Устройство для регулирования температуры Советский патент 1988 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к области регулирования температуры и может быть использовано в промышленных -объектах и устройствах различного назна- чения для регулирования температуры жидких или .газообразных сред .путем смешивания горячей и холодной компонент.

Цель изобретения - повышение точ- |ности регулирования за счет компенсации влияния колебаний температур сме- Шиваемых компонент на температуру |смеси.

На фиг. 1 предста влена блок-схема устройства; на фиг, 2 - механизм влия- ия температур смешиваемых компонент а результирующую температуру жидкости.

Устройство содержит датчик 1 и задатчик 2 температуры смеси, подключённые к входам элемента 3 сравнения усилитель 4, широтно-импульсный модулятор 5, генератор 6 пилообразного Напряжения, электропривод 7, смеси- |гельный вентиль 8, датчик 9 температуры горячей компоненты и датчик 10 температуры холодной компоненты, под- .ключенные к входам второго элемента 11 сравнения, выход которого соединен с управляющимвходом генератора 6 пилообразного нап ряжения, датчик 12 положения вала электропривода, первый 13 и второй 14 дифференциаторы, блок 15 умножения, входы которого йодклю- к выходу датчика 12. и выходу йервого дифференциатора 13, сумматор |6, входы которого соединены с выходом второго дифференциатора 14 и выходом блока 15 умножения, а выход tfepea масштабирующий блок 17 - с третьим (вычитающим) входом первого Элемента 3 сравнения, К входам смесительного вентиля 8 подключены магистрали горячей 18 и холодной 19 компонент, а к выходу - магистраль 20 смеси компонент.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость (или газ), температура которой должна соответствовать заданию, поступает в объект регулирования через выходное отверстие смесительного вентиля 8 после смешения подана- € .мых на его входы двух компонент, имеющих более высокую и более низкую температуры по отношению к заданной. Перемещением клапана смесительного вентиля 8 можно регулировать темпера

5

0 5

. 5

0

5

0

0

туру смеси, вытекаюп1ей из выходного отверстия, в пределах температур горячей и холодной компонент за счет увеличения притока одной компоненты и одновременного уменьшения притока другой компоненты. Температура горячей и холодной компонент, поступающих на входы смесительного вентиля 8, измеряется датчиками 9 и 10 температуры, соответственно. Второй элемент 11 сравнения выполняет вычитание сигналов датчиков 9 и 10 и вырабатывает сигнал, соответствуюш.ий разности температур горячей и холодной компонент, Этот сигнал поступает на управляющий вход генератора 6 пилообразного напряжения и задает крутизну нарастания напряжения пилообразной формы на его выходе. Период изменения пилообразного напряжения является величиной постоянной, поэтому амплитуда напряжения пилообразной формы и разность температур смешиваемых компонент связаны прямо пропорциональной зависимостью. Фактическая температура смеси в объекте регулирования измеряется датчиком 1 температуры, а требуемая температура определяется сигналом на выходе задатчика 2,

. Сигнал ошибки с выхода элемента 3 сравнения усиливается усилителем 4 и подается .,на вход широтно-импульсно- го модулятора 5, на другой вход которого поступает сигнал пилообразной формы с выхода генератора 6 пилообразного напряжения. Широтнр-импульс- ный модулятор 5 преобразует непре- рывньй входной сигнал- в последова- те.льность импульсов фиксированной амплитуды и переменной длительности, в течение которых напряжение питающей сети прикладывается к электроприводу 7.. Полярность формируемых импульсов соответствует полярности сигнала на выходе усилителя 4, а их длительность определяется интервалом времени между началом очередного периода изменения пилообразного напряжения и моментом равенства значений пилообразного напряжения и абсолютной величины сигнала на входе широтно-импуль- сного модулятора 5. Таким образом, длительность импульсов., в течение которых напряжение питающей сети подается на электропривод 7, пропорцио- нальна абсолютной величине сигнала . на входе широтно-импульсного модулятора 5 и обратно пропорциональна

10

15

амплитуде напряжения пилообразной формы.

Под действием широтно-импульсного управляющего сигнала электропривод 7 перемещает клапан смесительного вентиля 8 в таком направлении, чтобы уменьшить отклонение измеряемой температуры жидкости (или газа) в объекте регулирования от заданной. При этом направление перемещения клапана смесительного вентиля 8 определяется полярностью импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора 5.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства в качестве стабилизатора температуры смеси, т.е. случай, когда сигнал задатчика 2 является постоянной величиной.

Допустим, что первоначально температуры горячей и холодной компонент, поступающих на входы смесительного вентиля 8, не изменяются. Тогда выходные сигналы первого 13 и второго 14 дифференциаторов равны нулю, так как их входные сигналы не изменяются во времени. Следовательно, нулевой сигнал присутствует и на выходе масштабирующего блока 17, а выходной сигнал элемента 3 сравнения соответству- зо ет разности требуемой температуры смеси, задаваемой с помощью задатчика 2, и фактической температуры в объекте регулирования, измеряемой датчиком 1. Сигнал пилообразной формы на выходе генератора 6 пилообразного напряжения имеет постоянный наклон на нарастающем участке и фиксированную амплитуду, которая пропорционапь20

25

35

действием внешних факторов соответственно на величины л 0 и лбу., характеристика смесительного вентиля занимает положение соответственно П или

на разности температур горячей и хо- ..,,,,

„t- t- . -40 III (или любое другое положение в залодной компонент,- поступающих на вхо-о / л « N л

о п,висимости от 0.., е, 40Г и d0v) . При

ды .смесительного вентиля 8. Такимг л г д

образом, при постоянной температуре смешиваемых кч)мпонент предлагаемое устройство функционирует как обычная замкнутая система автоматического регулирования с широтно-импульсной модуляцией. При этом через некоторое время после включения устройства система регулирования приходит в установившееся состояние. Температура смеси в объекте регулирования становится равной заданной, и выходной сигнал первого элемента 3 сравнения, пропорциональный отклонению действительной температуры смеси от заданной, равен нулю. Электропривод 7 в установившемся состоянии отключен от питающей сети, а клапаН; смесительного веннеизменном положении К:лапана Ьд температура жидкости на выходе смесительного вентиля в этих двух случаях 45 получает приращение дб, и йв. Для компенсации этих приращений система регулирования должна обеспечивать перемещение клапана на величины dh и йЬ соответственно.

В общем случае приращение температуры жидкости на выходе смесительного вентиля при изменении температур смешиваемых компонент определяется выра-- жением

50

55

de(t) d0x(t)45 /se/t)-40,(t)j .(2)

м

Следует отметить, что наклон характеристики, т.е. коэффициент пере-

1418669

тиля 8 находится в некотором положе10

15

о

0

НИИ hp, которое определяется заданной температурой смеси, температурами смешиваемых компонент и свойствами объект а регулирования.

Предположим теперь, что начиная с некоторого момента времени t температура горячей и температура холодной компонент, поступающих на входы смесительного вентиля 8, стали изменяться во времени. Температура смеси на выходе смесительного вентиля определяется выражением

e(t),(t) . .h, (1)

п м .

где ву, (f) - температура холодной компоненты;e(t) - температура горячей ком25

поненты;

Ьм - максимальный ход клапана; h - положение клапана.

Вид характеристики смесительного вентиля, т.е. зависимости между положением клапана h и температурой жидкости на его. выходе б , показан на фиг.2. Зависимость I соответствует некоторым значениям температур горячей бр и холодной в у компонент. При этом некоторому положению клапана h соответствует температура смеси в на выходе смесительного вентиля.

Если температура одной из смешиваемых компонент, например, горячей 5 или обеих компонент изменится под

действием внешних факторов соответственно на величины л 0 и лбу., характеристика смесительного вентиля занимает положение соответственно П или

..,,,,

г л г д

неизменном положении К:лапана Ьд температура жидкости на выходе смесительного вентиля в этих двух случаях 5 получает приращение дб, и йв. Для компенсации этих приращений система регулирования должна обеспечивать перемещение клапана на величины dh и йЬ соответственно.

В общем случае приращение температуры жидкости на выходе смесительного вентиля при изменении температур смешиваемых компонент определяется выра-- жением

0

55

de(t) d0x(t)45 /se/t)-40,(t)j .(2)

м

Следует отметить, что наклон характеристики, т.е. коэффициент пере-

5U

дачи смесительного вентиля, не остается постоянным при изменении темпе- ратур жидкостей на его входах, Вслед- |ствие изменения температур компонент |на выходах первого 13 и второго 14 дифференциаторов появляются сигналы, пропорциональные соответственно скорости изменения разности температур :смешиваемых компонент и скорости из- Нене1 ия температуры холодной компоненты. На выходе масштабирующего бло- а- 17 присутствует сигнал, который определяется следующим выражением:

L(t)K,.,,CT,h(t)

Т.

d6x(t) dt

,

,(3)

где К,

мосш коэффициент передачи ;масштабирующего -блока 17

{Г и Т, - постоянные дис})ференциро- Iвания первого 13 и второ:го 14 дифференциаторов

;соответственно,

Коэффициенты передачи всех датчиков в выражении (3) условно приняты равными единице .

Сигнал -на выходе первого элемента 3 сравнения (в начальный момент времени) равен выходному сигналу масшта- бирующего блока 17 с противоположным знаком ( так как наличия запаздывания в системе температура смеси в объекте регулирования не.которое время остается равной заданной).Этот сигнал, усиленный усилителем 4, поступает на вход широтно-импульсного модулятора 5, на выходе которого сформирован широтно -модулированный импульсный сигнал. При этом амплитуда пилообразного напряжения, поступающего на второй вход широтно-импульсного модулятора, изменяется пропорционально изменению разности температур смешиваемых компонент , в результате чего изменяется и коэффициент передачи широтно-импульсного модулятора 5. Коэффициент -лередачи широтно-импульсного модулятора средних значений входного и выходного сигналов равен отношению амплитуды импульсов Е на его выходе к амплитуде U сигнала пилообразной формы и для предлагаемого устройства обратно пропорционален разности температур смешиваемых компонент

18669(

где К - коэффициент пропорциональности.

При этом среднее значение сигнала с на выходе широтно-импульсного модулятора 5 определяется выражением Ucp (t) -K.,K u,i,(t)e(t)

мчсш У

,(t)-e,(t)J

e(t) 1 J

.T,h(t)iM)iMt)U

(5)

+ Т„

dt

где К - коэффициент усиления усилителя 4.

При появлении широтно-модулирован- ных импульсов напряжения на входе электропривода 7 он приходит в движение и перемещает клапан смесительного вентиля 8.

Q Зависимость между углом поворота вала электродвигателя, а также линейным перемещением рабочего органа, связанного с валом, и средним значением сигнала управления на входе -

5 электропривода описывается интегральным законом. Поэтому перемещение клапана смесительного вентиля 8 осуществляется в соответствии с уравнением

0

h(t) ho + Кдв J Ucp(t)dt

t to

.Sb .(t):0xa)l, -h, - ----- --HT,h(t) (

. т ) 7 Hf

e,(t)-0,(t)5dtJ . .

Кд,,Е T,:h(t)T

° K er(t)-0,(t) )

где hg - положение,в котором находится клапан смесительного вентиля до начала движения; Кдц - коэффициент передачи (постоянная интегрирования) элект- ропривода 7,

Для того, чтобы обеспечить нулевую чувствительность темпе; атуры смеси на выходе из расходного отверстия смесительного вентиля В, а следова- тельно, и температуры в объекте регулирования по отношению к изменениям температур смешиваемых компонент согласно выражению (1) необходимо,чтобы перемещение клапана смесительного вентиля осуществлялось по закону вида

Изобретение относится к регулированию температуры жидких и газообразных сред путем смешения горячей и хрдодной компонент. Оно может быть использовано для работы в промышленных объектах и устройствах различного назначения. Целью изобретения является повышение точности регулирования температуры путем устранения влияния колебаний температур смешиваемых компонент на регулируемую температуру. Устройство содержнт датчик 1 температуры и задатчик 2 температуры, подключенные к входам первого элемента сравнения 3, усилитель 4, широтно- импульсный модулятор 5, генератор 6 пилообразного напряжения, электропривод 7, смесительный вентиль 8, к входам которого подключены магистрали горячей и холодной компонент, а к выходу - магистраль смеси, датчик 9 тгемпературБ горячей компоненты и датчик 10 температуры холодной компоненты, подключенные к. входам второго элемента сравнения 11, выход которого соединен с управляющим входом генератора 6 пилообразного напряжения, датчик 12 положения вала электропривода, первый 13. и второй 14 дифференциаторы, блок умножения 15,. входы которого подключены к выходу датчика 12 и выходу первого дифференциатора 13, сумматор 16, входы которого соединены с выходом второго дифференциатора 14 и выходом блока умножения 15, а -выход - через масштабирующий блок 17 с вторым вычитающим входом первого элемента сравнения 3. 2 ил. & (Л с 00 05 а сг

U,/t) (t)--9x(t)3

,(4)

,(t)-e,(t)

(7)

714

где const - температура жидкости (или газа), которая должна поддерживаться на выходе из расходного отверстия смесительного вентиля. Подстановкрй выражения (7) в уравнение (6) можно показать, что при выполнении условий

К

К

MOICUI

К,КдвЕ

т,1; T,h (8)

ыражение (7) является решением инегрального уравнения (6), т.е. в стройстве обеспечивается перемещеие клапана смесительного вентиля 8 соответствии с выражением (7). Тем самым достигается полная инвариантность температуры смеси в объекте регулирования по отношению к изменениям температур горячей и холодной компонент.

Вместе с этим обеспечивается инвариантность общего коэффициента пеедачи системы регулирования по отношению к вариациям коэффициента передачи смесительного вентиля 8, вызванным колебаниями температур горячей и холодной компонент. Стабилизация общего коэффициента передачи системы достигается за счет автоматического изменения коэффициента передачи ши- ротно-импульсного модулятора 5 обратно пропорционально изменению коэффициента передачи смесительного вентиля 6. Это позволяет стабилизировать область устойчивости системы регулирований, увеличить общий коэффициент передачи системы, например, за счет повышения коэффициента усиления усилителя 4, однозначно задать и обеспечить наилучшее сочетание параметров настройки отдельных блоков устройства и, как следствие, существенно по- высить точность регулирования температуры.

Использование устройства, например, для стабилизации температуры ох186698

лаждающей жзадкости при испытании двигателей внутреннего сгорания позволяет существенно повысить точность поддержания теплового состояния двигателей. В результате сокращаются сроки их испытаний и доводки.

Формула изобр-етения

Устройство для регулирования температуры, содержащее электропривод, связанный валом с управляющим входом смесительного вентиля, подключенного своими входами к магистралям горячей и холодной компонент, а выходом - к магистрали смеси, задатчик и датчик температуры смеси, подключенные к первому и второму входам первого элемента сравнения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно дополнительно содержит последовательно соединенные датчик температуры горячей компоненты, второй элемент сравнения, первый дифференциатор, блок умножения, сумматор и масштабирующий блок, а также последовательно- соединенные усилитель и широтно-импульсный модулятор, подключенные между выходом первого элемента сравнения и входом электропривода, датчик положения вала электропривода, связанный своим выходом с вторым входом блока умножения, генератор пилообразного напряжения, связанный своим управляющим входом с выходом второго элемента сравнения, а выходом - с вторым входом широтно-имп.ульсного модулятора, второй дифференциатор, выход которого подключен к второму входу сумматора, и датчик темрературы холодной компоненты, связанный своим, выходом с входом и вторым входом соответственно вторых дифференциатора и элемента сравнения, при этом выход масштабирующего блока подключен к дополнительному третьему входу первого элемента сравнения.

в,Щ

вг

GO 02

§2 - - -

5х

0 фиг. 2

hH h