Устройство для регулирования температуры

СОЮЗ СОВЕТСНИСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК А 1 9 4 С 05 Р 23 19 НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К те ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Донецкого физикохнического института АН УССР (72) Е.А.Кривич, В.С.Прокофьев, Л.Г.Оранский, А.М.Небощик,и С.П.Со-. седенко(56) Авторское свидетельство СССР У 796810, кл. С 05 П 23/19, 1978.Авторское свидетельство СССР Р 1089557, кл. С 05 П 23/19, 1983.Авторское свидетельство СССР В 1015353, кл. С 05 Э 23/19, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к автоматическому, прецизионному регулированию температуры. Цель изобретения -повышение быстродеиствия при заданном перерегулировании. Для этогопри помощи компаратора фиксируют выход величины сигнала отклонения температуры (СОТ) объекта от заданнойиз допустимой области и в момент возвращения его величины в допустимуюобласть при помощи блока логики иключа переходят от формирования управляющего воздействия (УВ) по СОТобъекта от заданной к формированиюУВ по СОТ теплоносителя от заданной,обеспечивая установление температурытеплоносителя равной заданной с предельным быстродействием за счет изменения параметров закона ПИД-регулятора, и после окончания переходного процесса переходят к формированиюУВ по СОТ объекта от заданной, начиная с уровня УВ, имевшегося на момент перехода. 1 з.п.ф-лы, 4 ил, 1 1317Изобретение относится к автоматическому, прецизионному регулированию температуры и может быть использовано в приборах и установках при необходимости регулирования температуры в широких пределах с минимальным временем перехода с одного уровня стабилизации на другой при минимальном перерегулировании.Целью изобретения является повы шение быстродействия при заданном перерегулировании.На фиг. представлена структурная схема предлагаемого устройства для регулирования температуры; на фиг.2 диаграмма работы устройства; нафиг.З. - пример ПИД-регулятора с изменяемыми параметрами закона регулирования; на фиг.4 - схема блока логики устройства. 20Устройство содержит задатчиктемпературы объекта, элемент 2 сравнения, формирователь 3 закона регулирования (ФЗР) с изменяемыми параметрами закона регулирования, исполнительный элемент 4, компаратор5, исполнительный орган (напримернагреватель) 6, блок 7 логики, теплоноситель 8, объект 9 регулирования, 30датчик 10 температуры объекта, датчик 11 температуры теплоносителя,ключ 12, При этом теплопередача снагревателя на теплоноситель производится в теплообменнике, датчики3510 и 11 температуры при необходимости могут содержать в своем составеизмерительные преобразователи длянормирования их выходных сигналов.Компаратор представляет собойдвухпороговый дискриминатор с переключаемым порогом срабатывания, фиксирующий превышение абсолютным значением входного сигнала порога срабатывания,45На диаграмме (фиг.2 а) показаныизменения температуры теплоносителяТт и объекта регулирования То, про -долженная пунктиром кривая Т показывает ход изменения температурыобъекта регулирования для классического ПИД-регулятора; Ти - начальныйуровень температуры объекта; Т - заданный уровень температуры объекта;Тт , Т,- минимальная и максимальная температуры теплоносителя.В момент времени с подана командана увеличение температуры. В моменттемпература объекта вошла в доУстройство находится в режиме малых возмущений, пока сигнал отклонения температуры объекта от заданной3 1 З 17 не выйдет из допустимой области, в которой устройство работает в линейном режиме регулирования. При этом сигнал задатчика 1 сравнивается на элементе 2 сравнения с сигналом об 5 ратной связи, поступающим через ключ 12 от датчика 1 О, Разностный сигнал поступает на вход ФЗР. В установившемся режиме, когда разностный сигнал равен нулю, в интегральном звене 10 регулятора устанавливается такое управляющее воздействие на исполнительный элемент 4, чтобы рассеивае мая в теплообменнике мощность удерживала объект 9 на заданном темпера турном уровне, контролируемом датчиком 10.Для обширного класса систем прецизионного регулирования температуры в установившемся режиме температура теплоносителя 8 практически 20 равна температуре объекта 9.Если б устройство было линейно во всем диапазоне, то при значительном скачкообразном изменении задания за время переходного процесса в интег ральном звене регулятора установилось бы новое значение сигнала, такое, что к моменту, когда температура объекта станет равной заданной, его величина будет достаточной для 30 поддержания такой мощности в исполнитвльном органе (нагревателе) 6, чтобы удержать объект 9 на новом температурном уровне.Однако в реальной системе регулирования Существует ряд ограничений, нарушающих линейность системы. Например, если в качестве теплообменного газа используется гелий, то минимальная температура теплоносите ля при отключенном нагревателе равна температуре парообразования, т.е.4,2 К при нормальном атмосферном давлении. В то же время нагреватель должен быть изолирован от окружающей 45 его металлической конструкции, а термическая прочность материала электро- изоляции ограничена, что ограничивает максимальную температуру теплоносителя. Имеется также ограничение 50 по максимальной мощности исполнительного элемента 4, ограничен динамический диапазон ФЗР, что приводит или к перерегулированию или неоправданно низкому быстродействию уст уойства для исключения перерегулирования.В предлагаемом устройстве при скачкообразном увеличении задания,409 4например на увеличение температуры, сигнал ошибки также скачкообразно возрастает и, если он превысит порог срабатывания компаратора 5, это означает, что устройство вьппло из линейного режима, и потребуется изменение обычного алгоритма работы,рассмотренного ранее. Порог срабатывания (по абсолютному значению) компаратора определяет допустимую область и выбнрается соответствующим выходу всего устройства из линейного режима. Этот сигчал является как бы запускающим для блока 7 логики, но его состояние он не изменяет. В прежнем режиме работы с максимальной скоростью, которую может обеспечить предельная мощность, выделяемая в исполнительном органе (нагревателе) 6, устройство изменяет температуру теплоносителя 8 и соответственно объекта 9. Температура его контролируется датчиком 1 О, сигнал с которого через ключ 12 поступает на элемент 2 сравнения. По мере приближения температуры объекта к заданной разностный сигнал с элемента 2 сравнения уменьшается. Как только этот сигнал достигнет порога срабатывания компаратора 5 (войдет в допустимую область), он устанавливается в нулевое состояние. Это означает, что разностный сигнал достиг такой величины, что если бы устройство, находясь в уста-новившемся режиме, получило бы этот сигнал в виде управляющего воздействия, то оно по контуру стабилизации температуры объекта отработало бы его без выхода в нелинейный режим с требуемым качеством регулирования, По этому сигналу блок 7 логики переходит в единичное состояние и переключает ключ 12 в положение 11, подключая к входу элемента 2 сравнения датчик 11. Одновременно в компараторе 5 устанавливается меньший порог срабатывания, и в ФЗР 3 производится переключение параметров закона под постоянную времени теплообменника без учета постоянной времени объекта 9 регулирования и транспортного запаздывания. Изменение параметров закона обычно сводится к значительному уменьшению постоянных времени интегрирования и дифференцирования и некоторому увеличению коэффициента пропорциональности и направлено на достижение оптимального по быстродействию регулирования5 1 Э температуры теплоносителя, Настройка оптимальных параметров в этом режиме осуществляется предварительно, и по сигналу с логического устройства производится только их переключение.Так как температура теплоносителя 8 в этот момент много больше заданной, разностный сигнал на выходе элемента 2 сравнения меняет полярность и возрастает, что приводит к срабатыванию компаратора 5, но блок 7 логики остается в том же состоянии.Устройство регулирования с максимально возможным быстродействием начинает приводить температуру теплоносителя 8 в соответствие с заданием, Т.е. если из-за работы в нелинейном режиме интегральное звено ФЗР накопило сигнал, соответствующий ложному и даже невозможному уровню мощности, которую должен бып бы выделить нагреватель, что в обычных системах неизбежно привело бы к затяжному колебательному процессу, то в режиме стабилизации температуры теплоносителя из-за упрощения передаточной функции устройства и,как следствие уменьшения постоянных времени динамической настройки ФЗР этот ложный сигнал быстро приводится в соответствие новому уровню температуры.Когда температура теплоносителя становится равной заданной, или точнее, когда температура теплоносителя приближается к заданной настолько, что разностный сигнал на выходе элемента сравнения начинает уменьшаться и достигнет уменьшенного порога срабатывания компаратора 5, в блоке логики по сигнапу с компаратора включается элемент 21 задержки на время, немногим большее полупериода колебания в системе стабилизации температуры теплоносителя. Если за это время разноетный сигнал не превысит уменьшенную допустимую область, это будет означать, что переходный процесс закончился. Если же в процессе установки температуры теплоносителя разностный сигнал вновь выйдет за пределы допустимой области, элемент задержки сбрасывается и задержка вновь включается после входа в допустимую область на то же время, автоматически увеличивая длительность задержки.Таким образом определяется конец переходного процесса, после чего17 ч 09 б 1. Устройство для регулирования температуры, содержащее задатчик и датчик температуры объекта, последовательно соединенные элементы сравнения, формирователь закона регулирования (ФЗР) с изменяемыми параметрами закона регулирования, исполнительный элемент и исполнительный ор- ган, связанный через теплоноситель с объектом, а также блок логики, причем выход задатчика соединен с одним из входов элемента сравнения,выход блока логики - с входом управления ФЗР, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия при заданном перерегулировании, устройство содержит датчик температуры теплоносителя, компаратор и ключ, причем выход элемента сравнения подключен к входу компаратора, выход которого связан с входом блока логики, выход которого соединен с управляющими входами ключа и компаратора, датчики температуры через соответствующие преобразователи подключены к входам ключа, выход которого соединен с другим входом элемента сравнения.2, Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что блок логи 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 блок логики возвращается в нулевоесостояние. После установления блока7 логики в нулевое состояние возвращаются в исходное состояние 1 ключ12, параметры закона ФЗР 3 и значение порога срабатывания компаратора5. После перехода в исходный .режимстабилизации температуры объекта регулирования система оказывается подготовленной для работы в линейном режиме. А именно: температура объектарегулирования приблизительно равна .данной; температура теплоносителятакже приблизительно равна заданной;управляющий сигнал ФЗР, учитывая,что изменение параметров динамической настройки производится с сохранением управляющего сигнала, оказывается близким к необходимому для поддержания температуры объекта на требуемом уровне. Это обеспечивает повышение точности за счет заданного значения перерегулирования и сокращениевремени переходного процесса. Устройство работает аналогично при изменении задания в сторону уменьшения температуры,Формула изобретения7 13 ки содержит два Р-триггера, элемент НЕ, элемент И-НЕ и элемент задержки, причем вход блока соединен с С-входом первого Р-триггера, через элемент НЕ - с С-входом второго Р-триггера и через элемент задержки - с одним из входов элемента И-НЕ, выход 17409 8которого подключен к К-входам Р-триггеров, а другой вход элемента И-НЕсвязан с выходом блока и выходомвторого Р-триггера, Р-вход которогосоединен с выходом первого Р-триггера, подключенного Р-входом к шинеисточника питания.1317409 Составитель Г.КрейманРедактор Т.ПарФенова Техред Л.Олийнык Корректор МДемчи ПодписноеСР д.4/5 Производственно-полиграФическое предприятие,г.ужгород, ул.Проектная,4 Заказ 2422/42 ВНИИПИ по д 113035Тир осударств ам изобре Москва, Жнного комитета ений и открытий 35, Раушская на