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

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к регулиро нию температуры и может быть исполь зовано для обслуживания объектов, требуншшх высокой точности регулирования температурного режима в широком диапазоне по программе, в частности, в электрических печах сопротивления испытательных машин. Известно устройство для автомати ческого регулирования температуры, содержащее датчик программы, сумматор, измерительный блок, нуль-орган со счет й1ком импульсов, исполнительньй орган и объект регулирования с подключенным к нему датчиком температуры, образунядие контур регу лирования 11 Однако это устройство не обеспечивает требуемой точности регулирования во всем возможном диапазоне изменения температур. Наибольшая точность регулирования возможна в сравнительно узком интервале температур, лежащем, как правило, в середине, а на краях диапазона точность регулирования значительно понижается. Это объясняется ограниченностью линейных участков характеристик элементов, образующих контур регулирования, в частности датчиков температуры. На практике широкое применение нашли устройства для регулирования температуры, в которых предусматривается возможность коррекции программы регулирования в соответствии с законом изменения характеристик, входящих в их состав при относительно несложном схемном и конструктивном вьтолнении устройств. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, регулируемый элемент и преобразователь, подключенный выходом к одному из входов блока управления, второй вход которого соединен с датчиком температуры, установленным на объекте регулирования, соединенном с исполнительным органом. Сигнал от одного датчика температуры поступает на бло управления, а от другого - на регули руемый элемент задатчика программы. Задание пpoгpaм fi) регулирования производится изменением частоты импульсов задающего генератора, а коррекция программы - вследствие измене ния длительности импульсов по сигнал второго датчика температуры. Такое решение позволяет улучшить точность регулирования температуры при наличи теплопотерь fzl. Недостатком данного устройства яв ляется то, что коррекция программы р гулирования осуществляется без учета нелинейностей характеристик датчиков температуры, их старения и вариаций условий нагревания объекта. Кроме того, для качественного регулировани оба датчика температуры доласша обладать идентичными характеристиками, что на практике является труднодости жимым . Цель изобретения - повышение точности регулирования. Работа предлагаемого устройства основана на том, что закон изгденени сигн.ала задатчика проводится в соответствии закону изменения сигнала датчика обратной связи. Тогда справедливо выражение для скорости изменения температуры объекта J const, которая зависит от скорости изменения задания, выбранной скорости на ррева. В начале импульс мощности производит регулирующее воздействие на об ект, сигнал задатчика выводит регулятор из равновесия. Температура объекта изменяется, изменяется сигнал датчика температуры. Время поступления сигнала обратной связи по отношению к моменту появления сигнала задания - это время реакции объекта на регулирующее воздействие, т.е. постоянная времени объекта С . При этом C-jclA. Аатч ° AS , сигнал задатчика, g - сигнал датчика температуры. При соблюдении условия дЕ const- 0, const, когда t. varia регулятор стремится подавать это отклонение соответствующей реакцией, т.е. тогда скорость -g 14 const и закон изменения темпёратуры соответствует закону изменения сигнала датчика - его характеристике. Предлагаемое устройство обладает свойствами подстраивать закон изменения задания под закон изменения сигна па датчика температуры. Это возможно вследствие того, что система регулирования обладает опреде-. ленной постоянной времени t , которая в термических устройствах накодится в пределах с и Ьо- лее, а скорость реакции контура настройки задания находится в пределах быстродействия электронных схем (l(, т.е. на выше. Таким образом, электронная схема всегда успеет подкорректировать задание до того, как термическая система выйдет из режима-гг- const Для.того, чтобы система за счет быстрого реагирования электронной не входила в автоколебательный режим задается определенный порог зоны нечувствительности, который соответствует заданной ошибке слежения за условием const. Поставленная цель достигается тем, что устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные задшо1да й генератор, регулируемый элемент, например делитель частоты, и первый функциональный преобразователь, подключенный выходом к одному из входов блока управления, второй вход которого соединен с датчиком температуры, установленным на объекте регулирования, соединенном с исполнительным opraHcfe, содерлсит нуль-орган, ре- ле времени, последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, второй функциональный преобразователь, а также полярночувствительные реле, выходы которых связаны с вторым и третьим входами сумматора, входы - j выходами нульоргана, вход которого подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с первым входом реле времени, второй вход которого связан с выходом источника опорного напряжения, а выход реле времени - со входом исполнительного органа, причем выход второго функционального преобразователя связан с управляющим входом регулируемого элемента. Такое схемное решение устройства для регулирования температуры обеспечивает аппроксимацию нелинейных участков характеристик датчиков температуры и коррекцию программы регулирования в соответствии с законом измеиения этих характеристик. На чертеже приведена блок-схема устройства для регулирования температуры . Устройство содержит задатчик I программы, в состав которого вводят последовательно соединенные задающий генератор 2, регулируемый элемен 3, например управляемый кодом делитель частоты, первый функциональный преобразователь 4 (цифроаналоговый преобразователь) . Блок 5 управления выполнен по схеме высокоточного регулятора температуры и содержит сумматор 6, измерительщлй усилитель 7 и регулятор 8. Входы сумматора 6 рассматриваются как входы блока 5 управления, один из которых подключен к выходу .преобразователя 4, а второй соединен с датчиком 9 температуры ( термопарой) , установленньм на объекте ДО регулирования. Исполнительный орган I1 содержит .например, блок управления тиристорами, подключенный к первичной обмот ке силового трансформатора, вторична обмотка которого соединена с нагрева телем электропечи. С исполнительным органом 1J через контакты реле I2 времени соединешл выходы источника 13 опорного напряже ния и регулятора 8 блока 5 управлени Выход регулятора является первым вых дом блока 5 управления, второй выход которого (выход измерительного усили теля 7) подключен ко входу нуль-органа 14. К выходам нуль-органа 14 подключе два полярночувствительные реле 15 и 16. Первый вход сумматора 17 соеди нен с выходом источника опорного напряжения, а два входа (суммирукяций и вычитающий) сумматора соединены со ответственно с выходами полярночувствительных реле 15 и 16. Выход сумматора 17 подключен ко второму функциональному преобразователю 18, вьшолненному по схеме анало го-цифрового преобразователя и соеди ненному выходом с одним из входов регулируемого элемента 3 задатчика 1 программы. Устройство для регулирования температуры работает следующим образом. Начало цикла -регулирования определяется моментом поступления команды Пуск на реле 12 времени. Реле 12 срабатывает и через его нормально разомкнутые контакты источник 13 опорного напряжения подключается к исполнительному органу 11. На объекте 10 регулирования производится установленное воздействие, например, импульсом тепловой мощности. Длительность зтого импульса определяется временем задержки реле 12. Величина времени определяется заранее на основании опытных данных для каждого г исследуемого образца материала. Она учитывает теплофизическйе свойства и инерционность объекта 10 нагревания и необходима для того, чтобы в момент начала регулирования подать к объекту 10 нормированный импульс тепловой мощности, соответствующий его начальной теплоемкости (также определяемый заранее), и ограничить действие этого импульса по времени, чтобы не допустить перегрева объекта 10. Датчик 9 и измерительный усилитель 7 непрерывно измеряют величину отклонения регулируемого параметра, при этом вырабатывается сигнал рассогласования со знаком плюс, так как на выходе задатчика 1 напряжение программы отсутствует. Сигнал с выхода измерительного усилителя 7 поступает на вход регулятора 8, приводя его в состояние, соответствующее температуре объек-; та 10. Однако на исполнительный орган 11 регулятор 8 влияния не оказывает, так как контур регулирования разомкнут контактами реле 52 времени. Одновременно нарастающее по мере разогрева объекта 10 напряжение с выхода измерительного усилителя 7 поступает на вход нуль-органа 14, имеющего заданную определенную зону нечувствительности. При превышении сигналом рассогласования зоны нечувствительности в сторону верхнего предела ограничения срабатывает полярночувствитгльное: реле плюс 15, которое своими нормально разомкнутыгми контактами (не показано)включает задаюрщй генератор 2 задатчика 1 программы. В генераторе 2 предусмотрена самоблокировка от повторных включений, поэтому дальнейшие вариации состояния реле 15 не оказывают влияния на работу генератора 2.

Напряжение с выхода задающего генератора 2 поступает на упрйвляе - мьй кодом делитель 3 частоты, на второй вход которого поступает сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 18, являющийся функцией алгебраической суммы величин опорного напряжения с выхода источника 13 опорного напряжения и сигнала рассогласования, измеренного усилителем 7.

Цифровой код с выхода аналого- . цифрового преобразователя 18 управляет коэффициентом доения управляемого кодом делителя 3 частоты, и таким образом, осуществляется коррекция программы регулирования.

Сигналы с выхода делителя 3 частоты поступают на цифроаналоговый преобразователь 4 который целесообразно выполнять реверсивным для осуществления режимов нагрева и охлаждения.

С выхода информационного преобразователя 4 скорректированное напряжение программы поступает на один из входов сумматора 6 блока 5 управления, на второй вход которого поступает сигнал от датчика 9 температуры. С выхода сумматора 6 разностный сигнал поступает на измерительный усилитель 7 и далее на регулятор 8. К этому моменту реле 12 времени, отработав заданную временную задержку, возвращается в начальное состояние, при котором замыкается контур регулирования температуры объекта 10, т.е. ко входу исполнительного органа 11 через нормально замкнутые контакты реле 12 подключается выход регулятора 8, а источник 13 опорного напряжения соответственно отключается. В результате указанных переключений устройство для регули рования температуры выходит на рабочий режим плавно, без значительных выбросов регулирования.

В установившемся режиме регулирования значение кода преобразователя 18 определяется алгебраической суммой источника 13 опорного напряжения и одного из выходов нуль-органа I4v При превышении зоны нечувствительности нуль-органа 14 срабатывает одно из полярночувствительных реле (плюс

15 или минус 16) и сигнал рассогласования суммируется с сигналом источника 13 опорного напряжения,

При превыщении сигналом рассогласования верхнего уровня зоны нечувствительности нуль-органа 14 срабатывает 15 и величина напряжения на входе второго функционального преобразователя 18 складывается из напряжения Uj источника 13 опорного напряжения (величина которого уст навливается в зависимости от требуемой скорости линейного нагрева) и напряжения разбаланса +uU.

Таким образом, сумма этих напряжений равна )A и UQ. Гфи этом значение кода преобразователя 18 возрастает, соответственно ему увеличивается коэффициент деления управляемого кодом делителя 3 частоты и частота напряжения на входе преобразователя 4, а следовательно, сигнал на входе сумматора 6 уменьшается.

Это происходит до тех пор, пока величина разбаланса +uU на входе нуль-органа 14 не установится в пределах зоны нечувствительности, при этом реле 15 отключается и на преобразователь 18 воздействует только сигнал и о с выхода ис очника 13 опорного напряжения, т.е. коэффициент деления управляемого кодом делителя 3 частоты будет соответствовать номинальному.

При превышении сигналом рассогласования нижнего уровня зоны нечувствительности нуль-органа 14 срабатывает реле 16 и происходит алгебраическое суммирование вида U U|5-u.U Uo пока этот сигнал разбаланса - ли снова не установится в зоне нечувствительности нуль-органа 14.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает свойством автоматического выхода на рабочий режим без значительного перерегулирования, способностью аппроксимации нелинейных участков характеристик датчиков температуры и возможностью слежения за этой характеристикой с высокой точностью. При этом режим слежения осуществляется методом постепенных приближений, что устраняет самовозбуждение устройства при больших скоростях нагрева, малой инерционности объекта регулирования и значительной нелинейности датчика температуры. 9 Кроме того, если произойдет обрьш или короткое замыкание в цепи датчика 9 обратной связи, система пере (щет в режим самоблокировки зэдатчика по цепи 6, 7, 14, 15, 17, 18, 3, 4, что предотвращает аварийньй режим исполнительного органа 11 изза неуправляемого нагрева. Формула изобретения Устройство для регулирования тем пературы, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, регулируемьй элемент, например, уси литель частоты, и первый функционал ный преобразователь, подключенный выходом к одному из входов блока управления, второй вход которого соединен с датчиком температуры, установленным на объекте регулирова ния, соединенном с исполнительным органом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулирования, оно содержит нуль 1 орган, реле времени последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, второй функциональный преобразователь, а также полярночувствительные реле, выходы которых связаны с вторым и третьим входами сумматора, входа: - с выходами нуль-органа, вход которого подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с первым входом реле времени, второй вход которого связан с выходом источника опорного напряжения, а выход реле времени - со входом исполнительного органа, причем выход второго функционального преобразователя связан с управляющим входом регулируемого элемента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетепьство СССР № 224933, кл. Ь05 D 23/22, 1960. 2.Авторское свидетельство СССР № 533920, кл. G 05 D 23/22, 1974 (прототип,

Т

Пуск