Устройство для регулирования температуры Советский патент 1984 года по МПК G05D23/19 

о:

00

Изобретение относится к регулированию температуры с использованием электрических средств и может быть использовано в различных областях промьоиленности, в частности, при автоматизации технологических процессов для поддержания заданного уровня температуры с очень высокой степеныб точности.

Известно устройство для регулирования температуры, содержгодее генератор импульсов/ блок синхронизации/ блок запуска тиристоров, последовательно соединенные первый задатчик температуры, первый блок сравнения и реверсивный счетчик, последовательно соединенные блок измерения температуры, коммутатор, тиристорный ключ и нагреватель, а также блок изменения угла отсечки и последовательно соединенные второй задатчик температуры, второй блок сравнения и блок управления углом отсечки, причем второй выход блока измерения температуры соединен с вторым входом первого блока сравнения, а выход блока запуска тиристоров - с вторым входом тиристорного ключа, второй вход блока управления гглом отсечки соединен с выходом йервого блока сравнения и вторым входом второго блока сравнения, третий вход с выходом генератора импульсов, а выход блока управления углом отсечки соединен с в вторым входом реверсивного счетчика, выход которого связан с первым входом блока изменения угла отсечки, второй вход которого подключен к выходу блока синхронизации, а выход .к входу блока запуска тиристоров, второй выход блока измерения темпераТуры связан с третьим входом второгб блока сравнения, при этом блок управления углом отсечки содержит последовательно соединенные триггер и первый элемент И, выход которого связан свыходом блока, второй и третий входы первого элемента И соединены соответственно с первым и третьим входами блока, а вход триггера - с вторым входом, второй блок сравнения содержит последовательно соединенные компаратор и второй элемент И, выход которого связан с выходом блока, входы компаратора соединены с первым и третьим входами блока, с вторым входом которого связан второй вход второго элемента И, блок изменения угла отсечки содержит последовательно соединенные генератор, счётчик, нуль-брган и одновибраТор, выход которого связан с выходом блока, второй вход нульоргана соединен с первым входом блока, .второй вход KOTOJJoro связан с вторым входом счетчика.

Известное устройство для регулирования тегмпературы способствует

повышению точности поддержания заданного значения температуры за счет получения долговременного равновесного состояния, в результате чего в схеме не происходит регулирование , температуры при отсутствии внешних возмущений Cl.

Недостатком известного устройства является малая точность поддержания заданного значения температуры

О при больших значениях возмущающих воздействий, что ограничивает его использование.

Целью изобретения является увеличение точности устройства за с.чет

5 компенсации составляющей-ошибки, возникающей при больших возмущающих воздействиях.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для регулирования

0 температуры введены последовательно соединенные элемент НЕ, первый элемент И-НЕ и второй элемент И-НЕ, а также третий элемент И-НЕ, соединенный выходом со вторым входом вто5 рого элемента И-НЕ, причем вход элемента НЕ связан с выходом первого блока сравнения, второй вход первого элемента И-НЕ - с выходом блока синхронизации, входы третьего элемента Н-НЕ - с выходами блока изменения угла отсечки и с выходом второго блока сравнения, а вход блока запуска тиристоров - с выходом второго элемента И-НЕ.

Совокупность перечисленных узлов

5 функционально представляет собой второй коммутатор. Благодаря введению упомянутых элементов устройство, наряду со свойствами интегрального регулятора, приобретает свойства,

0 и релейного регулятора, что позволяет скомпенсировать составляющую ошибки, вызванную большими возмущающими воздействия,

5 На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для регулирования температуры; на фиг, 2 - блок управле- ния углом отсечки; на фиг, 3 - второй блок сравнения; на фиг, 4 - блок

л изменения угла оТ;Сечки; на фиг. 5 второй коммутатор.

Устройство содержит второй блок 1 сравнения, первый блок 2 сравне иия, блок 3 измерения температуры, нагреватель 4, генератор 5 импульсов, блок 6 -управления углом отсечки,первый коммутатор 7, тиристорный ключ 8, реверсивный счетчик 9, блок 10 изменения угла отсечки, блок 11 син0 хронизации, блок 12 запуска тиристоров, первый задатчик 13 температуры, второй задатчик 14 температуры, ,Блок 6 управления углом отсечки содержит триггер 15 и первый элемент

5 И 16, Блок 1 сравнения содержит компаратор 17 и второй элемент И 18: Блок 10 изменения угла отсечки со держит генератор 19, нуль-орган 20, счетчик 21 и одновибратор 22. Устройство содержит также формирователь 23 импульсов, который может представлять собой одновибратор, аналогичный одновибратору 22, и,кроме того, - второй коммутатор 24, который содержит элемен.т НЕ 25, первый элемент И-НЕ 26, второй элемент И-НЕ 27 и третий элемент И-НЕ 28. Блоки 2, 3 и 13 могут быть выполнены на любом двухпозиционном регуляторе температуры, например типа ПТР, ТК и др. Коммутатор 7 может быт выполнен на основе тиристорного ключа, блок 11 синхронизации - в виде двухстороннего ограничителя, дифференцирующей цепочки и формирователя импульсов, блок 12 запуска тиристоров - на любом мощном токовом ключе компаратор 17 - на основе операцион ного усилителя. На фиг. 1-5 приняты следующие буквенные обозначения: fj частота генератора 5 импульсов; ft. - частот генератора - последовательност импульсов, поступающих на счетный вход реверсивного счетчика 9; W ,- си Нсшуправления направлением реверси ного счетчика 9; В - потенциальные выходы реверсивного счетчика 9; А потенциальные выходы счетчика 21; 3 - сигнал записи фиксированного числа в реверсивный счетчик 9 М сигнал о действительной температуре Wj - сигнал, о заданной температуре и)ц- сигнал о заданной температуре, отличающийся на зону нечувствительности; N - импульсы запуска тиристоров; Ыл - мощные импульсы запуска тиристоров; mс - импульсы начальной установки числа в счетчика 21; L напряжение, поступающее на нагреватели; С - сигнал равенства; W), - си нал о равенстве действительной и заданной температуры; V -сигнал о превышении заданной температуры на величину лТ; к - сигнал об аварийном перегреве; Р - напряжение силового питания, включающееся при аварийном перегреве; Эк - сигнал установки триггера в исходное состояние при включении питания; Nj - последовательность импульсов запуска тиристоров, выработанных в момент перехода напряжения сети через нуль V - первая последовательность импульсов коммутатора 24; Vj- вторая последовательность импульсов коммут тора 24; N (j - последовательность им пульсов запуска тиристоров. Устройст:во для регулирования тем ратуры работает следующим образом. В устройстве используются сигналы и W,определяемое следующим образом. Сигнал Wимеет два логических состояния, описываемые следуюпдам выражением: -(;; если t 7 t (сложение) если t J t(вычитaниe),i где t - заданная температура объекта;t - действительная температура объекта. Сигнал W описывается следующим выражением: „ . Г 1, если t, t /21 « -jo, если tl ф tT Сигнал W используется для уфавления направлением счета реверсивного счетчика 9 и для образования последовательности импульсов t , поступающей на вход элемента И-НЕ 28, определяемой соотношением ГЫз,если t, tf(31 АО, если t tT Сигнал W-, используется для разрешения подачи на счетный вход реверсивного счетчика 9 последовательности импульсов N и для образования последовательности, поступающей на вход элемента И-ЙЁ 28, определяёNEJX соотношениями N - , если tj t 10, у ГЫ, , если tg tj 10, если t 3 t т Выражение (4) справедливо, когдапервоначальная температура достигнута. С выхода элемента И-НЕ 28 используется последовательность импульсов NV, служащая входным сигналом для блока 12 запуска тиристоров. Последовательность импульсов N определяется соотношением если t - : t если t, t (6) N.. MNj если t J t I 0, e( Как следует из соотношений (1) и (4), в реверсивном счетчике 9 хранится записанное число, которое складывается или вычитаэтся с последовательностью N в зависимости от соотношения действительной , t-, и заданной tj температур. В случае равенства действительной и заданной температур (t j tj) на счетный вход реверсивного счетчика 9 импульсы не поступают, в реверсивном счетчике 9 хранится накопленное число, полученное при достижении заданной температуры. При вноиних возмущениях (изменении питающих напряжений, внеш их условий и т.д.) нарушается ра-. венство температур, импульсы N поступают на счетный вход реверсивного счётчика 9, изменяя накопленное в нем число в необходимом направлении до получения нового равновесного состояния. Получению информации о фазовом перемещении угла отсечки служит бло 10 изменения угла отсечки (фиг, 4). Схема работае.т следующим образом. На счетный вхол счетчика 21 пост пают импульсы от генератора 19. На установочный вход счетчика 21 подаются импульсы Гор. Импульсы т фор мируются каждый раз, когда амплитуда питающего напряжения сети равна нулю, Каждый импульс из последовательности- т устанавливает в счетчи ке 21, заранее вы $ранное фиксированное число. Последовательность импульсов fg от генератора 19 вычитается из фиксированного числа, записанного в счетчика 21, уменьшая его содержимое до нуля. Содержимое реверсивного счетчика 9 и счетчика 21 поступает на нуль-орган 20, В результате сравнения числа, записан ного в реверсивном счетчике 9 с пос ледовательностью чисел счетчика 21 на выходенуль-орган 20, вырабатыва ется сигнал С, определяющий угол за жигания тиристоров. Этот сигнал обр зуется на выходе нуль органа 20 при равенстве чисел, поступающих от реверсивного счетчика 9 и счетчика 21, Изменение накопленного числа в реверсивном счетчике 9 приводит к изменению угла зажигания тиристоров тиристорного ключа 8, Как следует из соотношений (3), (5) и (6), в случае равенства действительной и заданной температур, вблок 12 запуска тиристоров поступает сигнал о значении угла за игания с реверсивного счетчика, что соответствует такому открытию тиристорного ключа 8, при котором устройство имеет долговременное устойчивое равновесное состояние, при установив шемся переходном процессе. В случае когда заданная температура превышает действительную, в блок 12 запуска тиристоров поступает последовательность импульсов, сфор1«рованных каждый раз, когда амплитуда питающего напряжения сети равна нугао, что соответствует полному открытию тирис - я - . торного ключа 8 и максимальному напряжению на нагревателе. В случае, когда-действительная температура превышает заданную, в блок 12 запуска тиристора импульсы не поступают, что соответствует закрытию тиристорного ключа 8 и отсутствию напряжения на нагревателе .1 Таким образом, устройство для регулирования имеет долговременное устойчивое равновесное состояние, которое достигается применением блока 6 управлением углом орсечки, схемы выработки сигналао равенстве действительной и заданной температур и соответствую аим выбором объема счетчика 21 импульсов, блока изменения -угла отсечки. Блок управления углом отсечки (фиг, 2) работает следующим образом При включении питания триггер 15 устанавливается в исходное состояние, запрешающее прохождение импульсов f через первый элемент И 16. Триггер 15 устанавливается в состояние, разрешающее прохождение ИМПУЛЬСОВ f при t tf, т.е. W-1. Таким образом, от момента включения до момента достижения заданной температуры на счетный вход реверсивного счетчика 9 не поступают импульсы с генератора 5 импульсов. Второй блок 1 сравнения (фиг. 3) вьаделяет сигнал W, описываемый выражением (2). Выработка сигнала W, доститается применением второго элемента И 18 и компаратора 17,, порог срабатывания которого отличается от порога первого блока 2 сравнения на требуемую зону нечувствительности. Компаратор 17 вырабатывает сигнал описываемый следующим выражением: f Jl, Принцип действия второго блока 1 сравнения, блока 6 управления углом отсечки обеспечивает необходимое условие дня получения долговременного равновесного состояния, однако без правильного выбора объема счетчика 21 это условие является недостаточным. Очевидно, что для получения долговременно равновесного состояния требуется выбирать необходимый угол отсечки для включения тиристоров тиристсч ного ключа 8. Для обеспечения всего рабочего диапазона температур желательно И5«ть непрерывную регулировочную характеристику . В дискретных системах это может быть достигнуто высокой степеныо аппроксимации непрерывной регулировочной характеристики. Степень аппроксимации определяется згшанным объемом информации (количеством разрядов в счетчике 21). Коммутатор .24 (фиг. 5) состоит из одного элемента НЕ 25 и трех элементов И-НЕ 26-28.Его работа описывается вырёикениями (3), (5) и (6). Работа устройства при поддержании заданного уровня температуры в случаях, когда tj t, т.е. заданная температура больше действительной; tj е Ц., т.е. заданная температура равна действительной; t t, т.е. заданная температура меныие действительной осуществляется следующим образом., В первом случае (W О, N f. N4) . В блок 12 запуска тиристоров поступает последовательность импульсов NJ, сформированных каждый раз, когд амплитуда питающего напряжения сети равна нулю, что соответствует полному открытию тиристорного ключа 8 и максимальному напряжению на нагревателе 4. Сигнал W О определяет операцию сложения реверсивного счетчика 9, Последовательность импульсов с nepi вого элемента И 16 поступает на сч-ет ный вход реверсивного счетчика 9. В результате ув,еличения числа в реверсивном счетчике 9 импульсов на выходе нуль-органа 20 уменьшается угол отсечки тиристоров ключа 8, что соответствует Увеличению напряжения, подаваемого на нагреватель 4, в случае подключения к блоку 12 запуска тиристоров гюследовательности импуль сов N. Таким образом, для рассматриваемого случая создаются условия, при которых t повышается. Во втором случае (W 1, , N ц N ) в реверсивном счетчике 9 хранится число, накопленное им для получения равновесного состояния. Угол отсечки включения тиристоров не изменяется, следовательно, не иэ меняется и напряжение, подаваемое на нагреватель 4, так как оно определяется последовательностью импульсов N, поступающей в блок 12 запуска тиристоров. Но в отличие от известного устройства, где напряжение на нагревателе 4 определяется только последовательностью импульсов N, в предлагаемом устройстве напряжение на нагревателе 4 определяется последовательностью N только при случае когда t .J с t, а в остальных .случаях последовательностью Ng и отсутствием импульсов запуска тиристоров. Поэтому при прохождении возмущающего воздействия в первый момент времени, когда tj достигает t , содержаьюе (число) реверсивного счетчика 9 не :соответствует числу, необходимому для получения равновесного состояни В реверсивном счетчике 9 появится число, соответствующее получению ра новесного состояния, через несколько интервалов времени, в течение ко торых объект регулирования пройдет последовательно несколько раз через состояния, когда t it tj или t- . t,. , что говорит о затягивании переходного процесса, в отличие от. .известного устройства, где переходной процесс кончался при первом достижении t заданной температуры. Таким образом, при появлении в реверсивном счетчике 9 числа, соответ ствующего появлению равновесного со тояния, в устройстве создаются усло вия для поддержания заданного уровня температуры до следующего изменения внешних условий. i 3 третьем случае (W , ; 1, N t f N с 0) в блок 12 запуска тиристоров импульсы не поступают, что соответствует закрытию тиристорного ключа 8 и отсутствию напряжения на нагревателе 4. В то же время сигнал W t 1 определяет операцию вычитания импульсов N в реверсивном счетчике 9. В результате уменьшения числа в реверсивном счетчике 9 увеличивается угол отсечки включения тиристоров ключа 8, что соответствует уменьшению напряжения, подаваемого на нагреватель 4, в случае подключения иМпульсов последовательности N к блоку 12 запуска тиристоров. Таким образом, для случая t з t в устройстве создаются условия, Ьри которых t-j. уменьшается. Таким образом, в устройстве для регулирования температуры также обес-печены необходимее и достаточные условия для получения долговременного равновесного состояния. В устройство, наряду с интегральным законом регулирования, добавлены элементы релейного закона регулирования за счет введения второго Коммутатора. При этом такое положительное свойство релейного закона регулирования, как быстродействие. Используется в предлагаемом устройстве для повышения точности при отpfaaoTKe больших возмущающих воздействий . Например, количество тепла, поступ щего на объект регулирования, изменилось скачком на Q. Регулятор уст1йЬйства должен скомпенсировать воз1)а1бщее воздействие, увеличив (уменьшив) температуру нагревателя. В известном устройстве компенсация возмущающего воздействия или качество регулирования зависит от выбранного диапазона частот f генератора 5 импульсов. Задача выбора диапазона частот f .J рещаегся в теории автоматического регулирования. При этом из условий устойчивости контура выбор частоты f-( однозначно связан с постоянной объекта регулирования и поэтому ограничен по величине сверху. Компенсация возмущающего воздействия будет зависеть от количества импульсов частоты f ,, поступивших на счетный вход реверсивного счетчику 9 за единицу времени, т.е. от величины . Величина соответствует uQ.j - приращению количества тепла, поступающего на объект регулирования за единицу времейи. Чтобы скомпенсировать возмущающее воздей- ствие Q,, необходимо, чтобы 1Х.да, . : 1 2 равнялась Q, где h - время.Пока происходит компенсация возмущающего воздействия, действительная температура объекта t изменяется от заданной температуры Ц на величину д-kp, а затем снова будет t . В предлагаемом устройстве компенсация возмущающего воздействия происходит иным образом. Приращение количества тепла, поступающего на объ ект регулирования AQyt в данном случае не зависжт от частоты f, а зави сит от разности между количеством тепла, выделяемым нагревателем, вклю ченным на полную мощность, и количеством тепла, вьзделяекяым нагревателем в СОСТОЯНИЕ долговременного равновесного состояния, соответствующего tj, либо количеству тепла, выделяемому нагревателем в состоянии долговременного равновесного состояния, соответствующего t,. Ясно, что приращениеilQjнамного прешддаает по величине дОдг Чтобы скомпенсировать такое же возмущаюа е ад ействие Qf необходимо, чтоС .&& равнялась Q , где m - время. .Так как л Qj 77 Л Q, то и п га, т.е. в этом случае компенсация возмущающего воздействия происходит за значительно меньший отрезок времени, и Ъ-гизменяется от tj на величину 4t, при этом величина 4tj,, будет значительно меньше At. Величины dt и &t характеризует точность поддержания заданной температуры. Из приведенных рассуждений ясно, что точность поддержания заданной температуры в предлагаемом устройстве будет выше, но при этом затягивается переходной процесс выхода устройства на новое долговременное равновесное состояние, соответствующее значению t,, Таким образом, в предлагаемом устройстве достигнута более высокая . Точность поддержания заданной температуры.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОБЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ по авт. св. 792225, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства. оно содержит последовательно соединенные элемент НЕ, первый элемент И-НЕ и второй элемент И-НЕ, а также третий элемент И-НЕ, соединенный выходом с вторым входом второго элемента ИТ-НЕ, причем вход элемента НЕ связан с выходом первого блока сравнения, второй вход первого элемента И-НЕ - с выходом блока синхронизации, входы третьего элемента И-НЕ - с выходами блока изменения угла отсечки и с выходом второго блока сравнения, а вход блока запуска тиристоров - с выходом второго элемента И-НЕ.

w

П

4V J

fff

w.

18