Термостатирующее устройство Советский патент 1982 года по МПК G05D23/19 

(54) ТЕРМОСТАТИРУЮШЕЕ УСТРОЙСТВО

1

Изобретение относится к технике автоматического регулирования температуры, а более конкретно к системам управления термостатами , предназначенными для термостатирования различных радиоэлектронных элементов автоматики, а также относится к оптимальным по быстродействию устройствам управления объектами с распределенными параметрами.

Известно термостатикующее устроит- ц, во, содержащее термочувствительный мост, подключенный к блоку управления, к выходу которого через последовательно соединенные ключевой элемент и усилитель мощности подключен нагреватель, ,5 а также содержащее подключенные к выходу ключевого элемента последовательно соединенные генератор линейно возрастающего напряжения и пороговый элемент, выход которого подключен к 20 одному из плеч термоч встительного моста Cl }

Недостатком указанного устройства является низкое быстродействие, а также

то, что устройство работает только наг подогреве, т.е. работает только в тех условиях, когда температура статирования выще температуры окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является термостатирующее устройство, содержащее термочувст вителывый мост и задатчик температур, подключенный к блоку управления, компаратор, последовательно с®единенные генератор монотонно возрастающего напряжения и первый пороговый элемент, последовательно соединенные основные усилитель мощности и исполнительный элемент, а также содержит подключенные к первому выходу блока управления последовательно соединенные блок памяти начальной температуры, дифференцвльный усилитель, второй пороговый элемент, смеситель видеоимпульсов и управлякадий триггер, а также содержит инвертирующий повторитель и коммутатор надряжекий, первый и втсрзй канЭ ль которого соединояы с выходами кЬмПйратора и блока управления, а выход ко -шутвтора напряжений связан с входом основного усилителя могяности, причем второй вход дифференциального уси™ литаш} связан с выходом эадатчи1Ш тем- перагуры, а выход - с входом Kovciapa- тора и с вторым входом первого порогоаог-э элемента, выходом связанного с Вторым BXOGOM смесителя видеош-.ягульсов ВАСД инвертпрукямего повторителя связан С выходом генерйтора монотонно воэ раст 1ющего ншфяжения, а выход - с Б :одом второго порогового элемента, выходы управляющего триггера псдклгочены к управляющим входам коммутатора напряжений С . Недостатком известного устройства я.ляе7ся ткзкая точность управления теп .тюфизкческим объектом в переходном ре 5ош;е при различных ограничениях на градиенты температур в заданных точках упрйвляемого объекта с распределенными .параметраг.Гп. Цель изобретения - повышение точности упраЕлеш1я теплофизическим объектом в лерякодном режкмо, а именно поТ/ленкб oszT-uv-uTJibKoro ло бьгсгроцейсгвню упрайлев:ия теплсфизическим объектом пр ,-Е. огракичен й1Х на его входные и выходные координать;, Удх9занкая цель достигается тем, что в термостатиру Ю1дее устройство, содерЖй1дее первый зтерв гчный преобразователь (измеритель) температуры, эедатчик тем лературы «л аткрования, когушутатор напряжений, первый и второй управляющие которого подкаисучены соответствен яо к нешжерткруквдему -и инвертирующем вьпсодам улра.влякж1его триггера, компаратор-; yCiiirafTejTb мощности, вь5ходом подкп:вчек1&1й к входу кспояшктельного эл.емек1(а, введены блок первичных преобраэойателей, (измерителей) темперагургд, блок ограничителей, логический g,,eF,T ИЛИ,.бпок задержки, задатчик лреде;;2ьно допустимой темпера-туры , вызсрдом подключенный к первому входу ксч.ф утат1эра напряжений, Второй вход которого подаотючен к задатчику темпера туры статировашш, а выход коммутатора напряжений подключен к первому вжоду компаратора, выход которого подкпюч|ен ;ж зкод, усшштеля мощности, причем выход первого преобразователя температуг ъ первичных преобразователей (йз epЛ№лeй) температуры подключен к второму вжоду компаратора и к первьем входам ограничителей блока ограничителей, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами (второго и последующих) преобразователей блока первичных преобразователей температуры, при этом выходы блока ограничителей через элемент ИЛИ подключены к третьему входу компаратора, а первый вход управляющего триггера соединен с входом блока задержки, выхсд которого подключен к второму входу управляющего триггера. задержки содержит последовательно соединенные генератор импульсов, делитель частоты, линейку двоично-десятичных счетчиков, блок дешифраторов, а также содержит логический элемент И, входы KOTopoix подключены через коммутационно-наборную панель к соответствук щим выходам блока дешифраторов, причем установочный вход линейки двоично-десятичных счетчиков является входом блока задержки, а выход логического элемента И является выходом блока задержки. Каждый ограничитель блока ограничителей содержит дифференциальный ; усилитель, компаратор и блок задания предельно допустимой величины темпераlypHoro градиента, выходом подключенный Кпервому входу компаратора, второй вход последнего связан с выходом дифференциального усилителя, причем первый и второй входы дифференциального усилителя являются первым и вторым входами каждого ограничителя, а выход компаратора является выходом каждого ограничителя. На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 функциональная схема блока задержки; на фиг. 3 - то же, одного из ограничителей блока ограничителей. Термостатирующее устройство (фиг. 1) содержит блок 1 первичных преобразователей (измерителей) температуры, компаратор 2, усилитель 3 мощности, исполнительный элемент 4, коммутатор 5 напряжений, задатчик 6 предельно допустимой температуры, управляющий триггер 7, задатчик 8 температуры статирования, блор 9 задержки, блок 10 ограничителей, логический элемент ИЛИ 11. Клемма на которую подается установочный сигнал (Сброс), обозначена позицией 12. Кроме того, блок задержки (фкг. 2) содержит генератор 13 импульсов, стабилизированный кварцем, делитель 14 частоты, линейяу 15 двоично-десятичных счетчиков, блок 16 из tn дещифрат{ ров двоично-десятичного кода в десятичный, коммутационно-наборную панель 17,т -входовой логический элемент И 18. Кроме того, каждый из ограничителе блока ограничителей содержит дифференциальный усилитель 19, компаратор 20 и блок 21 задания предельно деттуетимо величины градиента температуры. В устройстве в качестве исполнитель кого элемента могут применяться как всевозможные электрические нагреватели (охладители), так и управляемая реверзсивная термобатарея, В устройстве объект термостатировакия должен быть полностью наблюдаем, т.е. в заданные точки объекта термоста тирования для контроля состояния объекта в каждый момент времени установлен датчики температуры. В таком устройст в качестве первичных преобразователей (измерителей) температуры может n-piMe няться термочувствительный мост, подключенный к входа дифференциального jусилителя, а также может быть применен пирометр. Причем датчик первичного преобразователя 1-0 установлен на объе те термостатирования рядом с нагревате лем (термобатареей), т.е. на входе объекта термостатирования. А остальные К датчиков первичных преобразователей (измерителей) температуры установлены в различных заданных точках объекта термостатирования (на выходах объекта термостатирования). Блок 10 ограничителей состоит из отдельных независимых ограничителей, представляющих собой нелинейности типа зоны нечувствительности. Их выходное напряжение равно нулю, пока входное меньше порога срабатывания . Порог чувствительности каждого из ограничителей блока 10 равен напряжению, соответствующему допустимому уровню температурного градиеш-а для заданных точек. Рассмотрим работу устройства на примере схемъ (фиг. 1), где в качестве первичного преобразователя взят термочувствительный мост, подключенны к ВХОДУ дифференциального усилителя, а в качестве исполнительного элемента возьмем, например, управляемую раверси ную термобатарею. При включении питания на блок 9 задержки и на управляюпшй триггер 7 через входной зажим 12 подается установочный сигнал (Сброс), который устанавливает схему в исходное положение. После этого коммутатор 5 напряжений под действием управления с триггера 7 подключает выход задатчика 6 предельно допустимой температуры к входу компаратора 2, а выход задатчика 8 температуры статирования при этом отключается. На другой вход компаратора 2 с выхода первичного преобразователя 1-0 поступает напряжение, пропорциональное начальной температуре обРьекта, т.е. напряжение OQ , а на третьем входе компаратора 2 напряжение в начальный момент равно нулю. Таким образом, компаратор 2 переводит усилитель 3 мощности в режим насыщения, последний, в свою очередь, выводит блок 4 реверсивных термобатарей на полную мощность, определяя тем самым начало форсированного выхода объекта в режим. Температура объекта термостатирования начинает изменяться с максимальной скоростью в сторону заданной температуры статирования . Переходный процесс в термостатирующем устройстве начинается в момент подачи на вход компаратора 2 с задатчика 6 предельно допустимой температуры скачка напряжения заданной амплиту.ды ( tndx которое соответствует максимально допустимой температуре на входе объекта ,0, т.е. (J -Taj( AQq,.Ha второй и третий входы компаратора 3 поступают сигналы отрицательной обратной связи с выходов и входа объекта термостатирования. При этом компаратор 2 скачком переходит в другое состояние, как только напряжение на въЕходе первичного преобразователя 1-0, соответствуюцее температуре на входе объекта Тц) , достигнет своего предельного значения, равного амплитуде сформированного скачка напряжения, т.е. когда Tax Tgj (,0(4 д, а также компаратор 2 срабатывает, если сработает хотя бы один из ограничителей блока 10. Последний сработает, как только градиент температур любой из заданных выходных точек относительно входной превысит допустимую величи1 у. Таким образом, до того момента, пока входные и въпсодные координаты объекта не достигнут своих предельных значений, объект движется в сторону заданного конемного состояния с максимальной скоростью при предельном значении управляющего воздействия. Как только хотя бы одна из координат объекта достигнет своего предельного значения, то управляюшее воздействие на выходе iKc.Msapагора 2 меняет свой е-з.аг; па обраг-ньтК, Обьект иа шнает дв ггпться с .7кой скоростью в обратную сто ,, и снова при переходе грашпшы области .aovn.CTHMbix значений коорятгяат управляющее воздействие мешгет свой , зя,«ш:. TaKJtv: образом органи юг дниже ние термостатирования по граi-fflue области доггустю- ых значеш1й его Bxo,csTbxs .н выходных координат до ококчатдая перехо.аного процесса, Б течение которого реплягор и объект управления «рсйтгевш ют собой замкнутую системуг удери ива5солуг:0 входные и выходные кооргтака- -ы объекта на допустимых знагегпжх. Прв этокс по истечении опредепенного Ф зксйрованогс вреь-юни с начшш переход кго.го п эоцесса задержанный установочный т-Апут:,с (Сброс) с выхода блока 9 задержки своим передним фронтом перебрасывает управляющий триггер 7 в нулевое состояние, который, в 9Вою очередь, производит переключение каналов KOvfivfyTBTopa 5. При этом одновре вьжод задатчика 6 предельно допустимой тэ отературы отключается отг входа ,;аэ,-а.чра.тора 2, а вызсод задатчик В те шерет/р;.-; отатироваетгя подключает ся, aiofi образом, моме:нт срабатьюания ;ятрдЕ 1:я;ющего триггера 7 и подача нйЛ1рйже{шя -.-jiaA ®Ь1Хода задатчика 8 тег-шературы статкрования на вход компаратора 2, СБИдезтельствует об окончашж ра-згока упраЕ тяемого обьекта в режим к качало режима стабилизации его Е конечг:ам заданном уровне. .Начиная с зтого .момента, коьшардтор 2 отрабатывает ошибку рассогласования, компенскйя запасенную знершю объекту рел- га ро&ашет. Температура объекта на тнияет в -гр/ внитзатхлся по всему объему я пт1С-:ис.;о.цит быстрее, 5югда в качес,.-::- хпачнительного элемента служит }-;-)aB,ri. реве эсийная термобатарея, . зк к .1 .я системе появляется воэмож:ы&с:т:-ь отосра лишнего тепла (колода) за сч;зг иа.шнения знака температуры исл&янкгельного элемента. При достиже нии раве-..:;г;за -температур во всех точк дго.-ш .задан той температуры статаровани иерехо. процесс заказнтивается, а по леяукацее .регулирование носит импульсхный ;сарактер. Рассмотрим работу блока 9 задержк ,фкд 2). После этого, зсак входдтой уст&,:. сищшг (Сброс), поданный иа клеглму 12, сбросит в нуль сче чйки ддакейЖ 15 двоично-десягичныхг 418 Счетчиков, то шетульсы с задающего генератора 13, стабилизированного кварцем поступают через делитель 14 частоты на линей1дг 15 последовательно включенных двоично-десятичных счетчиков. Подключенные к выходам счетчика 15 дешифраторы 16 преобразуют последовательность импульсов в десятичный код. На выходах каждого дешифратора (каждой декады) блока 16 появляются импульсы, сдвинутые на время, равное 10 Т относительно импульса на предыдущем выходе, где п - номер декады, начиная со стартяей; Т - период (с) повторения десятичного кода ;на выходах блока 16 дешифраторов, определяемый емкостью N счетчика 15, частотой f (Гц) генератора импульсов 13 и коэффициентом К деления частоты на выходе делителя 14 частоты, T.e.TsbLK.. Период Т при необходимости регулируют посредством изменения коэффициента К делителя 14 частоты. На коммутационнойнаборной панели 17с помощью m -входового логического элемента И 18 можно выделить любой из импульсов в периоде Т . Таким образом, выделяя нужный импульс в периоде Т с помощью логического элемента И 18 и подавая его на вход управляющего ИЗ -триггера 7, тем самым осуществляют необходимую задержку входного установочного импульса (Сброс). В дальнейшем (jwe после переходного процесса) импульсы с выхода алемента И 18 периодически поступают на вход управлякиегр RS-триггера 7, подтверждая этим его состояние, что повышает надежность работы устройства в целом. Рассмотрим работу одного из ограничителей блока 1О ограничителей (фиг. 3). На один из входов дифференциального усилителя 19 подается напряжение с выхода первичного преобразователя 1-0, датчик которого установлен около нагревателя (охладителя), т.е. на входе объекта термостатированяя. На другой вход дифференциального усилителя 19 подается напряжение с выхода, например, первичного преобразователя 1-1, датчик которого установлен в одной из заданных (контролируемых) точек объекта термостатирования. На выходе усилители 19полушют напряжение, величина вх торого нрсяторциональная градиенту твмператур между вышеуказанными точками. Это напряжение на входе компаратора 20сравнивается с напряжением задания предельно допустимой величины градиента температур, которое поступает с блока 21. Если градиент температур между вышеуказанными точками прев лсит предельно допустимую величину, то компаратор 2 О срабатьюает, глгновенно осуществляя через элемент ИЛИ 11 управляющее воздействие на компаратор 2, который в свою очередь также мгновенно меняет состояние. Как только гра диент температур между этими точками станет меньше предельно допустимого, то схема скачком возвращается в исход ное положение. В предлагаемом устройстве время задержки блока задержки зависит от начальных к граничных условий, а также зависит от ограничений, накладываемых на входные и выходные координаты объе та, т.е. зависит от температурного пере пада между температурой статирования и начальной температурой объекта, от предельно допустимой температуры на входе объекта, а зависит от уставок на предельно допустимые градиенты температурного поля блока 10 ограничителей. Поэтому для оптимального по быстродействию управления объектом термостатирования время задержки блока задержки определяется предварительно или методом электрического моделирования, или с помощью решения этой задачи на электронной цифровой вычислительной машине. Если же время задержки предварительно таким путем определить невозможно, то его достаточно просто мож но определить экспериментально на предлагаемом устройстве. При этом оператор наблюдая переходной процесс с помощью измерительного устройства (например, вторичного самопишущего прибора или осциллографа), каждъгй раз от одного запуска к другому регулирует время задержки блока 9 до тех пор, пока перерегулирование в /заданной точке объекта будет соответствовать заданному. Как правило, такой выходной точкой является наиболее удаленная от источников тепла точка объекта регулирования (например, центр камеры термостата). Если в процессе, эксплуатации предлагаемого устройства изменились параметры, от которых зависит время задержки блока задержки 9, то время задержки этого блока необходимо при этом определить заново. Структура предлагаемого устройства позволяет осуществлять оптимальное по быстродействию управление теплофизичес кими объектами с распределеннъшпя параметрами в переходных режимах при следующих одновреме1шо накладьгааемых ограничениях как на управляющее воздействие, так и на входные и выходные координаты объекта, т.е. когда ограничен диапазон скачкообразного изменения мощности источника тепла (холода), а точнее ограничена мощность источника в каждом из крайних его положений, ограничена максимальная температура на входе теплофизического объек-га (температура объекта под нагревателем), ограничена величина перере.гулирования на въкоде теплофизического объекта (процент перерегулирования в наиболее удаленной от нагревателя точке распределенного объекта), а также допускает положения целого ряда ограничений на температурные градиенты в заданных точках теплофиаического объекта, т.е. когда предъявляются определенные требования к разномерности -температурного поля объекта термостатирования в переходном режиме. Формула изобретения 1. Термостатирующее устройство, содержащее первый первичный преобразова- тель (измеритель) температуры, задатчик температуры статирования, коммутатор напряжений, первый и второй управляющие входы которого подключены соогветственно к не инвертирующему и инвертирующему входам управляюще го триггера, компаратор, усилигель мощностн,выходом подключенный к входу исполнительного элемента, отличающееся тем, что, с целью повышения точности управления теплофизическим объектом в переходном режиме, оно содержит блок первичных преобразователей (измерителей) температуры, блок ограничителей, логический элемент ИЛИ, блок задержки, задатчик предельно допустимой температуры, выходом подкл ченнъгй к первому входу коммутатора напряжений, второй вход которого подклюА чен к задатчику текшературы статирования, а въгход коммутатора напряжений подключен к первому входу компаратора, выход которого подключен к входу усилителя мощности, причем выход первого преобразователя температуры блока перВ1гчных преобразователей (измерителей) температуры подключен к второму входу компаратора и к первым входам ограничителей, вторые входь которых соединены с соответствукзцими выходами

(второго и последующих) преобразователе блока первичных преобразователей теЛтерЕ ры, при этом выходы блока ограничктш1ей через элемент ИЛИ подключены к третьему входу компаратора, а первый Б.од управлякацего триггера соединен с входом блока задержки, выход которого яедшгочюн к второму входу управляющего триггера.

2, Устройство по П.1, отлнчаю зд е е с я тем, что блок задержки содержит последовательно соединенные генератор импульсов, делитель частоты, якнейку двоично-десятичных счетчиков, блок дешифраторов, а такзке содержит логический элемент И, входы которого коякпючеиы через коммутакисшно-ааборкую панель к соответствующим выходам бцока дешифраторов, причем установочны вход линейки двоичн1 -десятичш11х счетчвков является входом блока задержки, а выход логического элемента И является выходом йгока задержки.

Ис гочники информации, принятые во внимание при экспертизе

кл. G 05t 23/19, 08.О5.80 (прототип).

J

L Т

t

.;j.

i

/9

4IL. L.

t,

,

/J

/tf

тт

V