Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств



Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств
Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств

 


Владельцы патента RU 2511075:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"(МАИ) (RU)

Изобретение относится к космической, авиационной, радиотехнической, приборостроительной и машиностроительной областям и может быть использовано во всех областях народного хозяйства для автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств. Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств заключается в установлении и определении вида и параметров тепловых функций технических устройств, по которым рассчитывают величины тепловых функций во время работы устройства и при их простоях, и введении коррекции в исполнительные органы через компьютерную систему числового управления в моменты достижения рассчитанными величинами установленных допустимых значений. При этом определяют вид, характеристики изменения во времени типовых закономерностей тепловых функций положения, движения и состояния технических устройств, его теплонагруженных частей, узлов и деталей при их нагреве и охлаждении для каждого управляемого функционального параметра при работе технического устройства и при его простоях. Устанавливают при многократных испытаниях статистические характеристики изменения во времени тепловых функций нагрева и охлаждения для каждого управляемого функционального параметра при работе устройства и при простоях. Затем по полученным характеристикам изменения во времени тепловых функций в рабочем объеме технического устройства в процессе его работы и при простоях рассчитывают величины, и/или положения, и/или движения, и/или состояния управляемого функционального параметра в соответствии с временем работы или простоя, для текущего диапазона положений, движений и состояний теплонагруженных частей, узлов и деталей технических устройств, и в моменты достижения рассчитанными с заданной вероятностью величинами, и/или положениями, и/или движениями, и/или состояниями установленных для них допустимых значений осуществляют корректировку управляемого функционального параметра технического устройства через компьютерную систему числового управления путем изменения и воздействия на текущие параметры и характеристики функционирования, которые определяют уровень теплового режима или состояния теплонагруженных устройств. Техническим результатом является повышение точности функционирования технических устройств, увеличение их надежности, стабильность поддержания уровня или диапазона величин функциональных выходных параметров положения, движения и состояния технических устройств в период их эксплуатации, осуществляемой без применения дополнительных механизмов, устройств и систем измерения температуры, и/или тепловых деформаций, и/или положения, и/или движения, и/или состояния теплонагруженных частей устройств. 6 ил.

 

Изобретение относится к космической, авиационной, радиотехнической, приборостроительной и машиностроительной областям и может быть использовано во всех областях народного хозяйства для автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств, а также различных технических и технологических аппаратов, машин и их систем, управление работой которых осуществляется на основе информационных компьютерных систем числового управления.

Известна система терморегулирования космического аппарата (патент РФ №2151720, B64G 1/50, F28D 15/00, 2000 г.) содержащая замкнутый жидкостный тракт с теплоносителем, включающий в себя терморегулятор расхода теплоносителя с чувствительным элементом терморегулятора, перед которым дополнительно установлен калиброванный тройник со сменным калибратором расхода теплоносителя на одном из его выходов, причем первый выход калиброванного тройника соединен с входом чувствительного элемента, а второй выход его сообщен трубопроводом с жидкостным трактом между электронасосным агрегатом и выходом чувствительного элемента терморегулятора. С целью получения приемлемой частоты колебаний температуры теплоносителя в жидкостном тракте системы терморегулирования при использовании ее с различными ретрансляторами; инерционность чувствительного элемента или постоянная времени, характеризующая его инерционность количественно, определяется из решения дифференциального уравнения переходного процесса чувствительного элемента. Постоянной времени чувствительного элемента может быть изменена только изменением коэффициента теплоотдачи, который может быть изменен только изменением расхода теплоносителя, омывающего чувствительный элемент.

Недостатком данного изобретения является сложная конструктивная схема и невозможность учета случайных параметров и характеристик, определяющих работу чувствительного элемента.

Известна система терморегулирования космического аппарата (патент РФ №2196079, B64G 1/50, B64G 1/00, F28D 15/00, 2003 г.) с гидравлическими контурами и агрегатами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе в виде термоплат и излучательных внешних радиаторов, включенными в контур указанной системы терморегулирования, причем каждый моноблок снабжен расположенными параллельно на заданном расстоянии одна от другой тепловыми трубами, а концевые части тепловых труб, образующие зоны конденсации, объединены пластиной из теплопроводящего материала в отдельные термоплаты, при этом к каждой термоплате через теплопроводящий материал закреплена трубка с капиллярной структурой, выполняющей роль капиллярного насоса и образующей зону испарения контурной тепловой трубы, причем каждая группа термоплат соединена параллельно между собой и подключена к внешнему излучательному с помощью трубопроводов.

Недостатком данного изобретения также является сложная конструктивная схема и невозможность учета случайных параметров и характеристик, определяющих работу термоплат.

Известен теплообменный аппарат (патент РФ №2199068, F28D 15/00, 2003 г.), содержащий соединенные трубопроводом частично заполненный теплоносителем испаритель с патрубком для подвода газов, расположенный над ним конденсатор, регулируемый запорный орган в трубопроводе и патрубок в днище конденсатора, соединенный с атмосферой, внутри конденсатора перпендикулярно основанию по высоте расположены перегородки с каналами, на одной из наружных сторон конденсатора расположен щелевой конвектор, а также дополнительно содержит расположенную под испарителем камеру подогрева испарителя с патрубком для подвода горячих газов, испаритель состоит из двух камер, соединенных насосом, внутренний источник тепла, щелевой конвектор, образованный смежными поверхностями камер испарителя, второй регулируемый запорный орган и патрубок в крышке конденсатора.

Недостатком данного изобретения также является сложная конструктивная схема, невозможность учета случайных параметров и характеристик, определяющих работу испарителя, а также регулируемые запорные органы, снижающие надежность работы системы.

Известен способ охлаждения (патент РФ №2367857, F25D 21/02, F25B 3/00, 2009 г.) питьевой воды для автомата дозированного разлива напитков, включающий подачу воды в емкость дозированного объема, использование термоэлектрического эффекта элемента Пельтье для отведения тепла и охлаждения воды до температуры не ниже 0°C и не выше +4°C, а управляют процессом охлаждения воды путем регулирования мощности на элементе Пельтье и отвода тепла от него теплопоглощающим и теплорассеивающим элементами.

Недостатком данного изобретения также является невозможность учета случайных параметров и характеристик, определяющих работу теплопоглощающего и теплорассеивающего элементов, а также отсутствие управления термоэлектрическими параметрами элемента Пельтье.

Известен способ (А.С. №1041226, кл. B23B 25/06, 1983 г.) автоматической компенсации тепловых смещений шпинделя металлорежущего станка с числовым программным управлением, в котором компенсация тепловых смещений шпинделя осуществляется по типовым зависимостям по времени и частоте вращения шпинделя.

Недостатками всех упомянутых изобретений является то, что они не учитывают случайных характер параметров, определяющих величину температурных характеристик, изменение значений температуры окружающей среды, требуют сложной системы измерения и регулирования, реализуют управление только одним функциональным параметром, ограничены техническим и технологическим назначением объекта управления, не могут быть изменены параметры управления и их величины в процессе эксплуатации, не учитывают требуемую надежность управления.

Очевидно, что общими отличительными чертами известных технических и технологических устройств являются необходимость управления тепловым состоянием и функциональными параметрами, которые изменяются в процессе их работы, так как подводимая энергия, не затрачиваемая на процесс функционирования, рассеивается и накапливается в структуре технических устройств, приводя к неравномерному изменению начального теплового состояния частей, деталей, механизмов и систем, увеличивая их теплосодержание, и, следовательно, при протекании тепловых процессов обусловливает изменение заданных функциональных параметров положения, движения и состояния технических устройств, их частей, деталей, механизмов и систем.

Изменение положения, которое определяется тремя линейными и тремя угловыми смещениями, обусловлено температурными воздействиями и может быть как абсолютным, так и относительным между функциональными элементами.

Изменение движения, обусловленное температурными воздействиями, характеризуется траекторией (абсолютной или относительной) и характеристиками скорости, ускорения и другими динамическими составляющими.

Изменение состояния определяется температурным режимом и температурными деформациями частей, деталей и элементов, которые обусловлены соотношением количества подводимого и отводимого тепла, а также условиями соединения и их степенями свободы.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств, который позволил бы обеспечить повышение точности функционирования технических устройств, увеличение их надежности, стабильность поддержания уровня или диапазона величин функциональных выходных параметров положения, движения и состояния технических устройств в период их эксплуатации, осуществляемой без применения дополнительных механизмов, устройств и систем измерения температуры, и/или тепловых деформаций, и/или положения, и/или движения, и/или состояния теплонагруженных частей устройств.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств, заключающемся в установлении и определении вида и параметров тепловых функций технических устройств, по которым рассчитывают величины тепловых функций во время работы устройства и при их простоях, и введении коррекции в исполнительные органы через компьютерную систему числового управления в моменты достижения рассчитанными величинами установленных допустимых значений, согласно заявляемому изобретению определяют вид, характеристики изменения во времени типовых закономерностей тепловых функций положения, движения и состояния технических устройств, его теплонагруженных частей, узлов и деталей при их нагреве и охлаждении для каждого управляемого функционального параметра при работе технического устройства и при его простоях, для диапазона положений, движений и состояний теплонагруженных частей, узлов и деталей устройств, заданных условиями функционирования и эксплуатации, учитывающих скорость и вид изменения температуры окружающей среды, устанавливают при многократных испытаниях статистические характеристики изменения во времени тепловых функций нагрева и охлаждения для каждого управляемого функционального параметра при работе устройства и при простоях и по полученным характеристикам изменения во времени тепловых функций в рабочем объеме технического устройства в процессе его работы и при простоях рассчитывают величины, и/или положения, и/или движения, и/или состояния управляемого функционального параметра в соответствии с временем работы или простоя, для текущего диапазона положений, движений и состояний теплонагруженных частей, узлов и деталей технических устройств, и в моменты достижения рассчитанными с заданной вероятностью величинами, и/или положениями, и/или движениями, и/или состояниями установленных для них допустимых значений, обусловленных требуемым диапазоном точности параметров для каждого управляемого функционального параметра, осуществляют корректировку управляемого функционального параметра технического устройства через компьютерную систему числового управления путем изменения и воздействия на текущие параметры и характеристики функционирования, которые определяют уровень теплового режима или состояния теплонагруженных устройств.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведены типовые закономерности изменения температуры, положения, движения и состояния функциональных параметров технических устройств при нагреве-охлаждении.

На фиг.2 показана принципиальная схема формирования случайного характера нагрева-охлаждения.

На фиг.3 приведены типовые тепловые функции изменения скорости для различных видов нагрева-охлаждения технических устройств.

На фиг.4 дана иллюстрация принципа и схема способа автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств при последовательном изменении режима работы.

На фиг.5 приведена принципиальная схема способа автоматического управления тепловым состоянием автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств при учете случайных составляющих нагрева-охлаждения.

На фиг.6 показана функциональная схема способа автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств с компьютерной информационной системой числового управления.

Заявленное изобретение осуществляется следующим образом. После сборки технического устройства производят его испытание по стандартным государственным или установленным техническими условиями программам. По результатам этих испытаний определяют вид, характеристики изменения во времени тепловых функций нагрева и охлаждения для каждого управляемого функционального параметра при работе технического устройства и при его простоях. Это определение осуществляют для диапазона положений, движений и состояний теплонагруженных частей, заданных условиями функционирования и эксплуатации. При этом фиксируются также скорость и вид изменения температуры окружающей среды. Указанные испытания проводят многократно, по результатам которых устанавливают статистические характеристики изменения во времени тепловых функций нагрева и охлаждения для каждого управляемого функционального параметра при работе технического устройства и при простоях. Полученные характеристики изменения во времени тепловых функций нагрева и охлаждения для каждого управляемого функционального параметра при работе технического устройства и при его простоях являются «паспортом» испытанного устройства, обобщенные параметры которого вводят в компьютерную систему числового управления. Далее в процессе работы устройства и при простоях по полученным функциям изменения теплового изменения во времени в рабочем объеме технического устройства компьютерная система через заданные промежутки времени рассчитывает величины, и/или положения, и/или движения, и/или состояния управляемого функционального параметра в соответствии с временем работы или простоя, для текущего диапазона положений, движений и состояний теплонагруженных частей.

В моменты достижения рассчитанных с заданной вероятностью величин, и/или положений, и/или движений, и/или состояний, установленных для них допустимых значений, обусловленных требуемым диапазоном точности для каждого управляемого функционального параметра, осуществляют корректировку управляемого функционального параметра технического устройства путем изменения и/или воздействия на текущие значения, параметры и характеристики управляемых функциональных параметров и/или изменения и воздействия на уровень теплового режима или состояния теплонагруженных частей технических устройств. Это воздействие, в некоторых случаях, может также осуществляться и с помощью специальных корректирующих устройств микроизменений управляемых компьютерной системой функциональных параметров.

Способ основан на том, что изменения во времени тепловых функций нагрева и охлаждения для каждого управляемого функционального параметра при работе технического устройства и при простоях происходит по типовым закономерностям, функциям (Фиг.1), характерным для каждого данного конструктивно-компоновочного решения на каждом режиме работы, в соответствии с взаимным относительным положением его теплонапряженных частей, узлов и деталей. Причем типовая функция, ее характер, скорость нагрева-охлаждения и величина определяются режимом работы (например, силой тока или частотой вращения) и изменением температуры окружающей среды и могут определяться разными типовыми функциями (фиг.1) для разных режимов и не всегда совпадающими друг с другом. Кроме этого, величина изменения во времени тепловых функций нагрева и охлаждения для каждого управляемого функционального параметра является случайной величиной (фиг.2), характеристики которой определяются качеством изготовления устройства, условиями теплообмена и являются его индивидуальными параметрами.

В процессе работы устройства по известным режимам и времени работы на них производят расчет значения величины тепловой функции по ранее установленным и введенным в компьютерную систему управления типовым функциям (фиг.1) для текущего состояния и/или положения и температуры окружающей среды в данный текущий момент времени. Далее производят изменение для каждого управляемого функционального параметра в направлении и на величину рассчитанного значения функции с заданной вероятностью (фиг.5), тем самым обеспечивается сохранение во время работы относительно стабильного и постоянного отклонения тепловой функции теплонагруженного устройства.

При остановке работы устройства или работе на более низком режиме, когда происходит снижение тепловыделений и происходит охлаждение технического устройства, его частей и узлов, зная типовые функции охлаждения, их характеристики и время охлаждения (или работы на более низком режиме), производят в компьютерной системе аналогичный расчет величины тепловой функции и далее также производят изменение для каждого управляемого функционального параметра в направлении и на величину рассчитанного значения функции и заданной вероятностью, тем самым обеспечивается сохранение во время работы относительно стабильного и постоянного отклонения тепловой функции теплонагруженного устройства.

Во всех случаях нагрева-охлаждения характеристика темпа или скорости нагрева-охлаждения не являются стабильно постоянными величинами для всех режимов работы и определяются как взаимным относительным положением теплонагруженных элементов, узлов и деталей, так и температурой окружающей среды, последовательностью и временем работы технического устройства на разных режимах и соответствующей им тепловой историей устройства.

Теплообмен любого тела или системы тел (техническое устройство является телом или системой тел) с окружающей средой подчиняется закону Ньютона-Рихмана и происходит на поверхности тела. Для случая, когда устройство, как система тел, нагревается источниками энергии, произвольно распределенными внутри тела или на его границах, и в предположении, что мощность источников неизменна во времени, температура среды постоянна, коэффициент теплоотдачи и теплофизические параметры материала не зависят от температуры и времени, процесс нагревания во времени можно разделить на стадии (согласно Г.М.Кондратьеву) иррегулярного и регулярного теплового режимов (Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. - 248 с.).

В регулярном режиме изменение температурного поля во времени имеет простую форму, с момента наступления этого режима натуральный логарифм разности температур любой точки тела изменяется во времени по линейному закону.

Таким образом, тепловые функции теплонагруженных частей, деталей и узлов технического устройства подчиняются закономерностям регулярного теплового режима и описываются простой экспоненциальной (как показали многочисленные экспериментальные исследования, зависимостью (фиг.1):

где ΔТу - температура в установившемся режиме, m - темп нагревания (охлаждения) однородного тела:

Здесь α, λ, c, a, γ - соответственно коэффициент теплоотдачи, теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, удельный вес;

M, V, S - соответственно масса, объем и площадь теплоотдающей поверхности; Ψ - коэффициент неравномерности температурного поля (в практических случаях, если α не стремится к бесконечности, можно принять Ψ=1).

Для определения ψ можно использовать выражение Ярышева Н.А.:

где Kn - критерий Г.М. Кондратьева; Biv=αRv/λ - критерий Био; Rv - обобщенный размер тела, равный отношению объема тела к площади его поверхности.

Если температура Tc окружающей среды и мощность Q источников тепловыделений технического устройства являются функциями времени, то для определения функции теплового поведения можно использовать выражение:

,

где Тн, Тсн, Qн - начальные значения температуры тела, окружающей среды и теплового потока, Тс - температура окружающей среды, С=сγV. Из (4) следует, что при Тснс(τ)=const и для теплового потока Q=Q(τ)=const

- источник тепловыделения постоянно действующий и не зависит от времени, температура окружающей среды постоянна и равна начальной температуре устройства (Q=Q(τ)=const, Tc=Tнс(τ)=const):

Если источник тепловыделения отсутствует, изменение температуры окружающей среды происходит по экспоненциальному закону до установившегося состояния

Общая зависимость изменения (теплового поведения) положения, движения и состояния частей, узлов и механизмов технических устройств из-за их температурных деформаций δU(ni) запишется в следующем виде:

где δU(ni), δU(0ni) - значение величины температуры, деформации соответственно при нагреве и охлаждении;

L1, L2 - значение величины температуры, деформации в установившемся режиме температурной стабилизации;

Т0 - текущее значение температуры окружающей среды;

ni - i-й режим работы устройства;

m1ni m2ni m0ni - темп или скорость нагрева на i-м режиме;

m0ni - темп или скорость охлаждения при переходе с i+1 на i-й режим;

m0=m0ni - темп или скорость охлаждения устройства при неработающем устройстве;

K0 Kni - коэффициенты пропорциональности.

где Kα - коэффициент изменения теплоотдачи для разных режимов работыустройства, q - показатель степени, определяемый соотношением критериев Рейнольдса и Грасгофа.

Тогда типовые закономерности изменения функции положения из-за температурных деформаций теплонагруженных частей, узлов и механизмов технических устройств δU(ni) запишутся в следующем виде:

1. При m1=m2, L1=L2 всегда U=0, а вид функции - прямая линия. С учетом случайных составляющих параметров формирования функций U получим полосу, параллельную оси времени, ширина которой равна значению дисперсии.

2. При m1=m2 и L1>L2 функция U во времени изменяется по экспоненциальному закону, а ее величина всегда положительна (см. фиг.1 линия 7).

3. При m1=m2 и L1<L2 значение функции U во времени изменяется по экспоненциальному закону, а ее величина всегда отрицательная (см. фиг.1 линия Г). 4. При m1>m2, L1=L2 значение U=L1-L2=0 в установившемся режиме при τ→∞.

Первая производная (2) через период времени τэ становится равной нулю и функция U принимает экстремальное значение:

Вторая производная через период времени Т принимает вид:

Значение функции U через период времени τэ определяется выражением:

Вторая производная принимает отрицательные (∂2U/∂τ2<0) значения, и ей будет соответствовать линия 5 на фиг.1.

5. При m1<m2 и L1=L2 значение функции U=L1-L2=0 в режиме τ→∞. Вторая производная (∂2U/∂τ2>0) принимает положительные значения (функция - линия 5' на фиг.1).

6. При m1>m2 и L1>L2 значение функции через период времени, определяемый уравнением (3), достигает максимума, величина которого определяется уравнением (4). Вторая производная ∂2U/∂τ2<0 (вид функции- линия 3 на фиг.1).

7. При m1>m2 и L1<L2 значение функции ∂2U/∂τ2<0 достигает максимума через период времени τэ (3), затем в установившемся режиме значения функции становятся отрицательными:

и будут положительными при L2<0, m1>m2, L2/L2<m2/m1, т.е. функция имеет знакопеременный характер (линия 6 на фиг.1).

При ∂2U/∂τ2=0 и ∂U/∂τ<0 функция имеет точку перегиба, и ее значение всегда отрицательное (линия 7' на рис.7) при выполнении условия . Время, через которое функция достигнет точки перегиба, .

8. При m1<m2 и L1>L2 значение функции 4 (см. фиг.1) достигает минимума (∂2U/∂τ2>0) через период времени τэ, затем в установившемся режиме значения функции становятся положительными (L1-L2>0):

при L2>0, m1<m2 и L1/L2>m2/m1, т.е функция имеет знакопеременный характер ((см. фиг.1 линия 4). При ∂2U/∂τ2=0 и ∂U/∂τ>0 функция имеет точку перегиба и ее значение всегда положительное (см. фиг.1 линия 7) при условии .

9. При m1<m2 и L1<L2 функция достигает минимума (∂2U/∂τ2>0) (см. фиг.1 линия 3'),

Таким образом, характеристики типовых функций изменения теплового состояния являются общими для всех видов технических и технологических устройств (машин, объектов) и заносятся в память компьютерной информационной системы числового управления техническими или технологическими устройствами, а значения величин этих характеристик после испытания устройства также заносятся в память, которые являются индивидуальными значениями каждого изделия.

Следовательно, характеристиками и параметрами, определяющими «образ» теплового состояния технических устройств, являются:

ΔТу - температура в установившемся состоянии на i-м режиме работы;

L1, L2 - значение величины деформации (температуры) установившемся режиме температурной стабилизации;

ML1, ML2 - значение математического ожидания з величины деформации (температуры) в установившемся режиме температурной стабилизации;

σL1 σL2 - значение среднего квадратического отклонения величины деформации (температуры) в установившемся режиме температурной стабилизации;

m1ni m2ni m0ni - темп или скорость нагрева на i-м режиме работы;

m0ni - темп или скорость при охлаждении с (1+1)-й на i-й режим;

m0=m0ni - темп или скорость охлаждения устройства при отсутствии его работы;

Kα, K0, Kni - коэффициенты пропорциональности;

Δi - установленное допустимое значение i-го управляемого функционального параметра;

вероятность Pi(t) достижения установленного Δi допустимого значение i-го управляемого функционального параметра.

Вероятность Pi(t) определяется выражением:

Рассмотрим процесс автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств (фиг.4, 5, 6) с момента включения технического или технологического изделия на режимах работы n1, n2, n3 в течение времени работы на этих режимах соответственно t1, t3, t5; t1=t1(n3), t2=t2(n2)-t1(n2), t3=t3(n1)-t2(n1), при охлаждении - темп охлаждения равен соответственно m0, при охлаждении, когда происходит переключение с большего режима на меньший с n1 на n3, темп охлаждения равен соответственно m03. В этом случае показан принцип управления, функциональным параметром, когда расчеты теплового состояния технических устройств производятся без учета случайных составляющих.

На фиг.5 показан принцип автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств при работе на режимах n1 и n2, когда управление производится с учетом случайных составляющих. Если вероятность достижения теплового состояния функциональным параметром принять равной 0,5, то в этом случая управление соответствует такому же случаю, когда случайные составляющие не учитываются и время проведения управления будет значительно больше, т.е. на величину [t2(n2) P(t)=0,5]-[t2(n2) P(t)=0,997], а достигаемая точность управления снижается (фиг.5).

Функциональная схема способа автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств с компьютерной информационной системой приведена на фиг.6., где пунктиром показаны устройства, которые применялись бы на основе других способов управления, как это приведено в прототипах.

Автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств, технического или технологического изделия (положения, движения, состоянии) как при нагреве, так и при охлаждении производят через установленную для каждого управляемого функционального параметра величину Δi. Величина Δi и вероятность (фиг.4, 5, 6) ее достижения Pi(t) устанавливается для каждого условия или вида эксплуатации, исходя из требуемой величины функционального параметра (или его значения точности) и необходимости обеспечения ее сохранения во времени, и вводится в память компьютерной системы числового управления технического устройства.

При пуске технического устройства или технологического изделия и начале его работы в вычислительное устройство компьютерной информационной системы числового программного управления поступают данные о текущем времени работы t1, режиме работы функционального параметра ni, текущем положении и состоянии функциональных параметров теплонагруженных устройств, температуре окружающей среды. Значения функциональных параметров рассчитываются непрерывно с установленной дискретностью времени Δti по функциям (1-8).

Период времени Δti проведения системой ЧПУ расчетов величин температурных смещений оси шпинделя δU(ni) должен выбираться из диапазона 0-Δti, при выполнении следующего условия:

При достижении вычисленных по (1-8) величин температур (смещений, состояний) по каждому функциональному параметру, равных Δi и ее вероятности Pi(t), производится управление положением, движением и состоянием с помощью компьютерной системы управления путем изменения функционального параметра управления теплонагруженного устройства в требуемом направлении. Через время t1 происходит переключение режима работы на n2, при этом алгоритм работы автоматизированной системы повторяется. Если заданная вероятность Pi(t) достижения величины температур (положений, состояний) по каждому функциональному параметру, равных Δi, не обеспечивается, то управление функциональными параметрами производится в момент ее достижения. Аналогично описанному происходит работа системы управления на режиме n3 и т.д.

При охлаждении расчет также происходит непрерывно через периоды времени Δti. При достижения величины температур (положений, состояний) по каждому функциональному параметру, равных Δi, с вероятностью Pi(t) управление функциональными параметрами производится в момент ее достижения.

Таким образом, в течение всего периода эксплуатации происходит работа автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств. В любой период эксплуатации параметры управления могут быть установлены или изменены с помощью блока задания функциональных параметров.

Использование предлагаемого способа позволяет обеспечить существенное повышение точности функционирования технических устройств, увеличение их надежности, стабильность поддержания уровня или диапазона величин выходных параметров положения, движения и состояния технических и технологических устройств в период их эксплуатации без применения дополнительных механизмов, устройств и систем измерения температуры, и/или тепловых деформаций, и/или положения, и/или движения, и/или состояния теплонагруженных устройств.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для автоматического управления тепловым состоянием теплонагруженных устройств с компьютерной системой числового программного управления, может быть использован во всех областях космического, авиационного, радиотехнического, приборостроительного и производственного машиностроения для автоматического управления тепловым состоянием теплонагруженных устройств технических и технологических машин и устройств;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Способ автоматического управления тепловым состоянием и функциональными параметрами технических устройств, заключающийся в установлении и определении вида и параметров тепловых функций технических устройств, по которым рассчитывают величины тепловых функций во время работы устройства и при их простоях, и введении коррекции в исполнительные органы через компьютерную систему числового управления в моменты достижения рассчитанными величинами установленных допустимых значений, отличающийся тем, что определяют вид, характеристики изменения во времени типовых закономерностей тепловых функций положения, движения и состояния технических устройств, его теплонагруженных частей, узлов и деталей при их нагреве и охлаждении для каждого управляемого функционального параметра при работе технического устройства и при его простоях, для диапазона положений, движений и состояний теплонагруженных частей, узлов и деталей устройств, заданных условиями функционирования и эксплуатации, учитывающих скорость и вид изменения температуры окружающей среды, устанавливают при многократных испытаниях статистические характеристики изменения во времени тепловых функций нагрева и охлаждения для каждого управляемого функционального параметра при работе устройства и при простоях и по полученным характеристикам изменения во времени тепловых функций в рабочем объеме технического устройства в процессе его работы и при простоях рассчитывают величины, и/или положения, и/или движения, и/или состояния управляемого функционального параметра в соответствии с временем работы или простоя, для текущего диапазона положений, движений и состояний теплонагруженных частей, узлов и деталей технических устройств, и в моменты достижения рассчитанными с заданной вероятностью величинами, и/или положениями, и/или движениями, и/или состояниями установленных для них допустимых значений, обусловленных требуемым диапазоном точности параметров для каждого управляемого функционального параметра, осуществляют корректировку управляемого функционального параметра технического устройства через компьютерную систему числового управления путем изменения и воздействия на текущие параметры и характеристики функционирования, которые определяют уровень теплового режима или состояния теплонагруженных устройств.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к газоизмерительному устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде. Устройство содержит датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, причем электрическое свойство чувствительного элемента измеряется газоизмерительным устройством; и цепь управления, имеющую контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий его электрическое свойство, причем цепь управления имеет источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, причем контроллер нагревательного элемента связан с источником энергии подогрева и регулирует его работу в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента; средство импульсной модуляции, соединенное с контроллером нагревательного элемента, источником энергии подогрева для управления величиной энергии, подаваемому к нагревательному элементу.

Изобретение относится к технической физике, а именно к области определения степени сухости и других термодинамических параметров влажного пара, может быть использовано для непрерывного определения степени сухости как на объектах производства, так и на объектах потребления насыщенного и влажного пара.

Изобретение относится к способам определения массового содержания наполнителя в полимерных композиционных материалах и может быть использовано для контроля технологии получения полимерных композитов, а также для контроля качества и однородности полученного материала.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике обнаружения локальных дефектов в объектах бытовой техники и может найти применение для выявления потерь тепла в зданиях, выявления дефектов в отопительных приборах и т.п.

Изобретение относится к технологии испытания смазочных материалов и может быть использовано для определения их ресурса. .
Изобретение относится к области исследования качества деталей с гальваническими покрытиями, в частности к оценке степени газосодержания поверхностей деталей с защитными гальваническими покрытиями.

Изобретение относится к строительной теплотехнике, в частности к измерениям теплотехнических характеристик помещений зданий и сооружений и вычислению сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций (стен, перекрытий, покрытий и т.п.).

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при проведении физико-химического анализа адсорбирующих материалов, разработке технологий их производства и контроле технологических процессов при их эксплуатации.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для диагностики технического состояния строительных сооружений. .

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к спектрометрии, спектроскопии и спектрофотометрии. .

Изобретение относится к способу мониторинга состава дымовых газов, получающихся в результате термического процесса. Способ является в особенности подходящим для использования при мониторинге функционирования парового котла, сжигающего хлорсодержащее топливо, но он также может быть использован и в связи с пиролизом, газификацией и другими такими процессами. Состав дымовых газов, получающихся в термическом процессе, в особенности при сжигании биотоплива или топлива, полученного из отходов, отслеживают в результате измерения количества частиц, относящихся к категориям определенных размеров, по меньшей мере, в одной точке по линии тока дымовых газов. В качестве объектов измерения выбирают такие категории размеров частиц, в которых, как известно, частицы состоят в основном из хлоридов щелочных металлов. Техническим результатом является создание способа мониторинга концентрации хлоридов щелочных металлов в дымовых газах, образующихся в результате термического процесса. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Использование: для оценки степени охрупчивания материалов корпусов реакторов ВВЭР-1000 в результате термического старения. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют нагрев образцов стали корпуса реактора до температуры от 300°С, дальнейшее их старение при этой температуре в течение определенного времени, последующие испытания образцов на ударный изгиб и анализ результатов испытания с определением величины сдвига критической температуры хрупкости, при этом образцы стали корпуса реактора в процессе старения при температуре эксплуатации корпуса реактора 300-320°С дополнительно подвергают нейтронному облучению флаксом 1011-1013 н/см2·сек в течение 103 часов, после этого производят отжиг при температуре 400-450°С продолжительностью не менее 30 часов, а оценку степени охрупчивания стали определяют по величине сдвига критической температуры хрупкости ΔTk(t) вследствие термического старения за время, составляющее более 5·105 часов, по определенному математическому выражению. Технический результат: повышение точности оценки степени охрупчивания материалов корпусов реакторов ВВЭР-1000 в результате термического старения. 3табл.

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования огнезащитной эффективности защитных составов и покрытий для древесины. Заявленный способ включает подготовку образца, воздействие пламенем на образец, измерение температуры отходящих газообразных продуктов сгорания, измерение массы образца и определение потери массы, по которой определяют огнезащитную эффективность. Измерение массы образца осуществляют непрерывно во время воздействия пламенем на образец и после прекращения воздействия, а за момент окончания испытаний принимают момент превышения установленной классификацией предельной потери массы или момент стабилизации массы образца после прекращения его горения. Данный способ реализуется устройством, содержащим камеру для размещения образца, газовую горелку, вытяжное устройство с термоэлектрическим преобразователем, прибор измерения и записи температуры отходящих газообразных продуктов сгорания. Устройство также снабжено блоком автоматического измерения и записи во времени массы образца в ходе огневых испытаний, включающим рычажный механизм, выполненный с возможностью установки держателя образца и связанный с прибором для измерения массы, соединенным с блоком обработки и записи. Технический результат - получение более точных данных для исследования механизма огнезащиты. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для нагрева и измерения температуры образцов, прозрачных в инфракрасной области излучения (ИК). Предложен способ определения температуры образцов, прозрачных в ИК-области, подвергаемых воздействию потоками заряженных частиц или электромагнитного излучения, включающий нагрев или охлаждение образцов, измерение температуры образцов с помощью термопар. Образцы помещают в замкнутый корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, расположенный в вакуумной камере, откачивают воздух до давления 10-3-10-5 Па, нагревают или охлаждают корпус на заданный интервал температуры. Производят непрерывные предварительные измерения температуры термопарами, расположенными снаружи и внутри корпуса вместе с исследуемыми образцами, до момента стабилизации температуры. Затем производят конечные измерения температуры данными термопарами в момент стабилизации температуры, которая совпадает с температурой исследуемого образца до внешнего воздействия потоками заряженных частиц или электромагнитного излучения. Производят внешнее воздействие, после внешнего воздействия полностью повторяют процедуру измерения температуры образцов. Технический результат - повышение точности определения температуры образцов, прозрачных в ИК-области. 1 ил.

Изобретение относится к испытательному оборудованию и может быть использовано при испытании объектов на температурные воздействия. Стенд содержит приспособление для установки объекта испытаний, источник температурного воздействия с системами подачи и слива воды, установленный под объектом испытаний, вертикальный экран, расположенный по периметру источника температурного воздействия, закрепленный на колоннах и приподнятый над уровнем грунта, выполненный с возможностью изменения расстояния от уровня грунта до его нижнего края, а также систему защиты от спутникового наблюдения за процессом испытаний и объектом испытаний. Указанная система включает горизонтальный экран, закрепленный сверху на колоннах вертикального экрана, состоящий из металлического рамного каркаса, дискретно закрепленных на нем параллельно продольной оси каркаса по ширине, превышающей габаритные размеры объекта, канатов из жаропрочного материала, переплетенных в поперечном направлении в центральной части экрана нихромовыми лентами, полностью закрывающими контур исследуемого объекта. Технический результат - повышение точности результатов испытаний с одновременным обеспечением защиты при проведении испытаний от наблюдения из космоса. 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматического определения концентрации металла в руде. Согласно заявленному способу перед проведением контроля содержания металла в руде по конвейеру пропускают руду без примесей металла. Нагревают площадным источником теплового излучения, ширина которого превышает ширину конвейера. Через время τзад после окончания нагрева измеряют среднее значение температуры по нагретой поверхности руды без содержания металла Т1ср. На основании проведенных измерений формируют градуировочную кривую. Далее на конвейер непрерывно подают руду, содержащую металл, и нагревают. Через время τзад измеряют на каждом кадре i среднее значение температуры Tcpi. Определяют величину Tcpi-T1ср на основании градуировочной кривой. Используя величину (Tcpi-T1ср), определяют процентное содержание металла в руде. Также предложено устройство для реализации указанного способа. Технический результат - повышение достоверности определения содержания металла в руде. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способам анализа образцов пористых материалов и может быть использовано для количественного исследования ухудшения свойств околоскважинной зоны нефте/газосодержащих пластов из-за проникновения в нее полимеров, содержащихся в буровом растворе. Согласно заявленному предложению высушивают раствор полимера до полного испарения воды. Нагревают полимер, образовавшийся после сушки раствора полимера, и определяют диапазон температур активного разложения полимера при заданном темпе нагрева, а также степень разложения полимера в этом диапазоне температур. Высушивают, проводят термический анализ в диапазоне температур, включающем диапазон температур активного разложения полимера, и вычисляют потерю массы навески образца пористой среды и навески такого же образца пористой среды после прокачки раствора полимера. На основе полученных значений определяют весовую концентрацию полимера, проникшего в пористую среду. Технический результат - повышение точности получаемых данных и экспрессности проведения анализа. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для исследования термической усталости конструкционных материалов, и может быть использовано для экспериментального подтверждения расчетного прогноза малоцикловой прочности конструкционных материалов. Устройство состоит из последовательно соединенных между собой газогенератора и рабочей части с образцом конструкционного материала. Газогенератор имеет сменную смесительную головку. Цилиндрическая камера сгорания газогенератора оснащена запальным устройством и дроссельной шайбой. Рабочая часть состоит из соединенных между собой зажимного фланца с центральным отверстием и фланца с установленным на нем образцом. Центральные продольные оси фланца и образца совпадают. Внутренняя цилиндрическая поверхность зажимного фланца образует с поверхностью образца кольцевую щель, которая через торцевые выходные отверстия, выполненные во фланце вокруг образца, соединена с полостью, заканчивающейся выходным соплом. Технический результат: возможность обеспечить необходимые режимы термосилового нагружения образцов с моделированием натурного термонапряженного состояния исследуемых конструкционных материалов различных агрегатов, работающих в условиях переменных тепловых режимов. 1 ил.

Настоящее изобретение относится к способу повышения термоокислительной стабильности смазочных масел, по которому пробы смазочного масла термостатируют нагреванием в герметичном стакане без перемешивания в течение постоянного времени при атмосферном давлении и фиксированной температуре, которую при каждом термостатировании новой пробы ступенчато повышают в диапазоне температур, определяемых назначением смазочного масла, после нагревания проводят отбор и испытание термостатированных проб на сопротивляемость окислению, при этом отбирают пробу постоянной массы, которую затем нагревают в присутствии воздуха с перемешиванием в течение установленного времени в зависимости от базовой основы смазочного масла при постоянной температуре и постоянной скорости перемешивания, окисленные пробы фотометрируют, определяют коэффициент поглощения светового потока, строят графическую зависимость изменения параметра оценки термоокислительной стабильности от температуры термостатирования, по которой определяют оптимальную температуру термостатирования, обеспечивающую наибольшее сопротивление окислению, отличающемуся тем, что критерием оценки термоокислительной стабильности смазочнного масла принимают ресурс работоспособности термостатированного масла, причем при испытании каждой новой термостатированной пробы на сопротивляемость окислению отбирают пробу окисленного масла через равные промежутки времени, фотометрированием определяют коэффициент поглощения светового потока, строят графические зависимости коэффициента поглощения светового потока от времени окисления термостатированных масел при каждой температуре термостатирования, по которым определяют время достижения коэффициента поглощения светового потока выбранного значения для каждого окисленного термостатированного масла при разных температурах, строят графическую зависимость времени достижения выбранного значения коэффициента поглощения светового потока окисленных термостатированных масел от температуры термостатирования, и по точке этой зависимости с максимальной ординатой, характеризующей ресурс работоспособности, определяют температуру термостатирования, обеспечивающую наибольшее сопротивление окислению. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение информативности о повышении термоокислительной стабильности смазочных масел и увеличение ресурса их работоспособности. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к технике экспериментального исследования огнезащитной обработки древесины и может быть использовано для определения качества огнезащитной обработки непосредственно на месте выполнения работ по огнезащите деревянных конструкций. Заявлен малогабаритный прибор для экспресс-оценки огнезащитных свойств огнезащитной обработки древесины, состоящий из корпуса, выполненного в виде открытого коробчатого профиля, механизма установки и позиционирования образца, механизма активации газовой горелки, механизма установки газовой горелки. Причем угол наклона механизма установки и позиционирования образца выполнен неизменным относительно вертикальной оси корпуса и дополнительно содержит устройство фиксации точки приложения пламени к образцу с вырезом в верхней части устройства. Все компоненты прибора установлены в полости корпуса. Технический результат - обеспечение достоверности результатов испытаний. 4 ил.
Наверх