Регулятор температуры

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 005 В г ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ САНИЕ ИЗ ТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИ юл. У 22 польть и регул жет роваоэлектенияи. Рено соом термобренос ль охлаждающ 66-169. лектронна (128), 19 над ател по ры 1 о реобра(57) Изобретение зовано для прогр ния температуры трической батаре повышение точнос гулятор содержит единенные датчик темпера екта 2, аналого-цифровой1403023 ватель 3, вычислительное устройство 4, преобразователь код-Фаза 19, элемент И 18 тиристорный стабилизатор тока (9, О), термоэлектрическую батарею 7, два аналоговых ключа 5, 6, Импульсный сигнал с выхода элемента сравнения стабилизатора тока проходит на схему управления тиристорного выпрямителя 9, являющегося силовой частью стабилизатора тока, че рез второй вход элемента И 18, В регуляторе тиристорный выпрямитель охватывается отрицательной обратной связью по току и через термобатарею протекает стабилизируемый ток, величину которого устанавливают оптимальной в зависимости от выбранного одного из двух режимов работы терИзобретение относится к системамавтоматического управления, а именно к термоэлектрическому приборостроению и может быть применено дляпрограммного регулирования температуры.Целью изобретения является повышение точности и надежности регулятора.ОНа чертеже представлена блоксхема регулятора температуры,Регулятор температуры содержитпоследовательно соединенные датчик1 температуры, расположенный на объ, екте 2, температура которого регули, ,руется, аналого-цифровой преобразователь 3 и вычислительное устройство 4, один из выходов которого подключен к управляющим входам аналоговых ключей 5 и 6, выходы которыхсоединены с входами термоэлектрической батареи 7, находящейся в тепловом контакте с объектом 2 регулирования, источник 8 переменного напряжения, управляемый тиристорный выпрямитель 9, фильтр 10 низких частот,образцовый резистор 11, формирователь 12 импульсов, генератор 13 пилообразного напряжения, синхронизирующий вход которого соединен с третьим выходом Формирователя 12, а выход - с первым входом аналоговогоэлемента 14 сравнения, усилитель 15,задатчик 16 тока, нуль-орган 17, вымобатареи - максимальной холодопроизводительности или максимальнойэффективности, Затем происходит обрыв отрицательной обратной связи потоку и устанавливается отрицательная обратная связь по температуре,и устройство начинает работать какрегулятор температуры, Обрыв отрицательной обратной связи по току врежиме стабилизации температуры исключает автоколебательный режим всистеме, возникающий за счет наличия порога чувствительности по управляющим электродам тиристоров, чтопозволяет снизить максимальную ошибку регулирования и повысить надежность работы устройства 1 з,п, ф-лы,,1 ил. 2ходом соединенный с одним из входов элемента И 18, и преобразователь 19 код - фаза.Источник 8 переменного напряжения выполнен в виде трансформатора, первичная обмотка 20 которого подключена к сетевому напряжению, при этом выводы первой вторичной обмотки 21 являются первым выходом источника 8, одни из контактов второй 22 и третьей 23 вторичных обмоток соединены с шиной нулевого потенциала, а другие контакты являются соответственно вторым и третьим выходами источника 8.Формирователь 12 содержит диоды 24 и 25, аноды которых являются соответственно первым и вторым входами Формирователя 12, а катоды подключень 1 через резисторы 26 и 27 к базам транзисторов 28 и 29 соответственно, эмиттеры которых соединены с шиной нулевого потенциала, а коллекторы соответственно через резисторы 30 и 31 подключены к шине положительного потенциала. Кроме того, формирователь 12 содержит два трехвходовых элемента И 32 и 33, один двухвходовой элемент И 34 и генератор 35,Генератор пилообразного напряжения выполнен в виде интегратора на операционном усилителе 36, в отрицательную связь которого включен конденсатор 37, зашунтированный анало30 55 3 14030 говым ключом 38, причем инвертирующий вход операционного усилителя 36 через резистор 39 соединен с шиной положительного потенциала, а неинвертирующий вход - с шиной нулевого потенциала. При этом выход операционного усилителя 36 и управляющий вход аналогового ключа 38 являются соответственно выходом и входом генератора 13 пилообразного напряжения.Аналоговый элемент 14 сравнениявыполнен в виде резисторов 40, 41и 42, причем первые выводы резисторов 40, 41 и 42 являются соответственно первым, вторым и третьим входами элемента 14 сравнения, а вторые выводы этих резисторов соединенымежду собой и являются выходамиэлемента 14 сравнения. 20Усилитель 15 выполнен на операционном усилителе 43 с резистором 44в цепи обратной связи, причем инвертирующий вход усилителя 43 подключен к одному из выводов резистора 45 25и является входом усилителя 15, а неинвертирующий - к шине нулевого потенциала. Выход операционного усилителя 43 является выходом усилителя 15.Задатчик 16 тока выполнен в видепотенциометра 46, выводы которогоподключены к шине источника положительного потенциала и шине нулевогопотенциала, а движок является выходом задатчика 16,Нуль-орган 17 выполнен на опера-ционном усилителе 47, причем неинвертирующий вход операционного усилителя 47 соединен с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход является входом нуль-органа 17, а выход. выходом нуль-органа 17.Преобразователь 1 О код - фаза содержит счетчик 48 с логической схемой 4 бпредварительной установки, информационные входы параллельной записикоторого являются входами преобразователя 19 код - фаза, генератор 49,подключенный к счетному входу счетчика 48 и ВЯ-триггер 50, вход которогосоединен с выходом прямого переносасчетчика 48. Регулятор работает следующим образом,Изменение температуры объекта регулирования преобразуется датчиком 1 в электрический сигнал и затем 234аналого-цифровым преобразователем 3в цифровой код, поступающий на гычислительное устройство 4. Вычислительное устройстов 4 по программе,записанной в его память, производитобработку поступившей информации ивыдает на выходы цифровой код управляющего сигнала, соответствующий определенному закону регулировавания, При этом напряжение на выходе вычислительного устройства, соответствующее сигналу полярностирассогласования заданной в данныйвремеиной интервал температуры в текущей реальной температуры объекта2, коммутирует аналоговые ключи 5 и6 так, чтобы через термобатарею 7протекал ток такого направления, прикотором это рассогласование стремится уменьшиться до нуля. Выходной кодвычислительного устройства 4 поступает на входы предварительной установки счетчика 48, Одновременно сетевое напряжение трансформируетсятрансформатором источника 8 переменного напряжения. Напряжение с еговторичных обмоток 22 и 23 поступаетна первый и второй входы формирователя 12. Однополупериодные выпрямители на диодах 24 и 25 пропускаютчерез ограничительные резисторы 26и 27 на базы транзисторов 28 и 29сигналы, которые усиливаются и ограничиваются транзисторами 28 и 29. Сигналы с точек соединения резистора30 и коллектора транзистора 28, атакже резистора 31 и коллектора транзистора 29 поступают на входы элемента И 34. При этом на выходе элемента И 34 формируется сигнал, который является синхронизирующим дляработы преобразователя 19 код - фазаи генератора 13 пилообразного напряжения с удвоенной частотой сетевогонапряжения. Этот сигнал с третьеговыхода формирователя, поступая насинхронизирующий вход преобразователя 19 код - фаза и далее на В-входВЯ-триггера 50, устанавливает в начале каждого полупериода сетевогонапряжения выход триггера 50 в нулевое состояние. Одновременно этот сигнал поступает на управляющий входпредварительной записи счетчика 48и записывает выходной код вычислительного устройства, поступающий на входы преобразователя.19 код - фаза вего счетчик 48, 1403023В это время на счетный вход счетчика 48 поступает импульсный сигналс генератора 49. При переполнении сигнал переноса с выхода счетчика 48 по 5ступает на Б-вход триггера 50 и перебрасывает сигнал на его выходе вединичное состояние, в котором онбудет находиться до следующего полупериодд сетевого напряжения. 10Таким образом, нд выходе формирователя 19 код - фаза 19 в течениекаждого полупериода сетевого напряжения формируется единичный импульс,Момент появления переднего фронта которого определяется значением кода навходе преобразователя 19 код - фаза,11 ри этом время 1, прошедшее от нача,ла периода до момента появления единичного импульса и определяемое из 20равенства и,= и +11 о, где и, -разрядность счетчика 48, и- значениеодд на входе преобразователя 19 код.азд, Г -частота генератора 49,равно: 25 по-пх оИз последнего выражения видно, что при значительном рассогласовднии регулируемои температуры и заданной и соответствующем ему управляющем сигнале большой величины, т,е. большом значении кода на выходе вычислительного устройства 4, значение Времени будет мало.При этом на выходе преобразоватея 19 код - фаза формируются импульы значительной длительности, котоые, поступая на вход элемента И 18, разрешают на время, определяемое этой длительностью, прохождение сигнала на вход элемента И 18 с второго его входа, подключенного к выходу нуль-органа 17. 30 40 45 Сигнал с третьего выхода формирователя 12 поступает на управляющий вход аналогового ключа 38, входящего в состав генератора 13 пило- обрабатывающего напряжения, замыка ет ключ 38, шунтируя конденсатор 37 На время, определяемое длительностью единичного импульса на его управляющем входе, при этом сигнал на выходе операционного усилителя Зб стд. В 5 новится равным нулю. При размыкании аналогового ключа 38 начинается заряд конденсатора 37 током, проходящим через резистор 39 от шины положительного потенциала, в результате линейно изменяется напряжение на выходе генератора 13 пилообразного напряжения, В момент окончания полу- периода сетевого напряжения единичный импульс с третьего выхода формирователя 12 вновь замыкает ключ 38, что приводит к мгновенному разряду конденсатора 37 и падению до нуля выходного напряжения генератора 13Далее процесс повторяется. Таким образом формируется сигнал пилообразного напряжения, период которого синхронизирован с полупериодом сетевого напряжения, Он поступает на первый вход аналогового элемента 14 сравнения н определяет величину тока, протекающего через резистор 40,Одновременно с выводов вторичнойобмотки 21 трансформатора источника8 переменного напряжения, являющих.ся его первым и вторым выходами, напервый и второй входы тиристорноговыпрямителя 9 поступает переменноенапряжение с частотой сетевого напряжения,При поступлении сигнала запускатиристоров на управляющие входы выпрямителя 9 на его выходе протекаетпульсирующий ток, который сглаживается при помощи фильтра 10 нижнихчастот. Постоянный ток с выхода фильтра 10 посредством соответствующейкоммутации аналоговых ключей 5 и б,управляемых выходом вычислительногоустройства 4, протекает через термобатарею 7 в таком направлении, прикотором температура объекта 2 стремится к заданному значению, При этомна образцовом резисторе 11 падаетнапряжение, пропорциональное значению тока, протекающего в термобдтарее, причем его полярность не зависит от направления тока через термобатарею, так кдк резистор 1 подключен к выходу выпрямителя 9 до аналоговых ключей 5 и б. Это напряжениеподается на инвертирующий вход операционного усилителя 43 с резистором 44 в цепи отрицательной обратной связи через резистор 45. Выходное напряжение операционного усилителя 43 подается нд второй вход аналогового элемента 14 сравнения и определяет значение тока , через резистор 41 элемента 14 сравнения, На;третий вход элемента 14 поступает на 1403023пряжение с движка потенциометра 46,входящего в состав задатчика 1 бтока, которое определяет величинутока 1. через резистор 42,В точке соединения резисторов 40,41 и 42 токи, проходящие через них,суммируются и в момент равенства нулю их алгебраическои суммы на выходенуль-органа 17 формируется единичный 10импульс, длительность которого ограничивается моментом окончания полупериода сетевого напряжения, при котором происходит скачкообразное умень-шение до нуля напряжения на выходе 15генератора 13 пилообразного напряжения, что и возвращает вьгсод нуль-органа 17 в исходное нулевое состояние.Так как выходной сигнал генератора 13пилообразного напряжения имеет период, равный полупериоду сетевого напряжения, на выходе нуль-органа 17такте формируется импульсная последовательность единичных импульсов с периодом, равным полупериоду сетевого 25напряжения. Эта последовательностьпоступает на вход элемента И 18 ивследствие того, что длительность ееимпульсов меньше длительности импульсов сигнала на втором входе элемента И 18 с выхода преобразователя19 код - Фаза, проходит на выходэлемента И 18 и далее на третийвход формирователя 12, соединенныйс первыми входами элементов И 32 и33. На вторые входы элементов И 32и 33 поступает импульсный сигнал сгенератора 35, а на третьи - сигналы с коллекторов транзисторов 28 и29. В результате на первом и вто Ором выходах формирователя 12 формируются импульсные сигналы. Генератор 35 служит для создания пачекимпульсов в сигнале запуска тиристорного выпрямителя. 45Таким образом, ток через термобатарею 7 определяется соотношениемнапряжений на выходах генератора 13пилообразного напряжения, образцового резистора 11 и задатчика 16 тока.При постоянном уровне сигнала на выходе эадатчика 16 тока через батарею7 автоматически эа счет отрицательной обратной связи по току устаналивается величина тока, соответствую 55щая заданному. При отклонении значения тока термобатареи У от заданного .например при изменении сетевого напряжения, изменится и напряжение на образцовом резисторе 11, т,е. изменится соотношение напряжений на входе аналогового элемента 14 сравнения, что приведет к такому изменению момента формирования импульса запуска на выходе нуль-органа 17,.при котором ток выпрямителя 9 примет первоначальное значение.Таким образом, при переходном процессе регулирования температуры, когда текущая температура объекта существенно отличается от заданной и длительность импульсов на выходе преобразователя 19 код - фаза больше длительности импульсов с выхода нуль- органа, регулятор работает в режиме стабилизатора тока термобатареи, причем величину стабилизируемого тока можно устанавливать изменением выходного напряжения задатчика 16 тока. Это позволяет устанавливать и поддерживать в соответствии с конкретными параметрами термобатареи оптимальные режимы работы термобатареи во время переходных процессов регулирования температуры.По окончании переходного процесса регулирования темпертуры, когда ее текущее значение приближается к заданному, величина управляющего сигнала на выходе вычислительного устройства 4 начинает уменьшаться в соответствии с выбранным законом регулирования, что приводит к уменьшению длительности импульсов на выходе преобразователя 19 код - фаза. В момент, когда длительность импульсов на выходе преобразователя 19 код - фаза становится меньшей длительности импульсов на выходе нуль-органа 17, на вход элемента И 18 начинает проходить сигнал с выхода преобразователя 19 код - фаза, так как при приходе на входы элемента И 18 двух синхронизированных импульсных последовательностей с выходов нуль-органа 17 и преобразователя 9 код - фаза с одинаковым периодом следования единичных импульсов, равным полупериоду сетевого напряжения, задние фронты которых совпадают, сигнал логической единицы будет присутствовать на обоих входах только с момента прихода переднего фронта импульса меньшей длительности до окончания полу- периода сетевого напряжения. Приходящий с преобразователя 19 код - фаза через третий вход формирователя14030212 сигнал с меньшей (чем ранее) длительностью импульсов уменьшит величину тока выпрямителя 9, протекающего через термобатарею 8. Это приведет к уменьшению напряжения на образцовом резисторе 11 и соответствующему увеличению длительности импульсов на выходе нуль-органа 17 для восстановления первоначального значения 10тока, Однако вследствие того, чтодлительное.ть импульсов на выходенуль-органа 17 станет еще больше,чем длительность импульсов на выходе преобразователя 19 код - фаза, 15сигнал с выхода нуль-органа 17 непройдет на выход элемента И 18. Вэтом случае на выход элемента И 18будет поступать сигнал с выхода преобразователя 19 код - фаза, т,е. 20: оборвется обратная связь по току иустановится отрицательная обратная, связь по температурным параметрамобъекта регулирования.При этом величина тока регулируется управляющим сигналом с выхода вычислительного устройства 4, зависящим от параметров процесса установления реальной температуры объекта 2заданного уровня. 30Таким образом, при переходном процессе регулирования температуры устройство работает в режиме стабилизации тока. Начальное значение, токаустанавливается задатчиком тока всоответствии с конкретными параметрами используемой в качестве 1 сполнительного элемента термоэлектрической,из двух оптимальных режимов; максимальной холодопроизводительности,что сокращает время переходного процесса и увеличивает диапазон регулируемых температур, или максимальногохолодильного коэффициента, при котором достигает максимума экономичность работы регулятора, При приближении реальной температуры к заданной ток через термобатарею становится зависимым от выходного сигнала вычислительчого устройства,который, в свою очередь, зависит от параметров процесса изменения температуры объекта, чтоПозволяет реализовать в вычислительНом устройстве оптимальные алгоритмы регулирования и добиться высокогокачества регулирования,10Какое бы малое значение не принимала величина сигнала с выхода вычислительного устройства, в рег уляторе не возникает бросков тока через термобатарею, что по сравнению с устройством-прототипом повышает надежность работы регулятора при одновременном повышении точности регулирования, особенно при незначительных возмущающих воздействиях, за счет устранения температурных пульсаций рабочей поверхности термобатареи, обусловленных бросками тока, проходящими через нее.Формула изо 6 ретенияРегулятор температуры, содержащий последовательно соединенные датчик температуры объекта, аналого-цифровой преобразователь, вычислительное устройство и цифроаналоговый преобразователь, а также источник переменного напряжения, к первому выходу которого подключен вход управляемого тиристорного выпрямителя, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, к первому выводу которого подсоединены первый вход первого и второй вход второго аналоговых ключей, а к второму вьводу, соединенному с шиной нулевого потенциала через образцовый резистор подключен второи вход первого и первый вход второго аналоговых ключей, управляющие входы которых соединены с выходом знака кода вычислительного устройства, выходы первого и второго аналоговых ключей соединены .соответственно с первым и вторым входами термоэлектрической батареи, находящейся в тепловом контакте с объектом регулирования температуры, формирователь импульсов, первый и второй вхо. ды которого подключены соответственно к второму и третьему выходам источников переменного напряжения, первый .и второй выходы - соответственно к первому и второму управляющим входам управляемого тиристорного выпряглителя, третий выход - к входу генератора пилообразного напряжения, причем выход последнего соединен с первым входом аналогового элемента сравнения, второй вход которого подключен через усилитель к выводу образцового резистора, третий вход - к задатчику тока, а выход - к входу нуль-органа, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точностиЗаказ 2858/38 ПодписноеБНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Иосква, Ж, Раушская наб д, 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 и надежности регулятора, в него введен элемент И, один из входов которо: го подключен к выходу нуль-органа, другой вход - к выходу цифроаналого 5 ного преобразователя, выход - к третьему входу формирователя импульсов, а цифроаналоговый преобразователь выполнен в виде преобразователя кодфаза, синхронизирующий вход которого 10 соединен с третьим выходом формирователя импульсов.2. Регулятор по и. 2, о т л и ч аю щ и й с я тем, что преобразователь 1 код - фаза содержит счетчик, информационные входь. установкикоторого являются входами преобразователя код -фаза, генератор, подключенный к счетному входу счетчика, и РЯ-триггер,Б-вход которого соединен с выходом переполнения счетчика, В-вход - с управляющим входом предварительной установки счетчика и является синхронизующим входом преобразователякод - фаза , а выход триггера -выходом преобразователя кодфаза.