Устройство для регулирования температуры

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОБЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ по авт. св. 792225, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства. оно содержит последовательно соединенные элемент НЕ, первый элемент И-НЕ и второй элемент И-НЕ, а также третий элемент И-НЕ, соединенный выходом с вторым входом второго элемента ИТ-НЕ, причем вход элемента НЕ связан с выходом первого блока сравнения , второй вход первого элемента И-НЕ - с выходом блока синхронизации, входы третьего элемента И-НЕ - с выходами блока изменения угла отсечки и с выходом второго блока сравнения, а вход блока запуска тиристоров - с выходом второго элемента И-НЕ.

СОЮЗ COBETGHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„.SU 1090681 А

3(5g G 05 D 23/19

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ д;3

ЯИЬЛй и - 4-

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 792225 (21) 3521155/18-24 (22) 13е12 .82 (46) 07.05.84. Бюл. В 17 (72) В.И.Устинов, E..В.Горохов, В.И.Грызенков и В.A ..Арманд (53) 621.555.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 792225, кл. G 05 D 23/19, 1979 (прототип) . (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ по авт. св. У 792225, отличающеесятем, что, с целью повышения точности устройства

I оно содержит последовательно соединенные элемент НЕ, первый элемент

И-НЕ и второй элемент И-НЕ, а также третий элемент И-НЕ, соединенный выходом с вторым входом второго элемента И-.НЕ, причем вход элемента НЕ связан с выходом первого блока срав.нения, второй вход первого элемента

И-НŠ— с выходом блока синхронизации, входы третьего элемента И-НŠ— с выходами блока изменения угла отсечки и с выходом второго блока сравнения, а вход блока запуска тиристоров - с выходом второго элемента И-НЕ.

Изобретение относится к регулированию температуры с использованием электрических средств и может быть использовано в различных областях промышленности, в частности, при автоматизации технологических процессов для поддержания заданного уровня температуры с очень высокой степенью точности.

Известно устройство для регулирования температуры, содержащее гене- lo ратор импульсов, блок синхронизацииp блок запуска тиристоров, последовательно соединенные первый эадатчик температуры, первый блок сравнения и реверсивный счетчик, последователь-15 но соединенные блок измерения температуры, коммутатор, тиристорный ключ и нагреватель, а также блок изменения угла отсечки и последовательно соединенные второй задатчик- температуры, второй блок сравнения и блок управления углом отсечки, причем второй выход блока измерения температуры соединен с вторым входом первого блока сравнения, а выход блока запуска тиристоров - с вторым входом тиристорного ключа, второй вход блока управления углом отсечки соединен с выходом hepaoro блока сравнения и вторым входом второго блока сравнения, третий вход — с выходом генератора импульсов, а выход блока управления углом отсечки соединен с в вторым входом реверсивного счетчика, выход которого связан с первым входом блока изменения угла отсечки," 35 второй вход которого подключен к выходу блока синхронизации, а выход.к входу блока запуска тиристоров, второй выход блока измерения темпера туры связан с третьим входом второго 4Q блока сравнения, при этом блок управления углом отсечки содержит последовательно соединенные триггер и первый элемент И, выход которого связан с выходом блока, второй и 45 третий входы первого элемента И соединены соответственно с первым и третьим входаьв блока, а вход триггера — с вторым входом, второй блок сравнения содержит последовательно соединенные компаратор и второй элемент Vi„ выход которого связан с выходом блока, входы компаратора .соединены с первым н третьим входами блока, с вторым входом которого связан второй вход второго элемента И, блок изменения угла отсечки содержит последовательно соединенные генератор, счетчик, нуль-брган и одновибратор, выход которого связан с выходом блока, второй вход нуль- 60 .органа соединен с первым входом блока, .второй вход которого связан с вторым входом счетчика.

Известное устройство для регулирования температуры способствует 65 повышению точности поддержания заданного значения температуры за счет получения долговременного равновесного состояния, в результате чего в схеме не происходит регулирование температуры при отсутствии внешних возмущений Г1 3.

Недостатком из ве ст ного устройства является малая точность поддержания заданного значения температуры при больших значениях возмущающих воздействий, что ограничивает его использование.

Целью изобретения является увеличение точности устройства эа счет компенсации составляющей. ошибки, возникающей при больших возмущающих воздействиях.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для регулирования температуры введены последовательно соединенные элемент НЕ, первый эле"мент И"НЕ и второй элемент И-НЕ, а также третий элемент И-НЕ, соединенный выходом со вторым входом второго элемента И-НЕ, причем вход элемента НЕ связан с выходом первого блока сравнения, второй вход первого элемента И-НŠ— с выходом блока синхронизации, входы третьеro элемента И-НŠ— с выходами блока изменения угла отсечки и с выходом второго блока сравнения, а вход блока запуска тиристоров — с выходом второго элемента И-НЕ.

Совокупность перечисленных узлов функционально представляет собой второй коммутатор. Благодаря введению упомянутых элементов устройство, наряду со свойствами интегрального регулятора, приобретает свойства, и релейного регулятора, что позволяет скомпенсировать составляющую ошибни, вызванную большими возмущающими воздействиями.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для регулирования температуры; на фиг. 2 — блок управления углом отсечки; на фиг. 3 — второй блок сравнения; на фиг. 4 — блок изменения угла отсечки; на фиг. 5 второй коммутатор.

Устройство содержит второй блок

1 сравнения, первый блок 2 сравнения, блок 3 измерения температуры, нагреватель 4, генератор 5 импульсов, блок 6 управления углом отсечкн,первый коммутатор 7, тнристорный ключ

8, реверсивный счетчик 9, блок 10 изменения угла отсечки, блок 11 синхронизации, блок 12 запуска тиристоров, первый задатчик 13 температуры, второй задатчик 14 температуры. ,Блок 6 управления углом отсечки со:держит триггер 15 и первый элемент

И 16.

1090681

Блок 1 сравнения содержит компаратор 17 и второй элемент И 18;

Блок 10 и змеи ени я у гл а отсечки содержит генератор 19, нуль-орган 20, счетчик 21 и одновибратор 22.

Устройство содержит также формирователь 23 импульсов, который может представлять собой одновибратор, аналогичный одновибратору 22, и,кроме того, — второй коммутатор 24, который содержит элемент НЕ 25, первый элемент И-НЕ 26, второй элемент И-НЕ

27 и третий элемент И-HE 28.

Блоки 2, 3 и 13 могут быть выполнены на любом двухпозиционном регуляторе температуры, например типа 15

ПТР, ТК и др. Коммутатор 7 может быть . выполнен на основе тиристорного ключа, блок 11 синхронизации — в виде двухстороннего ограничителя, дифференцирующей цепочки и формирователя импульсов, блок 12 запуска тиристоров — на любом мощном токовом ключе, компаратор 17 — на основе операционного усилителя.

На фиг. 1-5 приняты следующие 25 буквенные обозначения: f> частота генератора 5 импульсов; f — частота генератора 19 I N — последовательность импульсов, поступающих на счетный вход реверсивного счетчика 9; W I сигнал управления направлением реверсивного счетчика 9;  — потенциальные выходы реверсивного счетчика 9; А потенциальные выходы счетчика 21;.

3 — сигнал записи фиксированного числа в реверсивный счетчик 9; М сигнал о действительной температуре; сигнал. о заданной температуре; сигнал о заданной температуре, отличающийся на зону нечувствительности; N — импульсы запуска тирис- 4О торов; N2 — мощные импульсы запуска тиристоров; m - импульсы начальной установки числа в счетчика 21; L— напряжение, поступающее на нагреватели; С â€”; W» — сиг- 45 нал о равенстве действительной и заданной температуры; Y -сигнал о превышении заданной температуры на величину дТ; К вЂ” сигнал об аварийном перегреве; P — напряжение сило- 50 вого питания, включающееся при ава.рийном перегреве; Зк — сигнал установки триггера в исходное состояние при включении питания; N> — последовательность импульсов запуска тиристоров, выработанных в момент перехода напряжения сети через нуль)

М1 — первая последовательность импульсов коммутатора 24; 9> — вторая последовательность импульсов коммутатора 24; N — последовательность .им- 60 пульсов зайуска тиристоров.

Устройство для регулирования температуры работает следующим образом.

В устройстве используются сигналы W и W„, определяем.е следующим образом. 65

Сигнал W имеет два логических состояния, описываемые следующим выражением:

О, если t 3 > t (сложение)

1, если 1 < . (вычитание), > где t — заданная температура объек9 та— действительная температура объекта.

Сигнал W описывается следующим выр ажен и ем:

W =f1 если t - t> (2) (О, если

Сигнал W используется для уйравления направлением счета реверсивного счетчика 9 и для образования последовательности импульсов, пос° Ф тупающей на вход элемента И-НЕ 28, определяемой соотношением

+ QN> ecnH t > > t (3)

11.0, если ty < т

Сигнал W,„„используется для разрешения подачи на счетный вход реверсивного счетчика 9 последовательности импульсов N и для образования последовательности М, поступающей на вход элемента И-ВЕ 28, определяемых соотношениями ли týФ (4)

3 T (5)

0 ° если .э ° . т

Выражение (4) справедливо, когда первоначальная температура достигнута.

С выхода элемента И-НЕ, 28 используется последовательность импульсов

N, служащая входным: си гн алом для блока 12 запуска тиристоров. Последовательность импульсов N определяети ся соотношением еспН t3 = "т

N>. N> ecnH t3 7 t> (6)

О, если t> c t

Как следует из соотношейий (1) и (4), в реверсивном счетчике 9 хранится записанное число, которое скла-. дывается или вычитается с последовательностью N в зависимости от соотношения действительной и заданной t> температур. В случае равенства действительной и заданной температур (1 т = 3) на счетный вход. реверсивного счетчика 9 импульсы не йоступают, в реверсивном счетчике 9 хранится накопленное число, полученное при достижении заданной температуры. При внешних возмущениях (изменении питающих напряжений, внешних условий и т.д.) нарушается ра-.. венство температур, импульсы N поступают на счетный вход реверсивного счетчика 9, изменяя накопленное в нем число в необходимом направлении до получения нового равновесного состояния, 1090681

Получению. информации о фазовом чйка 21 импульсов, блока изменения перемещении угла отсечки служит блок:-угла отсечки.

10 изменения угла отсечки (фиг. 4) . Блок управленя пр а влени я у глом от с еч ки

Схема работает следующим образом. (фнг. 2) работает следующим образомs

На счетный вход счетчика 21 посту- При включении питания триггер пают импульсы от генератора 19. На 15 Устанавливается в исходное сос5 установочный вход счетчика 21 по- тояние запрещающее прохождение даются импульсы mc Импульсы mC фор- импульсов f1 через первый элемент мируются каждый раз, когда амплиту- И 16. Триггер 15 устанавливается в да питающего напряжения сети равна состояние, разрешающее прохожцение нулю, Каждый импульс иэ последова- импульсов f1 nPu t c t т е И =1 !

0 э тельности. m .устанавливает в счетчи- Таким образом, от момента включеке 21, заранее выбранное фиксирован- ния до момеита достижения заданной ное число. Последовательность им- температуры на счетный вход реверсивпульсов и от генератора 19 вычита- ного счетчика 9 не поступают импуль.ется из фиксированного числа, за- !5 сы с генератора 5 импульсов. писанного в счетчика 21, уменьшая ВтоРой блок 1 сравнения (фиг. 3) его содержимое до нуля..Содержимое выделяет сигнал И„, описываемый выреверсивного счетчика 9 и счетчика 21 . Ражением (2) . Выработка сиги

21 поступает на нуль-орган 20. В. достигается применением второго элерезультате сравнения числа, записан- 20 à И 18 и компаратора 17,, порог ного в реверсивном счетчике 9 с пос- срабатывания которого отличается от ледовательностью чисел счетчика 21 .порога первого блока 2 сравнения на на.выходе нуль-орган 20, вырабатыва требуемую зону нечувствительности. ется сигнал С, определяющий угол за- Компаратор 17 вырабатывает сигнал жигания тиристоров. Этот сигнал обра-25,описываемый следующим выражением: зуется на выходе нуль-органа 20 q (1 если t >. t + yt йри равенстве чисел, поступающих от а Î, еслибы с +а (7)

3 т Э реверсивного счетчика 9 и счетчика .. Принцип действия второго блока 1

21; Изменение накопленного числа в, сравнения блока б управления углом реверсивном счетчике 9 приводит к З0 отсечки обеспечивает необходимое усиэменению угла зажигания тиристоров <оа е для получения долговременного тиристорного ключа 8. равновесного состояния, однако без правильного выбора объема счетчика

Как следует иэ соотношений (3), 21 это условие является недостаточ(5) и (6), в случае равенства дей- ным. Очевидно, что для получения долствительной и заданной температур,, З5 говремеино равновесного состояния в блок 12 запуска тиристоров посту- требуется выбирать необходимый угол пает сигнал о значении угла зажига- отсечки для включения тиристоров тиния с реверсивного счетчика, что ристорного ключа 8. Для обеспечения соответствует такому открытию тирис- всего рабочего диапазона температур торного клю а 8, при котором устрой- 40 желательно иметь непрерывную регулиство имеет долговременное устойчивое Ровочную характеристику. В дискретравновесное состояние, при установив- ных системах это может быть достигшемся переходном процессе. В случае, нуто высокой степенью аппроксимации когда заданная температура превыша- непрерывной регулировочной характеет действительную, в блок 12 запус- g5 Ристики. Степень аппроксимации опрека тиристоров поступает последова- деляется заданным объемом информации тельность импульсов, сфорькрованных (количеством разрядов в счетчике 21) . каждый раз, когда амплитуда цигающе- Коммутатор .24 (фиг. 5) состоит го напряжения сети равна нулю, чтo иэ одного элемента НЕ 25 и трех элесоответствует полно У открытию тирис-50 нтов И-НЕ 26-28.ЕГО работа опи торного ключа 8 и максимальному на- вается выражениями (3), (5) и (6). пряжению на нагревателе.

В с

Работа устройства при поддержан ерж анни случае, когда -действительная заданного уровня температуры в слутемпература превышает заданную, в " чаях, когда t > t, т. е. заданная блок 12 запуска тиристора импульсы температура больше действительной; не поступают, что соответствует за- 55 t> и ., т.е. заданная температура крытию тиристорного ключа 8 и отсут- равна действительной. t (t т ствию напряжения на нагревателе.I заданная температура меньше действиТаким образом, устройство для ре- тельной осуществляется следующим обгулирования имеет долговременное ус- разом, тойчивое Равновесное состояние, ко- 60 В первом случае (W = 0, N торое достигается применением блока 3 4)

6 управлением углом сусечки, схемы В блок 12 запуска тиристоров посвыработки сигнала о равенстве дей- тупает последовательность импульсов ствительной и заданной температур и N, сформированных каждый раз, когда соответствующим выбором объема счет 65 амплитуда питающего напряжения сети

1090Ь81 равна нулю, что соответствует полно- ствует закрытию тирнсторного ключа 8 му открытию тиристорного ключа 8 и и отсутствию напряжения на нагревамаксимальному напряжению на нагрева- геле 4. B то же время сигнал W 1 определяет операцию вычитания импульСигнал W = О определяет операцию сов N в реверсивном счетчике 9. В ресложения реверсивного счетчика 9, 5 зультате уменьшения числа в реверсивПоследовательность импульсов с перч ном счетчике 9 увеличивается угол отвого элемента И 16 поступает на счет- сечки включения тиристоров ключа 8, ный вход реверсивного счетчика 9. В ., что соответствует уменьшению напрярезультате увеличения числа в ревер- жения, подаваемого на нагреватель 4, сивном счетчике 9 импульсов на выхо- в случае подключения импульсов посде нуль-органа 20 уменьшается угол ледовательности N к блоку 12 зап сотс ечки тиристоров ключа 8, что ка тиристоров. Таким образом, для соответствует увеличению напряжения случая t c t в устройстве. создаютпо даваемого на нагреватель 4, в слу- ея .условия при которых. t уменьшает

3 чае подключения к блоку 12 запуска 35 ся.

t T тиристоров последовательности импуль- таким. образом. в устройстве для Ресов N„. Таким образом, для рассмат- гулирования температуры также обесриваемого случая создаются условия, .печены необходимае и достаточные ус. при которых tT повышается .. ловия для получения долговременного

Во втором случае (W„= 1, N= 0 ф равновесного состояния.

N < = и ) в реверсивном счетчике 9 В устройство, наряду с интегральхранится число, накопленное им для ным законом регулирования, добавлеполучения равновесного состояния. ны элементы релейного закона регулиугол отсЕчки включения тиристоров рования за счет введения второго не изменяется, следовательно, не из- gg коммутатора. При этом такое положименяется и напряжение, подаваемое тельное свойство релейного закона на нагреватель 4, так как оно опре- . регулирования, как быстродействие, деляется последовательностью импуль- используется в предлагаемом устройсов й„, поступающей в блок 12 эапус- стве для повышения точности при отка тиристоров Но в отличие от изве- работке больших возмущающих воэдейстного устройства, где напряжение на ствий. нагревателе 4 определяется только Например,. количество тепла, поступоследовательностью импульсов N в, дающего на объект регулирования, изпредлагаемом устройстве напряжейие менилось скачком на 0„. Регулятор на нагревателе 4 определяется после- устфойства должен скомпенсировать довательностью N „только при случае, З5 возмущающее воздействие, увеличив когда t, t>, а в остальных .случаях (уменьшив) температуру нагревателя. последовательностью Н З и отсутствием В известном устройстве компенсация импульсов запуска тиристоров. Поэто- возмущающего воздействия или качестму при прохождении возмущающего воз- во регулирования зависит от выбрандействия в первый момент времени, 40 ного диапазона частот и генератора 1 когда tT Достигает t>, соДеРжамое 5 импульсов. Задача выбора диапазо(число) реверсивного счетчика 9 не на частот f решается в теории автоя соответствует числу, необходимому матического регулирования. При этом для получения равновесного состояния. из условий устойчивости контура выВ реверсивном счетчике 9 появится 45 бор частоты f однозначно связан число, соответствующее получению рав- с постоянной объекта регулирования и новесного. состояния, через несколь-: поэтому ограничен по величине сверко интервалов времени, в течение ко- ху. Компенсация возмущающего воэдейторых объект регулирования пройдет. ствия будет зависеть от количества ,последовательно несколько раэ через SO импульсов частоты и, поступивших состояния, когда tT = t > и С > t j на счетный вход реверсивного счетчиили г.. (, что говорит о затягива- ка, 9 за единицу времени, т.е. от венин переходного процесса, в отличие личины f„gt. Величина Е„6 . соответот,известного устройства, где пере- ствует дЯ вЂ” приращению количества а ходной процесс кончался при первоМ 55 тепла, поступающего на объект регудостижении tT заданной температуры. лирования за единицу времени. Чтобы

Таким образом, при появлении в ре- скомпенсировать возмущающее воздейверсивном счетчике 9 числа, соответ- и ствующего появлению равновесного сос- ствие О, необходим чтобы $Q тояния, в устройстве создаются усло:1 вия для поддержания заданного уров- о равнялась Qqg где h — время. Пока ня температуры до следующего изме-, происходит компенсация возмущающего нения внешних условий. воздействия, действительная темпе3 третьем случае (W, -" 1, N = f> ратура объекта t изменяется от заN = О) в блок 12 запуска тиристоров данной температуры t> на величину импульсы не поступают, что соответ- 65 g4z, а затем снова будет

1090681

В Предлагаемзм устройстве компенсация возмущающего воздействия происходит иным образом. Приращение количества тепла, поступающего на объект регулирования 4О, в данном случае не зависит от частоты f>, а эави- 5 сит от разности между количеством тепла, выделяемым нагревателем, включенным на полную мощность, и количеством тепла, выделяеням нагревателем в состоянии долговременного равновесного состояния, соответствующего t>, либо количеству тепла,. выделяемому нагревателем в состоянии долговременного равновесного состояния, соответствующего Q 15 йсио, что приращение Щу намного превышает по величине 49д;Чтобй скомпенсировать такое же aos eaeiee врэдействие Q необходимо чтобы

tA 20

+gQ равнялась Q, где m - время.

<+<4Q3lPAQ<, то и п у m, т.е, в этом случае компенсация возмущающего воздействия происходит за значительно меньший отрезок времени, и

ty изменяется от t> на величину

4t>, при этом величина 4t будет значительно меньше ht„.

Величины 4,„и 4t характеризует точность поддержания заданной температуры. Из приведенных рассуждений ясно, что точность поддержания заданной температуры в предлагаемом устройстве будет выше, но при этом затягивается переходной процесс выхода устройства на новое долговременное равновесное состояние, соответствующее значению t>.

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигнута более высокая точность поддержания заданной температуры.

1090681

ЯЬа 5

Составитель Л.Птенцова

Редактор H.Åãoðoâà Техред Л.Мартяшова Корректор А.Ильин

Заказ 3005/21 Тираж 842 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., ц. 4/5

Филиал ППП Патент г. Ужгород, ул. Проектная, 4