Устройство для регулирования температуры Советский патент 1981 года по МПК G05D23/19 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к регулированию температуры и может быть использовано для обслуживания объектов, требующих высокой точности и линейности регулирования температурного режима в широком диапазоне по программе, например, в электрических печах сопротивления испытательных машин. Известны устройства для программного регулирования температуры, содержащие задатчик программы, сумматор измерительный блок, регулятор, исполнительньй орган и объект регулировани с подключенным к нему датчиком температуры, образующие контур регулирования р 3. Однако эти устройства не учитывают изме.нения теплофизических характеристик объекта при изменении его температуры и не осуществляют в зависимо сти от этих изменений коррекцию тепловой мощности, подводимой к нагревателю, что приводит к снижению точност и линейности регулирования, так как задатчик и регулятор настраиваются на вполне определенную программу без учета этих изменений и в процессе работы не перестраиваются. Это обстоятельство не позволяет достичь ми1шмизации ошибок и линейности регулирования, необходимых для достижения требуемой точности нагревания объекта. Выполнение этих требований Представляет весьма сложную техничсекую задачу, сущность которой вытекает из следующих теоретических предпосылок. Известно, что для нагревания объекта (исследуемые образцы металлов, сплавов и т.д.) до определенной температуры и с определенной скоростью к нему необходимо подводить вполне определенную мощность в каждый момент времени. При этом чем Bbmie температура объекта, тем больший уровень тепловой мощности должен быть подведен к нему. Это объясняется тем, что теплоемкость

различных тел при нагревании не остается постоянной, а изменяется с изменением температуры.

В общем случае задачу линейного повьпиения температуры тела во BjSeMeни, т.е. нагревания с постоянной скоростью., можно решить, задавая уровень подводимой к нему тепловой мощности по закону Дебая (в области низких температур) и по линейному закону с учетом постоянной Грюнайзена (в области температур выше характеристической температуры Дебая)

Однако эти рассуждения справедливы лишь в том случае, когда в данном теле не происходят переходы или структурные превращения, во времени которых наблюдаются аномалии теплоемкости Например, при магнитном превращении чистого железа (точка Кюри) наблюдается увеличение теплоемкости, а при отпуске закаленной стали, например, стали ст.45 - понижеНие теплоемкости, что связано с выделением тепла при фазовых превращениях

Таким образом, для линейного нагревания объекта, теплоемкость которого во всем диапазоне температур не претерпевает аномалий, достаточно повышать подводимую к нему тепловую мощность синхронно с увеличением температуры по закону изменения теплоемкости данного объекта.

Однако в случае аномалий теплоемкости,, характер проявления которых испытателю не всегда известен, требуется построение более сложных устройств регулирования, например так называемых самонастраивающихся систем

Устройства этого класса содержат основной контур регулирования, образованный задатчиком программы, сумматором, измерительным блоком, регулятором, исполнительным органом и объектом регулирования с датчиком обратной связи и воздействующий на него контур самонастройки. Этот контур содержит контролирующую часть, определяющую информацию об объекте, и логическую часть, вырабатывающую регулирующее воздействие (сигнал самонастройки) на исполнительный орган.

Для задания закона изменения тепловой мощности, подводимой к объекту, логичская часть контура самонастройки должна содержать вычислительное устройство, например ЭВМ, которое синхронно с повышением температуры решало

бы уравнения Дебая и Дюлонга-Пти и устанавливало бы необходимый уровень мощности в управляемых источниках питания. Кроме того, чтобы устройство

для регулирования температуры входило в рабочий режим без значительного перерегулирования и выбросов, что особенно важно для точного нагревания объектов, оно должно содержать

контур определения начальной теплоемкости объекта при температуре, с которой начинается регулирование, и установки пропорционально этой теплоемкости начального уровня мощности.

Все это определяет сложность построения и конструкции устройств этого класса и ограничивает возможности их применения для решения практических научно-исследовательских задач, требующих достижения заданной точности регулирования при относительно простом техническом решении выполняющих эту функцию устройства.

Следует учитывать и другие особенности самонастраивающихся систем, в силу которых использование их в качестве точных регуляторов температуры является нежелательным. Так для получения информации о необходимости

изменения коэффициента передачи основного контура регулирования в системе создаются колебания, в зависимости от которых вырабатывается сигнал самонастройки. Наличие таких колебаний создает нежелательные динамические нагрузки в исполнительных органах, сокращает срок службы и не позволяет использовать подобную состему для решения задач регу- .

лирования, требующих высокой линейности регулируемого параметра.

Известно устройство для регулирования температуры, в котором при несложном схемном и конструктивном исполнении учитываются изменения теплофизических свойств объекта, что позволяет повысить качество процесса регулирования, вводить коррекцию программы за счет учета эффективной теплоемкости на начальном участке рабочей характеристики t2.

Недостатком устройства является то, что учет эффективной теплоемкости проводится лишь на начальном участке рабочей хара1стеристики.

Наиболее близким к изорретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство,

содержащее задатчик программы, подключенный выходом к одному из входов блока управления, второй вход которого соединен с датчиком температуры, установленным на объекте регхл рОвания, соединенном с иcпQлкrfteльным органом. В состав задатчика программы включены также модулятор импульсов , а в составе блока управления преп0лагается наличие сумматора, измерительного усилителя и регулятора. Кроме того, в устройство введен второй датчик температуры, который установлен на объекте регулирования и соединен с модулятором задатчика программы.

Сигнал от одной термопары поступает на блок управления, а от другойна модулятор задатчика программы. Задание программы регулирования температуры производится изменением частоты импульсов генератора импульсов, при этом корреция подводимой мощности нагревания осуществляется за счет изменения длительности импульсов в соответствии с температурой объекта. Такое решение позволяет улучшить точность регулирования при наличии теплопотерь Гз Недостатком этого устройства является то, что оно не позволяет учитывать аномалии теплоемкости объекта и корректировать в соответствии с ними подводимую мощность нагревания. Более того, в случае аномалий теплоемкости имеют место переколебания регулируемой величины, что вытекает из сущности схемного решения устройства

Кроме того, устройство не дает возможности определить начальную теплоем кость объекта при температуре, с которой начинается регулирование, я установить соответствующий ей начальный уровень мощности нагревания Следовательно, выход устройства на режим происхо;ц1т со значительными переколебаниями и выбросами.

Цель изобретения - повышение точнести регулирования путем коррекции мощности нагревания с учетом теплофизических характеристик объекта.

Поставленная цель достигается тем,

что в устройство для регулирования температуры, содержащее задатчик программы, подключенный выходом к одному из входов блока управления, второй вход которого соединен с датчиком температуры, установленным на. объекте

iрегулирования, соединенном с исполнительным органом, введены реле времени, последовательно соединенные дифференциатор, масштабный блок коэффициентов и управляемый источник питания , выход которого подключен к одному из входов исполнительного органа, а также последовательно соединенные источник опорного напряжения, компаратор и блок начального отсчета времени, выход которого подключен к другому входу управляемого источника питания , второй вход - к выходу реле времени, контакты которого включены между первым выходом блока управления и другим входом исполнительного органа, второй выход блока управления соединен со входом дифференциатора и вторым входом компаратора, выход которого подключен ко входу задатчика программы, соединенного выходом со вторым входом масштабного блока коэффициентов.

Предлагаемое устройство обеспечивает плавный выход его на рабочий реж11м без переколебаний и выбросов и точное регулирование по линейному закону как в случае линейного изменения теплофизических характеристик нагреваемого объекта, так и в случае их аномалий.

На чертеже приведена блок-схема устройства для регулирования температуры, один из во-зможных вариантов выполнения которого рассмотрен в качестве примера.

Предлагаемое устройство содержит 1 программы, в состав которого, например, входят высокостабильный генератор, делитель частоты, усилитель мощности, цифроаналоговый преобразователь, с выхода которого снимается линейно изменяющееся напряжени программы.

Задание программы производится устновкой коэффициента деления делителя частоты, который имеет два входа, один из которых подключен непосредственно к . выходувысо1 остабильного генератора, а другой является входом задатчика программы и предназначен для запуска схеМы.

Задатчик Г программы подключен к. одному их входов блока 2 управления, в состав которого входит высокочастотный регулятор температуры, содержащий измерительный усилитель 3, регулятор 4 и сумматор 5. Ко второму входу блока 2 управления подключен датчик 6 температуры, размещенный на объекте 7 регулирования. Исполнительный орган 8 содержит, например, блок управления тиристорами, подключенный к первичной обмотке силового трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с нагревателем электропечи. К первичной обмотке силового транс форматора (первый вход исполнительного органа 8) подключен управляемый источник 9 питания, представляющий собой, например, магнитный усилитель с элементами управления, к одной управляющей обмотке которого подключен блок 10 начального отсчета времени, а к другой - масштабный блок 11 коэффициентов . Блок 10 начального отсчета времени в общем случае может содержать, например, генератор тактовых импульсов со схемой запуска, счетчик импульсов с цифроаналоговым преобразова телем, операционный, усилитель и уситштель мощности. Масштабный блок 11 коэффициентов представляет собой логическое устройство с элементами коммутации, один из входов которого соединен с выходом задатчика 1 программы. Компаратор 12 имеет два входа, один из которых подключен к источнику 13 опорного напряжения, второй к выходу измерительного усилителя 3, т.е. ко второму выходу блока 2 управления. Контакты реле 14 времени включены между регулятором (первым выходом бло ка 2 управления) и вторым входом исполнительного органа 8.Через контакты этого же реле 14 ко входу исполнитель ного органа 8 подключен внешний источник 15 напряжения. Выход реле 14 времени соединен со вторым входом бло ка 10 начального отсчета времени. Дифференциатор 16 подключен своим входом к измерительному усилителю 3, а выходом - к масшабному блоку Г1 коэффициентов. Рассмотрим основные этапы работы предлагаемого устройства. В исходном состоянии задатчик 1 программы заперт по второму входу де лителя частоты, и напряжение программы регулирования на сумматор 5 не поступает. Блок 10 начального отсчета времени, управляемый источник 9 питания , исполнительный орган 8 не ра87 . 8 ботают, и к объекту регулирования не подводится мощность нагревания. Нагреваемый объект имеет некоторую начальную температуру и обладает соответствующей ей начальной теплоемкостью. В реле 14 времени устанавливается определенная временная задержка, а в источнике 13 опорного напряжения уровень выходного напряжений, соответствующий температурному интервалу, в котором производится определение начального уровня мощности. Эти величины определяются заранее на основании опытных данных для каждого исследуемого образца материала. Они учитывают теплофизические свойства и инерционность объекта и необходимы для того, чтобы в момент начала регулирования подать к объекту нормированный импульс тепловой мощности, соответствующий его начальной теплоемкости, и ограничить действие этого импульса по времени, чтобы не допустить перегрева объекта. Начало цикла регулирования определяется моментом поступления команды Пуск на реле 14 времени. Реле срабатывает, и через его нормально разомкнутые контакты на исполнительный орган 8 подается нормированный по амплитуде импульс напряжения от внешнего источника 15. Длительность импульса определяется временем задержки реле 14. В результате исполнительный орган 8 формирует импульс тепловой мощности, который осуществляет начальный нагрев объекта 7 регулирования. Датчик 6 вырабатывает информацию о температуре объекта 7 в виде напряжения постоянного тока и непрерывно подает его на сумматор 5. Сумматор 5 предназначен для сравнивания величины этого напряжения с напряжением программы, и так как задатчик программы 1 на этом этапе регулирования не работает, то напряжение с выхода датчика 6 полностью поступает на измерительный усилитель 3 и управляет регулятором 4, приводя его в состояние, соответствующее температуре объекта 7. Однако на исполнительный орган 8 регулятор 4 влияния не оказывает, так как контур регулирования разомкнут контактами реле 14 времени. 98 Одновременно нарастающее по мере разогрева объекта 7 напряжение с выхо да измерительного усилителя 3 посту-. пает дифференциатор I6 и компаратор 12, где сравнивается по величинв--с опорным напряжением источния а l3. На этом же этапе команда Пуск через реле 14 времени поступает на запуск блока 10 начального отсчета времени, который начинает формировать линейно нарастающее напряжение, посту пающее на управляемый источник 9 питания . . Компаратор 12, сравнивая по величине опорное напряжение источника 13 инарастающее напряжение с выхода измерительного усилителя 3, в момент их равенства вырабатывает сигнал, поступающий на вход делителя частоты задатчика 1 программы для запуска его, а также на вход блока 10 начального отсчета времени для его остановки. Запомненный уровень напряжения с блока 10 начального отсчета времени подается на управляемый источник 9 питания, определяя необходимый уровен начальной мощности нагревания. При этом на управляемый источник 9 питания поступает сигнал с масштабного блока 11 коэффициентов, представляющий собой алгебраическую сумму напряжения программы и продифференцированного разностного сигнала с выхода измерительного усилителя 3. При отсутствии аномалий теплоемкости дифференциал разностного сигнала задатчика 1 и датчика 6 обратной связиб равен нулю и на вход управляемого источника 9 питания с масштабного блока коэффициентов 11 поступает некорректированное напряжение программы от задатчика. К этому моменту заканчивается рабочий цикл реле 14 времени, и его контакты возвращаются в исходное соетояние, замыкая основной контур регулирования. В дальнейшем происходит линейное регулирование температуры объекта 7 по программе, в которой участвуют элементы схемы 1,6,5,

3,4.14,8,7.

При этом уровень мощности нагревания, подводимой к объекту 7 регулирования, увеличивается по мере повышения его температуры линейно, т.е. соответствует характеру изменения теплоемкости объекта. Ошибки регулирования в этом случае минимальны и

КН. Кроме того, цикл регулирования начинается плавно, без выбросов и перерегулирований.

Использование новых элементов (дифференциатора, масштабного блока коэффициентов, управляемого источника питания, блока начального отсчета времени, компаратора и репе времени), а 710 определяются, в основном, передаточной функцией устройства, а также наличием теплопотерь. , В случае аномалии теплоемкости объекта 7 характер нагрева объекта изменяется. При превращениях, когда крутизна характеристики теплоемкости меняет знак с положительного на отрицательный, дифференциал рассогласования , таким образом напряжение программы уменьшается на некоторую величину, зависящую от свойств материала. При увеличении крутизны характеристики теплоемкости дифференциал , и имеет место обратное преобразование, т.е. увеличение напряжения програмMI I на соответствующую величину, Это положение подтверждается физическим смыслом работы схемы. Так, при уменьшении теплоемкости температура объекта 7 при одной и той же подведенной к нему мощности нагревания возрастает, что регистрируется датчиком 6 и измеряется сумматором 5 и усилителем 3. Напряжение с выхода усилителя 3 поступает на дифференциатор 16 и через него - на масштабный блок 11 коэффициентов где алгебраически суммируется с напряжением программы задатчика 1, и в результате на управ-, ляемый источник 9 питания выдается напряжение меньшей величины, чем достигается снижение мощности нагревания, подводимой к объекту 7 регулирования. Аналогичным образом достигается положительный результат в случае увеличения теплоемкости объекта 7. Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается высокая точность и линейность регулирования температуры, как в случае линейного изменения теплоемкости, так и в случае ее аномалий, так как величина подводимой к объекту мощности нагревания изменяется сучетом изменения его теплоемкости, Температура объекта в этом случае нарастает линейно и в наибольшей степени соответствует программе регулирования, т.е. имеет минимальные ошибтакже сЬязей между ними и уже йз.вестными блоками, выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как при этом уменьшается составл ющая погрешности, обусловленная/ величиной начального, перерегулирования и ошибкой теплоемкости в широком диапазоне температзф для обширного класса объектов регулированияt В результате повышается качество управления во всем рабочем диапазоне температур, что расширяет сферу применения устройства. Формула изобретения Устройство для регулирования температуры, содержащее задатчик программы, подключенный выходом к одному из входов блока управления, второй вход которого соединен с датчиком тем пературы, установленным на объекте регулирования, соединенном с исполнительным органом, отличающ е е с я тем, что, с целью повышени точности регулирования путем коррекции мощности нагревания с учетом тепло шзических характеристик объекта, в устройство введены реле времени, последовательно соединенные дифференциа 8 7 тор, масштабный блок козффициентоё и управляемый источник питания, выход которого подключен к одному из входов исполнительного органа, а также последовательно соединенные источник опорHofo .напряжения, компаратор и блок начального отсчета времени, выход которого подключен к другому входу управляемого источника питания, .а втог рой вход - к выходу реле времени, контакты которого включены между первым выходом блока управления и другим входом исполнительного органа, второй выход блока управления соединен со входом дифференциатора и вторым входом компаратора, выход:которого подключен ко входу задатчика программы, соединенного выходом со вторым входом масштабного блока коэффициентов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.В.П.Куропаткин.. Теория автоматического управления. М., Высшая шко1973, с.4-16. 2.Авторское (свидетельство СССР 345473, кл. G 05 В 19/08, 1968. 3. Авторское свидетельство СССР № 533920, кл. G 05 D 23/22, 1970 (прототип). .