Устройство для регулирования технологических параметров

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<>959046 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено. 04.0980 (>1) 2979270/18-24 1 М К з с.присоединением заявки Нов

G 05 D 23/24

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

t ) УДК 621.555.6 (088. 8) Опубликовано 150982. Бюллетень ¹ 34

Дата опубликования описания 170982 (72) Автор изобретения

ВтП. Решето (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАИЕТРОВ

Изобретение относится к технике регулирования температуры, а именно к устройствам для регулирования технологических параметров, например температуры, давления, вакуума и т.д. и может быть использовано для поддержания параметров процесса согласно программы, либо для форсироьанного и высокоточного выведения параметра, объекта регулирования к уставке задания беэ "пробега".

Известны двухпозиционные и трех-. позиционные регуляторы (температуры) а также регуляторы, обеспечивающне уменьшение колебательности за счет .:спользования обратных связей, изменяющих положение рабочей точки в процессе подхода системы в согласованное состояние. В двухпоэиционном регуляторе, за счет корректирующей обратной связи, обеспечивается лучшее качество регулирования в сравнении с регуляторами, в которых эта связь отсутствует (1).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для регулирования температуры, в котором действие обратной связи, вызывающей различную интенсивность разогрева датчика температуры» зависит от скважности работы .триггера, в плечо которого включен исполнительный элемент объекта регулирования. Поскольку более сильному отклонению от согласованного состояния соответствует диапазон с большей изменяющейся скважностью включений триггера, то разогрев датчика темпе- ратуры более интенсивен. Поэтому более интенсивно восстанавливается баланс резистивного моста, в плечо которого включен датчик температуры.

При остывании датчика температуры вновь возникает разбаланс и система приходит в согласованное состояние уже при другой, меньшей теипературе датчика и при другом диапазоне включений с меньшей изменяющейся скважностью. Обеспечивается последовательное изменение скважности в цикле включено — выключено с уменьшением диапазона скважности включений в диапазоне начиная от К=1, осуществляется "гибкая" обратная связь с изменением интенсивности ее действия при различной величине возмущений Г2).

Однако известное устройство характеризуется недостаточно широким диапазоном применения, так как необходимым условием воэможности 4унк959046 ционирования является наличие термо чувствительного резистора, включен- ного в плечо резистивного моста, измерительная диагональ которого включена в плечо триггера с исполнительным элементом. При регулирОвании более высоких температур использовать терморезистор не представляется возможным, а используются другие датчики, например термопары, как например, в случае стабилизации тем- 10 пературы .катода электронно-лучевого испарителя материалов, возбуждающего стабилизированный эмиссионный ток луча.

Существенным недостатком извест-. ного устройства является невозможность его использования в следящей системе, либо когда необходимо уставку задания перевести с высшего параметра на низший. Это объясняется тем, . что:при изменении, например, температуры с низшей на высшую на измерительной диагонали резистивного моста, при приближении к температуре уставки задания возникает баланс, после чего при дальнейшем повышении сигнал рассогласования, как бы мнимый, возниникает вновь. Переводить уставку задания можно только с низшего пара. метра на высший.

Недостатком устройства является З0 и отсутствие возможности форсировки переходного режима, что объясняется линейным характером широтно-импульс« ногО управления. Для ряда процессов с большой интенсивностью возмущающих 3$ воздействий на регулируемый параметр существует необходимость линейный характер широтного управления остав.лять только для малых рассогласований, т.е. для определенного уровня, желательно регулируемого, после чего обеспечивать релейный характер отработки.

Конструктивным и технологическим неудобством известного устройства является необходимость обратную связь заводить на сам датчик (температуры) что ограничивает возможность его

:миниатюризации, так как датчик должен рассеивать определенную мощность.

Неудобства также имеются с точки зрения техники безопасности и невысокой надежности такого технического решения.

Кроме того, недостатком устройства является сложность настройки двух 55 .каналов. При этом, для того, чтобы изменить уставку задания, изменяют порог срабатывания формирователей обоих каналов, т.е. настройка требует высокой квалификации обслужива- 60 ющего персонала.

Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей устройства.

Указанная цель достигается тем, ;что устройство для регулирования технологических параметров содержит последовательно соединенные компенсационный мост с датчиком параметра в одном из плеч моста, демодулятор и генератор пилообразного напряжения, к второму входу которого подключен синхронизатор, первый и второй формирователи импульсов, источники постоянного и переменного тока, выпрями, тельный диодный мост, последовательно соединенные симистор и исполнительные органы, а также тиристор форсировки и последовательно соединенные фазочувствиаельный выпрямитель и блок параметрической обратной связи, второй вход которого подключен к выходу генератора пилообразно.го напряжения, а первый выход — к входу первого формирователя импульсов, содержащего последовательно соединенные операционный усили-. . тель и диод, встречно-паралплельно диоду включен тиристор форсировки, управляющий электрод которого подключен к выходу второго формирователя, входы которого подключены к выходу демодулятора и второму выходу фазочувствительного выпрямителя соответственно, последовательно соединенные симистор и исполнительные элементы включены в диагональ выпрямительного моста, подключенного к источнику переменного тока, управляющий электрод симистора подключен к выходу первого формирователя импульсов, анод и катод — к второму выходу и третьему входу блока параметрической обратной связи соответственно.

Блок параметрической обратной связи содержит защитный диод, термозависимый элемент, тиристор и последовательно соединенные ограничительные резисторы, включенные. между управляющим электродом и катодом тиристора, который связан с общим проводом, а анод тиристора - с первым выводом термозависимого элемента, причем первый вход блока параметри; ческой обратной связи соединен с управляющим электродом тиристора, второй вход - с вторым выводом термозависимого элемента, третий входс точкой соединения ограничительных резисторов, первый выход - с анодом тиристора, а второй выход — с катодом защитного диода, анод которого подключен к источнику положительного напряжения.

Такая структура устройства обеспечивает "внутреннюю, гибкую" обратную связь и позволяет в компенсацион. ном мосте использовать различные типы датчиков и преобразователей неэлектрических величин в электрические, в том числе и терморезисторы.

959046

t5

30

40

50

65

Введение симистора с его воэможностью поджига от положительных и отри- цательных импульсов, а также опера-. ционного усилителя в составе формирователя позволяет осуществить форсировку,переходных процессов. Введе" ние фазочувствительного выпрямителя обеспечивает универсальность регулирования в следящем режиме согласно программы, то есть от высшей уставки задания к низшей и наоборот.

Использование одного генератора пилообразного напряжения упрощает настройку .и регулировку регулятора.

На фиг.1,изображена структурная блок-схема устройства; на фиг.2 диаграммы температуры в переходном режиме: t - предлагаемого устройства и t - прототипа.

На фиг.3-5 — сравнительные диаграммы предлагаемого устройства в стадиях широтного управления. генератора пилообразного напряжения по

"вертикальному" способу: на A - заполнение синусоиды на ис полнительном органе, на Б — порог срабатывания Мо фор мирователя с операционным усилителем и диодом на  — при различных сигналах рассогласования на выходе демодулятора (фиг.3-5), где U8=- 0;

08- средний уровень;

max Ц- максимум.

На фиг.б и 7 — диаграммы форсиров .ки при различных порогах настройки второго формирователя. на A — - соответственно фигурам б и 7, где U „- порог срабатывания согласно настройки соответствующей максимальному сигналу выхода демодулятора

U р = max Ua и согласно настройки

БСР2 = Ua

На фиг.В и 9 - диаграммы переходных режимов при разных настройках форсировки (фиг.б и 7) .

Устройство для регулирования технологических параметров, например температуры, давления, вакуума и т.д., содержит (фиг.1) компенсационный мост. 1, в плечи которого включены соответственно датчик 2 параметра (преобразователь) и компенсационный элемент. 3, последовательно соединенный с регулировочным резистором 4 уставки заданий, синхронизатор 5, генератор пилообразного напряжения б (ГПН), демодулятор 7, формирователи импульсов 8 и 9, блок параметрической обратной связи 10, тиристор форси ровки 11, фазочувствительный выпрямитель 12, симистор 13, исполнительные .органы 14 и .15, выпрямительный диодный мост 16, при этом блок 10 параметрической обратной связи содержит защитный диод 17, тиристор 18, термозависимый элемент 19, а формирователь 9 содержит последовательно соединенные операционный усилитель 20 и диод 21. Компенсационный мост 1 питающей диагональю подключен к источнику питания переменного тока произвольной частоты (желательно

f 3 Ес,где f - частота напряжения питания исполнительных органов), а измерительной диагональю - к демодулятору 7 и фазочувствительному выпрямителю 12 и служит для выработки сигналов рассогласования..датчик

2 технологического параметра и компенсационный элемент 3 помещены один на объекте регулирования, другой в термостате.

Посредством демодулятора 7 вырабатывается управляющее напряжение (фиг.3-5, соответственно U -=Î,U8è

max U8) для ГПН, синхронизированного синхронизатором 5 с частотой синхронизации 1 питающего напряжение.

Посредством фазочувствительного выпрямителя 12 определяется фаза напряжения измерительной диагонали компенсационного моста 1. При фазе 0-180 фазочувствительный выпрямитель 12 вырабатывает нулевое .напряжение., а при

"перевороте фазы", что возникает в области превышения объектом регулирования заданного параметра, — положительное напряжение, блокирующее прохождение сигнала рассогласования, "поджигающего". симистор 13, включенный в диагональ выпрямительного моста 16 последовательно с исполнительными органами 14 и 15, а также блокирует поджиг тиристора форсировки 11 воздействием на формирователь 8. Такой переворот фазы может возникать при изменении уставки задания параметра с высшего на низший и объясняется тем, что мост может иметь одно состояние баланса при раэбалансах в разных фазах по обе стороны от положения баланса.

Выход демодулятора 7,объединен с входом формирователя 8, вырабатывающего сигнал поджига тиристора форсировки 11 при определенном. задаваемом уставкой (на фиг.1 не изображена), уровне сигнала рассогласования (фиг ° 6 и 7, диагр.A). Это обеспечивает поджиг семистора 13 отрицательными импульсами и приложение напряжения питания к исполнительным органам 14 и 15 в полном заполнении синусоиды напряжения (фиг.б и 7, диагр.Б)

Формирователь 9, входом подключенный через блок 10 параметрической обратной связи к выходу генератора пилообразного напряжения б, срабатывает при уровне напряжения на входе

М (фиг.3-5 диагр. Б), вырабатывает при этом положительные импульсы поджига симистора 13 и служит для обеспе959046 чения широтно-.импульсного регулирования. Блок 10 параметрической обратной связи обеспечивает шинтирование входа формирователя 9 после открывания симистора 13 посредством тиристора 18.

Кроме того, при этом изменяются состояния разогрева термочувствительного элемента 19, вследствие широтной модуляции включений симистора, и изменяется (корректируется) порог срабатывания формирователя 9 (фиг.2) . Блок 10

10.обеспечивает упреждающее отклонение исполнительных органов при подходе регулируемого параметра к устав- ке задания.

Защитный диод,;17 обеспечивает под- 15 ключение источника постоянного тока (+Оп общий) (на фиг.1 не показан) к триакам симистора 13 и поджиг тиристора 18 в блоке 10 обратной связи с момента открывания симистора 13, когда его внутреннее сопротивление уменьшается вследствие прохождения тока нагрузки.

Исполнительные органы 14 и 15, подключенные параллельно между собой и последовательно с симистором

13 через выпрямительный мост 16 к напряжению источника переменного тока, могут быть, например, соответственно, электромагнитным клапаном, изменяющим поступление хладагента (паров азота) изменением сечения канала и вентилятором с регулируемым числом оборотов.

Устройство работает следующим образом. 35

Пусть задана температура задания

Т3 (Фиг.2) посредством резистора 4. уставки задания (фиг.1) ° В пусковом режиме. сигнал рассогласования, снимаемый с измерительной диагонали 40 моста 1 до окрестности точки A (Фиг.2), где возникает первое балансное состояние моста, максимальный. На выходе демодулятора 7 в пусковом режиме вырабатывается максималь-45 ное напряжение, которое смещает пи лообразное напряжение генератора 6 по "вертикальному" способу. Срабатыва-, ние формирователя 9 (точка М фиг.5, диагр,В) обеспечивает максимальное заполнение в кадре полупериода питающего напряжение (Фиг.6, диагр.Б ) при соответствующей коммутации симистора 13. В пусковом режиме (фиг.9)

Форсировки Функционирует дополнитель-55 ная связь, обеспечиваемая тиристором

Форсировки 11, за счет которой происходит полное "заполнение" синусоиды (фиг.6, диагр.Б). Тиристор Форсировки 11 находится в проводящем состоянии от положительного импульса, формируемого формирователем 8 в течение периода соответствующей амплитуды сигнала, формируемого демодулятором 7. Очевидно, что он находится в проводящем состоянии в течение 65 всего пускового периода форсировки и обеспечивает включение симистора

13 отрицательным импульсом тока, так как анодом он .соединен с. триаками управляющего электрода симистора 13, а катодом †. с выходом операционного усилителя 20 и (ОУ), находящегося в минусовом состоянии, в течение пускового периода форсировки, то есть управляющий электрод симистора соединен через проводящий тиристор Форсировки 11 и внутреннее сопротивление Оу с минусовым источником питания. По окончании периода форсировки упомянутый тиристор переходит в непроводящее состояние при соответствующем уменьшении сигнала на выходе демодулятора 7, а также с момента возникновения динамического состояния ОУ 20.

Проводящее состояние симистора

13 в течение периода форсировки (фиг.8,9) обеспечивает действие максимальной гибкой обратной связи посредством включения тиристора 18 положительным импульсом, формируемым фазочувствительным выпрямителем 12 и суммирующимся с ним напряжением источника положительного напряжения

+Un (Фиг.1), которое, прикладывается к управляющему электроду тиристора 13.

На анод этого тиристора поступает пилообразное напряжение с выхода генератора 6, которое суммируется в генераторе с напряжением демодулятора 7 (фиг.5), а катод тиристора

18 соединен с шиной."общий". Включение тиристора 18 обеспечивает максимальный разогрев термочувствительного элемента 19 током тиристора и обеспечивает упомянутое минусовое состояние ОУ 20, настроенного так, что потенциал на его инвертирующем входе превышает потенциал неинвертирующего за счет падения напряжения на резисторе, которое обеспечивается втекающим током ОУ. В закрытом состоянии тиристора 18 ОУ 20 также находится в минусовом состоянии до момента, когда пилообразное напряжение генератора б не достигнет порога срабатывания 0 > в точке Мо (фиг.5,4,3) и Оу переходит в плюс-состояние.

Фазочувствительный выпрямитель 12 обеспечивает статическое минус-состояние ОУ на период форсировки при открытом тиристоре форсировки 11, а когда он включается от уменьшения сигнала разбаЛанса моста 1 при приближении к первому балансному состоянию в точке A (фиг.2), симистор 13 переходит из статического включенного состояния в динамическое. От этого также в динамическое состояние переходит тиристор 18 и ОУ 20 при срабатываниях по достижению пилообразным напряжением порога срабатывания U > (фиг.5,4,3). Осуществляет959046

5

10 !

20 не может обеспечить включения тирисФормула изобретения

60,в одном из плеч, демодулятор и генератор пилообразного напряжения,к второ65 му входу которого, подключен синхронися режим широтно-импульсного регу-. лирования с уменьшением скважности включения при приближении сигнала разбаланса моста 1 к балансному . состоянию. Соответственно изменению скважности включений в диапазоне

0 < -К 4 1, где К вЂ” скважность включения, а К=1 соответствует периоду форсировки, изменяется и действие гибкой обратной .связи.

Из максимально разогретого состоя ния в период форсировки (фиг.8,9) в момент прихода температуры объекта к первому балансному состоянию моста 1 в точке A (фиг.2) термочувствительный элемент 19 оказывается в состоянии некоторого инерционного разогрева. По мере его остывания в связи с уменьшением скважности .включений тиристора 18 изменяется его сопротивление в сторону увеличения (если отрицательный TKE) . Падение напряжения на нем. увеличивается от втекающего тока (+) = входа ОУ (малого по сравнению с.током открытого тиристора 18). Это приближает потенциал (+) -входа ОУ к потенциалу (-) — входа °

Когда потенциалы от втекающих токов на обоих входах ОУ сравняются (фиг.3) и в. дальнейшем произойдет . некоторое древышение потенциала на (-) -входе, динамическое состояние, ОУ в области широтно-импульсного управления со скважностью прекращается и ОУ переходит в минус-состояние при К=О. В области последова тельных балансных состояний моста

1 (A. ° .A„) сигнал разбаланса ввиду меньшего значения по сравнению с максимальным сигналом форсировки тора форсировки 11 посредством формирователя 8 и соответствующего включения симистора 13 отрицательным импульсом (симистор коммутируется в отличие от тиристора как положительными, так и отрицательными токовыми импульсами по управляющему электроду). Прохождение отрицательного импульса при закрытом тиристоре форсировки 11 блокируется диодом

21, пропускающим только положительный импульс.

Нулевая сквожность включений ОУ соответствует балансному.состоянию моста 1 при соответствующих состояниях термочувствительного элемента

19, которые, s свою очередь определяются величиной сигнала рассогласования и тем, насколько близко температура .объекта регулирования соответствует. температуре уставки. Это определяет и "вязкое демпфирование". если теплопотери объекта изменяются от возмущающих факторов изменения массы, охлаждения и так далее: при малых рассогласованиях фактор дейст25

55 вия обратной связи незначительный.

При увеличении рассогласования действие обратной связи интенсивно увеличивается .и, наконец, имеет место режим форсировки со скважностью

К=1. Такой характер гибкой обратной связи определяет также малое (либо нулевое ) перерегулирование стабилизируемого технологического параметра, например тока луча электронно-луче вого испарителя вакуумных покрытий.

Так,. если цепь с током луча подключена к измерительной диагонали моста 1, в одно из плеч которого подключен, например, стабилитрон, то имеет место модуляция этого тока переменным напряжением и соответст- . вующая стабилизация тока луча воздействием исполнительным органомсимистором на возбудитель эмиссии тока луча регулируемым нагревом нити накала возбудителя, либо регулированием тока плазмы. Это регулирование осуществляется с гибкой внутренней обратной связью согласно описанию аналогично тому, как это осуществляется в прототипе, но с существенной разницей в том, что воздействие гибкой внутренней обратной связи не связано с датчиком.

Таким образом, обеспечивается возможность расширить диапазон использования устройства, принятого за прототип, так как отпадает необходимость использования в качестве датчика температуры одних только термосопротивлений, имеющих низкий диапазон рабочих температур, увеличи-. вается точность регулирования при изменяющихся нетемпературных параметрах объекта регулирования Это выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа, обеспечивая возможность высокоточного регулирования ряда процессов. Форснровка, обеспечиваемая устройством с возможностью ее регулировки-,(фиг.8 и 9) повышает скорость отработки рассогласования и обеспечивает существенный экономический эффект.

Универсальность регулирования с возможностью следящего режима устройства, также выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа.

Использование одного генератора пилообразного напряжения упрощает настройку в сравнении с прототипом.

1. Устройство для регулирования тех- нологических параметров, содержащее последовательно соединенные компенса- ционный мост с датчиком параметра

959046

12 затор постоянного.п переменного тока выпрямительный диодный мост, последовательно соединенный снмистор и ис« полнительные органы, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, устройство содержит тиристор форсировки и последовательно соединеннце фазочувствительный выпрямитель и блок параметрической обратной связи, второй вход которого подключен к выхо- 30 ду генератора пилообразного напряжения, а первый выход — к входу первого формирователя импульсов, содержащего последовательно соединенные операционный усилитель и диод, встреч- 5 но-параллельно диоду включен тиристор форсировки, управляющий электрод которого подключен к выходу второго формирователя, входы которого подключены к выходу демодулятора и второму выходу фазочувствительного выпрямителя соответственно, последовательно соединенные симистор и исполнительные элементы включены в диагональ выпрямительного моста, подключенного к источ-25 ,нику переменного тока, управляющий электрод симистора подключен к вы.ходу первого формирователя импульсов, анод и катод — к второму выходу и третьему входу блока параметрической обратной связи соответственно.

2. Устройство по .п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок параметрической обратной. связи содержит защитный диод, термозависимый элемент, тиристор и последовательно соединенные ограничительные резисторы, включенные между управляющим электродом и катодом тиристора, который связан с общим проводом, а анод тиристора -. с nepsaai выводом термозависимого элемента, причем первый вход блока параметрической обратной связи соединен с управляющим электродом тиристора, второй вход - с вторым выводом термоэависимого элемента, третий вход †. с точкой соединения ограничительных резисторов, первый выходс анодом тиристора, а второй. выходс катодом защитного диода, анод которого подключен к источнйку положительного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 463953, кл. G 05 D 23/24, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

В 662918, кл. G 05 D 23/24, 1976. (прототип) .