Устройство для регулирования температуры

ЕЛЬСТВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ С(56) Авторское свидетельство СССРР 200923, кл. С 05.0 23/19, 1966.Авторское свидетельство СССРЯф.798756, кл. С 05 0 23/19, 1979.Патент США Иф 4421269,кл, С 05 Р 23/00, опублик. 1983,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ(57) Изобретение относится к регулированию температуры жидких и газообразных сред путем смешения горячейи холодной компонент. Оно может бытьиспользовано для работы в промышленных объектах и устройствах различногоназначения. Целью изобретения является повышение точности регулированиятемпературы путем устранения влиянияколебаний температур смешиваемых компонент на регулируемую температуру. Устройство содержит датчик 1 температуры и эадатчик 2 температуры, подключенные к входам первого элементасравнения 3, усилитель 4, широтноимпульсный модулятор 5, генератор 6пилообразного напряжения, электропривод 7, смесительный вентиль 8, к входам которого подключены магистралигорячей и холодной компонент, а квыходу - магистраль смеси, датчик 9температуры горячей компоненты и датчик 10 температуры холодной компоненты, подключенные к входам второгоэлемента сравнения 11 выход которогосоединен с управляющим входом генератора 6 пилообразного напряжения, датчик 12 положения вала электропривода, Бпервый 13 и второй 14 дифференциато- фрры, блок умножения 15,. входы которого ЪФ Фподключены к выходу датчика 12 и выходу С"первого дифференциатора 13, сумматор16, входы которого соединены с выхо- фдом второго дифференциатора 14 и выходом блока умножения 15,.а выход -через масштабирующий блок 17 с вто"рым вычитающим входом первого элемента сравнения 3. 2 ил.Изобретение относится к области регулирования температуры и может быть использовано в промышленных объектах и устройствах различного казна чения для регулирования температуры жидких или .газообразных сред .путем смешивания горячей и холодной компойент.Цель изобретения - повышение точ ности регулирования за счет компенсации влияния колебаний температур смешиваемых компонент на температуру смеси.На фиг. 1 представлена блок-схема 15 .устройства; -на фиг.2 - механизм влияНия температур смешиваемых компонент а результирующую температуру жидКости.Устройство содержит датчик 1 и эадатчик 2 температуры смеси, подключенные к входам элемента 3 сравнения, усилитель 4, широтно-импульсный модулятор 5, генератор 6 пилообразного Напряжения, электропривод 7, смеси тельный вентиль 8, датчик 9 температуры горячей компоненты и датчик 10 температуры холодной компоненты, подключенные к входам второго элемента 11 сравнения, выход которого соединен с управляющимвходом генератора б пилообразного напряжения, датчик 12 положения вала электропривода, перйый 13 и второй 14 дифференциаторы, блок .15 умножения, входы которого подключены к выходу датчика 12 и выходу ервого дифференциатора 13, сумматор6, входы которого соединены с выходом второго дифференциатора 14 и зыходом блока 15 умножения, а выход через масштабирующий блок 17 - с40 третьим (вычитающим) входом первого элемента 3 сравнения. К входам смесительного вентиля 8 подключены магистрали горячей 18 и холодной 19 компонент, а к выходу - магистраль 2045 смеси компонент.Устройство работает следующим образом.Жидкость (или газ), температура которой должна соответствовать заданию поступает в объект регулирования через выходное отверстие смесителького вентиля 8 после смешения подаваемых на его входы двух компонент, имеющих более высокую и более низкую 55 температуры по отношению к заданной. Перемещением клапана смесительного вентиля 8 можно регулировать температуру смеси, вытекающей из выходного отверстия, в пределах температур горячей и холодной компонент за счет увеличения притока одной компоненты и одновременного уменьшения притока другой компоненты. Температура горячей и холодной компонент, поступающих на входы смесительного вентиля 8, измеряется датчиками 9 и 10 температуры, соответственно, Второй элемент 11 сравнения выполняет вычитание сигналов датчиков 9 и 10 и вырабатывает сигнал, соответствующий разности тем ператур горячей и холодной компонент, Этот сигнал поступает на управляющий вход генератора 6 пилообразного напряжения и задает крутизну нарастания напряжения пилообразной формы на его выходе. Период изменения пилообразного напряжения является величиной постоянной, поэтому амплитуда напряженияц 4 пилообразной формы и разность температур смешиваемых компонент связаны прямо пропорциональной зависимостью. фактическая температура смеси в объекте регулирования измеряется датчиком 1 температуры, а требуемая температура определяется сигналом на выходе задатчика 2.. Сигнал ошибки с выхода элемента 3 сравнения усиливается усилителем 4 и подается,на вход широтно-импульсного модулятора 5, на другой вход кото. рого поступает сигнал пилообразной формы с выхода генератора б пилообразного напряжения, Широтно-импульсный модулятор 5 преобразует непрерывный входной сигнал в последовательность импульсов фиксированной амплитуды и переменной длительности, в течение которых напряжение питающей сети прикладывается к электроприводу 7, Полярность формируемых импульсов соответствует полярности сигнала на выходе усилителя 4, а их длительность определяется интервалом времени между началом очередного периода изменения пилообразного напряжения и моментом равенства значений пилообразного напряжения и абсолютной величины сигнала на входе широтно-импульсного модулятора 5, Таким обраом, длительность импульсов, в течение которых напряжение питающей сети подается на электропривод 7, пропорциональна абсолютной величине сигнала, на входе широтно-импульсного модулятора 5 и обратно пропорциональна20 з 141866 амплитуде напряжения пилообразной формы.Под действием широтно"импульсного управляющего сигнала электропривод 75 перемещает клапан смесительного вентиля 8 в таком направлении, чтобы уменьшить отклонение измеряемой температуры жидкости (или газа) в объекте регулирования от заданной. При этом направление перемещения клапана смесительного вентиля 8 определяется полярностью импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора 5.Рассмотрим работу предлагаемого устройства в качестве стабилизатора температуры смеси, т.е. случай, когда сигнал задатчика 2 является постоянной величиной..Допустим, что первоначально тем- пературы горячей и холодной компонент, поступающих на входы смеситель ного вентиля 8, не изменяются. Тогда выходные сигналы первого 13 и второго 14 дифференциаторов равны нулю, так 25 как их входные сигналы не изменяются во времени. Следовательно, нулевой сигнал присутствует и на выходе масштабирующего блока 17, а выходной сигнал элемента 3 сравнения соответству- З 0 ет разности требуемой температуры смеси, задаваемой с помощью эадатчика 2, и фактической температуры в объекте регулирования, измеряемой датчиком 1. Сигнал пилообразной формы35 на выходе генератора 6 пилообразного напряжения имеет постоянный наклон на нарастающем участке и фиксированную амплитуду, которая пропорциональна разности температур горячей и хо лодной компонент, поступающих на входы смесительного вентиля 8. Таким образом, при постоянной температуре смешиваемых компонент предлагаемое устройство функционирует как обычная замкнутая система автоматического регулирования с широтно-импульсной модуляцией. При этом через некоторое время после включения устройства система регулирования приходит в установившееся состояние. Температура смеси50 в объекте регулирования становится равной заданной, и выходной сигнал первого элемента 3 сравнения, пропорциональный отклонению действительной температуры смеси от заданной, равен нулю. Электропривод 7 в установившемся состоянии отключен от питающей сети, а клапан,. смесительного вентиля 8 находится в некотором положении Ьо, которое определяется заданной температурой смеси, температурами смешиваемых компонент и свойствами объекта регулирования.Предположим теперь, что начиная с некоторого момента времени 1 температура горячей и температура холодной компонент, поступающих на входы смесительного вентиля 8, стали изменяться во времени. Температура смеси на выходе смесительного вентиля определяется выражением6(е)=д (г) +- - Ь, (1)6 г (е) -6(с)1 мгде 6(1) - температура холодной компоненты;6,(1) - температура горячей компоненты;Ьм - максимальный ход клапана; Ь - положение клапана.Вид характеристики смесительного вентиля, т.е. зависимости между положением клапана Ь и температурой жидкости на его выходе 6, показан на фиг.2. Зависимость 1 соответствует некоторым значениям температур горячей 6 г и холодной 6 компонент. При этом некоторому положению клапана Ьо соответствует температура смеси 60 на выходе смесительного вентиля.Если температура одной из смешиваемыхкомпонент, например, горячей или обеих компонент изменится под действием внешних факторов соответственно на величины д 6 и д 6 ,. характеристика смесительного вентиля занимает положение соответственно ГХ или 111 (или любое другое положение в зависимости от О 6, а 6, и дд) . При неизменном положении Клапана Ьо температура жидкости на выходе смеси- тельного вентиля в этих двух случаях получает приращение й 9, и а 6. Для компенсации этих приращений система регулирования должна обеспечивать перемещение клапана на величины 4 Ь и дЬ соответственно.В общем случае приращение температуры жидкости на выходе смесительного вентиля при изменении температур смешиваемых компонент определяется выра- жением лО(е)= д 6(с)+ И- а 6(е)3 . (2)чСледует отметить, что наклон характеристики, т.е, коэффициент передачи смесительного вентиля, не остается постоянным при изменении температур жидкостЕй на его входах. Вследствие изменения температур компонентна выходах первого 13 и второго 14дифференциаторов появляются сигналы,пропорциональные соответственно скорости изменения разности температурсмешиваемык компонент и скорости извменения температуры холодной компоненты. На выходе масштабирующего блоса 17 присутствует сигнал, которыйопределяется следующим вырахением: 3)+ (3)7 1. "Угде К - коэффициент передачимасштабирующего блока 17; 20и Т - постоянные дифференцирования первого 13 и второго 14 дифференциаторовсоответственно,Коэффициенты передачи всех датчи 25 ков в выражении (3) условно приняты равными единице.Сигнал на выходе первого элемента 3 сравнения (в начальный момент времени) равен выходному сигналу масшта- З 0 бирующего блока 17 с противоположным знаком ( так как из-за наличия запаз,цывания в системе температура смеси в объекте регулирования некоторое время остается равной заданной).Этот сигнал, усиленный усилителем 4, поступает на вход широтно-импульсного модулятора 5, на выходе которого сформироваН широтно"модулированный импульсный сигнал, При этом амплитуда 40 пилообразного напряжения, поступающеГо на второй вход широтно-импульсного модулятора, изменяется пропорционально изменению разности температур смешиваемых компонент, в результате чего 45 изменяется и коэффициент передачи широтно-импульсного модулятора 5. Коэффициент передачи широтно-импульсного модулятора средних значений входного и выходного сигналов равен отно шению амплитуды импульсов Е на его выходе к амплитуде У сигнала пилообразной Формы и для предлагаемого устройства обратно пропорционален разности температур смешиваемых компо- нент где К - коэффициент пропорциональности.При этом среднее значение сигнала на выходе широтно-импульсного модулятора 5 определяется выражениемЦср (") - Ку К )ме ( с)К ,КЕ, аЕ,(с)-В (е)3т ) (с)КО, И)-Е(е)3(ЙС(5)с 1 Сгде К - коэффициент усиления усиличтеля 4.При появлении широтно-модулированных импульсов напряжения на входеэлектропривода 7 он приходит в движение и перемеп)ает клапан смесительноговентиля 8.Зависимость между углом поворотавала электродвигателя, а также линейным перемещением рабочего органа,связанного с валом, и средним значением сигнала управления на входеэлектропривода описывается интегральным законом, Поэтому перемещение клапана смесительного вентиля 8 осуществляется в соответствии с уравнением(6)где Ь - положение,в котором находится клапан смесительного вентиля до начала движения;Кд - коэффициент передачи (постоянная интегрирования) электропривода 7,Для того, чтобы обеспечить нулевуючувствительность темпе атуры смесина выходе из расходного отверстиясмесительного вентиля 8, а следовательно, и температуры в объекте регулирования по отношению к изменениямтемператур смешиваемых компонент согласно выражению (1) необходимо, чтобыперемещение клапана смесительноговентиля осуществлялось по законувида(или газа), которая должна поддерживаться на выходе из расходно- го отверстия смеси- тельного вентиля.Поцстановкрй выражения (7) в уравнение (6) можно показать, что при выполнении условийКмаса Я Я ЕудвТ,=1; Т,=й, (8) выражение (7) является решением интегрального уравнения (6), т.е, в устройстве обеспечивается перемещение клапана смесительного вентиля 8 в соответствии с выражением (7). Тем самым достигается полная инвариант- ность температуры смеси в объекте регулирования по отношению к изменениям температур горячей и холодной компонент.Вместе с этим обеспечивается инвариантность общего коэффициента передачи системы регулирования по отношению к вариациям коэффициента передачи смесительного,вентиля 8, вызванным колебаниями температур горячей и холодной компонент. Стабилизация общего коэффициента передачи системы достигается за счет автоматического изменения коэффициента передачи широтно-импульсного модулятора 5 обратно пропорционально изменению коэффициента передачи смесительного вентиля 6. Это позволяет стабилизировать область устойчивости системы регули- рованиФ, увеличить общий коэффициент передачи системы, например, за счет повышения коэффициента усиления усилителя 4, однозначно задать и обеспечить наилучшее сочетание параметров настройки отдельных блоков устройства и, как следствие, существенно по. высить точность регулирования температуры.Использование устройства, например, для стабилизации температуры охлажцающей жидкости при испытании двигателей внутреннего сгорания позволяет существенно повысить точность поддержания теплового состояния двигателей. В результате сокращаются сроки их испытаний и доводки,10Формула изобретенияУстройство для регулирования температуры, содержащее электропривод,связанный валом с управляющим входом 15смесительного вентиля, подключенногосвоими входами к магистралям горячейи холодной компонент, а выходом - кмагистрали смеси, задатчик и датчиктемпературы смеси, подключенные кпервому и второму входам первого элемента сравнения, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышенияточности, оно дополнительно содержитпоследовательно соединенные датчиктемпературы горячей компоненты, второй элемент сравнения, первый дифференциатор, блок умножения, сумматори масштабирующий блок, а также после"довательно соединенные усилитель иширотно-импульсный модулятор, подключенные между выходом первого элементасравнения и входом электропривода,датчик положения вала электропривода,связанный своим выходом с вторым вхо дом блока умножения, генератор пилообразного напряжения, связанный своимуправляющим вхоцом с выходом второгоэлемента сравнения, а выходом - свторым входом широтно-импульсного мо дулятора, второй дифференциатор, выход которого подключен к второму входу сумматора, и датчик температурыхолодной компоненты, связанный своим,. выходом с входом и вторым входом со ответственно вторых дифференциатораи элемента сравнения, при этом выходмасштабирующего блока подключен кдополнительному третьему входу первого элемента сравнения.раж 866Государственноелам изобретенсква, Ж, Ра комитета ССи открытийкая наб., д