Многоканальный регулятор температуры Советский патент 1984 года по МПК G05D23/19 

со О

Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры, и может быть использовано, в частности для регулирования температуры малых объектов в микроэлектронике.

Известен многопозиционный бесконтактный регулятор температуры, содержащий датчики и задатчики по числу регулируемых точек, коммутатор, канал регулирования и блок формирования управляющего сигнала, в котором к выходу генератора пилообразного напряжения подключен вход канала поддержания теплового режима, выполненного из последовательно соединенных дифференциального усилителя и триггера Шмитта, а выход его циклически подключается к объектам регулирования, отключенным от канала регулирования 1.

Недостатком этого регулятора является низкая точность регулирования и низкие динамические показатели процесса регулирования вследствие того, что на объекты регулирования, отключенные от канала регулирования, поступают импульсы фиксированной скважности, установленной вручную, и не совпадающей со значением скважности управляющего воздействия, сформированного каналом регулирования для данного объекта.

Известен многоканальный щиротно-импульсный регулятор температуры, содержащий в каждом канале датчик и задатчик температуры, подключенные к последовательно соединенным ключу, усилителю, пороговому элементу, и исполнительный элемент, коммутатор и генератор шилообразного напряжения, выход которого подключен к входам порогового элемента и коммутатора, вьь ходы которого подключены к управляющим входам ключей, а также генератор импульсов и в каждом канале - элементы «Запрет, «Совпадение, «Сборка, «Сдатчик импульсов и триггер, причем выход генератора импульсов подключен к входу элемента «Запрет каждого канала, второй вход которого соединен с выходом коммутатора, и к входу одного из элементов «Совпадение каждого канала, второй вход которого соединен с выходом коммутатора, и третий - с выходом порогового элемента, выход первого элемента «Совпадение подключен к последовательно соединенным первому элементу «Сборка, второй вход которого соединен с выходом элемента «Запрет, счетчику импульсов, вход сброса которого подключен к выходу коммутатора, триггеру, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, второму элементу «Сборка, второй вход которого подключен к другому элементу «Совпадение, подключенному к выходу коммутатора и к выходу порогового элемента, а выход второго элемента «Сборка соединен с исполнительным элементом.

В этом устройстве обеспечивается запоминание регулятором скважности управляющего воздействия, сформированной щиротно-импульсным модулятором для i-oro объекта регулирования в последнем (по времени периоде подключения регулятора к этому объекту регулирования. Запомненное значение скважности управляющего воздействия автоматически обеспечивает включение i-oro исполнительного элемента на соответствующее время в каждом периоде квантования. При очередном подключении регулятора к этому объекту регулирования щиротно-импульсный модулятор формирует новое значение скважности управляющего воздействия вновь автоматически запоминаемое и воспроизводимое регулятором 2.

Недостатком устройства является низкая точность поддержания температуры за счет перерегулирования в те периоды квантования, когда контроль температуры i-oro объекта не проводится. Это перерегулирование тем больше, чем больще каналов регулирования в результате и чем меньще масса термостабилизируемого элемента.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является многоканальный пропорциональный регулятор температуры, который содержит по числу каналов датчики и задатчики температуры, подключенные через соответствующие, последовательно соединенные первые элементы сравнения и электронный ключи к первому входу компаратора, генератор импульсов и генератор синхроимпульсов, по числу каналов исполнительные элементы и элементы И, первые входы которых подключены к выходу компаратора, а также коммутатор импульсов, первые выходы которого соединены с вторыми входами электронных ключей и соответствующих элементов И, а первый вход - с выходом генератора синхроимпульсов, последовательно соединенные первый и второй счетчики импульсов, последовательно соединенные элементы памяти и вторые элементы сравнения по числу каналов, элементы запрета и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторым входом компаратора, а вход связан с первыми входами элементов памяти и с вторым выходом первого счетчика импульсов, первый вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а второй вход - к выходу генератора синхроимпульсов и к второму входу второго счетчика импульсов, выходом связанного с вторыми входами вторых элементов сравнения, первый вход элемента запрета соединен с первым выходом первого счетчика импульсов, второй вход - с вторым выходбм коммутатора импульсов, а выход - с вторым входом коммутатора импульсов, выходы элементов И подключены к вторым входам соответствующих элементов памяти, а выходы вторых элементов сравнения связаны с входами соответствующих исполнительных элементов. В этом регуляторе точность поддержания заданной температуры повыщена за счет того, что в каждый полупериод питающе го нагревателя напряжения производится измерение и сравнение температур по всем каналам, что позволяет в каждый период дискретизации подводить к нагревателю энергию, пропорциональную разности между истинной и заданной температурами в этом периоде времени 3. Однако у устройства недостаточная точность регулирования (не учитывается изменение температуры объекта в интервале между временем измерения температуры и временем включения импульса тока в нагреватель) , сложность и больщой объем конструкции за счет большого числа повторяющихся составных частей в каждом канале регулирования. Цель изобретения - повышение точности регулирования и упрощение конструкции устройства. Поставленная цель достигается тем, что в многоканальный регулятор температуры, содержащий в каждом канале датчик и задатчик температуры, соединенные через элемент сравнения с соответствующим информационным входом коммутатора, выход которого соединен с первым входом компаратора, связанного вторым входом с аналоговым выходом цифроаналогового преобразователя, вход синхронизации которого соединен с выходом формирователя синхроимпульсов и с входами синхронизации первого и второго счетчиков импульсов, выход переполнения цифроаналогового преобразователя связан с информационными входами первого и второго счетчиков импульсов, а тактовый вход цифроаналогового преобразователя подключен к выходу генератора импульсов и первому входу элемента запрета, второй вход которого связан с выходом первого узла сравнения, соединенного первым входом с выходом второго счетчика и управляющим входом коммутатора, введены соединенные последовательно элемент ИЛИ, третий счетчик, оперативный запоминающий блок, второй узел сравнения и дешифратор, связанный адресным входом, с выходом третьего счетчика импульсов и с вторым входом первого узла сравнения, причем вход разрешения считывания оперативного запоминающего блока соединен с выходом генератора импульсов, вход разрешения записи, - с выходом компаратора, а информационный вход - с выходом данных цифроаналогового преобразователя, вход синхронизации элемента ИЛИ связан с выходом переполнения цифроаналогового преобразователя, а второй вход - с выходом формирователя синхроимпульсов. На фиг. 1 изображена функциональная схема многоканального регулятора температуры; на фиг. 2 - временные диафрагмы работы устройства (условно для трех каналов регулирования). Регулятор температуры содержит задатчик 1 и датчик 2 температуры, подключенные к входам элемента 3 сравнения в каждом канале регулирования. Выходы элементов 3 всех каналов подключены к входам коммутатора 4, выход которого подключен к первому входу компаратора 5. Второй вход компаратора 5 соединен с аналоговым выходом цифроаналогового преобразователя 6, тактовый вход которого соединен с выходом генератора 7 импульсов, а выход переполнения - с информационными входами первого 8 и второго 9 счетчиков импульсов и с первым входом элемента 10 ИЛИ. Выход данных цифроаналогового преобразователя 6 подключен к входу данных оперативного запоминающего блока 11, вход разрешения записи которого соединен с выходом компаратора 5, вход разрешения считывания - с выходом генератора 7 импульсов, адресный вход - с выходом третьего счетчика 12, вторым входом первого узла 13 сравнения, а выход оперативного запоминающего блока 11 соединен с первым входом второго узла 14 сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого счетчика 8, а выход - с входом стробирования дешифратора 15, адресный вход которого соединен с выходом третьего счетчика 12. Адресный вход коммутатора 4 соединен с выходом второго счетчика 9 и с первым входом первого узла 13 сравнения, выходом соединенного с одним из входов элемента 16 запрета, второй вход которого соединен с выходом генератора 7 импульсов, а выход - с информационным входом третьего счетчика 12. Выход формирователя 17 синхроимпульсов соединен с входами синхронизации цифроаналогового преобразователя 6, счетчиков 8, 9 и вторым входом элемента 10 ИЛИ, выходом соединенного с входом синхронизации третьего счетчика 12. Работает регулятор температуры следующим образом. В момент включения регулятора to (фиг. 2) четчики 8, 9 и 12 (фиг. 1) и цифроаналоовый преобразователь (ЦАП) 6 устанавиваются в исходное (нулевое) состояние. улевой код с выхода счетчика 9 поступает а адресный вход коммутатора 4. Коммутаор 4 подключает к первому входу компараора 5 первый канал регулирования, с выхоа которого снимается сигнал, пропорциоальный измеряемой датчиком 2 температуе первого объекта регулирования (фиг. 2, ривая а). На входы узла 13 сравнения (фиг. 1) поступают коды с выходов счетчиков 9 и 12, и, поскольку эти коды совпадают (оба нулевые), с выхода узла 13 поступает на управляющий вход элемента запрета 16 сигнал, запрещающий прохождение через элемент 16 импульсов, поступающих на его вход с выхода генератора 7 импульсов. Импульсы с выхода генератора 7 поступают на тактовый вход ЦАП 6, на аналоговом выходе которого формируется ступенчатое напряжение, уровень которого пропорционален числу поступивщих на вход ЦАП 6 тактовых импульсов. На фиг. 2 это напряжение изображено условно пилообразным (кривая б). На выходе данных ЦАП 6 формируется двоичный код, пропорциональный числу поступивщих на вход импульсов. Ступенчатое напряжение с выхода и,АП 6 поступает на второй вход компаратора 5. В момент равенства входных сигналов (tj на фиг. 2) на выходе компаратора 5 (фиг. 1) формируется импульс, который поступает на вход разрещения записи оперативного запоминающего блока (ОЗБ) 11. Этим импульсом производится запись двоичного кода с выхода ЦАП 6 в ячейки памяти ОЗБ 11 с нулевым адресом, который поступает на адресный вход ОЗБ 11 С выхода счетчика 12. Таким образом в ОЗБ 11 записывается значение температуры первого объекта регулирования в момент tj (фиг. 2). Каждым импульсом с выхода генератора 7, поступающим на вход разрещения счи тывания ОЗБ 11, информация из ячеек памяти считывается на один из входов узла 14 сравнения. На второй вход узла 14 поступает код с выхода счетчика 8. Узел 14 сравнения сравнивает входные коды и при превыщении значения кода на втором входе над значением кода на первом входе на выходе узла 14 формируется сигнал, который поступает на стробирующий вход дешифратора 15, на адресный вход которого, поступает код с выхода счетчика 12, определяющий порядковый номер канала регулирования. Поскольку в момент времени ti (фиг. 2) на выходе счетчика 8 код нулевой, то на выходе узла 14 сигнал отсутствует. После заполнения счетчика ЦАП 6(1 на фиг. 2) на его выходе формируется импульс переноса и ЦАП 6 обнуляется. Начинается следующий период формирования ступенчатого напряжения, поступающего на вход компаратора 5. При этом импульсом переноса с выхода ЦАП 6 счетчики 8 и 9 переводятся в единичное состояние. Счетчик 9, изменив код на адресном входе коммутатора 4, подключает к компаратору 5 второй канал регулирования. Поскольку на первом входе узла 13 сравнения код изменился, а на втором входе остался нулевым (с выхода счетчика 12), узел 13 выходным сигналом разрешает прохождение тактовых импульсов с генератора 7 через элемент 16 запрета на вход счетчика 12. Счетчик 12 переводится в единичное состояние по заднему фронту входного тактового импульса. По переднему же фронту этого импульса производится считывание из ОЗБ 11 кода температуры в первом канале и сравнение его узлом 14 с изменивщимся на единицу кодом на выходе счетчика 8. При смене состояния счетчика 12 из нулевого в единичное узел 13 сравнения закрывает элемент 16 запрета и счетчик 12 остается в единичном состоянии, подключив к выходу данных ЦАП 6 ячейки памяти ОЗБ 11 с единичным адресом. Далее при формировании второго периода ступенчатого напряжения производится измерение и запись в ОЗБ 11 значения температуры во втором канале и сравнение кода этой температуры с кодом на входе счетчика 8 в узле 14 сравнения аналогично, как это происходило по первому каналу регулирования. Следующим импульсом переноса с выхода ЦАП 6 счетчики 8 и 9 устанавливаются в состояние два, а счётчик 12 обнуляется через элемент ИЛИ 10. Начинается следующий (третий) период формирования ступенчатого напряжения на выходе ЦАП 6. При этом счетчик 9 меняет значение на адресном входе коммутатора 4, который подключает к первому входу компаратора 5 третий канал регулирования. Поскольку счетчик 12 находится в нулевом состоянии, то первым импульсом с выхода генератора 7 производится считывание записанного в ОЗБ II значения температуры в первом канале регулирования и сравнение кода этой температуры с выходным кодом счетчика 8, увеличенного на очередную единицу, Задним фронтом первого тактового импульса с выхода генератора 7 счетчик 12 переводится в единичное состояние (элемент 16 запрета открыт, так как коды на входах узла 13 сравнения не совпадают), и вторым тактовым импульсом с выхода генератора 7 производится считывание записанного в ОЗБ 11 значения температуры во втором канале регулирования и сравнение кода этой температуры с выходным кодом счетчика 8. фронтом второго тактового импульса с генератора 7 счетчик 12 переводится в состояние два и узел 13 сравнения запрещает дальнейшее прохождение тактовых импульсов через элемент 16 запрета. К выходу данных ЦАП 6 оказываются подключенными ячейки памяти ОЗБ 11 с адресом двойки. В эти ячейки записывается значение температуры в третьем канале регулирования, измеренное аналогичным образом, как и в первых двух каналах. Таким образом, при измерении и записи значения температуры в очередном канале регулирования первыми импульсами с выхода генератора 7 опрашиваются ячейки ОЗБ

11 с адресами, соответствующими предыдущим каналам регулирования, и сравнение выходных каналов со значением кода на выходе счетчика 8, увеличиваемого каждый период ступенчатого напряжения на единицы. Когда значение постоянно возрастающего кода на выходе счетчика 8 (кривая в, фиг. 2), хотя бы на единицу превысит значение кода температуры в каком-либо канале регулирования, то на выходе узла 14 сравнения появляется сигнал, поступающий на стробирующий вход дешифратора 15. Поскольку на адресном входе дешифратора 15 всегда присутствует тот же код, что и на адресном входе ОЗБ и, то стробирующий сигнал поступает на тот выход дешифратора 15, который соответствует опрашиваемому в ОЗБ 11 каналу регулирования. Импульсом с выхода дешифратора 15 производится включение соответствующего исполнительного элемента (например, тиристорного ключа), которым включается соответствующий нагреватель (момент времени t на фиг. 2). В момент is перехода питающего нагреватель напряжения (кривая г, фиг. 2) через ноль (каждый полупериод fj питающей сети, (фиг. 2) тиристорный ключ закрывается, выключая нагреватель, а формирователь 17 синхроимпульсов (фиг. 1) формирует импульс сброса, устанавливающий ЦАП 6, счетчики 8, 9 и через элемент 10 ИЛИ счетчик 12 в исходное (нулевое) состояние, после чего процесс измерения температуры и соответствующего включения нагревателей повторяется.

Информационная емкость счетчиков 9 и 12 должна соответствовать числу каналов регулирования. Тогда процесс измерения и записи в ОЗБ 11 температуры в каждом канале будет повторяться с периодом (фиг. 2) после каждого обнуления счетчика 9, вследствие его переполнения. Это позволяет в каждый полупериод 3 питающего (сетевого) напряжения многократно (фиг. 2, точки а) производить измерение температуры в каждом канале, что значительно повышает точность регулирования за счет слежения за изменением температуры (фиг. 2, кривая а) во время to-t включенного состояния нагревателя. Разрядность счетчика 8 должна соответствовать разрядности ЦАП б, а период заполнения счетчика 8 должен соответствовать длительности полупериода tj питающего (сетевого) напряжения.

При изменении температуры регулируемого объекта изменяется значение кода, записываемого в соответствующие ячейки ОЗБ 11, что приводит к изменению момента f совпадения кодов на входах узла 14 сравнения и к соответствующему фазовому регулированию момента включения нагревателя относительно синхроимпульсов (моменты

Если в качестве исполнительных элементов использовать триггернме элементы включения, а в качестве источника синхроимпульсов использовать выход переноса счетчика 8, дополнительно соединив его со сбросовыми входами всех исполнительных элементов, то для питания нагревателей можно использовать источники постоянного напряжения. Устройство при этом будет работать в качестве щиротно-импульсного модулятора, обеспечивая пропорциональное уменьшение подводимой к нагревателю мощности по мере приближения истинной температуры регулируемого объекта к заданному значению.

Применение предлагаемого устройства в многопозиционных системах регулирования температуры позволяет повысить точность регулирования за счет многократного измерения температуры в течение каждого полупериода питающего (сетевого) напряжения.

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий в каждом канале датчик и задатчик температуры, соединенные через элемент сравнения с соответствующим информационным входом коммутатора, выход которого соединен с первым входом компаратора, связанного вторым входом с аналоговым выходом цифроаналогового преобразователя, вход синхронизации которого соединен с выходом формирователя синхроимпульсов и с входами синхронизации первого и второго счетчиков импульсов, выход переполнения цифроаналогового преобразователя связан с информационными входами первого и второго счетчиков импульсов, а тактовый вход цифроаналогового преобразователя подключен к выходу генератора импульсов и первому входу элемента запрета, второй вход которого связан с выходом первого узла сравнения, соединенного первым входом с выходом второго счетчика и управляющим входом коммутатора, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повыщения точности регулятора, он содержит соединенные последовательно эле.мент ИЛИ, третий счетчик, оперативный запоминающий блок, второй узел сравненля и дещифратор, связанный адресным входом с выходом третьего счетчика импульсов и с вторым входом первого узла сравнения, причем вход ра рещения считывания оперативного запоминающего бло(Л ка соединен с выходом генератора импульсов, вход разрещения записи - с выходом компаратора, а информационный вход - с выходом данных цифроаналогового преобразователя, вход синхронизации элемента ИЛИ связан с выходом переполнения цифроаналогового преобразователя, а второй вход - с выходом формирователя синхроимпульсов. со