулы (1) видно, что первый 40 контур по отношению к входному .сигналу и представляет собой интегратор. Это позволяет, задавая постояннь1й сигнал на вход первого контура, обеспечить линейную развертку тем45 пературы.

Сделав аналогичные выкладки для сигнала помехи действующего на нагреватель, получаем

тт п

(2)

ЗП n

50

где и, - сигнал помехи, зафиксированный термодатчиком 3; Un - сигнал помехи, приведенный к входу.нагревателя. Из формулы (2) следует, 4TQ сигнал помехи подавлен в К раз в первом контуре и, соответственно, возмущающее воздействие от сигнала помехи на нагревателе для второго контура в К раз меньше.

По сравнению с базовым объектом в качестве которого принят выпускаемый прибор регулирующий аналоговый Р 133 паспорт Е 3.222.013.ТО, предлагаемое устройство обладает расширенными функциональными возможностями, .так как обеспечивает раз вертку температуры с заданной скоростью с автоматическим переходом в режю стабилизации на выбранном значении температуры без применения генератора развертки. При этом повышается точность регулирования температуры за счет введения в регулятор дополнятельнот го контура регулирования с датчиком, контролирующим температуру среды, не посредственно окружающей нагреватель Дополнительный контур обеспечивает подавление флуктуации температуры нагревателя в момент их появления, до того как они проявят себя на объекте, т.е. реализуется принцип регулирования по возмущению без применения частотно зависимых элементов. Нгшример, при изменении расхода теплообмеиного газа на 20% при использовании Р1 33 наблкщгшось отклонение температуры на 10% от установившегос уровня. При аналогичном воздействии предлагаемое устройство обеспечило) отклонение температуры не более 2%. Дополнительный контур также уменьшает влияние инерционности нагревателя благодаря наличию отрицательной обратной связи по температуре нагревателя. Это повышает устойчивость работы .регулятора и улучшает его динами скиё характеристики. Кроме того, регулятор без применения дополнительных элёмейтов обеспечивает защиту нагревателя от теплового разрушения во время переходных процессов и в случае наруиюния теплового контакта нагрерателя с объектом (напрюн, есди шрекратится JIIPOTOK теплообмениого газа). Это обеспечивается тем, что дополнительным датчиком всегда контролируется температура нагревателя, а максимальная разность температур между нагревателем и объектом величина задаваемая и выбирается такой, чтобы исключить возможность теплового разрушения нагревателя.

РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ,- СО держащий термодатчик объекта и задатчик температуры, подключенные к элементу сравнения, выход которого подключен через усилитель-ограничитель к первому суммирующему входу сумматора,- второй суммирующий Ьход которого соединен с термодатчиком объекта/ а выход - с нагреват елем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования за счет подавления флуктуации темтемпературы нагревателя, он содержит термодатчик нагревателя,который подключен к вычитакхцему входу сумматора. 00 ;о СП Сл