Термостатирующее устройство

 

ТЕРМОСТАТИРУКЯЦЕЕ УСТРОЙСТВО , Содержащее последовательно соединенные первый кварцевый резонатор, опорный генератор, первый формирователь импульсов, компаратор частоты и ключ, последовательно соединенные второй кварцевый резонатор, гетеродин , второй формирователь импульсов , первый блок сравнения частот и импульсно-фазовый детектор, последовательно соединенные пьезокварцевый датчик температуры, автогенератор , третий формирователь импульсов , второй блок сравнения частот , подключенный выходом к второму входу импульсно-фазового детектора,, последовательно соединенные первый блок измерительных преобразователей температуры, первый блок дифференциальных усилителей, первый блок компараторов напряжения, первый элемент ИЛИ-НЕ, последовательно соединенные блок задержки и первый триг-. Тер, второй вход которого связан с входом блока задержки и цепью Сброс, измерительный преобразователь температуры, подключенный выходом к входу первого компаратора напряжения и к вторым входам дифференциальных усилителей первого блока дифференциальных усилителей, а также усилители мощности г рубого и точного контуров, к выходам которых подключены соответствующие нагреватели грубого и точного контуров, отличающееся тем, что, с целью повышения точности управления теплофизическим объектом в переходном режиме, оно содержит второй комт (Л паратор напряжения, трехканальный коммутатор, второй триггер, последос вательно соединенные первый элемент И, элемент ИЛИ и третий компаратор напряжения, а также последовательно соединенные второй блок измерительных преобразователей,температуры , второй блок дифференциальных со усилителей, второй блок компарато00 О) ров напряжения, второй элемент ИЛИНЕ и второй элемент И, подключенный 4ib выходом к второму входу элемента ШШ,-второй триггер подключен первым входом к цепи Сброс, вторым входом - к второму выходу компаратора частоты и управляющим входам ключа и импульсно-фазового детектора, прямой выход второго триггера связан с управляющим входом первого канала трехканального коммутатора, а инверсный выход второго триггерас управляющими входами второго и третьего каналов трехканального коммутатора , выходы которых подключены

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (!9) (11) 4? А (511 4 G 05 D 23 19

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К ABTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3678118/24-24 (22) 26.12.83 (46) 23.11.85. Бюл. № 43 (71) Харьковский ордена Ленина политехнический институт им. В.И.Ленина (72) Г.Н.Азаров, В.Г.Воронов, Г.В.Евстратов и В.И.Кадулин (53) 621.555.6(088.8) (56, Авторское свидетельство СССР № 940141, кл.-G 05 D 23/29, 1980.

Мазалов А.Я., Кадулин В.И, Исследование принципов построения прецизионных терморегуляторов, основанных на методе пьезокварцевого преобразования температуры, Препринт

Научного Совета при Президиуме

АН СССР, М., 1978. (54)(57) ТЕРИОСТАТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее последовательно соединенные первый кварцевый резонатор, опорный генератор, первый формирователь импульсов, компаратор частоты и ключ, последовательно соединенные второй кварцевый резонатор, гетеродин, второй формирователь импульсов, первый блок сравнения частот и импульсно-фазовый детектор, поспедовательно соединенные пьезокварцевый датчик температуры, автогенератор, третий формирователь импульсов, второй блок сравнения частот, подключенный выходом к второму входу импульсно-фазового детектора,, последовательно соединенные первый блок измерительных преобразователей температуры, первый блок дифференциальных усилителей, первый блок компараторов напряжения, первый эле" мент ИЛИ-НЕ, последовательно соединенные блок задержки и первый триг-, гер, второй вход которого связан с входом блока задержки и цепью

"Сброс", измерительный преобразователь температуры, подключенный выходом к входу первого компаратора на" пряжения и к вторым входам дифференциальных усилителей первого блока дифференциальных усилителей, а также усилители мощности грубого и точного контуров, к выходам которых подключены соответствующие нагреватели грубого и точного контуров, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности управления теплофизическим объектом в переходном режиме., оно содержит второй ком-. паратор напряжения, трехканальный коммутатор, второй триггер, последовательно соединенные первый элемент

И, элемент ИЛИ и третий компаратор напряжения, а также последовательно соединенные второй блок измерительных преобразователей.температуры, второй блок дифференциальных усилителей, второй блок компараторов напряжения, второй элемент ИЛИНЕ и второй элемент И, подключенный выходом к второму входу элемента

HJIH, второй триггер подключен первым входом к цепи "Сброс", вторым входом — к второму выходу компаратора частоты и управляющим входам ключа и импульсно-фазового детектора, прямой выход второго триггера связан с управляющим входом первого канала трехканального коммутатора, а инверсный выход второго триггерас управляющими входами второго и третьего каналов трехканального коммутатора, выходы которых подключены

11 к входам усилителей мощности соответственно грубого и точного контуров, второй компаратор напряжения связан входом с выходом измерительного преобразователя температуры, а выходом — с входом второго элемента

ИЛИ-НЕ, причем выход ключа соединен с входом второго канала трехканального коммутатора, вход третьего канала которого соединен с выходом импульсно-фазового детектора, выход измерительного преобразователя температуры связан с вторыми входами дифференциальных усилителей второго ю

93647 блока дифференциальных усилителей, первый выход первого триггера соединен с вторым входом первого элемента

И, выход первого компаратора напряжения подключен к входу первого элемента ИЛИ-НЕ, выход третьего компаратора напряжения через первый канал трехканального коммутатора связан с входом усилителя мощности грубого контура, причем вход первого элемен.та И соединен с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ, а второй выход опорного генератора связан с вторым входом автогенератора.

I5

Изобретение относится к технике автоматического регулирования температуры, конкретнее к системам управления термостатами, предназначенными для прецизионного термостатирования различных радиоэлектронных элементов автоматики, а также к оптимальньв по быстродействию устройствам управления объектами с распределенными параметрами. . Кель изобретения — повышение точности управления теплофизическим объектом в переходном режиме.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — функциональная схема компаратора частоты; на фиг. 3 — временная диаграмма работы термостатирующего устройства в статическом режиме; на Фиг. 4 — временная диаграмма работы термостатирующего устройства в переходном режиме.

Термостатирующее устройство (фиг. 1) содержит пьезокварцевый датчик 1 температуры, первый блок измерительных преобразователей 2 температуры с терморезисторными датчиками, второй блок измерительных преобразователей 3 температуры с терморезисторными датчиками, измерительпый преобразователь 4 температуры, первый блок 5 дифференциальных усилителей, второй блок б диффернциальньгх усилителей, первый блок компараторов 7 напряжения, первый компаратор 8-1 напряжения, второй компаратор 8-2 напряжения, второй блок ком2 параторов 9 напряжения, первый элемент ИЛИ-НЕ 10, второй элемент ИЛИНЕ 11, первый элемент И 12, второй элемент И 13, элемент ИЛИ 14, первый триггер 15, блок 16 задержки, третий компаратор 17 напряжения, второй триггер 18, трехканальный коммутатор 19 напряжений, первый кварцевый резонатор 20, второй кварцевый резонатор 21, автогенератор

22, опорный генератор 23, гетеродин

24, первый формирователь 25 импульсов, второй формирователь 26 импульсов, третий формирователь 27 импульсов, компаратор 28 частоты, первый блок 29 сравнения частот, второй блок 30 сравнения частот, ключ 31, импульсно-фазовый детектор 32 усиЭ ( литель 33 мощности грубого контура, усилитель 34 мощности точного контура, нагреватель 35 грубого контура, нагреватель 36 точного контура, цепь "Сброс" 37 по которой подается установочный сигнал (" Сброс" ), Кроме того, компаратор 28 частоты (фиг. 2) состоит из блока 28-1 срав" нения частот и блока 28-2 определения знака разности частот, которые,, в свою очередь, содержат третий триггер 38 (со счетным входом), третий элемент И 39, четвертый элемент И

40, четвертый триггер 41, четвертый

35 формирователь 42 импульсов, второй блок 43 задержки, пятый элемент И

44, шестой элемент И 45, пятый триг1193

30

rep 46, шестой триггер 47,. седьмой триггер 48.

В устройстве объект термостатирования представлет собой объект с распределнными параметрами (РП-объект) и для оптимального управления им по принципу обратной связи он должен быть наблюдаем, т.е. в заданные точки РП-объекта термостатирования для контроля его состояния в каж- 10 дый момент времени в переходном режиме установлены датчики температуры. В таком устройстве в качестве измерительных преобразователей 2-4 температуры в напряжение может применяться термочувствительный мост, подключенный к входу диффернциальных усилителей, а также пирометр.

Причем датчик измерительного преобразователя 4 установлен на входе объекта управления рядом с нагревателем (в точке N РП-объекта), а остальные Е + и датчиков измерительных . преобразователей 2 и 3 температуры установлены в различных заданных

25 точках М. объекта термостатирова1 ния (иа выходах объекта термостати эования). Иалая постоянная времени— основное требование, предъявляемое преобразователям 2-4, поэтому в качестве датчиков к ним желательно применять терморезисторные датчик температуры {например, бусинкового типа), которые при этом обеспечивают и достаточную точность измерения температуры. 35

Пьезокварцевый датчик 1 температуры устанавливается в заданную точку объекта термостатирования, для которой необходимо поддерживать прецизионное термостатиронание (в устаноЬившемся режиме).

Рассмотрим работу устройства (фиг. 1), где в качестве нагревателя 35 грубого контура возьмем, например, управляемую реверсивную термо- 4> батарею.

При включении питания на блок 16 задержки и на триггеры 15 и 18 через зажим "Сброс" 37 подается установочный сигнал (" Сброс" ), который устанавливает схему в исходное положение.

После этого коммутатор 19 под действием управления с триггера 18 подключает выход. третьего компаратора к входу усилителя 33 мощности грубого контура, а выходы ключа 31 и импульсно-фазового детектора 32 отключает от соответствующих входов уси-.

64? 4 лителей мощности грубого и точного контуров. В свою очередь триггер 15 разрешает прохождение импульсов с выхода первого элемента ИЛИ-HE 10, а прохождение импульсов с выхода второго элемента ИЛИ-НЕ 11 при этом запрещает.

Выходными наблюдаемыми координатами У; РП-объекта является темпера- тура Т в точке И на выходе РП-объекта, температурные перепады в различных точках И относительно точки 0, 1 т.е. Т 1. — Т < = сГТ;, точкой Ь обозначена точка РП-объекта с максимальной величиной времени запаздывания.

На вторые входы компараторов первого и второго блока компараторов

7и 9 подаются напряжения, соответствующие допустимым предельным значениям температурных перепадов д"Т

На второй вход первого компаратора

8-1 подается напряжение, соответствующее предельно допустимой темпера-. туре на входе РП-объекта, т.е. соответствующее. Т., а на второй вход ьак компаратора 8-2 подается напряжение, соответствующее заданной конечной температуре статирования Т . Таким образом, на выходах компараторов

7, 8- 1, 8-2 и 9 в зависимости от значений наблюдаемых выходных кооопинат

У; объекта получаем логические "0" .или "1", которые далее поступают на логические элементы ИЛИ-НЕ !О и !1.

В переходном режиме устройство работате следующим образом.

При оптимальном быстродействии на вход объекта с начального момента времени подается максимальное управ+ ляющее. воздействие П„, до тех пор, пока одна из выходных координат У объекта достигает своего предельного значения У, „ . После этого вход1 Аon ное воздействие уменьшается скачком и регулируется (релейно) так, чтобы выходная координата не превышала допустимого значения, т.е. скользила по области допустимых значений координат объекта. И так продолжается до определенного фиксированного мо мента времени „е (О, Т ). Скорость подвода энергии к РП-объекту в этот промежуток времени. превышает скорость распространения тепла (выравнивания) по объекту, поэтому теплота в основном сконцентрирована на входе объекта. Этот промежуток .времени называется временем фиксированного разгона РП-объекта в режим. К

5 1 концу этого промежутка времени объект обладает энергией больше той, которая соответствует его заданному конечному состоянию. Для этого интервала 6 0, iq) введем обозначения:

193647 Ь то при релейном двухпозиционном управлении в переходном режиме оператор U,Ó) управляющего устройства с учетом обозначений (1) — (3) можно представить н том виде

4,11Р» У. -У „C.Î;

0 11РИ 3. - У» )О

1, рф;)-,„„l

F((Sip(p))-У „) -У (! () О)

0 При(у„у )03 где i = 1 2,..., и, и + 1, причем

n + 1 — количество выходных координат У, на которые наложены огранйчения.

В момент времени 7, задерживаемый импульс "Сброс" с выхода блока

16 задержки перебрасывает первый триггер 15 в другое состояние. В свою очередь первый триггер 15 запрещает прохождение импульсов с ны" хода первого элемента ИЛИ- 1Е 10 а прохождение импульсов с выхода второго элемента ИЛИ-НЕ 11 разрешает.

Таким образом, в момент времени ь подается предельное управляющее воздейстние (U и ) до тех пор, пока хотя бы одна из выходных координат объекта достигает предельного значе1жя. Далее идет скольжение по области допустимых значений координат объек. та. Как толко последняя координата объекта переместится с границы области 9> допустимых значений внутрь этой области, то на объект снова подается предельное управляющее воздействие (U < ). И так продолжается до rex пор, пока температура на входе объекта достигает заданного конечного значения. Этот промежуток времени называется временем форсированно"о торможения объекта. Для этого интервалаТ6 0,7„$ введем обозначения: где j = О, 1, 2,..., К, причем К— количество выходных координат У, на

l которые наложены ограничения.

Если ввесги обозначения

11РИ U (. ) = U» (3)

О Р Ф= р

l5

4Q

45 1 2 3 " nay> " t q)>

F UF VF U .9F, пр» 7E О 3

F чРчФ+ч...ча+

1 2 " К " "1

Графики переходных процессов в

РП-объекте. при оптимальном управлении приведены на фиг. 4. Временной интервал (О, р 3 для удобства рассмотрения разбит на восемь участков (фиг. 4 а) .

На интервале 0-1 РП-объект движется с максимальной скоростью при предельном значении управляющего возДействия (U „ ) в сторону максимального увеличейия температуры Тл1 на входе объекта. В конце интервала

0-1 объект достигает границы области допустимого значения температурного перепада d"T. и в заданных точках и в течение отрезка времени 1-2 скользит по границе этой области (фиг.4в).

На интервале 2-3, когда температурный перепад уменьшается, т.e. d T; ( (КТ; л11, РП-объект снова двигается с максимальной скоростью при предельном значении управляющего воздействия до тех пор, пока не достигает предельно допустимого (граничного) значения второй координаты, т.е. до момента достижения максимально допустимой температуры на входе

РП-объекта Тл(1) = Т 1„ „. На интервале 3-4, РП-объект скользит по гра" нице области допустимого значения температуры на его входе, т.е. поддерживается температура ТЛ1(Т) = Т,4„ „ (фиг. 4 г).

На интервале (Т„, 7 ) есть один участок 5-6 стабилизации (скольжения)

) где температурный перепад ГТ под.1 держивается уже на другом предельно допустимом уровне (фиг. 4 в).

Графики изменения температуры

ТЛ1(Т) на входе PII-объекта изменения температуры Т.(i) в точках 1. и

ТЛ1.(Г) в одной из промежуточных то1 чек M РП-объекта приведены на фиг. 4 г.

Графики изменения количества теплоты q,„ „(С), содержащейся в РП-объекте н процессе оптимального управле.—

1193

1О

25

35

45

55,ния, и.ее первой производной И „()

:= dQo„ /й, приведены на фиг. 4 б.

1 Для функции W „ () характерным является то, что она в течение времени 7 6(0, „3 является положительной, а в момент времени "„ меняет свой знак на обратный и на интервале времени 6(,, Т ) остается отрицательной функцией.

На блоках 1, 19-36 предлагаемого ,устройства осуществляется принцип терморегулирования, основанный на сравнении частоты и фазы пьезокварцевого датчика 1 с частотой и фазой опорного генератора 23 при использовании гетеродина 24.

Вторая часть схемы (фиг. 1) включает каналы грубого и точного терморегулирования. Временная диаграмма работы грубого и точного каналов представлена на фиг. 3, где диаграмма (a) показывает изменение температуры в заданной точке камеры термостата.

Канал грубого терморегулирования работает следующим образом. Пьезокварцевый датчик 1 температуры возбуждается в схеме автогенератора 22, с выхода которого напряжение через третий формирователь 27 импульсов поступает на компаратор 28 частоты.

На другой вход компаратора 28 частоты поступает через второй формирователь 26 импульсов напряжение опорного генератора 23, стабилизированного первым кварцевым резонатором 20. Компаратор 28 частоты (фиг. 2) состоит из двух блоков: блока 28-1 сравнения (определения величины разности) частот и блока

28-2 определения знака разности частот датчика 1 и опорного генератора 23. . Блок 28-1 сравнения частот вырабатывает имнульсы постоянной длительности (фиг. 36) с периодом повторения, равным Т = 1/Р, где F =

f — f — разность частот опореп ного генератора 23 и датчика I соответственно. Момент, когда разность частот опорного генератора 23 и датчика 1 меняет свой знак на обратный, соответствует тому, что температура в термостатирующем устройстве достигает заданного конечного значения Т . В этот момент срабатывает пятый триггер 46 блока

28-2, который перебрасывает второй триггер 18. После этого коммутатор

647 8

19 под действием управления с триггера 18 отключает выход третьего компаратора 17 от входа усилителя

33 мощности грубого контура, а выходы ключа 31 и импульсно-фазового детектора 32 подключает к соответствующим входам усилителей 33 и 34 мощности грубого и точного контуров. С этого момента терморегулиро- вание осуществляется исключительно по сигналу с пьезокварцевого датчика 1 температуры.

При изменении в процессе терморегулирования разности частот F = — fц„ — fg. меняется скважность импульсов и, следовательно, средняя мощность нагревателя.

Импульсы через ключ 31, управляемый потенциалом с выхода блока

28-2 определения знака разности частот, (фиг. Зв) поступают на усилитель 33 мощности, нагрузкой которого является нагреватель 35. Блок

28-2 определения знака закрывает ключ 31, если fg ) f .

Для синхронизации частоты датчика 1 частотой опорного генератора

23 оба генератора связаны цепью синхронизации, представляющей собой делитель напряжения. Если в процесср. нагревания термостата частота датчика 1 приближается к частоте опорного генератора 23 на величину порядка 2-10 от номинала, проис( ходит захват частоты первого из них.

Таким образом, схема терморегулирования является астатической по частоте. В зоне захвата частоты происходит регулирование температуры по величине рассогласования фаз напряжений генераторов 22 и.23, реализуемое точным контуром, работа которого происходит следующим образом.

Напряжение гетеродина 24, стабилизированного вторым кварцевым резонатором 21, через второй фофмирователь 26 импульсов поступает на блоки 29 и 30 сравнения частот. На другие входы этих блоков сравнения частот подаются импульсные напряжения автогенератора 22 и опорного генератора 23. С выходов блоков 29 и 30 сравнения на импульсно-фазовый детектор 32 поступают импульсные напряжения частоты повторения Р со

rl скважностью 2, имеющие. фазы автогенератора 22 и опорного генератора

23 соответственно (фиг. 3r, д), Детектор 32 вырабатывает импульсное.

9 1 напряжение (фиг. Зе) со скважностью, пропорциональной отклонению температуры в камере термостата от номинальной. Кроме того, детектор 32. может отключаться управляющим напряжением, поступающим .с блока 28-2 определения знака разноСти частот в случае перегрева камеры термоста-. та. !

В предлагаемом устройстве момент

v 1/

:Ь перехода от форсированного разогрева к формированному охлаждению, который определяется блоком 16 задержки, зависит от начальных и граничных условий, а также от величины заданной температуры статпрования и от ограничений, накладываемых на управление и выходные координаты Y:

t объекта. Поэтому время задержки Г., блока 16 задержки определяется предварительно, например, методом моделирования. Если же время задержки предварительно такйм путем определить невозможно, то его достаточно просто можно определить экспериментально на предлагаемом устройстве.

При этом оператор, наблюдая переходный процесс с помощью измеритель- ,ного устройства (например, вторичного самопишущего прибора), каждый

193647 l0 раз от одного запуска к другому регулирует время задержки блока 16 до тех пор, пока перерегулирование в заданной точке объекта будет соответствовать заданному. Как правило, такой выходной точкой является точка L объекта регулирования. Если в .процессе эксплуатации предлагаемого устройства изменились парамет10 ры, от которых зависит время задержки „ блока 16 задержки, то время задержки этого блока необходимо при этом определить заново °

Предлагаемое устройство позволяет осуществлять оптимальное по быстродействию управление теплофизичес" кими объектами с распределенными параметрами при одновременно накладываемых ограничениях как на управляю2п щее воздействие, так и на выходные координаты РП-объекта, т;е. когда ограничена величина максимальной температуры на выходе РП-объекта, а также допускает наложения целого

25 ряда ограничений на температурные перепады в заданных точках РП-объек-та. При этом устройство обеспечивает высокую точность стабилизации температуры (не ниже 7 10 С при температуре окружающей среды 5-45 С).

1193647!

193647 Риг. 3 а

+ Упр

- Ь>р г,. т

Фиг. 4

Состаивтель С.Стрелецкий

Техред Т,Дубинчак Корректор А.Зимокосов

Редактор P.Öèöèêà

Подписное

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

Заказ 7315/51 Тираж 862

ВИИИПИ Государственного комитета СССР ио делаи изобретений и открытий

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