Устройство для регулирования температуры Советский патент 1983 года по МПК G05D23/19 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к технике автоматического управления, а конкретно к системам регулирования температуры .

Известны автоматические устройства для регулирования температуры, содержащие, в основном, задатчики, схемы сравнения, регуляторы, исполнительные блоки, цепи обратной, связи и корректирующие звенья. В большинстве случаев используются регуляторы с линейным законом регулирования, например пропорционально-интегрально- дифференциальные (ПИД) регуляторы 1 .

Однако использование этих регуляторов для регулирования температуры в установках для тепловых испытаний широкого класса изделий, отличающихся.массами, объемами, теплофизическими характеристиками и программами испытаний, практически неудобно,так как необходима настройка блока управления при переходе от одного изделия к другому и проведение испытаний на макетах, отдельно для каждого изделия, с целью добиться минимальной погрешности испытаний. Кроме того, в устройствах для регулирования температуры с использованием ПИД

регуляторов при широких диапазонах измерения температуры погрешность регулирования зависит от скорости изменения температуры и от величины температуры на поверхности изделия. Для уменьшения этой зависимости в устройствах для регулирования температуры ВВОДЯТСЯ различные корректирующ,ие .цепи. Эхо частично улучшает

10 качество регулирования, но вместе с тем усложняет систему в целом. .

Наиболее близким по технической сущности является устройство для регулирования температуры, содержащее

15 последовательно соединенный усилитель, сумматор, усилитель мощности, исполнительный механизм, масштабный блок и элемент сравнения, выхбд которого соединен с одним из входов

20 сумматора. В устройстве, с цепъЛ повышения ТОЧНОСТИ управления при наличии транспортного запаздывания объекта управления, введены последовательно соединенный коммутатор

25 с переменным порогом срабатывания и блок запаздывания, выход которого соединен с входом интегратора, первый вход коммутатора связан со входом усилителя, а второй вход соеди30нен с одним из выходов исполнительного механизма. Сущность известнохч устройства заключается в том, что благодаря коммутатору оно работает в двух режимах с постоянными параметрами, причем переход с режима на режим осуществляется в релейном режиме. Таким образом, с точки закона регулирования в первом режиме осуществля втся пропорциональное регулирование с постоянными парамет рами, а во втором пропорциональноинтегральное регулирование с запаздыванием 2 . Введение дополнительных звеньев частично повышает точность управления, но.не устраняет недостатки, присущие интегральным регуляторам при управленииобъектов с переменной постоянной времени, например регулирование температуры при инфракрасном нагреве объектов с переменными тепло физическими характеристиками или при переменных возмущающих воздействиях изменение оптических свойств передающей среды, оптических свойств поверхности и др. Цель изобретения - повышение точ ности и упрощение настройки устройства. Эта цель достигается тем, что в устройство для регулирования температуры, содержащее датчик и задатчик температуры, подключенные к входам элемента сравнения, к выходу KOTopo подключен усилитель, выходом связанный с первым входом сумматора, и пос ледовательно соединенные усилитель, .диод и эмиттерный повторитель, выхо:дом соединенный с вторым входом сумматора, к выходу которого подключен исполнительный механизм, причем к точке соединения диода и эмиттерного повторителя подключены параллельно соединенные интегрирующий конденсатор и разрядный резистор, другие выводы которых заземлены, введен блок управления, а разрядный резистор овыполнен регулируемым, при этом блок управления включен между выходом элемента сравнения и управляющим входом регулируемого разрядного резистора, причем блок управления может быть выполнен в виде усилителя .Необходимость регулирования постоянной времени блока регулирования в зависимости от изменения величины постоянной времени объекта управления в системах регулирования температуры вытекает из теории автоматического управления. В действительности, если предста. вить, рассогласование йТ, как функцией от Т-причем лт S ьТ. «„ 5 - 3 J3 АОП и мысленно, отсоединить выход схемы сравнения от входа блока регулирования, то можно писать T; &T,Wp-Wo WpWo, . . j где Т„ - истинная температура на объекте; WP - передаточная функция регулятора; .WQ - передаточная функция объекта управления и тракта измерения температуры, причем Г- текущая погрешность регули-. рования; дТ, п максимальная абсолютная допустимая погрещность; К - коэффициент пропорциональ; ности (постоянное число). . Учитывая, что Тд Т, то можно сократить на Т правую и левую части равенства (1). В этом случае получаем соотношение WpWo К.(2) Для того, чтобы вьшолнялось соотношение (2) в условиях, когда временные параметры W изменяются в зависимости от внешний условий- или при изменении теплофизических характеристик, необходимо менять соответствующим образом параметры Wp. При нагреве Wg можно свести к сумме передаточных функций апериодических звеньев первого порядка. В простейшем случае это имеет вид где К - коэффициент пропорциональности;t(j - постоянная времени объекта управления. Если LQ меняется в процессе регулирования, необходимо изменять и постоянную времени Wp, которая в таком случае имеет вид -Vi: где tp - постоянная времени блока регулирования; К2 - коэффициент пропорциональности, причем - К. По аналогии с электрич.еской цепью, выполнение соотношения (2) означает сведение к нулю реактивной составляющей сопротивления цепи, т.е. сведение к нулю фазового сдвига между током и напряжением на активном сопротивлении , На чертеже приведена структурная схема устройства для регулирования температуры,

Устройство содержит задатчик 1 температуры и датчик 2 температуры, усилители 3 и 4, блок 5 управления, разрядный резистор 6, сумматор 7, исполнительный механизм 8, объект 9, элемент 10 сравнения, диод 11,конденсатор 12, эмиттерный повторитель (истоковый повторитель) 13.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы ТJ и Tj с задатчика 1 температуры и датчика 2 температуры поступают на входы элемента 10 сравнения Далее сигнал рассогласования дТ Kf,( TJ) подается одновременно на входы усилителя 3, блока 5 15 управления постоянной времени RC-цепочки состоящей из интегрирующего

конденсатора 12 и регулируемого разрядного резистора 6 и на вход цепи, состоящей из усилителя 4, диода 11 20

и эмиттерного повторителя 13, причем к точке соединения диода 11 и эмиттерного повторителя подключена С-цепочка. Сигнал рассогласования йТ - Кп (Т - TJ) воздействует на 25 объект управления по двум контурам регули{ ования: один ч-ерез цепь, состоящую из усилителя 4, диода 11 RC-цепочки и эмиттерного повторителя. 13, другой .- через усилитель 3. эп Известно, что температура Tj на поверхности объекта при инфракрасном нагреве однозначно зависит от величины падающего теплового потока Q (который пропорционален току управ- ,, ления на входе испол-нитзльного механизма in) при постоянных теплофизи.ческих характеристиках объекта и при постоянных оптических характеристиках поверхности и передающей среды. Изменение этих внешних уело- 0 ВИЙ фактически приводит к изменению параметров системы регулирования в целом. Это приводит к изменению постоянной времени объекта управления, в этом случае для того, чтобы 45 восстановить общую передаточную функцию системы, необходимо изменить соответствующие параметры регулятора, т.е. в данном конкретном случае необходимо изменить постоянное время 50 разряда RC-цепочки. в этом случае быстродействие блока регулирования системы в целом выше чем в обычных ПИД-регуляторах, и вследствие этого сокращается длительность переходных jj процессов.

Регулирование постоянной времени RC-гцепочки осуществляется через блок5 управления и регулируемый разрядный резистор 6. Практически, блок 5 60 управления осуществляет зависимость величины текущего значения разрядного резистора б от рассогласования . д.Т Кп(Т - Т). В случае, когда в качестве блока 5 управления приме- 5

няется усилитель, а в качестве управляемого резистора 6 переход биполярного транзистора эта зависимость принимает вид:

-Я1:цси-|к аэ-т)3к., т.

RO

т IT

де RQ - значение разрядного резистора при Т О;

g - заряд электрона; Uj. - начальный потенциал смещения на баэе т ранзистора, который задается внутренними потенциометрами блока управления 5;

постоянная Больцмана;

температура перехода;

Кр- коэффициент пропорциональности..

Как видно из формулы (5), изменение потенциала смещения дает возможность задать любые.начальные значения разр ядного резистора 6, относительно которого проводиться регулирование постоянной времени С-цепочки. Это позволяет выбрать оптимальный диапазон регулирования. Кроме того, непрерывное регулирование постоянной времени в зависимости от величины рассогласования позволяе приблизиться в устройстве для регулирования температуры к соотношению (2), а это значит и к наименьшей погрешности ..

Формула изобре.тения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство СССР 454533, кл. G 05 В 11/00, 1973.