Устройство для регулирования температуры Советский патент 1987 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к автомати- ческому, прецизиотнному регулированию температуры и может быть использовано в приборах и установках при необходимости регулирования температуры в широких пределах с минимальным временем перехода с одного уровня стабилизации на другой при минимальном перерегулировании.

Целью изобретения является повы- О 4U

шение быстродействия при заданном перерегулировании.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства для регулирования температуры; на фиг. 2 диаграмма работы устройства; на фиг.З. - пример ПИД-регулятора с изменяемыми параметрами закона регулирования; на фиг.4 - схема блока логики устройства.

Устройство содержит задатчик 1 температуры объекта, элемент 2 сравнения, формирователь 3 закона регулирования (ФЗР) с изменяемыми параметрами закона регулирования, ис- полнительньш элемент 4, компаратор 5, исполнительньй орган (например нагреватель) 6, блок 7 логики, теплоноситель 8, объект 9 регулировани датчик 10 температуры объекта, датчик 11 температуры теплоносителя, ключ 1.2. При этом теплопередача с нагревателя на теплоноситель производится в теплообменнике, датчики 10 и II температуры при необходимости могут содержать в своем составе измерительные преобразователи для нормирования их выходных сигналов.

Компаратор прещставляет собой двухпороговый дискриминатор с переключаемым порогом срабатывания, фиксирующий превышение абсолютным значением входного сигнала порога сра- батьшания.

На диаграмме (фиг.2а) показаны изменения температуры теплоносителя Т и объекта регулирования Тд; продолженная пунктиром кривая Т пока

зьшает ход изменения температуры объекта регулирования для классического ПИД-регулятора; Т - начальный уровень температуры объекта; Т - заданный уровень температуры объекта; Т , Ту у - минимальная и максимальная температуры теплоносителя.

В момент

В момент времени t подана команда

на увеличение теьшературы.

tj температура объекта вошла в допустимую область. В момент tj температура теплоносителя вошла в допустимую область. Пунктиром по обе стороны линии, соответствующей Т,, показана допустимая область по температуре.

На диаграмме (фиг.2б) приведено изменение сигнала на входе компаратора; пунктирные линии, обозначающие

О 4U

-

НДС

и - и,

нас

0

5

Q

0

5

0

5

отмечают максималь- выходе и

-Uo ньй и минимальный сигналы на элемента 2 сравнения, а + U, порог срабатывания компаратора (приведен простейший вариант, когда порог срабатывания не переключается).

На диаграмме (фиг.2в) показано изменение выходного сигнала компаратора, а на диаграмме (фиг.2г) - блока логики, где f- дпительность задержки. Наличие сигнала на выходе блока логики (единичное состояние) соответствует переключению в режим стабилизации температуры теплоносителя.

На фиг.З приведен пример реализации ФЗР 3, обеспечивающего безударное переключение параметров закона регулирования. Переключение параметров, установленных резисторами 13-15, осуществляется контактами реле 16. Обозначения К „ (К), Тут (Т,) Тдт (Tajj), принятые на фиг.З, соответствуют пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющим за- 5 кона регулирования при регулировании температуры теплоносителя (объекта).

Блок 7 логики (фиг.4) содержит два D-триггера 17 и 18, выполняющих функцию запоминающего элемента, элемент НЕ 19, элемент И-НЕ 20, элемент 21 задержки, вьтолненный на транзисторах 22 и 23.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда переходные процессы завершились и в объекте 9 регулирования установилось- заданное значение температуры, на выходе блока 7 логики управляющий сигнал равен нулю, ключ 12 находится в положении 1 и предлагаемое устрой- . ство вырождается в обычный классический регулятор температуры,работающий по ртклонению температуры объекта от заданной.

Устройство находится в режиме малых возмущений, пока сигнал отклонения температуры объекта от заданной

не выйдет из допустимой области, в которой устройство работает в линейном режиме регулирования. При этом сигнал задатчика I сравнивается на элементе 2 сравнения с сигналом об- ратной связи, поступающим через ключ 12 от датчика 10. Разностный сигнал поступает на вход ФЗР. В установившемся режиме, когда разностный сигнал равен нулю, в интегральном звене регулятора устанавливается такое управляющее воздействие на исполнительный элемент 4, чтобы рассеивае-i мая в теплообменнике мощность удерживала объект 9 на заданном темпера- турном уровне, контролируемом датчиком Ю.Дпя обширного класса систем прецизионного регулирования температуры в установившемся режиме температура теплоносителя 8 практически равна температуре объекта 9.

Если б устройство было линейно во всем диапазоне, то при значительном скачкообразном изменении задания за время переходного процесса в интег- ральном звене регулятора установилось бы новое значение сигнала, такое, что к моменту, когда температура объекта станет равной заданной, его величина будет достаточной для поддержания такой мощности в исполнительном органе (нагревателе) 6, чтобы удержать объект 9 на новом температурном уровне.

Однако в реальной системе регу- лирования Существует ряд ограничений, нарушающих линейность системы. Например, если в качестве теплооб- менного газа используется гелий, то минимальная температура теплоносите- ля при отключенном нагревателе равна температуре парообразования, т.е. 4,2 К при нормальном атмосферном давлении. В то же время нагреватель должен быть изолирован от окружающей его металлической конструкции, а термическая прочность материала электроизоляции ограничена, что ограничивает максимальную температуру теплоносителя. Имеется также ограничение по максимальной мощности исполнительного элемента 4, ограничен динамический диапазон ФЗР, что приводит или к перерегулированию или неоправданно низкому быстродействию уст- ройства для исключения перерегулирования .

Б предлагаемом устройстве при скачкообразном увеличении задания,

например на увеличение температуры, сигнал ошибки также скачкообразно возрастает и, если он превысит порог срабатывания компаратора 5, это означает, что устройство вышло из линейного режима, и потребуется изменение обычного алгоритма работы,рассмотренного ранее. Порог срабатывания (по- абсолютному значению) компаратора определяет допустимую область и выбирается соответствующим выходу всего устройства из линейного режима Этот сигнал является как бы запускающим для блока 7 логики, но его состояние он не изменяет. В прежнем режиме работы с максимальной скоростью, которую может обеспечить предельная мощность, выделяемая в исполнительном органе (нагревателе) 6, устройство изменяет температуру теплоносителя 8 и соответственно объекта 9. Температура его контролируется датчиком 10, сигнал с которого через ключ 12 поступает на элемент 2 сравнения. По мере приближения температуры объекта к заданной разностный сигнал с элемента 2 сравнения уменьшается. Как только этот сигнал достигнет порога срабатывания компаратора 5 (войдет в допустимую область) он устанавливается в нулевое состояние. Это означает, что разностньш сигнал достиг такой величины, что если бы устройство, находясь в установившемся режиме, получило бы этот сигнал в виде управляющего воздействия , то оно по контуру стабилизации температуры объекта отработало бы его без выхода в нелинейный режим с требуемым качеством регулирования. По этому сигналу блок 7 логики переходит в единичное состояние и переключает ключ 12 в положение II, подключая к входу элемента 2 сравнения датчик 11. Одновременно в компараторе 5 устанавливается меньший порог срабатывания, и в ФЗР 3 производится переключение параметров закона под постоянную времени теплообменника без учета постоянной времени объекта 9 регулирования и транспортного запаздьшания. Изменение пара- метров закона обычно сводится к значительному уменьшению постоянных времени интегрирования и дифференцирования и некоторому увеличению коэффициента пропорциональности и направлено на достижение оптимального по быстродействию регулирования

51

температуры теплоносителя. Настройка оптимальных параметров в этом режиме осуществляется предварительно, и по сигналу с логического устройства производится только их переключение.

Так как температура теплоносителя 8 в этот момент много больше заданной, разностньй сигнал на выходе элемента 2 сравнения меняет полярность и возрастает, что приводит к срабатыванию компаратора 5, но блок 7 логики остается в том же состоянии.

Устройство -регулирования с максимально возможным быстродействием начинает приводить температуру теплоносителя 8 в соответствие с заданием. Т.е. если из-за работы в нелинейном режиме интегральное звено ФЗР накопило сигнал, соответствующий ложному и даже невозможному уровню мощности, которую должен был бы выделить нагреватель , что в обычных системах неизбежно привело бы к затяжному колебательному процессу, то в режиме стабилизации температуры теплоносителя из-за упрощения передаточной функции устройства и .как следствие уменьшени постоянных времени динамической настройки ФЗР этот ложный сигнал быстро приводится в соответствие новому уровню температуры.

Когда температура теплоносителя становится равной заданной, или точнее, когда температура теплоносителя приближается к заданной настолько, что разностньй сигнал на выходе элемента сравнения начинает уменьшаться и достигнет уменьшенного порога срабатывания компаратора 5, в блоке логики по сигналу с компаратора включается элемент 21 задержки на время, немногим большее полупериода колебания в системе стабилизации температуры теплоносителя. Если за это время разностный сигнал не превысит уменьшенную допустимую область, это будет означать, что переходный процесс закончился. Если же в процессе установки температуры теплоносителя разностный сигнал вновь вьмдет за пределы допустимой области, элемент задержки сбрасывается и задержка вновь включается после входа в допустимую область на то же время, автоматически увеличивая длительность задержки.

Таким образом определяется конец переходного процесса, после чего

96

блок логики возвращается в нулевое состояние. После установления блока 7 логики в нулевое состояние возвращаются в исходное состояние 1 ключ

12, параметры закона ФЗР 3 и значение порога срабатывания компаратора 5. После перехода в исходный .режим стабилизации температуры объекта регулирования система оказывается подготовленной цля работы в линейном режиме. А именно: температура объекта регулирования приблизительно равна . данной; температура теплоносителя также приблизительно равна заданной;

управляющий сигнал ФЗР, учитывая, что изменение параметров динамической настройки производится с сохранением управляющего сигнала, оказывается близким к необходимому для поддержания температуры объекта на требуемом уровне. Это обеспечивает повышение точности за счет заданного значения перерегулирования и сокращение времени переходного процесса. Устройство работает аналогично при изменении задания в сторону уменьшения температуры.

Формула изобретения

1. Устройство для регулирования температуры, содержащее задатчик и датчик температуры объекта, последовательно соединенные элементы сравнения, формирователь закона регулирования (ФЗР) с изменяемыми параметрами закона регулирования, исполнительный элемент и исполнительный орган, связанный через теплоноситель с объектом, а также блок логики, причем выход задатчика соединен с одним из входов элемента сравнения,выход блока логики - с входом управления ФЗР, отличающееся тем, что, с целью повьшения быстро.дешствия при заданном перерегулировании, устройство содержит датчик температуры теплоносителя, компаратор и ключ, причем выход элемента сравнения подключен к входу компаратора, выход которого связан с входом блока логики, выход которого соеди- . нен с управляющими входами ключа и компаратора, датчики температуры через соответствующие преобразователи

подключены к входам ключа, выход которого соединен с другим входом эле- мешта сравнения.

2. Устройство по п.1, о т л и - чающееся тем, что блок логи713;

ки содержит два D-триггера, элемент НЕ, элемент И-НЕ и элемент задержки, причем вход блока соединен с С-вхо- дом первого D-триггера, через элемент НЕ - с С-входом второго D-триггера и через элемент задержки - с одним из входов элемента И-НЕ, выход

74098

которого подключен к R-входам D-триг- геров, а другой вход элемента И-НЕ связан с выходом блока и выходом второго D-триггера, D-вход которого

J соединен с выходом первого D-триггера, подключенного D-входом к шине источника питания.

Ц)иг.1

/г

frmof

Изобретение относится к автоматическому, прецизионному регулированию температуры. Цель изобретения повышение быстродействия при заданном перерегулировании. Для этого при помощи коьшаратора фиксируют выход величины сигнала отклонения температуры (СОТ) объекта от заданной из допустимой области и в момент возвращения его величины в допустимую область при помощи блока логики и ключа переходят от формирования управляющего воздействия (УВ) по СОТ объекта от заданной к формированию УБ по СОТ теплоносителя от заданной, обеспечивая установление температуры теплоносителя равной заданной с предельным быстродействием за счет изменения параметров закона ПИД-регу- лятора, и после окончания переходного процесса переходят к формированию УВ по СОТ объекта от заданной, начиная с уровня УВ, имевшегося на момент перехода. 1 з.п.ф-лы, 4 ил. (Л

Упр.

+

ЬИРедактор Т.Парфенова

Составитель Г.Крейман

Техред Л.Олийнык Корректор М„Демчик

Заказ 2422/42Тираж 863Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород, ул.Проектная,4