Устройство регулирования температуры

(53) 621555, (56) 1. Автор Р 697984, кл,2. Вруфман ты сравнения. с. 88. льство СССР9, 1979ые элемеияи, 1967,ГОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ(72) А.П.Егоршин и Ю.В.Шадр 3, Авторское свидетельство ССР 662916, кл, 0 05 р 23/19, 1978(54)(57) 1, УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные дифференциальный усилитель с подключенными к его входамдатчиком и задатчиком температуры иблок управления, соединенные после-.довательно генератор импульсов и двоичный счетчик, а также ключевои элемент и подключенный к его выходу исполнительный элемент, причем блокуправления включает в себя элементсравнения, первый вход которого является входом блока управления, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыыения точности устройства,оно содержит первый реверсивный счетчик, компаратор кодов, триггер и первый элемент кодов, другие входы - свыходами двоичного счетчика, подключенными соответственно к первой группе входов компаратора кодов, второйвыход которого через триггер, соединенный вторым входом с выходом пер-вого элемента И, подключен к входуключевого элемента, а вторая группавходов компаратора кодов соединена с соответствующими выхода реверсивноге .счетчика, то-рой входы которого связ ым и вторым выходами блока я соответственно.2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит соединенные последовательно управляемый генератор импульсов, первый и второй инверторы и элемент 2 И-ИЛИ, а также второй, третий и четвертый элементы И, второй реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, Формирователь импульсов и элемент сравнения, причем выход управляемого генератора импульсов соединен с первым входом ЕР элемента 2 И-ИЛИ и через первый инвертор - с вторым входом элемента 2 И-ИЛИ, с первыми входами второго и третьего элементов И, а вход управляемого генератора импульсов связан с выходом элемента сравнения, с входом формирователя импульсов и с вторым входом второго элемента И, подключенного выходом к первому входу второго реверсивного счетчика, связанного вторым входом с выходом формирователя импульсов и с третьим вхоцом элемента 2 И-ИЛИ, а выходами через цифро-аналоговыи преобразователь - с вторым входом элемента сравнения и через четвертый элемент И, к выходу которого через второй инвертор подключен второй вход третьего элемента И с четвертым входом элемента 2 И-ИЛИ и с третьим входом второго элемента И, причем выход элемента 2 И-ИЛИ является первым выходом блока управления, а выход третьего элемента И - вторым выходом.Изобретение относится к областиавтоматизации технологических процессов и может быть использовано длярегулирования температуры в объектахс элехтронагревателямк.Известно устройстно для регулиронация температуры, содержащее термочувствктельный элемент, усилительмощности, генератор импульсной обрат 1ной связи, подключенный параллельновходу нагревательного элемента 11. 10Недостатком этого устройства явля-ется зависимость точности стабилизации температуры от стабильности напряжения источника питания (сети ).Известна система многопозиционного 15регулирования, состоящая иэ последовательно включенных датчика, измерительного моста, ступенчатого импульсного прерывателя, предназначенногодля прерывания системы с определенноЯ.частотой, двоичного реверсквногосчетчика, нагревателя 2 3.Недостатком этой системы являетсято, что оиа предназначена для работытолько с секционными нагревателями,соотношейке мощностей секций которыхнаходятся в установленном порядке.В большинстве случаев применяемые вобъектах териорегулкрованкя нагреватели ие имеют разделения на секции,причеи такое разделение всего нагревателя не представляется возможнымпо техническим и технологическимпричинам,Наиболее близким к изобретению 35 по технической сущности является регулятор температуры, содержащий датчик к задатчик температуры, подключенные через блок сравнения к блоку управления, счетчик к ключевой эле мент, синхронизируемые генератором импульсов, исполнительный элемент и второй счетчик выделившегося тепла 3 Д.Данное устройство при Работе с 45 объектами, характеризующимися большой тепловой энерционностью, не позволяет получить достаточную точность поддержания температуры ввиду того, что постоянная времени устройства регулирования значительно меньше инер 50 ционкости самого объекта. Кроме того, устройство работает таким образом, что в момент равенства температуры в объекте заданной мощность в нагревателе не выделяется, а это 55 является случаем неустойчивого термо" динамического равновесия в объектеВ более общей случае для устойчивого поддержания температуры на заданном уровне н нагревателе в момент термо .динамического равновесия должна выделяться определенная мощность, т.е. д ЧЧ: д апри афе заданной, где.ЬФ - энергия, выделяемая нагрева" телем в единицу времени, 4 й энергия, . рассеиваемая объектом в окружающую среду н единицу времени.Цель изобретения - пониаение точности устройства.Поставленная цель достигается тем, что в устройство регулирования температуры, содержащее последова- тельно соединенные дифференциальный усилитель с подключенными к его входам датчиком и задатчнком температуры и блок управления, соединенные последовательно генератор импульсов и двоичный счетчик, а также ключевой элемент и подключенный к его выходу исполнительный элемент, причем блок управления включает в себя элемент сравнения, первый вход которого является входом блока управления, содержит .первый реверсинный счетчик, компаратор кодов, триггер и первый элемент И, первый вход которого соединен с первым выходом компаратора кодов, другие входы - с выходами двоичного счетчика, подключенными соответственно к первой группе входов компаратора кодон, второй выход которого через триггер, соединенныи вторым входом с выходом первого элемента И, подключен к входу ключевого элемента, а вторая группа входов компаратора кодов соединена с соответствующими выходами первого реверсквного счетчика, первый к второй входы которого связаны с первым и вторым выхода- ми блока управления соответственно.Блок управления устроиства содержит соединенные последовательно управляемый генератор импульсов, первый и второй инверторы и элемент 2 И-ИЛИ, а также второй, третин к четвертый элементы И, второй ренерскнный счет, чик, цифро-аналоговый преобразователь, формиронатель импульсов к элемент сравнения, причем выход управляемого генератора импульсон соединен с первым входом элеглента 2 И-ИЛИ и через первый ннвертор - с вторым входом элемента 2 И-ИЛИ, с первыми входами второго и третьего элементов И, а вход управляемого генератора импульсов связан с выходом элемента сравнения, с входом формиронателя импульсов и с вторыи входом второго элемента И, подключенного выходом к первому входу второго реверсивного счетчика, связанного вторым входом с выходом формирователя импульсов и с третьим входом элемента 2 И-ИЛИ, а выходами через цкфро-аналоговый преобразователь - с вторым входом эле" мента сравнения.и через четвертый элемент И, к выходу которого через второй иннертор подключен второй вход третьего элемента И - с четвертым входом элемента 2 И ИЛИ и с третьим входом второго элемента И,прк" чем выход элемента 2 И-ИЛИ является.первым выходом блока управления, а выход третьего элемента И - вторым выходом.На чертеже предстанлена блок-схема устройства.Устройстно содержит датчик 1 и задатчик 2 температуры, дифференциальный усилитель 3, служащий для получения усиленного н К раз разностного сигнала рассогласования сигнала задатчика 2 и датчика 1, блок 4 управления, служащий для Управления заполнением первого 5 реверсинного счетчика, компаратора 6 кодов, служащий для сравнения кодов реверсивного счетчика 5 и двоичного 7 счетчика, а также для установки триггера 8 в единичное состояние, генератор 9 импульсон, выдающий импульсы на счетный вход счетчика 7, элемент И 10 нулевых состоянии разрядов счетчика 7 и сигнал "Неравно" компаратора 6, ключевой 11 элемент,. служащии для управления исполнительным 12 элементом, причем блок управления 4 содержит элемент 13 сравнения, сравнивающий сигнал с дифферен.цианьного усилителя и цифро-аналогового преобразователя ИАП ) 14, второй 15 реверсивный,счетчик, управляющий ЦАП 14, первый 16 элемент И нуленых состояний старших разрядов счетчика 15, начиная с пятого, где 2 - число дискретов ЦАП, составляющих зону стабилизации величины рассогласования, четвертый 16 элемент И, второй 17 элемент И наличия сигнала рассогласования на элементе 13, сигнала совпадения элемента 16 и сигнала с управляемого генератора импульсов 18, который служит для формирования импульсов с заданной час" тотой, если сигнал рассогласования иа выходе элемента 13 присутствует в течение нремени, не меньше, чем период следования этих импульсов, первый 19 инвертор, формирователь 20 импульсов от положительного перепада напряжения на выходе элемента 13, третий 21 элемент И сйгналов генератора 18 и инвертора 19, элемент 2 И-ИЛИ 22 и второй 23 инверторУстройство работает следующим образом.В исходном состоянии датчик 1 и задатчик 2 выдают на дифференциальный усилитель 3 нулевон сигнал. Счетчики 5 и 15 находятся в нулевом состоянии. Счетчик 7 работает с переполнением от генератора 9, триггер 8 находится в ециничном состоянии и не может быть сброшен сигналом с элемента 10, покав счетчике 5 не появится любое число, кроме нуля, причем единичное состояние триггера8 соответствует отключенному состоянию исполнительного элемента 12.Схема начинает работать по сигналуфПуск", который устанавливает н задатчике 2 сигнал, соответствующийтребуемой температуре, и н счетчи 5 ках 5 и 15 единичное состояние (всеразряды счетчиков находятся н еди"ничном состоянии ). На выходе усилителя 3 появляется сигнал рассогласования д", усиленный в К раз, т.е.1 о дК=О,-О)К,где ггз - сигнал задатчика 2,Ч - сигнац,датчика 1.Единйчному состоянию счетчика 15соответствует напряжение ЦАП 140=015 Процесс регулирования начинает-ся, когда сигнал на выходе усилителя 3 достигает величины Ос,и при дальнейшем росте сигнала ОА.становится меньше этойвеличины.О В этом случае величина рассогласоОвания )-=О -О Изменение велиКхчины д" от величины Вфх до нуля иК25 составляет процесс регулирования, аОзона 0р, ЕЙЕ является зоной ре Кгулирования,Работа регулятора основана наплавном выводе мощности нагревателяи поддержании ее на уровне с точностью одного дискрета ЬР, соответствующем заданной температуре, причем35 Р,хгде в - разрядность счетчика 5;Р,- максимальная мощность нагревателя,4 О это достигается тем, что на каждом цикле просчета счетчика 7 в нагреватель (на чертеже не показан )подается полная мощность до достижения равенства чисел в счетчиках 5 и45 7, т.е. в нагреватель выдается мощность, пропорциональная числу, записанному в счетчике 5. Изменениемощности на один дискрет ЬР приводит к изменению температуры также50 на один дискрет дТ , следовательноколичество дискретов температурытакже равно 2"=1, а также количестно дискретон величины д, К должнобыть равно 2 -1, так как изменение55 температуры на один дискрет зТ приводит к изменению величины рассогла-.сования на величину дд.КВ начальный момент, когда о".в нагреватель выдается полная мощность и на выходе ЦАП 14 сигнал О,В момент перехода неравенства нсостояниесрабатывает элементпсК13, на выходе которого появляется1 положительный перепад, формирователь20 иэ него формирует положительный импульс, который поступает на вычитающий вход счетчика 15 и через эле.мент 2 И-ИЛИ 22 - на вычитающнй вход счетчика 5, если генератор 18 не возбужден. Счетчики 5 и 15 работают без 5 переполненйя. В данном случае описывается работа устройства при выходе на температуру, обеспечивающую в наОща. чальный момент величину у "1кПри меньших температурах в счетчиках 5 и 15 устанавливается соответствующее число в момен мПуск". Счетчик 15 уменьшает свое содержание на единицу,. а на выходе ЦАП 14 сигнал уменьшается на один дискрет дд"К в результате чего элемент 13 меняет знак неравенства, а генератор 18 подготавливается к запуску. Неравенство д" К. Одержат вреМя. ь 1 ", где 1 - число, записанное в счетчике 15, а д 1; - время нахождения этого числа в счетчике. Это время зависит от скорости нагрева25 объекта и равно / Времяат,.у иЫ 0 возбуждения генератора 18 вы бирается из условия подгона темйературы объекта в зону стабилизации/д; )со скоростьюс при котоу - о.рой динамическая погрешностьне превышает заданного значения Ео,35 20 а сГКЕ 0 При уменьшении величины рассогласования уменьшается содержимое счетчиков 5 и 15, а следовательно, уменьшается и мощность нагревателя, покаскорость разгона выше заданной, Кактолько скорость разгона обеспечитнеравенство 50генератор 18 будет возбужден и эле-. мент 22 запретит вычитание в счетчике 5 импульсов с Формирователя 20, а элемент И 21 будет пропускать импульсы генератора 18 на суммирующий вход счетчика 5, если в счетчике 15 содержится число, большее макси" мальщого числа зоны стабилизации, т.е. большее,2 . Зона стабилизации5необходима для погашения заданного 60 разгона. выбором ЬС можно достичь точности поддержания рассогласования в пределах одного дискрета счетчиков 5, но в этом случае увеличивается время выхода в зону стабилизации,поэтому в общем случае зону стабилизации удобно выДирать при 5 4 О.Как только величина рассогласования будет меньше 25, элемент И 21 закрывается и из счетчика 5 начинают вычитаться импульсы генератора 18, в результате чего мощность нагревателя уменьшается и температура выравнивается, а дальше начинает падать, что приводит к неравенству сР 7 О,, Открывается элементкИ 17 и начинает пропускать на суммирующий вход счетчика 15 импульсы с генератора 18, пока неравенство не изменит знак.Таким образом, стабилизация температуры будет проходить в области рассогласования, величину которой можно годсчитать следующим образом. Величина рассогласования зоны регулирования фк , диокрет нарветкдатчика 2 ВО к -дискрет датчивахтка 1 40, причем дО =ВО, дискрет рассогласования зоны регулирования ЙФщ : С учетом раоФ ОмахупК(г"-1 усмотренных величин эона стабилизации равна2 Оах82 аан.а - 1К(2"-1)а через дискрет задатчика 22 ь,У мох топ вах,"з К (2"- д О,К(Р"-л 1 Так как работа устройства синхронизируется скоростью разгона нагревателя, инерционность объекта не вносит дополнительных погрешностей. Чем выше разрядность счетчиков 5 и 15 и коэффициент усиления К , тем меньше зона стабилизации, но увеличение коэффициента К приводит к колебательному процессу, а увеличение разрядности счетчика ограничено точностью преобразования ЦАП и точностью сравнения элемента 13. Применение дифференциального усилителя и схемы сравнения на базе операционного,усилителя типа К 140 УД 8 и ЦАП 12 разрядов позволяет достичь точности регулирования не хуже одного градуса у объектов с температурным диапазоном от десятков до 18000 СеВ устройстве осуществляется управление скоростью вывода температуры в узкую зону стабилизации с учетом инерционности управляемого объек" та, что позволяет устранить динамическую погрешность для объектов с мощностью до 40-100 кВт и сделать ее не более 3-5 С.. Составитель Л. Птенцоваедактор О.Колесникова ехред И.иетелева Корректор О.Билак Тираж 874ПИ. Государственного по делам иэобретений 3035, Москва, Ж, Р каэ 10039/50ВНИИ одписноеСР комитета С и открытий ушская набде 4 П фПатентф, г,ужгород, ул.Проектная, 4 лиал Наличие цифровой информации о ве.- личине рассогласования заданной и текущей температуры и выдаваемой в нагреватель модности поэволяет про- водить текущий контроль качества ре-. гулирования и испольэовать ЭВИ и другие цифровые управляюцие устройствадля проведения документирования ос"новных параметров регулирования икоррекции регулируюцих воздействий.