Программный регулятор температуры Советский патент 1981 года по МПК G05D23/19 

(54) ПРОГРАММНЫЙ РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ

1

Изобретение относится к регулирО ванию и управлению температуры, а именно к прецизионным регуляторам температуры с программным заданием температуры.

Известны прецизионные регуляторы температуры с программным заданием температуры, содержащие задающее устройство, датчик температуры (измеритель) , регулирующее устройство для осуществления пропорциональноинтегрально-дифференциального (ПИД) закона регулирования l .

В таких регуляторах температуры при выводе температуры на задаваемый уровень имеет место перерегулирование, возникающее из-за специфики работы ПИД-регулятора.

Наиболее близким к предлагаемому является регулятор температуры РПТ-ЗМ, содержащий задатчик и датчик для преобразования контролируемого парс1метра (температуры) в электрический сигнал, выходы которы подключены к элементу сравнения, выполненному на усилителе, который

подключен своим выходом ко ВХОДс1М

линейного усилителя, дифференциатор и интегратора, которые своими выходами подключены к входам сумматора.

Выход сумматора подключен ко входу исполнительного органа(2.

Недостатком этого регулятора температуры является наличие перерегулирования при выводе температуры на задаваемое программой значение. Это связано со спецификой работы ПИД-регулятора, которая заключается в следующем. Линейный участок работы ре0гулятора из-за необходимости большого коэффициента усиления в элементе сравнения составляет только несколько процентов (около 2-3% для РТП-ЗМ) от всего рабочего диапазона регулято5ра, поэтому при больших разностях задаваемой и действительной температур элемент сравнения выходит в режим ограничения, ПВД- регулятор перестает работать пропорционально и должен

0 быть отключен. В известных программных регуляторах температуры вывод температуры на заданное значение выполняется вручную с применением специальных схемных решений для безу5дарного переключения на автоматическое регулирование. Нормальная работа ПИД-регулятора возможна только на программен с участкс1ми конечной небольшой крутизны, пока при отработке программы регулятор не выходит из своего линейного участка. Невозможно автоматически выйти на заданную температуру без перерегулирования при отработке задаваемых программой резких больших изменений значения . температуры. Цель изобретения - повышение точности регулятора. Цель достигается тем, что регулятор температуры, содержит первый ключ и последовательно соединенные компаратор и второй ключ, второй вхо которого соединен с выходом интегратора а выход - со входом сумматора, причем выход элемента сравнения подключен .ко входу компаратора и первому входу первого ключа, вторым входо связанного с выходом компаратора, а выходом - со входом интегратора. На чертеже представлена блок-схем одного из возможных вариантов программного регулятора температуры. Регулятор температуры содержит пр граммный-задатчик температуры 1, дат чик температуры 2 для преобразования контролируемого параметра (температуры) в электрический сигнал элемент сравнения 3, линейный усилитель 4, дифференциатор 5, компаратор 6, первый ключ 7 и второй ключ 8, интегратор 9, сумматор 10, исполнительный орган 11 и схему установки интегратора в исходное состояние 12. Регулятор температуры работает следующим образом. При включении регулятора для отработки заданной программы на вход X схемы установки в исходное состояние 12 интегратора 9 подается сигнал пус ка программы, устанавливающий интегратор 9 в исходное состояние, соответствующее установившемуся состоянию интегратора 9 при начальной температуре объекта регулирования (например, состояние, соответствующее нулевой начальной температуре). Этим искусственно для интегратора 9 создается предыстория, приводящая к тому, что. начальный скачок програм мы с исходной температуры на Зсщанную приравнивается очередному скачку в пределах программы. В процессе разогрева управляемого объекта и приближения к задаваемой программой тем пературе элемент сравнения 3, выполненный на усилителе, работает сначала в режиме ограничения, так как участок его линейной работы из-за не обходимости большого усиления состав ляет всего несколько процентов от всего (максимального) рабочего температурного диапазона регулятора. Таким образом, хотя разница сигналов с задатчика 1 и с датчика 2 и меняет ся (в сторону уменьшения), выходной сигнал элемента сравнения 3 неизменен и равен максимальному (положительному или отрицательному) выходному напряжению, передаваемому через линейный усилитель 4 и сумматор 10 на исполнительный орган 11, обеспечивая тем самым подачу максимальной мощности на объект регулирования. Дифференциатор 5 не функционирует, так как сигнал на efo входе не меняется. Компаратор б выдает управляющий.сигнал, запирающий оба ключа 7 и 8, следовательно, интегратор 9 отключен и остается в исходном состоянии. Происходит нагрев объекта регулирования полной мощностью. Когда разница сигналов с задатчика 1 и датчика 2 уменьшается настолько, что элемент сравнения 3 выходит из ограничения, начиная работать в линейном режиме усиления, и его выходной сигнал начинает пропорционально уменьшаться (по абсолютному значению) срабатывает компаратор б. С выхода компаратора б на управляющие входы ключей 7 и 8 подается сигнал, открывающий эти ключи. Через ключ 7 вход интегратора 9 подключается к выходу элемента сравнения 3. Через ключ 8 выход интегратора.9 подключается ко . входу сумматора 10. Таким образом интегратор 9 включается в работу ПИДрегулятора. Дифференциатор 5 тоже н.ачинает функционировать, так как выходной сигнал элемента сравнения 3 начал меняться. Вся работа ПИД-регулятора начинается вблизи заданной температуры, когда элемент сравнения 3 выходит из ограничения и срабатывает компаратор 6, выставленный на уровень {по абсолютному значению) несколько ниже максимального выходного напряжения элемента сравнения 3. Так как начальная установка интегратора 9 в исходное состояние соответствует низкой начальной температуре (условно нулевой), то интегратор 9 выдает со своего выхода сигнал, который уменьшает мощность, подаваемую на объект регулирования. Такое же тормозящее действие оказывает и дифференциатор 5. Выходной сигнал сумматора 10 через исполнительный орган 11 значительно ограничивает мощность, подаваемую на объект регулирования. Этим сильно тормозится скорость нарастания температуры при подходе к заданному значению температуры. Поэтому выход на режим - на заданную температуру - происходит без перерегулирования, асимптотически снизу. в процессе дешьнейшей работы ПИД-регулятор функционирует как обычно, обеспечивая нужную точность регулирования температуры объекта. ПИД-регулятор работает таким образом, пока в программе нет резких изменений величины задаваемой температуры. При этом элемент, сравнения 3 не выходит из своего линейного режима, и компаратор б своим выходным сигналом удерживает ключи 7 и 8 открытыми. Если в программе, в процессе ее отработки, имеется резкое изменение зацаваемого значения температуры, например, в сторону уменьшения (для перехода на поддержание более низкой температуры), приводящее к переходу элемента сравнения 3 в ограничение, компаратор 6 срабатывает и вьадает сигнал, запирающий ключи 7 и 8. Интегратор 9 отключается своим вхЪдом от выхода элемента сравнения 3 и своим выходом - от входа сумматора 10. Так как на выходе элемента сравнения 3 имеется опять максимальный (отрицательный или положительньй) неизмён ый сигнал, дифференциатор 5 тоже перестает функционировать. На вход cywматора 10 поступает только выходной сигнал линейного усилителя 4. Это приводит к тому, что на объект регуч лирования прекращается ,подача мощности. Происходит пассивное остывание регулируемого объекта. В процессе остывания, когда элемент сравнения 3 выходит из ограничения, работа регулятора температуры опять становится аналогичной описанной. Срабатьшает компаратор б, подавая со своего выхода сигнал, открывающий ключи 7 и 8 . В результате интегратор 9 подключается ключами 7 и 8 к контуру ПИД-регулятора. Начинает функционировать дифференциатор 5. Так как интегратор 9 сохранил свое состояние соответствующее более высокой температуре, то его выходной сигнал и выходной сигнал дифференциатора 5, подаваемые на сумматор 10, оказывают тормозящее действие на скорость снижения температуры (остывания) в регулируемом объёкте путем подачи в него некоторой мощности для подогрева. ПИД-регулятор начинает функционировать и.асимптотически сверху выводит температуру на заданный уровень без перерегулирования.

Использование такого программного регулятора температуры позволяет повысить качество автоматической обработки задаваемых температурных проrij MM путем устранения перерегулирования на резких скачках программы. Это позволяет улучшить воспроизводимость параметров и улучшить качество получаемых образцов, полнее автоматизировать технологический процесс термической обработки материалов. Такой регулятор позволит автоматически, без ручного вывода.на заданную температуру,, и по более сложным программам обрабатывать вещества, темoпература плавления которых блиЭка к критической температуре, при которой происходит разложение или даже взрыв данного вещества.

15

Формула изобретения

Программный регулятор температуры, содержащий задатчик и датчик темпера0туры, выходы которых подключены ко входу элемента сравнения, выход которого связан со входами линейного усилителя и дифференциатора, выходами подключенных ко входам сумматора, выход которого соединен со входом

5 исполнительного органа, а также интегратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулятора, он содержит первый ключ и последовательно соединенные компа0ратор и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом интегратора, а выход - со входом сумматора, причем выход элемента сравнения подключен ко входу компаратора и перво5му входу первого ключа, вторым входом связанного с выходом компаратора, а выходом - со входом интегратора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Ш СССР, Институт радиотехники и

5 электроники, 1977 (прототип).