Термостатирующее устройство Советский патент 1985 года по МПК G05D23/19 

к входам усилителей мощности соответственно грубого и точного контуров, второй компаратор напряжения связан входом с выходом измерительнго преобразователя температуры, а выходом - с входом второго элемента ИЛИ-НЕ, причем выход ключа соединен с входом второго канала трехканального коммутатора, вход -третьего канала которого соединен с выходом импульсно-фазового детектора, выход измерительного преобразователя температуры связан с вторыми входами дифференциальных усилителей второго

3647

блока дифференциальных усилителей, первый выход первого триггера соединен с вторым входом первого элемента И, выход первого компаратора напряжения подключен к входу первого элемента ИЛИ-НЕ, выход третьего компаратора напряжения через первый канал трехканального коммутатора связан с входом усилителя мощности грубого контура, причем вход первого элемента И соединен с выходом первого элемента ШШ-НЕ, а второй выход опорного генератора связан с вторым входом .автогенератора.

ТЕРМОСТАТИРУКЯЦЕЕ УСТРОЙСТВО, Содержащее последовательно соединенные первый кварцевый резонатор, опорный генератор, первый формирователь импульсов, компаратор частоты и ключ, последовательно соединенные второй кварцевый резонатор, гетеродин, второй формирователь импульсов, первый блок сравнения частот и импульсно-фазовый детектор, последовательно соединенные пьезокварцевый датчик температуры, автогенератор, третий формирователь импульсов, второй блок сравнения частот, подключенный выходом к второму входу импульсно-фазового детектора,, последовательно соединенные первый блок измерительных преобразователей температуры, первый блок дифференциальных усилителей, первый блок компараторов напряжения, первый элемент ИЛИ-НЕ, последовательно соединенные блок задержки и первый триг-. Тер, второй вход которого связан с входом блока задержки и цепью Сброс, измерительный преобразователь температуры, подключенный выходом к входу первого компаратора напряжения и к вторым входам дифференциальных усилителей первого блока дифференциальных усилителей, а так- же усилители мощности г рубого и точного контуров, к выходам которых подключены соответствующие нагреватели грубого и точного контуров, отличающееся тем, что, с целью повышения точности управления теплофизическим объектом в переходном режиме, оно содержит второй комт (Л паратор напряжения, трехканальный коммутатор, второй триггер, последос вательно соединенные первый элемент И, элемент ИЛИ и третий компаратор напряжения, а также последовательно соединенные второй блок измерительных преобразователей,температуры, второй блок дифференциальных со усилителей, второй блок компарато00 О) ров напряжения, второй элемент ИЛИНЕ и второй элемент И, подключенный 4ib выходом к второму входу элемента ШШ,-второй триггер подключен первым входом к цепи Сброс, вторым входом - к второму выходу компаратора частоты и управляющим входам ключа и импульсно-фазового детектора, прямой выход второго триггера связан с управляющим входом первого канала трехканального коммутатора, а инверсный выход второго триггерас управляющими входами второго и третьего каналов трехканального коммутатора, выходы которых подключены

Изобретение относится к технике автоматического регулирования темпе ратуры, конкретнее к системам управ ления термостатами, предназначенными для прецизионного термостатирова ния различньпс радиоэлектронных элементов автоматики, а также к оптимальнь по быстродейсфвию устройствам управления объектами с распреде ленными параметрами. Цель изобретения - повышение точ ности управления теплофйзическим объектом в переходном режиме. На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - функциональная схема компа ратора частоты; на фиг. 3 - временная диаграмма работы термос-Гатирующего устройства в статическом режим на фиг. А - временная диаграмма работы термостатирующего устройства в переходном режиме. Термостатирующее устройство (фиг. О содерзкит пьезокварцевый датчик 1 температуры, первый блок измерительных преобразователей 2 те пературы с терморезисторными датчиками, второй блок измерительных пре образователей 3 температуры с термо резисторными датчиками, измерительный преобразователь 4 температуры, первый блок 5 дифференциальных усилителей, второй блок 6 диффернциаль ных усилителей, первый блок компара торов 7 напряжения, первый компаратор 8-1 напряжения, второй компаратор 8-2 напряжения, второй блок ком параторов 9 напряжения, первый элемент ИЛИ-НЕ 10, второй элемент ИЛИИЕ 11, первый элемент И 12, второй элемент И 13, элемент ИЛИ 14, первый триггер 15, блок 16 задержки, третий компаратор 17 напряжения, второй триггер 18, трехканальный коммутатор 19 напряжений, первьШ кварцевый резонатор 20,второй кварцевый резонатор 21, автогенератор 22, опорный генератор 23, гетеродин 24, первый формирователь 25 импульсов, второй формирователь 26 импуль сов, третий формирователь 27 импульсов, компаратор 28 частоты, первый блок 29 сравнения частот, второй блок 30 сравнения частот, ключ 31, импульсно-фазовый детектор 32, усиг литель 33 мощности грубого контура, усилитель 34 мощности точного контура, нагреватель 35 грубого контура, нагреватель 36 точного контура, цепь Сброс 37ч, по которой подается установочный сигнал (Сброс). Кроме того, компаратор 28 частоты (фиг. 2) состоит из блока 28-1 сравнения частот и блока 28-2 определения знака разности частот, которые., в свою очередь,содержат третий триггер 38 (со счетным входом), третий элемент И 39, четвертый элемент И 40, четвертый триггер 41, четвертый формирователь 42 импульсов, второй блок 43 задержки, пятый элемент И 44, шестой элемент И 45, пятый триг3rep 46, шестой триггер 47,. седьмой триггер 48. В устройстве объект термостатиро вания представлет собой объект с распределиными параметрами (РП-объект) и для оптимального управления им по принципу обратной связи он должен быть наблюдаем, т.е. в задан ные точки РП-объекта термостатирова ния для контроля его состояния в ка дьиЧ момент времени в переходном режиме установлены датчики температуры. В таком устройстве в качестве измерительных преобразователей 2-4 температуры в напряжение может прим ятьcя термочувствительный мост, подключенный к входу диффернциальнь1х усилителей, а также пирометр. Причем датчик измерительного преобразователя 4 установлен на входе объекта управления рядом с нагревателем (в точке N РП-объекта), а остальные k + 11 датчиков измерительны преобразователей 2 и 3 температуры установлены в различных заданных точках М, объекта термостатирования (на выходах объекта термостати{)ования) . Малая постоянная времени основное требование, предъявляемое ж преобразователям 2-4, позтому в качестве датчиков к ним желательно применять терморезисторные датчики температуры (например, бусинкового типа), которые при этом обеспечивают и достаточную точность измерения температуры. Пьезоквардевый датчик 1 температ ры устанавливается в заданную точку объекта термостатирования, для кото рой необходимо поддерживать прецизи онное термостатирование (в устано:Лившемся режиме). Рассмотрим работу устройства (фиг. 1), где в качестве нагревателя 35 грубого контура возьмем, напр мер, управляемую реверсивную термобатарею. При включении питания на блок 16 задержки и на триггеры 15 и 18 чере зажим Сброс 37 подается установоч нь1й сигнал (Сброс), который устанавливает схему в исходное положени После этого коммутатор 19 под дейст вием управления с триггера 18 под1шючает выход третьего компаратора к входу усилителя 33 мощности грубо го контура, а выходы ключа 31 и импульсно-фазоБого детектора 32 отклю чает от соответств тощих входов уси 47 лителей мощности грубого и точного контуров. В свою очередь триггер 15 разрешает прохождение импульсов с выхода первого элемента ИЛИ-НЕ 10, а прохождение импульсов с выхода второго элемента ИЛЙ-НЕ 11 при этом запрещает. Выходными наблюдаемыми координатами У; РП-объекта является температура THJ в точке N на выходе РП-объекта, температурные перепады в различных точках Mj относительно точки N, т.е. T,v. - Т,ц сГТ;, точкой L обо:зяачена точка РП-объекта с максимальной величиной времени запаздывания. Па вторые входы компараторов первого и второго блока компараторов 7 и 9 подаются напряжения, соответствующие допустимым предельным-значениям температурных перепадов М.. На второй вход первого компаратора 8-1 подается напряжение, соответствующее предельно допустимой темпера-. туре на входе РП-объекта, т.е. соответствующее Т jj, а на второй вход компаратора 8-2 подается напряжение, соответствующее заданной конечной температуре статирования Т... Таким образом, на выходах компараторов 7, 8-1, 8-2 и 9 в завис1смости от значений наблюдаемых выходных кооопинат У; объекта получаем логические О или 1, которые далее поступают на логические элементы ИЛИ-НЕ 10 и 11. В переходном режиме устройство работате следующим образом. При оптимальном быстродействии на вход объекта с начального момента времени подается максимальное управляющее воздействие и,.. до тех пор, пока одна из выходных координат объекта достигает своего предельного значения У- . После этого входное воздействие уменьшается скачком и регулируется (релейно) так, чтобы выходная координата не превьш1ала допустимого значения, т.е. скользила по области допустимых значений координат объекта. И так продолжается до определенного фиксированного мо-мента времени IT Р О, Tpj. Скорость подвода энергии к РП-объекту в этот промежуток времени.превышает скорость распространения тепла (выравнивания) по объекту, поэтому теплота в основном сконцентрирована на входе объекта. Этот промежуток времени называется временем фиксированного разгона РП-объекта в режим. К

концу этого промежутка времени объект обладает энергией больше той, которая соответствует его заданному конечному состоянию. Для этого интервала 1} введем обозначения:

r.p«(iii-V)°

.,)h|o,.,y,|.,.,,., Ь)

где i 1,2,,.., п, п + 1, причем п + 1 - количество выходных координат У, на которые наложены ограничения .

Б момент времени Т задерживаемьш импульс Сброс с выхода блока 16 задержки перебрасывает первый триггер 15 в другое состояние. В свою очередь первый триггер 15 запрещает прохождение Импульсов с вы- хода первого элемента ИЛИ-НЕ 10, а прохождение импульсдв с выхода второго элемента ШШ-НЕ 11 разрешает.

Таким образом, в момент времени Т подается предельное управляющее воздействие ( ) до тех пор, пока хотя бы одна из выходных коорди иат объекта достигает предельного значения.. Далее идет скольжение по области допус-тимых значений координат объега. Как толко последняя координата объекта переместится с границы области Qvj допустимь1х значений внутрь этой области, то на объект снова подается предельное управляющее воздействие (и пр ). И так продолжается до тех пор, пока темперггтура на входе объекта достигает заданного конечного значения. Этот промежуток времени называется временем форсированнс о торможения объекта. Для

этого интервала е введем обозначения:

1,np« hi.

o-,

-3

l

JAOfT

(2)

0|При( -Q,

I vh

где j 0, 1, 2,...i K, причем К количество выходных координат У, на которые наложены ограничения. Если ввести обозначения

1, при -,

и(1

Сз) 0, при иСг) и;р,

то при релейном двухпозиционном управлении в переходном режиме оператор и (У) управляющего устройства с учетом обозначений (1) - (3) можно представить в том виде

...VF, при ,,

и

F VF;MF V,..VF;;, „р« r.tr .

Графики переходных процессов в РП-объекте при оптимальном управлении приведены на фиг. 4. Временной

5 интервал 0, удобства рассмотрения разбит на восемь участков (фиг. 4 а).

На интервале 0-1 РП-объект движется с максимальной скоростью при предельном значении управляющего возДействия (и р ) в сторону максимального увеличения температуры Т на входе объекта. В конце интервала 0-1 объект достигает границы области

5 допустимого значения температурного перепада сГТ ,(jf, в заданных точках и в течение отрезка времени 1-2 скользит по границе этой области (фиг.4в). На интервале 2-3, когда температур0 чый перепад уменьшается, т.е. L Ic/Ti bn j РП-объект снова двигается с максимальной скоростью при предельном значении управляющёго воздействия до тех пор, пока не достиг гает предельно допустимого (граничного) значения второй координаты, т.е. до момента достижения максимально допустимой температуры на входе РП-объекта ) На интерQ вале 3-4, РП-объект скользит по границе области допустимого значения температуры на его входе, т.е. поддерживается температура Т|(7) Т

МАОП (фиг. 4 г).

На интервале ((Г,(Гр) есть один участок 5-6 стабилизации (скольжения), где температурный перепад сГГ: поддерживается уже на другом предельно допустимом уровне (фиг. 4 в).

Графики -изменения температуры Тщ(1) на входе РП-объекта изменения температуры TXt) в точках L и Т. (с) в одной из промежуточных точек М- РП-объекта приведены на фиг. 4 г.

Графики изменения количества теплоты Qjji (,С), содержащейся в РП-объекте в процессе, оптимального управле7

,ння, и.ее первой производной ) . dQc/7/dс приведены на фиг. 4 б, 1 Для функции Wj, (Е-) характерным яляется то, что она в течение времени , является положительной а в момент времени меняет свой знак на обратный и на интервале времени 1 остается отрицателной функцией.

На блоках 1, 19-36 предлагаемого ,устройства осуществляется принцип терморегулирования, основанный на сравнении частоты и фазы пьезокварцевого датчика 1 с частотой и фазой опорного генератора 23 при использовании гетеродина 24.

Вторая часть схемы (фиг. 1) включает Каналы грубого и точного терморегулирования. Временная диаграмма работы грубого и точного каналов представлена на фиг. 3, где диаграмма (а) показывает изменение температуры в заданной точке камеры термостата.

Канал грубого терморегулирования работает следующим образом. Пьезоквардевый датчик 1 температуры возбуждается в схеме автогенератора 22 с выхода которого напряжение через третий формирователь 27 импульс.ов поступает на компаратор 28 частоты. На другой вход компаратора 28 частоты поступает через второй формирователь 26 импульсов напряжение опорного генератора 23, стабилизированного первым кварцевым резонатором 20. Компаратор 28 частоты (фиг. 2) состоит из двух блоков: блока 28-1 сравнения (определения величины разности) частот и блока 28-2 определения знака разности частот датчика 1 и опорного генератора 23.

. Блок 28-1 сравнения частот вырабатывает импульсы постоянной длительности (фиг.- 36) с периодом повторения, равным Т 1/F, где F f - f о разность частот опорного генератора 23 и датчика 1 соответственно. Момент, когда разность частот опорного генератора 23 и датчика 1 меняет свой знак на обратный, соответствует тому, что температура в термостатирующем устройстве достигает заданного конечного значения Т. В этот момент срабатывает пятый триггер 46 блока 28-2, который перебрасывает второй триггер 18. После этого коммутатор

936478

19 под действием управления с триггера 18 отключает выход третьего компаратора 17 от входа усилителя 33 мощности грубого контура, а выходы ключа 31 и импульсно-фазового детектора 32 подключает к соответствующим входам усилителей 33 и 34 мощности грубого и точного контуров. С этого момента терморегулиро10вание осуществляется исключительно по сигналу с пьезокварцевого датчика 1 температуры.

При изменении в процессе терморегулирования разности частот F fon - f меняется скважность им15пульсов и, следовательно, средняя мощность нагревателя.

Импульсы через ключ 31, управляемый потенциалом с выхода блока 28-2 определения знака разности

20 частот, (фиг. Зв) поступают на усилитель 33 мощности, нагрузкой которого является нагреватель 35. Блок 28-2 определения знака закрывает ключ 31, если fa. 7 f op.

25

Для синхронизации частоты датчика 1 частотой опорного генератора 23 оба генератора связаны цепью синхронизации, представляющей собой делитель напряжения. Если в процес30се нагревания термостата частота датчика 1 приближается к частоте опорного генератора 23 на величину порядка 2-10 . от номинала, происходит захват частоты первого из них. 35 Таким образом, схема терморегулирования является астатической по частоте. В зоне захвата частоты происходит регулирование температуры по величине, рассогласования фаз напря40жений генераторов 22 и.23, реализуемое точным контуром, работа которого происходит следующим образом.

Напряжение гетеродина 24, стабилизированного вторым кварцевым ре зонатором 21, через второй формирователь 26 импульсов поступает на блоки 29 и 30 сравнения частот. На другие входы этих блоков сравнения частот подаются импульсные напряже50ния автогенератора 22 и опорного генератора 23. С выходов блоков 29 и 30 сравнения на импульсно-фазовый детектор 32 поступают импульсные напряжения частоты повторения F со 55 скважностью 2, имеющие автогенератора 22 и опорного генератора 23 соответствен1го (фиг. Зг, д), Детектор 32 вырабатывает импульсное

9

напряжение (фиг. Зе) со скважностью, пропорциональной отклонению температуры в камере термостата от номинальной. Кроме того, детектор 32 может отключаться управляющим напряжением, поступающим.с блока 28-2 определения знака разнойти частот в случае перегрева камеры термоста-. та.

В предлагаемом устройстве момент , перехода от форсированного разогрева к формированному охлаждению, KOTopHii определяется блоком 16 задержки, зависит от начальных и граничных условий, а также от величины заданной температуры статирования и от ограничений, накладываемых на унрапленпе и выходные координаты Y объекта. Поэтому время задержки блока 1 б задержки определяется предварительно, например, методом моделирования. Если же время задержки нредваргггельно таким путем определить невозможно, то его достаточно просто можно определить экспериментально на предлагаемом устройстве. При этом оператор, наблюдая переходный процесс с помощью измеритель ного устройства (например, вторичного самопишущего прибора), каждый

10

193647

раз от одного запуска к другому регулирует время задержки блока 16 до тех пор, пока перерегулирование в заданной точке объекта будет соответствовать заданному. Как правило, такой выходной точкой является точка L объекта регулирования. Если в процессе эксплуатации предлагаемого устройства изменились параметры, от которых зависит время задержки С блока 16 задержки, то время задержки этого блока необходимо при этом определить заново.

Предлагаемое устройство позволяет осуществлять оптимальное по быстродействию управление теплофизическими объектами с распределенньми параметрами при одновременно накладываемых ограничениях как на управляющее воздействие, так и на выходные координаты РП-объекта, т.е. когда ограничена величина максимальной температуры на выходе РП-объекта, а также допускает наложения целого

ряда ограничений на температурные перепады в заданных точках РП-объек-та. При этом устройство обеспечивает высокую точность стабилизации температуры (не ниже 710 С при температуре окружающей среды 5-45°С).

----1 7

Pus.2