Устройство регулирования температуры

 

1. УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные дифференциальный уси штель с подключенными к его входам датчиком и задатчиком температуры и блок управления, соединенные последовательно генератор импульсов и двоичный счетчик, а также ключевой элемент и подключенный к его выходу исполнительный элемент, причем блок управления включает в себя элемент сравнения, первый вход которого является входом блока управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит первый реверсивный счетчик , компаратор кодов, триггер и первый элемент кодов, другие входы - с выходс ш двоичного счетчика, подключенными соответственно к первой группе входов компаратора кодов, второй выход которого через триггер, соединённый ВТОРШ4 входом с выходом пер вого элемента И, подключен квходу ключевого элемента, а вторая группа входов компаратора кодов соединена с соответствующими выходами первого реверсивног -Счетчика, первый и второй входы которого связаны с первым и вторым выходами блока управлейия соответственно. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит соединенные последовательно управляемый генератор импульсов , первый и второй инверторы и элемент 2И-ИЛИ, а также второй, . третий и четвертый элементы И, второй реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, формирователь, импульсов и элемент сравнения, причем выход управляемого генератора Импульсов соединен с первым входом элемента 2И-ИЛ1{ и через первый ин (Л вертор - с вторым входом элемента 2И-ИЛИ, с первыми входами второго и с третьего элементов И, а в1ход управляемого генератора импульсов связан с выходом элемента сравнения, с входом форг шрователя импульсов и с вторым входом второго элемента И, подключенного выходом к первому вхоо ду второго реверсивного счетчика, связанного вторым входом с выходом формирователя импульсов и с третьим входом элемента 2И-ИЛИ, а выходами через цифро-аналоговый преобразователь - с вторым входом элемента сравнения и через четвертый элемент И, к выходу которого через второй инвертор подключен второй вход трехьего элемента И с четвертым входом элемента 2И-ИЛИ и с третьим входом второго элемента И, причем выход элемента 2И-ИЛИ является первым выходом блока управления, а выход третьего элемента И - вторым выходом.

СОЮЗ СОНЕТСНИХ

В Ю

PECAYSËÈH

0% (И) 3$90 05 23

ГОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н втоииому с рггальстеч

1 1 ч . 3 (21) 3429494/18-24 (22) 26.04.82 (46) 15.12.83. Бюл. М 46 (72) A.Ï.Åãîðøèí и Ю.В.Шадрин (53) 621 ° 555.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР в 697984, кл. 0 05 о 23/19, 1979 °

2. Вруфман С.С. Цифровые элементы сравнения. М., "Энергия", 1967, с. 88 ° .

3. Авторское свидетельство СССР

Р 662916, кл. 0 05 D 23/19, 1978 (прототип). (54)(57) 1, УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последователь« но соединенные дифференциальный уси литель с подключенными к его входам датчиком и задатчиком температуры и блок управления, соединенные после-. довательно генератор импульсов и двоичный счетчик, а также ключевои элемент и подключенный к его выходу исполнительный элемент, причем блок управления включает в себя элемент сравнения, первый вход которого явля° ется входом блока управления, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыыения точности устройства, оно содержит первый реверсивный счетчик, компаратор кодов, триггер и первый элемент кодов, другие входы - с выходами двоичного счетчика, подключенными соответственно к первой группе входов компаратора кодов, второй выход которого через триггер, соединенный вторым входом с выходом пер- вого элемента И, подключен к входу ключевого элемента, а вторая группа входов компаратора кодов соединена с соответствующими выходами первого реверсивноге .счетчика, первый и вто- рой входы которого связаны с первым и вторым выходами блока управлейия соответственно.

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит соединенные последовательно управляемый генератор импульсов, первый и второй инверторы и элемент 2И-ИЛИ, а также второй, третий и четвертый элементы И, второй реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, формирователь импульсов и элемент сравнения, причем выход управляемого генератора импульсов соединен с первым входом Е

O элемента 2И-ИЛИ и через первый инвертор - с вторым входом элемента

2И-ИЛИ, с первыми входами второго и третьего элементов И, а вход управляемого генератора импульсов связан с выходом элемента сравнения, с 8 входом формирователя импульсов и с вторым входом второго элемента И, подключенного выходом к первому входу второго реверсивного счетчика, связанного вторым входом с выходом формирователя импульсов и с третьим входом элемента 2И-ИЛИ, а выхс дами через цифро-аналоговыи преобразователь — c вторым входом элемента сравнения и через четвертый элемент И, к выходу, которого через второй инвертор подключен второй вход третьего элемента И с четвертым входом элемента 2И-ИЛИ и с третьим входом второго элемента И, причем .выход элемента 2И-ИЛИ является первым выходом блока управления, а выход третьего элемента И - вторым выходом.

1061114

Изобретение относится к области автоматизации технологических процессов и может быть использовано для регулирования температуры в объектах с элеххронагревателями.

Известно устройство для регулиро- 5 вания температуры, содержащее термочувствительный элемент, усилитель мощности, генератор импульсной обрат1 ной связи, подключенный параллельно входу нагревательного элемента 1 . 10

Недостатком этого устройства явля ется зависимость точности стабилизации температуры от стабильности напряжения источника питания (сети ).

Известна система иногопозиционного15 регулирования, состоящая иэ последовательно включенных датчика, измерительного моста, ступенчатого импульсного прерывателя, предназначенного для прерывания системы с определенной.частотой, двоичного реверсквного счетчика, нагревателя (2 J, Недостатком этой системы является то, что оиа предназначена для работы только с секционными нагревателями, соотношейке мощностей секций которых находятся в установленном порядке.

В большинстве случаев применяемые в объектах териорегулкрованкя нагреватели ие имеют разделения на секции, 30 причеи такое разделение всего нагревателя не представляется возможным по техккческим и технологическим причинам.

Наиболее близким к изобретению 35 по технической сущности является регулятор температуры, содержащий датчик к задатчик температуры, подключенные через блок сравнения к блоку управления, счетчик к ключевой эле- 40 мент, синхронизируете генератором импульсов, исполнительный элемент и второй счетчик выделившегося тепла 33.

Данное устройство при работе с 45 объектаии, характеризующимися большой тепловой энерционностью, не поэволяех получить достаточную точность поддержания температуры ввиду того, что постоянная времени устройства регулирования значительно меньше инер50 ционкости самого объекта. Кроме того, устройство работает таким образом, что s момент равенства температуры в объекте заданной мощность в нагревателе не выделяется, а это 55 является случаем неустойчивого термодинамического равновесия в объекте °

В более общей случае для устойчивого поддержания температуры на эгщаннои уровне н нагревателе в момент термо- 60 .динамического равновесия должна выделяться определенная мощность, т.е. b% = дя цри та=х© заданной, где

ЬФ/ — энергия, выделяемая нагревателем в единицу времени, дй энергия, . рассеиваемая объектом в окружающую среду в единицу времени.

Цель изобретения - повииение точности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство регулирования температуры, содержащее последова-.. тельно соединенные дифференциальный усилитель с подключенными к его входам датчиком и задатчнком температуры и блок управления, соединенные последовательно генератор импульсов и двоичный счетчик, а также ключевой элемент и подключенный к его выходу исполнительный элемент, причем блок управления включает в себя элемент сравнения, первый вход которого является входом блока управления, содержит .первый реверсивный счетчик, компаратор кодов, триггер и первыи элемент И, первый вход которого соединен с первьвл выходом компаратора кодов, другие входы - с выходами двоичного счетчика, подключенными соответственно к первой группе входов коипаратора кодон, второй выход которого через триггер, соединенныи вторым входом с выходом первого элемента И, подключен к входу ключевого элемента, а вторая группа входов компаратора кодов соединена с соответствующими выходами первого реверсквного счетчика, первый к второй входы которого связаны с первым и вторым выхода- ми блока управления соответственно.

Блок управления устроиства содержит соединенные последовательно управляемый генератор импульсов, первый и второй инверторы и элемент 2И-ИЛИ, а такие второй, третин к четвертый элементы И, второй реверскнный счет« . чик, цкФро-аналоговый преобразователь, формиронатель импульсов.и элемент сравнения, причем выход управляемого генератора импульсов соединен с первым входом элемента 2 И-ИЛИ и через первый ннвертор - с вторым входом элемента 2И-ИЛИ, с первыми входами второго и третьего элементов И, а вход управляемого генератора импульсов связан с выходо л элемента сравнения, с входом формиронателя импульсов и с вторьж входом второго элемента И, подключенного выходом к первому входу второго реверсивного счетчика, связанного вторым входом с выходом формирователя импульсов и с третьим входом зле лента 2И-ИЛИ, а выходами через цкфро-аналоговый преобразователь - с вторым входом элемента сравнения и через четвертый элемент И, к выходу которого через второй иннертор подключен второй вход третьего элемента И - с четвертым входом элемента 2 И ИЛИ и с третьим входом второго элемента И,причем выход элемента 2 И-ИЛИ является

1061114. первым выходом блока управления, а выход третьего элемента И вЂ” вторым выходом

На чертеже представлена блок-cxef ма устройства. устройство содержит датчик 1 и задатчик 2 температуры, дифференциальный усилитель 3, служащий для получения усиленного в К раз разностного сигнала рассогласования сигнала задатчика 2 и датчика 1, блок 4 управления, служащий для Управления заполнением первого 5 реверсивного счетчика, компаратора

6 кодов, служащий для сравнения кодов реверсивного счетчика 5 и двоичного 7 счетчика, а также для установки триггера 8 в единичное состояние, генератор 9 импульсов, выдающий импульсы на счетный вход счетчика 7, элемент И 10 нулевых состоянии разрядов счетчика 7 и сигнал "Неравно" компаратора 6, ключевой 11 элемент,. служащии для управления исполнительным 12 элементом, причем блок управления 4 содержит элемент 13 сравнения, сравнивающий сигнал с дифферен.цианьного усилителя и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП 1 14, второй 15 реверсивный,счетчик, управляющий gAll 14, первый 16 элемент И нулевых состояний старших разрядов счетчика 15, начиная с пятого, где

2 — число дискретов ЦАП, составляющих зону стабилизации величины рассогласования, четвертый 16 элемент И, второй 17 элемент И наличия сигнала рассогласования на элементе 13, сигнала совпадения элемента 16 и сигнала с управляемого генератора импульсов 18, который служит для формирования импульсов с заданной частотой, если сигнал рассогласования иа выходе элемента 13 присутствует в течение времени, не меньше, чем период следования этих импульсов, первый 19 инвертор, формирователь

20 импульсов от положительного перепада напряжения на выходе элемента 13, третий 21 элемент И сйгналов генератора 18 и инвертора 19, элемент 2 И-ИЛИ 22 и второй 23 инвер T0p i

Устройство работает следующим образом. !

8 исходном состоянии датчик 1 и задатчик 2 выдают на дифференциальный усилитель 3 нулевон сигнал.

Счетчики 5 и 15 находятся в нулевом состоянии. Счетчик 7 работает с переполнением от генератора 9, триггер

8 находится в ециничном состоянии и не может быть сброшен сигналом с элемента 10, пока в счетчике 5 не появится любое число, кроме нуля, причем единичное состояние триггера 8 соответствует отключенному состоянию исполнительного элемента 12. Схема начинает работать по сигналу

"Пуск", который устанавливает в задатчике 2 сигнал, соответствующий требуемой температуре, и в счетчи5 хах 5 и 15 единичное состояние (все разряды счетчиков находятся в единичном состоянии ). На выходе усилителя 3 появляется сигнал рассогласования д", усиленный в K раз, т.е.

10 .+<=IUÇ 4)" где Оз - сигнал задатчика 2, U4 - сигнац.,датчика 1.

Единйчному состоянию счетчика 15 соответствует напряжение ЦАП 140„=0

15 Процесс регулирования начинает- ся, когда сигнал на выходе усилителя 3 достигает величины 0„,С,„ и при дальнейшем росте сигнала 04 становится меньше этой величины.

0 В этом случае величина рассогласоU q вания ф » = U -U Изменение велиК х чины d"от величины ю х до нуля и

К

25 составляет процесс регулирования, а ! О зона 0 < р ЕЙЙ. является зоной ре-! К гулирования.

Работа регУлятора основана на плавном выводе мощности нагревателя и поддержании ее на уровне с точностью одного дискрета hP, соответствующем заданной температуре, причем

35 Р,„

hp 2"- где в - разрядность счетчика 5;

Р„, „- максимальная мощность нагревателя.

40 это достигается тем, что на к дом цикле просчета счетчика 7 в нагреватель (на чертеже не показан ) подается полная мощность до достижения равенства чисел s счетчиках 5 и

45 7, т.е. в нагреватель выдается мощность, пропорциональная числу, записанному в счетчике 5. Изменение мощности на один дискрет bP приводит к изменению температуры также

50 на один дискрет bT следовательно количество дискретов температуры также равно 2"=1, а также количество дискретов величины d", K должно быть равно 2 -1, так как изменение температуры на один дискрет dT приводит к изменению величины рассогла-. сования на величину ьд К

В начальный момент, когда д"ъ -Ч, в нагреватель выдается полная мощность и на выходе ЦАП 14 сигнал 0„, В момент перехода неравенства в состояние срабатывает элемент

"wax

Ic

13, на выходе которого появляется

1 положительный перепад, формирователь

1061114

Ь d Ê ит

При уменьшении. величины рассогласования уменьшается содержимое счетчиков 5 и 15, а следовательно, уменьшается и мощность нагревателя, пока скорость разгона выше заданной. Как только скорость разгона обеспечит неравенство

50

I генератор 18 будет возбужден и эле-. мент 22 запретит вычитание в счетчике 5 импульсов с формирователя 20, а элемент И 21 будет пропускать импульсы генератора 18 на суммирующий вход счетчика 5, если в счетчике

15 содержится число, большее максимального числа зоны стабилизации, т.е. большее,2 . Зона стабилизации

5 необходима для погашения заданного 60 раз гона. выбором bto можно достичь точности поддержания рассогласования в пределах одного дискрета счетчиков

5, но в этом случае увеличивается время выхода в зону стабилизации, 20 иэ него формирует положительный импульс, который поступает на вычитающий вход счетчика 15 и через эле.мент 2 И-ИЛИ 22 — на вычитающяй вход . счетчика 5, если генератор 18 не возбужден. Счетчики 5 и 15 работают без 5 переполненйя. В данном случае описывается работа устройства при выходе на температуру, обеспечивающую в на яах чальний момент величину др к

При меньших температурах в счетчиках 5 и 15 устанавливается соответствующее число в момен "Пуск". Счетчик 15 уменьшает свое содержание на единицу,. а на выходе ЦАП 14 сигнал уменьшается на один дискрет дд"K в результате чего элемент 13 меняет знак неравенства, а генератор 18 подготавливается к запуску. Неравенство д" к v О„,з„ держат время

\ . b t g ", где 1 — число, э аписанное в счетчике 15, а д ; - время нахождения этого числа в счетчике. Это время зависит от скорости нагрева

25 объекта и равно -/ Время

aT; /.и

ЬФр возбуждения генератора 18 вы бирается из условия подгона темйературы объекта в зону стабилизации

/aT,. ) со скоростью peg при кото у - о. рой динамическая погрешность Я не превышает заданного значения К«, 35 поэтому в общем случае зону стабилизации удобно выстирать при 5 4 О.

Как только величина рассогласования будет меньше 2, элемент И 21 закрывается и из счетчика 5 начинают вычитаться импульсы генератора

18, в результате чего мощность нагревателя уменьшается и температура выравнивается, а дальше начинает падать, что приводит к неравенству

d" 7 U „„ . Открывается элемент к

И 17 и начинает пропускать на суммирующий вход счетчика 15 импульсы с генератора 18, пока неравенство не изменит знак.

Таким образом, стабилизация температуры будет проходить в области рассогласования, величину которой можно годсчитать следующим образом.

Величина рассогласования зоны регулироваиия а»», диокрет »арми» к датчика 2 803 = — дискрет датчивах

3 Т„.„

1 д О, причем д 0 = В О, дискрет рассогласования зоны регулирования ас" „„C eToM pac2 и-1 К(2п- 1) смотренных величин эона стабилизации равна

5 2 Umyx

2 Ва»=—

K(2n-1) а через дискрет задатчика 2

2,У тих топ хах "з К (Z"-д О,„К(1"- l

Так как работа устройства синхронизируется скоростью разгона нагревателя, инерционность объекта не вносит дополнительных погрешностей.

Чем выше разрядность счетчиков 5 и

15 и коэффициент усиления К, тем меньше зона стабилизации, но увеличение коэффициента К приводит к колебательному процессу, а увеличение разрядности счетчика ограничено точностью преобразования ЦАП и точностью сравнения элемента 13. Применение дифференциального усилителя и схемы сравнения на базе операциониого.óñèëèòåëÿ типа К 140УД8 и ЦАП 12 разрядов позволяет достичь точности регулирования не хуже одного градуса у объектов с температурным диапазоном от десятков до 1600 С.

В устройстве осуществляется управление скоростью вывода температуры в узкую зону стабилизации с учетом инерционности управляемого объекта, что позволяет устранить динамическую погрешность для объектов с мощностью до 40-100 кВт и сделать ее не более 3-5 С.

-о

1061114. Составитель Л. Птенцова

Редактор О.Колесникова Техред И.Метелева Корректор О.Билак

Заказ 10039/50 Тираж 874 Подписное

ВНИИПИ. Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Наличие цифровой информации о ве.личине рассогласования заданной и текущей температуры и выдаваемой в нагреватель модности поэволяет про- водить текущий контроль качества ре-. гулирования и испольэовать 3BN и другие цифровые управляюцие устройства для проведения документирования основных параметров регулирования и коррекции регулируюцих воздействий.