Устройство для программного регулирования Советский патент 1991 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к автоматическому программному регулированию, в частности к регулированию температуры.

Цель изобретения - повышение точности устройства.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - график работы устройства на примере регулирования температуры; на фиг. 3 - временная диаграмма работы составных частей устройства в первом режиме; на фиг. 4 - диаграмма работы составных частей устройства во втором и третьем режимах.

Устройство содержит генератор 1 импульсов, делитель 2 частоты, RS-триггер З, элемент И 4, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5, блок 6 измерения параметра, элемент 7 сравнения, регулирующий элемент 8, исполнительный элемент 9. первый ключ 10, развязывающий диод 11, дифференцирующий конденсатор 12, триггер Шмитта 13, второй ключ 14, первый счетчик 15, множительно-делительный блок 16, ко- доуправляемый источник 17 питания и второй счетчик 18.

Устройство работает следующим образом (на примере регулирования температуры).

Известно, что для изменения температуры объекта на Л Т градусов к нему необходимо при нагреве подвести (при охлаждении отвести) некоторое количество тепла Q, т. е.

Q тс ЛТ, (1)

где m - масса тела, температура которого изменяется на ДТ°;

с - удельная теплоемкость материала тела.

Это количество тепла также равно

Q P- r(2), где Р - мощность источника энергии:

т - время воздействия источника с мощностью Р на тепло.

Следовательно

тсЛТ Рт (3) .

Таким образом, изменить температуру тела массой т, удельной теплоемкостью с на одну и ту же величину AT можно двумя путями: 1) при малом значении мощности Р1 исравнительно большом времени воздействия Т 1; 2) при большом значении мощности Р2, но за меньший отрезок времени г2. Соответственно

Р1г 1 Р2г 2.

Тогда

,г1

Р2-Р1

F2

(4)

Исходя из заданной точности регулирования, криволинейную программу регулирования (на фиг. 2 представлена условная программа) методом кусочно-линейной апроксимации можно представить в виде последовательности прямых отрезков. На фиг. 2 кривая OABCDF заменена пятью отрезками ОА, АВ, ВС. CD и DF. Изменение программы осуществляется ступенчато

изменяющимся напряжением с постоянным шагом изменения Д U. При этом скорость изменения программы определяется частотой следования шагов Д U и в пределах каждого из прямолинейных отрезков частота следования строго постоянна. Так. на фиг. 2 участку программы ОА с меньшей крутизной соответствует меньшая частота, участку АВ с большей крутизной - большая частота.

Изменению напряжения задания на

Ди и в пределах всей программы регулирования соответствует строго определенное приращение температуры. Д Т.

Интервалы времени г1 и г2 измеряются количеством импульсов п и N. поступающих с выхода генератора 1 за время длительности этих интервалов. Таким образом, в формуле (4) интервалы времени г 1 иг 2 заменяются пропорциональным им

числом импульсов

Р2 Р1

(5)

Так как интервал времени г 2, задаваемый программой регулирования, при дан- ной скорости изненения температуры - величина постоянная, в формуле (5) резульп

тат зависит от отношения тт равного отношению величин интервалов г 1иг 2, а не

от их абсолютных значений, то. очевидно, числа п и N могут быть любыми произвольными числами, удовлетворяющими этому требованию. Следовательно, число импульсов N, определяющее интервал времени г

2, при любой скорости изменения температуры может быть неизменным. Критериями выбора числа импульсов N являются заданная точность регулирования и постоянная времени устройства.

Перед началом работы на установочные входы D1 - Dn второго счетчика 18 подается и записывается на его выходе код числа N. Диаграммы (фиг. 3, 4) работы составных частей устройства предегавлены для случая N

100.

На выход множительно-делительного блока 16 в соответствии с программой регулирования выводится код расчетного значения мощности, который устанавливает на

выходе кодоуправляемого источника 17 питания значение мощности Р1 (фиг. 3 и 4, U 10), соответствующие этому коду. Одновременно этот код подводится к информационному входу С множительно-делительного блока 16. На выходе RS-триггера З действует уровень О ( U 3), удерживающий второй ключ 14 в закрытом состоянии. На выходе генератора 1 устанавливается частота следования импульсов (U 1), обеспечивающая необходимую скорость изменения температуры. Первый счетчик 15 обнулен (U 11).

На выходе блока 6 измерения параметра действует линейно зависящее от температуры напряжение U 7.

Задание текущего промежуточного значения температуры на выходе ЦАП 5 производится линейным ступенчато изменяющимся напряжением U 5 с постоянным (Д U) шагом изменения.

В исходном состоянии на выходе ЦАП устанавливается первый уровень напряжения U 5 задания, соответствующий промежуточному значению температуры Т1.

С пуском устройства на выходе элемента 7 сравнения действует напряжение U 6 рассогласования, включающее регулирующий элемент 8, и на исполнительный элемент 9 с выхода кодоуправляемого источника 17 питания поступает напряжение (U 10), развивающее на исполнительном элементе мощность Р 1.

Температура обьекта, а вместе с ней, и напряжение U 7 на выходе блока б измерения параметра изменяются со скоростью, пропорциональной выходной мощности Р1 кодоуправляемого источника 17 питания. Одновременно напряжение U 6 с выхода элемента 7 сравнения переводит выход триггера Шмитта 13 в состояние О (U 8), который, поступая на управляющий вход первого ключа 10, открывает его. Через открытый первый ключ импульсы U 1 с выхода генератора поступают на вход прямого счета первого счетчика 15.

В зависимости от уровня мощности Р1 в работе устройства возможны три случая:

I. Температура достигает заданного промежуточного значения Т1 за время поступления п N импульсов, т. е. скорость изменения температуры ниже заданной (фиг. 3, U 7).

В момент времени t 1, т. е. при поступлении с выхода генератора 1 N-го импульса. на выходе делителя 2 частоты вырабатывается импульс U 2, который поступает на вход РЕ разрешения считывания второго счетчика 18 и обеспечивает перезапись кода числа N с его входов D1 - Dn на его выход (U 12). Одновременно импульс U 2 переводит RSгриггер 3 в состояние 1 (U 3). поступающей на первый вход элемента И 4

В момент времени t1 температуря не достигла заданного значения 1 1 (U 7) на

выходе элемента 7 сравнения действует напряжение U 6, отличное or нуля. Поэтому на выходе триггера Шмитта 13 и. соответственно, на выходе элемента И 4 удерживаются уровни О. Благодаря этому напряжение U

5 задания температуры остается на прежнем уровне К1 и не изменяет своего значения до выхода на температурный уровень Т1.

Под воздействием напряжения О U 8 с

выхода триггера Шмитта 13 первый ключ 10 остается в открытом состоянии, и импульсы U 1 с выхода генератора 1 продолжают поступать на входы прямого счета первого счетчика 15.

При достижении заданного температурного у ровня (момент t2, фиг. 3)число импульсов, поступающих в первый счетчик 15, составляет п N + т, где т - число импульсов, поступивших за интервал t1 - t2, т. е. с

момента появления на выходе делителя 2 частоты импульса U2. На диаграмме (фиг. 3) m - 25 и. следовательно, п - 125 (U 11).

Таким образом, после корректировки значение мощности

Р2 Р1 И Р1 Ы+т Vi H1 N P1 N

Очевидно, мощность Р2 обеспечивает в

следующем цикле работы устройства (от промежуточного значения температуры Т1 до значения Т2) изменение температуры за интервал времени, соответствующий N импульсам Таким образом, скорость изменения температуры будет соответствовать заданной программе. Однако, так как уровень температуры Т1 был достигнут с запаздыванием на интервал t 1 - t 2, соответствующий m импульсам, то на следующий температурный уровень Т2 устройство выйдет с таким же запаздыванием, хотя и с заданной по программе скоростью. Ход изменения температуры в этом случае показан на диаграмме (фиг. 3) U 7 пунктирной линией.

Для устранения временного смещения t1 -12 программы регулирования к исполнительному элементу 9 необходимо подвести мощность РЗ, котороая способна обеспечить изменение температуры от уровня Т1

до уровня Т2 за интервал t 2 - t 3 (N - m).

Очевидно, количество энерши, поступившей от кодоупрэвляемого источника 17 питания с выходной мощностью Р2 за интервал времени, соответствующий N импульсам, пропорционально N - Р2 Чтобы

обеспечить поступление этого количества энергии за интервал t2 - t 3 (N - m), необходимо увеличить выходную мощность кодо- управляемого источника 17 питания до значения РЗ.

Таким образом.

P3(N - m) P2N.

Тогда

,

N

Р1

N + т

N-m N т

Следовательно, для устранения временного смещения t 1 - t 2 программы регулирования необходимо вместо записанного на выходе второго счетчика 18 кода числа N в момент t 2 вписать код N - т.

С этой целью начиная с момента времени t 1 выходное напряжение U 3, поступая на управляющий вход второго ключа 14, открывает его. Импульсы U 1 через открытые первый и второй ключи поступают на счетный вычитающий вход второго счетчика 18.

В момент t 2 температура достигает заданного значения Т1. Выходное напряжение U 7 блока 6 измерения параметра компенсирует действие напряжения U 5 задания. Напряжение U 6 на выходе элемента 7 сравнения становится равным нулю. При этом выключается регулирующий элемент 8, на выходе триггера Шмитта 13 устанавливается напряжение U 8 1, которое закрывает первый ключ 10, прерывая поступление импульсов U 1 на счетные входы первого и второго счетчиков.

На выходе второго счетчика 18 устанавливается код N - m (U 12), а на выходе первого счетчика 15 - код N + m (U 11) импульсов.

Одновременно напряжение U 8 1 с выхода триггера Шмитта 13 поступает на вход WE разрешения записи множительно- делительного блока 16 и дает разрешение на ввод в него через информационный вход А числа N + т, через вход В - числа N - т, через вход С - кода расчетного значения мощности Р1 с выхода множителыю-дели- тельного блока 16

В множительно-делительном блоке 16 в соответствии с формулой (5) производятся арифметические операции с введенными числами.

Напряжение U 8 1 одновременно поступает на второй вход элемента И 4. на первом входе которого действует напряжение U 3 1 с выхода RS-триггера З. В результате на выходе элемента И 4 устанавыливается уровень 1(U 4) и напряжение U 5 задания на выходе ЦАП 5 скачком изменяется на величину Ди. В результате

задается следующий промежуточный уровень температуры К2.

На выходе элемента 7 сравнения устанавливается напряжение U 6 рассогласования. которое возвращает триггер 13 Шмитта в исходное состояние. В момент спада выходного напряжения U 8 триггера Шмитта 13 с уровня 1 до О с помощью цепочки, состоящей из развязывающего диода 11 и

дифференцирующего конденсатора 12, формируется импульс напряжения U 9, которым RS-триггер З возвращается в состояние О, закрывающее второй ключ 14, на вход мно- жительно-делительного блока 16 выводится

результат арифметических операций, произведенных в нем. и обнуляется первой счетчик. 15. Цифровой код с выхода множи- тельно-делительного блока поступает на вход кодоуправляемого источника 17 питания и устанавливает на его выходе напряжение U 10 мощностью

РЗ Р1

N +т N-m

которое через регулирующий элемент 8. включенный напряжением U 6 рассогласования, поступает на исполнительный элемент 9.

0Подведенная мощность РЗ обеспечивает достижение уровня температуры Т2 за интервал времени t 2 - t 3. Таким образом, устраняется временное смещение, возникшее в предыдущем цикле работы устройст5 ва.

С установлением (момент t 2) на выходе триггера Шмитта 13 уровня 0(U 8) на выходе элемента И 4 устанавливается уровень О (U 4), первый ключ 10 открывается и начина0 егся следующий цикл работы устройства.

В момент t 3 температура регулирования достигает значения Т2, на выходе элемента 7 сравнения напряжение U 6 устанавливается равным нулю, триггер

5 Шмитта 13 опрокидывается и на его выходе действует напряжение U 8 1, первый ключ 10 закрывается, прекращается поступление импульсов U 1 в первый счетчик 15. Очевидно, за интервал t 2 - t 3 в первый счетчик 15

0 поступает N-m импульсов.

В этот же момент 13 на выходе делителя 2 частоты вырабатывается импульс (U 2), который, поступая на вход (РЕ) разрешения записи второго счетчика 18, дает команду на

5 перезапись числа N с его входов D1 - Dn на его выход и опрокидывает RS-триггер З. На входах элемента 4 действует напряжение (U 3) 1 с выхода RS-триггера З и напряжение (U 8) Т с выхода триггера Шмитта 13. На выходе элемента И 4 устанавливается напряжение (U 4) 1. На выходе ЦАП 5 напряжение U 5 задания повышается скачком до уровня КЗ. что вновь приводит к появлению напряжения U 6 на выходе элемента сравнения и опрокидыванию триггера Шмитта 13 в состояние О.

В дальнейшем вся работа устройства протекает аналогично описанному с той разницей,что в множительно делительный блок 16 в момент t 3 (с выхода первого счетчика 15 вводится число N - m импульсов (U 11), так как цикл работы завершается за интервал t 2 - 13. а с выхода второго счетчика 18-число N им пульсов (U 12), так как цикл работы завершается в момент поступления импульса U 2 с выхода делителя 2 частоты и значение N. записанное на выходе второго счетчика 18, остается неизменным.

Таким образом, после вывода результата произведенных арифметических операций с числами N - т, N и РЗ в соответствии с формулой (5). на выходе кодоуправляемо- го источника 17 питания устанавливается мощность (U 10)

P1N+M

N

что обеспечивает изменение температуры объекта с заданной по программе скоростью, но уже без временного смещения программы В дальнейшем ход изменения температуры идет в соответствии с заданной программой

II.Температура достигает заданного промежуточного значения Т1 за время поступления п N импульсов, т. е скорость изменения температуры выше заданной (фиг. 4).

В этом режиме работы число импульсов n (U 11), поступивших на вход прямого счета первого счетчика 15, меньше N, так как температурный уровень Т1 (L) 7) устанавливается к моменту t 1, т е раньше окончания интервала г 2, заданного программой. В момент времени t 1 на выходе триггера Шмитта 13 устанавливается уровень 1 (U 8), который закрывает первый ключ 10. Диаграмма U 11 приведена для случая n 75.

Таким образом, в множительно-дели- тельный блок 16 введены числа л N. N и Р1. В результате на выходе кодоуправляе- мого источника 17 питания устанавливается напряжение (U 10) с мощностью Р2 Р1, обеспечивающее изменение температуры с заданной по программе скоростью.

Работа составных частей устройства протекает аналогично описанной для режима I.

III.Температура достигает заданного промежуточного значения в соответствии с

заданной по программе скоростью, т. е. за время, соответствующее N импульсам, n N, (фиг 4, интервал времени t 2 t 3)

В этом режиме работы процессы, проте- кающие в устройстве, аналогичны описанным для режима I рлбогы При этом в силу

равенства n - N. отношение гт равно 1 и в

ы

соответствии с формулой (5) значение мощ0 ности (U 10) на выходе кодоуправляемого источника 17 питания остается на прежнем уровне

Процесс изменения температуры в интервале t 3 - t 4 идет с той же скоростью, с

5 какой шел в предыдущем (интервал 12 - 13)х цикле работы

Таким образом, с вводом в устройство для программного регулирования RS-триг- герз, элемента И, триггера Шмитта, диффе0 ренцирующегоконденсатора,

развязывающего диода, первого и вторго ключей первого и второго счетчиков и мно- жительно делительного блока, повышается точность воспроизведения программы регу5 лирования за счет того, что исключается необходимость измерения величины отклонения текущего значения регулируемого параметра от значения, заданного по npoi рамме регулирования при этом регули0 рование осуществляется в момент достижения регулируемым параметром заданного по программе значения пропорционально отношению интервала времени, за который регулируемый параметр достиг заданного

5 значения, к интервалу времени, заданному по программе для достижения этого значения

Предлагаемое устройство может быть применено во всех случаях, когда скорость

0 изменения регулируемого параметра зависит от качества подводимой энергии. Например при регулировании температуры, скорости вращения электродвигателя, регулировании расхода жидкости, газа и т. п

5Формула изобретения

Устройство для программного регулирования содержащее последовательно соединенные генератор импульсов и делитель частоты, последовательно соединенные

0 блок измерения параметра и элемент сравнения, к второму входу которого подключен выход цифроаналогового преобразователя, к выходу элемента сравнения подключен управляющий вход регулирующего элемента,

5 информационным входом связанный с выходом кодоуправляемого источника питания, и выходом - с исполнительным элементом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит последовательно соединенные

RS-триггер и элемент И, последовательно соединенные триггер Шмитта, дифференцирующий конденсатор и развязывающий диод, последовательно соединенные первый и второй ключи, а также первый и второй счетчики и множительно-делительный блок, причем первый вход RS-триггера соединен с выходом делителя частоты, второй вход RS-триггера со свободным электродом развязывающего диода и управляющим входом первого счетчика, вход прямого счета которого связан с выходом первого ключа, управляющий вход которого подключен к выходу триггера Шмитта, соединенному с вторым входом элемента И и входом разрешения записи множительно-делительного блока, вход разрешения считывания которо

го подключен к аноду развязывающего диода, а информационные входы - к выходам первого и второго счетчиков и выходу множмтельно-делительного блока, соединенному с управляющим входом кодоуп- равляемого источника питания, информационный вход первого ключа соединен с выходом генератора импульсов, управляющий вход второго ключа соединен с выходом RS-триггера, а выход - со счетным входом второго счетчика, вход разрешения считывания которого подключен к выходу делителя частоты, вход триггера Шмитта соединен с выходом элемента сравнения, а выход элемента И подключен к входу цифроаналогового преобразователя.

Изобретение относится к технике автоматического программного регулирования, в частности регулирования температуры. Цель изобретения - повышение точности устройства. Устройство для программного регулирования содержит генератор 1 импульсов, делитель 2 частоты, RS-триггер 3, элемент И 4, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5, блок 6 измерения параметра, элемент 7 сравнения, регулирующий элемент 8, исполнительный элемент 9, первый ключ 10, развязывающий диод 11, конденсатор 12, триггер 13 Шмитта, второй ключ 14, первый счетчик 15, множительно-делительный блок 16, кодоуправляемый источник 17 питания, второй счетчик 18. С вводом в устройство для программного регулирования RS-триггера, элемента И, триггера Шмитта, дифференцирующего конденсатора, развязывающего диода, первого и второго ключей, первого и второго счетчиков и множительно-делительного блока удается повысить точность воспроизведения программы регулирования за счет того, что исключается необходимость измерения величины отклонения текущего значения регулируемого параметра от значения, заданного по программе регулирования, при этом регулирование осуществляется в момент достижения регулируемым параметром заданного по программе значения пропорционально отношению интервала времени, за который регулируемый параметр достиг заданного значения, к интервалу времени, заданному по программе для достижения этого значения. 4 ил.

Т

Фм.г

to

со с

чГtc

§

T2(N)

Г/ДО

lt1 ,

П П П..-П П...П il

t2

П П В-..fl П-.-П t

N

N

t3

П и П...П П...П f