Устройство для регулирования температуры

 

Изобретение относится к автоматическому , прецизионному регулированию температуры. Цель изобретения повышение быстродействия при заданном перерегулировании. Для этого при помощи коьшаратора фиксируют выход величины сигнала отклонения температуры (СОТ) объекта от заданной из допустимой области и в момент возвращения его величины в допустимую область при помощи блока логики и ключа переходят от формирования управляющего воздействия (УВ) по СОТ объекта от заданной к формированию УБ по СОТ теплоносителя от заданной, обеспечивая установление температуры теплоносителя равной заданной с предельным быстродействием за счет изменения параметров закона ПИД-регулятора, и после окончания переходного процесса переходят к формированию УВ по СОТ объекта от заданной, начиная с уровня УВ, имевшегося на момент перехода. 1 з.п.ф-лы, 4 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (И) Ш 4 С 05 1) 23 19

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3947639/24-24 (22) 16.08.85 (46) 15.06.87. Бюл. У 22 (71) Специальное конструкторско-тех.нологическое бюро Донецкого физикотехнического института АН УССР (72) Е.А.Кривич, В.С.Прокофьев, Л.Г.Оранский, А.М.Небощик,и С.П.Со= седенко (53) 621.555.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1(796810, кл. G 05 D 23/19, 1978.

Авторское свидетельство СССР

Р 1089557, кл. G 05 D 23/19, 1983.

Авторское свидетельство СССР

В 1015353, кл. С 05 D 23/19, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к автоматическому, прецизионному регулированию температуры. Цель изобретения— повышение быстродействия при заданном перерегулировании. Для этого при помощи компаратора фиксируют выход величины сигнала отклонения температуры (СОТ) объекта от заданной из допустимой области и в момент возвращения его величины в допустимую область при помощи блока логики и ключа переходят от формирования управляющего воздействия (УВ) по СОТ объекта от заданной к формированию

УВ по С0Т теплоносителя от заданной, обеспечивая установление температуры теплоносителя равной заданной с предельным быстродействием за счет изменения параметров закона ПИД-регулятора, и после окончания переходного процесса переходят к формированию

УВ по СОТ объекта от заданной, начиная с уровня УВ, имевшегося на момент перехода ° I з.п.ф-лы, 4 ил.

1 13!7

Изобретение относится к автоматическому, прецизионному регулированию температуры и может быть использовано в приборах и установках при необходимости регулирования температуры в широких пределах с минимальным временем перехода с одного уровня стабилизации на другой при минимальном перерегулировании.

Целью изобретения является повы- 10 шение быстродействия при заданном перерегулировании.

На фиг.! представлена структурная схема предлагаемого устройства для регулирования температуры; на фиг.2 диаграмма работы устройства; на фиг.3. — пример ПИД-регулятора с изменяемыми параметрами закона регулирования; на фиг.4 — схема блока логики устройства. 20

Устройство содержит задатчик температуры объекта, элемент 2 сравнения, формирователь 3 закона регулирования (ФЗР) с изменяемыми параметрами закона регулирования, исполнительный элемент 4, компаратор

5, исполнительный орган (например нагреватель) 6, блок 7 логики, теплоноситель 8, объект 9 регулирования, 30 датчик 10 температуры объекта, датчик 11 температуры теплоносителя, ключ !2. При этом теплопередача с нагревателя на теплоноситель производится в теплообменнике, датчики

10 и 11 температуры при необходимости могут содержать в своем составе измерительные преобразователи для нормирования их выходных сигналов.

Компаратор представляет собой двухпороговый дискриминатор с перек— лючаемым порогом срабатывания, фиксирующий превышение абсолютным значением входного сигнала порога срабатывания.

На диаграмме (фиг.2а) показаны изменения температуры теплоносителя

Т и объекта регулирования То, про— долженная пунктиром кривая Т показывает ход изменения температуры объекта регулирования для классического ПИД-регулятора; Т вЂ” начальный уровень температуры объекта; T> — заданный уровень температуры объекта;

Тт, Т, „„„ — минимальная и максимальная температуры теплоносителя.

В момент времени t подана команда на увеличение температуры. В момент температура объекта вошла в до—

409 2 пустимую область. В момент t темпе3 ратура теплоносителя вошла в допустимую область. Пунктиром по обе стороны линии, соответствующей Т, пока.зана допустимая область по температуре.

На диаграмме (фиг.2б) приведено изменение сигнала на входе компаратора; пунктирные линии, обозначающие

+U„ с и — 1!нас ° отмечают MGKcHMBJIb ный и минимальный сигналы на выходе элемента 2 сравнения, а + П и -U порог срабатывания компаратора (приведен простейший вариант, когда порог срабатывания не переключается).

На диаграмме (фиг.2в) показано изменение выходного сигнала компаратора, а на диаграмме (фиг.2г) — блока логики, где i — длительность задержки. Наличие сигнала на выходе блока логики (единичное состояние) соответствует переключению в режим стабилизации температуры теплоносителя.

На фиг.3 приведен пример реализации ФЗР 3, обеспечивающего безударное переключение параметров закона регулирования. Переключение параметров, установленных резисторами 13-15, осуществляется контактами реле 16.

Обозначения K „(K „0), Т и (Т и о) ° Т д (Т ), принятые на фиг.3, соответствуют пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющим закона регулирования при регулировании температуры теплоносителя (объекта).

Блок 7 логики (фиг.4) содержит два D — триггера 17 и 18, выполняющих функцию запоминающего элемента, элемент НЕ 19, элемент И-HE 20, элемент

21 задержки, выполненный на транзисторах 22 н 23.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда переходные процессы завершились и в объекте 9 регулирования установилось заданное значение температуры, на выходе блока 7 логики управляющий сигнал равен нулю, ключ !2 находится в положении 1 и предлагаемое устройство вырождается в обычный классический регулятор температуры, работающий по отклонению температуры объекта от заданной.

Устройство находится в режиме малых возмущений, пока сигнал отклонения температуры объекта от заданной

3 1З17 не выйдет из допустимой области, в которой устройство работает в линейном режиме регулирования. При этом сигнал задатчика 1 сравнивается на элементе 2 сравнения с сигналом об5 ратной связи, поступающим через ключ

12 от датчика 10. Разностный сигнал поступает на вход ФЗР. В установившемся режиме, когда разностный сигнал равен нулю, в интегральном звене 10 регулятора устанавливается такое управляющее воздействие на исполнительный элемент 4, чтобы рассеивае мая в теплообменнике мощность удерживала объект 9 на заданном темпера- 15 турном уровне, контролируемом датчиком 10.Для обширного класса систем прецизионного регулирования температуры в установившемся режиме температура теплоносителя 8 практически 20 равна температуре объекта 9.

Если б устройство было линейно во всем диапазоне, то при значительном скачкообразном изменении задания за время переходного процесса в интег- 25 ральном звене регулятора установилось бы новое значение сигнала, такое, что к моменту, когда температура объекта станет равной заданной, его величина будет достаточной для 30 поддержания такой мощности в исполнитвльном органе (нагревателе) 6, чтобы удержать объект 9 на новом температурном уровне.

Однако в реальной системе регулирования Существует ряд ограничений, нарушающих линейность системы.

Например, если в качестве теплообменного газа используется гелий, то минимальная температура теплоносите- 40 ля при отключенном нагревателе равна температуре парообразования, т.е.

4,2 К при нормальном атмосферном давлении. В то же время нагреватель должен быть изолирован от окружающей 45

его металлической конструкции, а термическая прочность материала электроизоляции ограничена, что ограничивает максимальную температуру теплоносителя. Имеется также ограничение 50 по максимальной мощности исполнительного элемента 4, ограничен динамический диапазон ФЗР, что приводит или к перерегулированию или неоправданно низкому быстродействию уст- 55 ройства для исключения перерегулирования.

В предлагаемом устройстве при скачкообразном увеличении задания, 409 4 например на увеличение температуры, сигнал ошибки также скачкообразно возрастает и, если он превысит порог срабатывания компаратора 5, это означает, что устройство вьппло из линейного режима, и потребуется изменение обычного алгоритма работы,рассмотренного ранее. Порог срабатывания (по абсолютному значению) компаратора определяет допустимую область и выбнрается соответствующим выходу всего устройства из линейного режима.

Этот сигчал является как бы запускающим для блока 7 логики, но его состояние он не изменяет. В прежнем режиме работы с максимальной скоростью, которую может обеспечить предельная мощность, выделяемая в исполнительном органе (нагревателе) 6, устройство изменяет температуру теплоносителя 8 и соответственно объекта 9. Температура его контролируется датчиком 10, сигнал с которого через ключ 12 поступает на элемент 2 сравнения. По мере приближения температуры объекта к заданной разностный сигнал с элемента 2 сравнения уменьшается. Как только этот сигнал достигнет порога срабатывания компаратора 5 (войдет в допустимую область), он устанавливается в нулевое состояние. Это означает, что разностный сигнал достиг такой величины, что если бы устройство, находясь в уста- новившемся режиме, получило бы этот сигнал в виде управляющего воздействия, то оно по контуру стабилизации температуры объекта отработало бы его без выхода в нелинейный режим с требуемым качеством регулирования.

По этому сигналу блок 7 логики переходит в единичное состояние и переключает ключ 12 в положение II, подключая к входу элемента 2 сравнения датчик 11. Одновременно в компараторе 5 устанавливается меньший порог срабатывания, и в ФЗР 3 производится переключение параметров закона под постоянную времени теплообменника без учета постоянной времени объекта 9 регулирования и транспортного запаздывания. Изменение параметров закона обычно сводится к значительному уменьшению постоянных времени интегрирования и дифференцирования и некоторому увеличению коэффициента пропорциональности и направлено на достижение оптимального по быстродействию регулирования

5 13 температуры теплоносителя. Настройка оптимальных параметров в этом режиме осуществляется предварительно, и по сигналу с логического устройства производится только их переключение.

Так как температура теплоносителя

8 в этот момент много больше заданной, разностный сигнал на выходе элемента 2 сравнения меняет полярность и возрастает, что приводит к срабатыванию компаратора 5, но блок 7 логики остается в том же состоянии.

Устройство регулирования с максимально возможным быстродействием начинает приводить температуру теплоносителя 8 в соответствие с заданием.

Т.е. если из-за работы в нелинейном режиме интегральное звено ФЗР накопило сигнал, соответствующий ложному и даже невозможному уровню мощности, которую должен был бы выделить нагреватель, что в обычных системах неизбежно привело бы к затяжному колебательному процессу, то в режиме стабилизации температуры теплоносителя из-за упрощения передаточной функции устройства и,как следствие уменьшения постоянных времени динамической настройки ФЗР этот ложный сигнал быстро приводится в соответствие новому уровню температуры.

Когда температура теплоносителя становится равной заданной, или точнее, когда температура теплоносителя приближается к заданной настолько, что разностный сигнал на выходе элемента сравнения начинает уменьшаться и достигнет уменьшенного порога срабатывания компаратора 5, в блоке логики по сигналу с компаратора включается элемент 21 задержки на время, немногим большее полупериода колебания в системе стабилизации температуры теплоносителя. Если за это время разноетный сигнал не превысит уменьшенную допустимую область, это будет означать, что переходный процесс закончился. Если же в процессе установки температуры теплоносителя разностный сигнал вновь выйдет за пределы допустимой области, элемент задержки сбрасывается и задержка вновь включается после входа в допустимую область на то же время, автоматически увеличивая длительность задержки.

Таким образом определяется конец переходного процесса, после чего

17409 6

1. Устройство для регулирования температуры, содержащее задатчик и датчик температуры объекта, последовательно соединенные элементы сравнения, формирователь закона регулирования (ФЗР) с изменяемыми параметрами закона регулирования, исполнительный элемент и исполнительный ор- ган, связанный через теплоноситель с объектом, а также блок логики, причем выход задатчика соединен с одним из входов элемента сравнения,выход блока логики — с входом управления ФЗР, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия при заданном перерегулировании, устройство содержит датчик температуры теплоносителя, компаратор и ключ, причем выход элемента сравнения подключен к входу компаратора, выход которого связан с входом блока логики, выход которого соединен с управляющими входами ключа и компаратора, датчики температуры через соответствующие преобразователи подключены к входам ключа, выход которого соединен с другим входом элемента сравнения.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок логи5

55 блок логики возвращается в нулевое состояние. После установления блока

7 логики в нулевое состояние возвращаются в исходное состояние 1 ключ

12, параметры закона ФЗР 3 и значение порога срабатывания компаратора

5. После перехода в исходный .режим стабилизации температуры объекта регулирования система оказывается подготовленной для работы в линейном режиме. А именно: температура объекта регулирования приблизительно равна . данной; температура теплоносителя также приблизительно равна заданной; управляющий сигнал ФЗР, учитывая, что изменение параметров динамической настройки производится с сохранением управляющего сигнала, оказывается близким к необходимому для поддержания температуры объекта на требуемом уровне. Это обеспечивает повышение точности за счет заданного значения перерегулирования и сокращение времени переходного процесса. Устройство работает аналогично при изменении задания в сторону уменьшения температуры.

Формула изобретения

7 з ки содержит два D-триггера, элемент

НЕ, элемент И-НЕ и элемент задержки, причем вход блока соединен с С-входом первого D-триггера, через элемент НŠ— с С-входом второго D-триггера и через элемент задержки — с одним из входов элемента И-НЕ, выход

17409 8 которого подключен к R-входам D-триггеров, а другой вход элемента И-НЕ связан с выходом блока и выходом второго D-триггера, Р-вход которого соединен с выходом первого D-триггера, подключенного D-входом к шине источника питания. фиг.2 !

1317409

Составитель Г.Крейман

Текред Л.Олийньпс Корректор М„Демчик

Редактор Т.Парфенова

Заказ 2422/42 Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород, ул.Проектная,4