Регулятор температуры Советский патент 1988 года по МПК G05D23/19 

1

сл

00

о

N9

СО

влтель 3, вычислительное устройство 4, преобразователь код-фаза 19, элемент И 18,. тиристорный стабилизатор тока (9, 10), термоэлектрическую батарею 7, два аналоговых ключа 5, 6. Импульсный сигнал с выхода эле- r-ieHTa сравнения стабилизатора тока проходит на схему управления тирис- торного вьтрямителя 9, являющегося силовой частью стабилизатора тока, чрез второй вход элемента И 18. В регуляторе тиристорный вьтрямитель ох- Ватьшается отрицательной обратной связью по току и через термобатарею протекает стабилизируемый ток, величину которого устанавливают оптимальной в зависимости от выбранного одного из двух режимов работы термобатареи - максимальной холодопро- изводительности или максимальной эффективности. Затем происходит об- рьш отрицательной обратной связи по току и устанавливается отрицательная обратная связь по температуре, и устройство начинает работать как регулятор температуры. Обрыв отрицательной обратной связи по току в режиме стабилизации температуры исключает автоколебательный режим в системе, возникающий за счет наличия порога чувствительности по управляющим электродам тиристоров, что позволяет снизить максимальную ошибку регулирования и повысить надежность работы устройства,, 1 з.п. ф-лы .1 ил.

Изобретение может быть использовано для программного регулирования температуры с помощью термоэлектрической батареи. Цель изобретения повышение точности и надежности. Регулятор содержит последовательно соединенные датчик температуры 1 объекта 2, аналого-цифровой преобразо

,-

1

Изобретение относится к системам автоматического управления, а именно к термоэлектрическому приборостроению и может быть применено для программного регулирования температуры.

Целью изобретения является повышение точности и надежности регулятора.

На чертеже представлена блок- схема регулятора температуры.

Регулятор температуры содержит последовательно соединенные датчик 1 температуры, расположённый на объ- акте 2, температура которого регулируется, аналого-цифровой преобразователь 3 и вычислительное устройство 4, один из выходов которого подключен к управляющим входам анало- говых ключей 5 и 6, выходы которых соединены с входами термоэлектрической батареи 7, находящейся в тепловом контакте с объектом 2 регулирования, источник 8 переменного напря- жения, управляемый тиристорньпй выпрямитель 9, фильтр 10 низких частот, образирвьш резистор I1, формирователь 12 импульсов, генератор 13 пилообразного напряжения, синхронизирую- щий вход которого соединен с третьим выходом формирователя 12, а выход - с первым входом аналогового элемента 14 сравнения, усилитель 15, задатчик 16 тока, нуль-орган 17, вы5

0

.. - 25 -

ходом соединенный с одним из входов элемента И 18, и преобразователь 19 код - фаза.

Источник 8 переменного напряжения вьэтолнен в виде трансформатора, первичная обмотка 20 которого подключена к сетевому напряжению, при этом вьшоды первой вторичной обмотки 21 являются первым выходом источника 8, одни из контактов второй 22 и третьей 23 вторичных обмоток соединены с шиной нулевого потенциала, а другие контакты являются соответственно вторым и третьим выходами источника 8.

Формирователь 12 содержит диоды 24 и 25, аноды которых являются соответственно первым и вторым входами формирователя 12, а катоды подключены через резисторы 26 и 27 к базам транзисторов 28 и 29 соответственно, эмиттеры которых соединены с щиной нулевого потенциала, а коллекторы соответственно через резисторы 30 и 31 подключены к шине положительного потенциала. Крюме того, формирователь 12 содержит два трехвходовых элемента И 32 и 33, один двухвходо- вой элемент И 34 и генератор 35,

Генератор пилообразного напряжения вьшолнен в ввде интегратора на операционном усилителе 36, в отрицательную связь которого включен кой- денсатор 37, зашунтированный аналоговым ключом 38, причем инвертирующий вход операционного усилителя «36 через резистор 39 соединен с шиной положительного потенциала, а неинвертирующий вход - с шиной нулевого потенциала. При этом выход операционного усилителя 36 и управляющий вход аналогового ключа 38 являются соответственно выходом и входом генератора 13 пилообразного напряжения.

Аналоговый элемент 14 сравнения вьтолнен в вице резисторов 40, 41 и 42, причем первые выводы резисторов 40, 41 и 42 являются соответственно первым, вторым и третьим входами элемента 14 сравнения, а вторые вьшоды этих резисторов соединены между собой и являются выходами элемента 14 сравнения.

Усилитель 15 вьтолнен на операционном усилителе 43 с резистором 44 в цепи обратной связи, причем инвертирующий вход усилителя 43 подключен к одному из вьшодов резистора 45 и является входом усилителя 15, а неинвертирующий - к шине нулевого потенциала. Выход операционного усилителя 43 является выходом усилителя 15,

Задатчик 16 тока выполнен в виде потенциометра 46, вьтоды которого подключены к шине источника положительного потенциала и шине нулевого потенциала, а движок является выходом задатчика 16,

Нуль-орган 17 вьшолнен на опера- ционном усилителе 47, причем неинвертирующий вход операционного усилителя 47 соединен с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход является входом нуль-органа 17, а выход- выходом нуль-органа 17.

Преобразователь 10 код - фаза содержит счетчик 48 с логической схемо предварительной установки, информационные входы параллельной записи которого являются входами преобразователе 19 код - фаза, генератор 49, подключенный к счетному входу счетчика 48 и RS-триггер 50, вход которого соединен с выходом прямого переноса счетчика 48,

Регулятор работает следующим образом .

Изменение температуры объекта регулирования преобразуется датчиком 1 в электрический сигнал и затем

0

5

0

аналого-цифровым преобразоватепем 3 в цифровой код, поступающий нп i l.i- числительное устройство 4, Вычислительное устройстов 4 по программе, записанной в его память, производит обработку поступившей информации и вьдает на выходы цифровой код управляющего сигнала, соответствующий определенному закону регулирова- вания При этом напряжение на выходе вычислительного устройства, соответствующее сигналу полярности рассогласования заданной в данньп т . временной интервал температуры в текущей реальной температуры объекта 2, коммутирует аналоговые ключи 5 и 6 так, чтобы через термобатарею 7 протекал ток такого направления, при котором это рассогласование стремится уменьшиться до нуля.Выходной код вычислительного устройства 4 поступает на входы предварительной установки счетчика 48, Одновременно се5 тевое напряжение трансформируется трансформатором источник, 8 переменного напряжения. Напряжение с его вторичных обмоток 22 и 23 поступает на первый и второй входы формирова0 теля 12, Однополупериодные выпрямители на диодах 24 и 25 пропускают

через ограничительные резисторы 26 и 27 на базы транзисторов 28 и 29 сигналы, которые усиливаются и ограничиваются транзисторами 28 и 29, Сигналы с точек соединения резистора 30 и коллектора транзистора 28, а также резистора 31 и коллектора транзистора 29 поступают на входы элемента И 34, При этом на выходе элемента И 34 формируется сигнал, который является синхронизирующим для работы преобразователя 19 код - фаза и генератора 13 пилообразного напря5

0

45

50

55

жения с удвоенной частотой сетевого напряжения. Этот сигнал с третьего вькода формирователя, поступая на синхронизирующий вход преобразователя 19 код - фаза и далее на R-вход RS-триггера 50, устанавливает в начале каждого полупериода сетевого напряжения выход триггера 50 в нулевое состояние. Одновременно этот сигнал поступает на управляющий вход предварительной записи счетчика 48 и записьюает вьжодной код вычислителного устройства, поступающий на входы преобразователя 19 код - фаза в его счетчик 48,

В это время на счетный вход счетчика 48 поступает импульсный сигнал с генератора 49. При переполнении сигнал переноса с выхода счетчика 48 поступает на S-вход триггера 50 и перебрасывает сигнал на его выходе в единичное состояние, в котором он будет находиться до следующего полу- Т1ериода сетевого напряжения.

Таким образом, на выходе формирователя 19 код - фаза 19 в течение каждого полупериода сетевого напряжения формируется единичный импульс.

Иомент появления переднего фронта ко- 15 которого синхронизирован с полупе30

:торого определяется значением кода на Ьходе преобразователя 19 код - фаза, |1ри этом время t, прошедшее от нача- па периода до момента появления еди- ичного импульса и определяемое из 20 равенства п,., n,+tfc, где п -разрядность счетчика 48, п - значение сода на входе преобразователя 19 код- фаза, fj, -частота генератора 49, 1равно:25

f fo

Из последнего выражения видно, что при значительном рассогласовании регулируемой температуры и заданной и соответствующем ему управляющем сигнале большой величины, т,е, большом значении кода на выходе вычис- . лительного устройства 4, значение времени будет мало,

i При этом на выходе преобразовате- iH 19 код - фаза формируются импуль- :ы значительной длительности, которые, поступая на вход элемента И 18, разрешают на время, определяемое этой длительностью, прохождение сигнала на вход элемента И 18 с второго его входа, подключенного к выходу нуль-органа 17.

Сигнал с третьего выхода формирователя 12 поступает на управляющий вход аналогового ключа 38, входящего в состав генератора 13 пило- обрабатываклцего напряжения, замыка- 50 ет Kjm4 38, шунтируя конденсатор 37 на время, определяемое длительностью единичного импульса на его управляющем входе, при этом сигнал на

35

40

45

риодом сетевого напряжения. Он поступает на первый вход аналогового элемента 14 сравнения и определяет величину тока, протекающего через резистор 40,

Одновременно с выводов вторичной обмотки 21 трансформатора источника 8 переменного напряжения, являющих- ся его первым и вторым выходами, на первый и второй входы тиристорного выпрямителя 9 поступает переменное напряжение с частотой сетевого напряжения.

При поступлении сигнала запуска тиристоров на управляющие входы выпрямителя 9 на его выходе протекает пульсирующий ток, который сглаживается при помощи фильтра 1 О нижних частот. Постоянный ток с выхода фильт ра 10 посредством соответствующей коммутации аналоговых ключей 5 и 6, управляемых выходом вычислительного устройства 4, протекает через термобатарею 7 в таком направлении, при котором температура объекта 2 стремится к заданному значению. При этом на образцовом резисторе 1I падает напряжение, пропорциональное значению тока, протекающего в термобатарее, причем его полярность не зависит от направления тока через термобатарею, так как резистор 11 подключен к выходу выпрямителя 9 до аналоговых ключей 5 и 6. Это напряжение подается на инвертирующий вход операционного усилителя 43 с резистором 44 в цепи отрицательной обратной связи через резистор 45, Выходное напряжение операционного усилиёыходе операционного усилителя 36 ста-55 теля 43 подается на второй вход ана- новится равным нулю. При размыкании логового элемента 14 сравнения и опаналогового ключа 38 начинается заряд конденсатора 37 током, проходящим через резистор 39 от шины положительного потенциала, в результате линейно изменяется напряжение на выходе генератора 13 пилообразного напряжения, В момент окончания полупериода сетевого напряжения единичный импульс с третьего выхода формирователя 12 вновь замыкает ключ 38, что приводит к мгновенному разряду конденсатора 37 и падению до нуля выходного напряжения генератора 13. Далее процесс повторяется. Таким образом формируется сигнал пилообразного напряжения, период

0

0 5

0

5

0

5

риодом сетевого напряжения. Он поступает на первый вход аналогового элемента 14 сравнения и определяет величину тока, протекающего через резистор 40,

Одновременно с выводов вторичной обмотки 21 трансформатора источника 8 переменного напряжения, являющих- ся его первым и вторым выходами, на первый и второй входы тиристорного выпрямителя 9 поступает переменное напряжение с частотой сетевого напряжения.

При поступлении сигнала запуска тиристоров на управляющие входы выпрямителя 9 на его выходе протекает пульсирующий ток, который сглаживается при помощи фильтра 1 О нижних частот. Постоянный ток с выхода фильтра 10 посредством соответствующей коммутации аналоговых ключей 5 и 6, управляемых выходом вычислительного устройства 4, протекает через термобатарею 7 в таком направлении, при котором температура объекта 2 стремится к заданному значению. При этом на образцовом резисторе 1I падает напряжение, пропорциональное значению тока, протекающего в термобатарее, причем его полярность не зависит от направления тока через термобатарею, так как резистор 11 подключен к выходу выпрямителя 9 до аналоговых ключей 5 и 6. Это напряжение подается на инвертирующий вход операционного усилителя 43 с резистором 44 в цепи отрицательной обратной связи через резистор 45, Выходное напряжение операционного усилиределяет значение тока i через резистор элемента 14 сравнения. Hat третий вход элемента 14 поступает напряжение с движка потенциометра 46, входящего в состав задатчика 16 тока, которое определяет величину тока ill через резистор 42.

В точке соединения резисторов 40, 41 и 42 токи, проходящие через них, суммируются и в момент равенства нулю их алгебраической суммы на выходе нуль-органа 17 формируется единичньш импульс, длительность которого ограничивается моментом окончания полу- периода сетевого напряжения, при котором происходит скачкообразное умен шение до нуля напряжения на выходе генератора 13 пилообразного напряжения, что и возвращает вычод нуль-органа 17 в исходное нулевое состояние Так как выходной сигнал генератора 1 пилообразного напряжения имеет период, равный полупериоду сетевого напряжения, на выходе нуль-органа 17 такте формируется импульсная последовательность единичньгх импульсов с периодом, равным полупериоду сетевого напряжения. Эта последовательность поступает на вход элемента И 18 и вследствие того, что длительность ее импульсов меньше длительности импульсов сигнала на втором входе элемента И 18 с выхода преобразователя 19 код - фаза, проходит на выход элемента И 18 и далее на третий вход формирователя 12, соединенный с первыми входами элементов И 32 и 33. На вторые входы элементов И 32 и 33 поступает импульсный сигнал с генератора 35, а на третьи - сигналы с коллекторов транзисторов 28 и 29. В результате на первом и втором выходах формирователя 12 формируются импульсные сигналы. Генератор 35 служит для создания пачек импульсов в сигнале запуска тирис- торного выпрямителя.

Таким образом, ток через термобатарею 7 определяется соотношением напряжений на выходах генератора 13 пилообразного напряжения, образцового резистора 11 и задатчика 16 тока. При постоянном уровне сигнала на выходе задатчика 16 тока через батарею 7 автоматически за счет отрицательной обратной связи по току устанали- вается- величина тока, соответствующая заданному. При отклонении значения тока термобатареи 7 от заданного например при изменейии сетевого напряжения, изменится и напряжение на

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

образцовом резисторе 11, т.е. изменится соотношение напряжений на входе аналогового элемента 14 сравнения, что приведет к такому изменению момента формирования импульса запуска на выходе нуль-органа 17, при котором ток выпрямителя 9 примет первоначальное значение.

Таким образом, при переходном процессе регулирования температуры, когда текущая температура объекта существенно отличается от заданной и длительность импульсов на выходе преобразователя 19 код - фаза больше длительности импульсов с выхода нуль- органа, регулятор работает в режиме стабилизатора тока термобатареи, причем величину стабилизируемого тока можно устанавливать изменением выходного напряжения задатчика 16 тока. Это позволяет устанавливать и поддерживать в соответствии с конкретными параметрами термобатареи оптимальные режимы работы термобатареи во время переходных процессов регулирования температуры.

По окончании переходного процесса регулирования темпертуры, когда ее текущее значение приближается к заданному, величина управляющего сигнала на выходе вычислительного устройства 4 начинает уменьшаться в соответствии с выбранным законом регулирования, что приводит к уменьщению длительности импульсов на выходе преобразователя 19 код - фаза. В момент, когда длительность импульсов на выходе преобразователя 19 код - фаза становится меньшей ;члительности импульсов на выходе нуль-органа 17, на вход элемента И 18 начинает проходить сигнал с выхода преобразователя 19 код - фаза, так как при приходе на входы элемента И 18 двух синхронизированных импульсных последовательностей с выходов нуль-органа 17 и преобразователя 19 код - фаза с одинаковым периодом следования единичных импульсов, равным полупериоду сетевого напряжения, задние фронты которых совпадают, сигнал логической единицы будет присутствовать на обоих входах только с момента прихода переднего фронта импульса меньшей длительности до окончания полупериода сетевого напряжения. Приходящий с преобразователя 19 код - фаза через третий вход формирователя

)2 сигнал с меньшей (чем ранее) длительностью импульсов уменьшит величину тока выпрямителя 9, протекающего через термобатарею 8„ Это приведет к уменьшению напряжения на образцовом )эезисторе 1 1 и соответствующему увеличению длительности ш-юуль- сов на выходе нуль-органа 17 для восстановления первоначального значения тока. Однако вследствие того, что длительность импульсов на выходе нуль-органа 17 станет еще больше, чем длительность импульсов на выходе преобразователя 19 код - фаза, сигнал с выхода нуль-органа 1,7 не пройдет на выход элемента И 18. В этом случае на выход элемента И 18 будет поступать сигнал с выхода преобразователя 19 код - фаза, т.е. оборвется обратная связь по току и установится отрицательная обратная связь по температурным параметрам объекта регулирования.

При этом величина тока регулирует- 25 го тиристорного выпрямителя, выход

ся управляющим сигналом с выхода вычислительного устройства 4, зависящим от параметров процесса установления реальной температуры объекта 2 заданного з ровня.

, Таким образом, при переходном про ;цессе регулирования температуры уст- ;ройство работает в режиме стабили- ; зации тока. Начальное значение .тока ; устанавливается задатчиком тока в

соответствии с конкретными параметра :ми используемой в качестве гсполни- тельного элемента термоэлектрической батареи определенного типа таким,г 1чтобы термобатарея работала в одном

|из двух оптимальных режимов: максиI

|мальнои холодопроизводительности,

1что сокращает время переходного прр- :цесса и увеличивает диапазон регули- :руемых температур, или максимального холодильного коэффициента, при котором достигает максимума экономичность работы регулятора. При приближении реальной температуры к заданной ток через термобатарею ста- новится зависимым от выходного сигнала вычислительного устройствау который, в свою очередь, зависит от параметров процесса изменения температуры объекта, что позволяет реализовать в вычислительном устройстве оптимальные алгоритмы регулирования и добиться высокого качества регулирования.

Какое бы малое значение не принимала величина сигнала с выхода вычислительного устройства, в регуляторе не возникает бросков тока через термобатарею, что по сравнению с устройством-прототипом повышает надежность работы регулятора при одновременном повышении точности регулирования, особенно при незначительных возмущающих воздействиях, за счет устранения температурных пульсаций рабочей поверхности термобатареи, обусловлеиньЕХ бросками тока, проходящими через нее.

Формула изобретения

и надежности регулятора, в него введен элемент И, один из входов которое го подключен к выходу нуль-органа, другой вход - к выходу цифроаналого- вого преобразователя, выход - к третьему входу формирователя импульсов, а цифроаналоговый преобразователь выполнен в виде преобразователя код - фаза, синхронизирующий вход которого соединен с третьим выходом формирователя импульсов.

код - фаза содержит счетчик, информационные входы установки которого являются входами преобразователя код - фаза, генератор, подключенный к счетному входу счетчика, и PS-триггер, Б-вход которого соединен с выходом переполнения счетчика, R-вход - с управляющим входом предварительной ус

и являе.тся синхрони- преобразователя выход тригге преобразователя код