Регулятор температуры

 

РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ,- СО держащий термодатчик объекта и задатчик температуры, подключенные к элементу сравнения, выход которого подключен через усилитель-ограничитель к первому суммирующему входу сумматора ,- второй суммирующий Ьход которого соединен с термодатчиком объекта/ а выход - с нагреват елем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования за счет подавления флуктуации темтемпературы нагревателя, он содержит термодатчик нагревателя,который подключен к вычитакхцему входу сумматора . 00 ;о СП Сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5п G 05 P 23/ 19

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3534959/ 18-24 (22) 07.01 83. (46) 30.04.84. Бюл. te 16 (72) Е,А.Кривич, И.А.Кулик и B.Ñ.Ïðîêoôüåâ (71) Специальное конструкторское технологическое бюро Донецкого фиэи» ко-технологического института

АН УССР (53) 621 555.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

It 798759, кл. 5 05 D 23/-19, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

Ь 481887, кл. G 05 D 23/19, 1972 (прототий) .

„„SU„„1089557 A (54) (57) РЕГУЛЯТОР ТЕИПЕРАТУРЫ, . co» держащий термодатчик объекта и задатчик температуры, подключенные к элементу сравнения, выход которого подключен через усилитель-ограничитель к первому суммирующему входу сумматора, второй суммирующий вход которого соединен с термодатчиком объекта, а выход — с нагревателем, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности регулирования за счет подавления флуктуаций темтемпературы нагревателя,.он содержит термодатчик нагревателя, который подключен к вычитающему входу сумматора.

1089557

Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры и может быть использовано для автоматизации физических экспериментов, когда требуется изменять температуру во времени с заданной скоростью до наперед установленного значения с последующей стабилизацией ее на этом . уровне.

Известно устройство для регулирования температуры, содержащее свя- занный с нагревателем первый датчик температуры, связанный с объектом.

Между выходами этих датчиков включен потенциометр, подвижный контакт которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого связан с задатчиком температуры, а выход через регулирующий орган— с нагревателем (1).

Потенциометр позволяет производить оптимальную настройку регулятора, 20 однако для осуществления линейной развертки температуры необходимо задавать с задатчика температуры линейно-изменяющееся напряжение. Данное устройство не позволяет контро- 25 лировать температуру объекта по сиг-. налу задания. Кроме того, существует зависимость степени подавления флуктуаций температуры в нагревателе и объекте от настройки регуля- ЗО тора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является терморегулятор, содержащий эадатчик . температуры и термодатчик, подключен. ные к вычитателю, выход которого соединен с входом усилителя, а выход усилителя через последовательно соединенные сумматор и блок управления подключен к нагревателю, эадатчик температуры подсоединен к суммирую- 40 щему входу вычитателя, вычитающий вход которОго подключен к выходу термодатчика и второму входу сумматора (2) .

Терморегулятор обеспечивает выход 45 на заданное значение температуры с требуемой скоростью и автоматический переход в режим стабилизации по достижений этого значения. Однако для реализации линейной развертки темпе- 50 ратуры используется положительная обратная связь, а отрицательная обратная связь при этом разомкнута, в связи с чем регулятор не обеспечивает подавления флуктуаций температуры на нагревателе, которые, в частности, связаны с колебанием напряжения питания нагревателя, изменением условий теплообменна, например, с изменением расхода теплообменного газа и т.д., что приводит к

60 флуктуации температуры объекта.

Кроме того, в терморегуляторе не учитывается инерционность нагревателя, что снижает точность регулирования температуры, так как при 65 близких по величине постоянных времени нагревателя и объекта обеспечить его устойчивую работу затруднительно.

Цель изобретения — повышение точности регулирования эа счет подавления флуктуаций температуры нагревателя.

Поставленная цель достигается тем, что регулятор температуры, содержащий термодатчик объекта и задатчик температуры, подключенные к элементу сравнения, выход которого подключен через усилитель-ограничитель к первому суммирующему входу сумматора, второй суммирующий вход которого соединен с термодатчиком объекта, а выход — с нагревателем, содержит термодатчик нагревателя, который подключен к вычитающему входу сумматора..

В таком устройстве термодатчик нагревателя, обеспечивает подавление флуктуаций температуры на нагревателе в момент появления, до того как они проявят себя на объекте .

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит элемент 1 сравнения, суммирующий вход которо-. го соединен с выходом эадатчика 2 температуры, а вычитающий вход подсоединен к выходу термодатчика 3 объекта. Выход элемента 1 сравнения последовательно соединен с усилителемограничителем 4 с регулируемым уровнем ограничения, сумматором 5, усилителем 6, регулирующим органом 7.и.нагревателем 8, который воздействует на объект. Второй суммирующий вход сумматора подсоединен к выходу термодатчика 3 объекта, а вычитающий вход — к выходу термодатчика 9 нагревателя, расположенного в среде, непосредственно окружа ющей нагреватель. Термодатчик 9 подключен так, что его сигнал при алгебраическом суммировании в сумматоре 5 вычитается из выходных сигналов усилителя-ограничителя 4 и термодатчика 3.

Регулятор температуры работает следующим образом.

Задатчик 2 температуры вырабатывает сигнал, соответствующий требуемой температур. При изменении сигнала задания, например скачком сигнал рассогласования, равный разности между сигналом задания и сигналом термодатчика 3 объекта, усилившись усилителем-ограничителем 4, переведет его в режим ограничения, разомкнув тем самым второй контур регулирования.

Первый контур получив управляющее воздействие, равное установленному уровню ограничения усилителя-ограничителя 4 отработает его так, что разность сигналов термодатчиков 3 и 9 станет равной выходному сигналу

1089557

1+т„Р

Отсюда

1 3 ()Ф

Т.р усилителя-ограничителя 4. Объект начнет, например, разогреваться, однако пока температура объекта не достигнет заданного значения, на выходе усилителя-ограничителя 4 будет поддерживаться постоянный сигнал.

По этой постоянной команде первый контур будет изменять мощность нагревателя 8 так, чтобы разность температур между температурой нагревателя и температурой объекта 10 (тепловой напор) была постоянна.

Если, например, теплообмен между объектом и нагревателем осуществляется струей газа, последовательно

Омывающей в теплоизолированном ка- 15 нале нагреватель и объект, то градиент температур между газом и объектом будет постоянен, что соответственно вызовет линейное нарастание температуры объекта.

По достижении объектом заданной температуры, точнее, когда усилитель-ограничитель 4 выйдет из режима ограничения, замкнется вторЬй контур регулирования. Регулятор автоматически перейдет из режима линейной развертки температуры в режим стабилизации. При этом любая флуктуация температуры газа, вызванная либо колебаниями его расхода, либо. колебаниями напряжения питания нагревателя,, как в режиме линейной развертки, так и в режиме стабили зации, сразу же будет зафиксирована термодатчиком 9 нагревателя и подавлена по первому контуру, не дойдя 35 до объекта и термодатчика 3. A любые флуктуации температуры объекта в режиме стабилизации будут зафиксированы.термодатчиком 3 и подавлены по второму контуру. 40

Таким образом, регулятор температуры обеспечивает выход по линейному закону с требуемой скоростью на заданное значение температуры с asтоматическим переходом в режим стабилизации. При этом скорость изменения температуры можно изменять,, изменяя уровень ограничения усилителяограничителя 4.

Кроме этого, регулятор темпера- 50 туры может также работать от про.граммного эадатчика, реализующего требуемый закон изменения температуры. В этом случае достижение уровня ограничения усилетелем-ограничи- 55 телем 4 может служить индикатором превышения максимальной скорости набора (сброса) температуры.

3а счет наличия первого контура устраняется влияние инерционности 60 нагревателя, обеспечивается линейная развертка температуры и подавление флуктуаций температуры нагревателя, что можно доказать следующим образом. 65

Пусть Ц -выходное напряжение усилителя-ограничителя 4, U> U9 выходные сигналы термодатчиков 3 и 9 соответственно, К вЂ” коэффициент передачи узлов 5, 6, и 7.

В упрощенном виде передаточную функцию нагревателя можно представить выражением где Т - постоянная времени нагревателя;

P — оператор Лапласа, а передаточную функцию объекта

1 + T P где Т.о - постоянная времени объекта.

Тогда для первого контура можно записать

4 1 (( (+ 9) 4+1 р

u =u (4+1оP) U =U

К

+ о

При достаточно большом К первым членом знаменателя можно пренебречь, т.е.

1 откуда следует, что влияние инерционности нагревателя устранено.

Из формулы (1) видно, что первый контур по отношению к входному сигналу U представляет собой интегратор. Это позволяет, задавая постоянный сигнал на вход первого контура, обесцечить линейную развертку температуры.

Сделав аналогичные выкладки для сигнала помехи действующего на нагреватель, получаем

"Зп ()а Кт Р о где U z — сигнал помехи, зафиксированный термодатчиком 3;

Бп - сигнал помехи, приведенный к входу нагревателя.

Из формулы (2) следует, что сигнал помехи подавлен в К раз в первом контуре и, соответственно, возмущающее воздействие от сигнала помехи на нагревателе для второго контура в К раз меньше.

По сравнению с базовым объектом в качестве которого принят серийно выпускаемый прибор регулирующий аналоговый P 133 паспорт Е 3.222.013.ТО, предлагаемое устройство обладает

1089557

Составитель С.Стрелнцкий

РедактоР H.ÂåýÐoÄHàß ТехРеД И,Иетелева . КоРРектоР И.ЭРЦейн

/,Заказ 2932/ 44 тираж Е42 Подписное

ННИИПИ Государственного комитета СССР по4 елам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. Ф 5

Филиал ППП Патейт .,г. Ужгород, ул. Проектная, 4 расширенными функциональными воэможностями,.так как обеспечивает развертку температуры с заданной скоростьв с автоматическим переходом в режим стабилизации на выбранном значении температуры без применения ге- 5 нератора развертки.

При этом повышается точность регулирования температуры за счет введения в регулятор дополнительно-, го контура регулирования с датчиком, 10 контролирующим температуру среды, не. посредственно окружающей нагреватель.

Дополнительный контур обеспечивает подавление флуктуаций температуры нагревателя в момент их появления,. до того как они проявят себя на объекте, т.е. реализуется принцип регулировайия цо возмущению без применения частотно- зависимых элементов.

Например, при изменении расхода теп лообменного газа на 203 при использовании Pl33 наблюдалось отклонение температуры на 10% от установившегося уровня. При аналогичном воздействии предлагаемое устройство обеспечилб отклонение температуры не более 2%.

Дополнительный контур также уменьшает влияние инерционности нагревателя благодаря наличию отрицательной обратной связи по температуре нагревателя. Это повышает устойчивость работы .регулятера и улучшает его динамические характеристики.

Кроме того, регулятор без применения дополнительных элемейтов обеспечивает защиту нагревателя от теплового разрушения во времй переходных процессов и в случае нарушения теплового контакта нагреателя с объектом (например, если рекратится дроток теплообменного газа).. Это обеспечивается тем, что дополнительным датчиком всегда контролируется температура нагревателя, а максимальная разность температур между нагревателем и объектом величина задаваемая и выбирается такой, чтобы исключить возможность теплового разрушения нагревателя.