Цифровой регулятор температуры

(505 6 05 0 23/1 ЕТЕН ОПИСАН И ИД ЕТЕЛ ЬСТВУ К АВТОРеааЪ ГОСУДАРСТВЕй ЮЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт "Электронстандарт" (72) В.П.Медведев и А,А,Волкова (56) Патент СИА3 Ф 4288853, кл 8 05 О 23/ОС, 1986.Авторское свидетельство СССР М 1352470, кл. 0 05 О 23/19, 1986. (54) ЦИ.ФРОВОЙ РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано для автоматизированного регулирования одного-двух параметров технологического процесса в автономном режиме или при управлении от микропроцессорных систем. Цель изобретения - повышение точности. Цель достигается за счет того, что устройство содержит задатчик температуры 1, первый аналого-цифровой преобразователь 2. первый цифровой компаратор 3, блок памяти параметров компенсации напряжения питания 4, второй цифровой компаратор 5, формирователь уп-. равляющих сигналов 6, генератор тактовых импульсов 7, формирователь синхроимпульсов 8, счетчик импульсов 12, регулирук)щий элемент 13, нагреватель 14, датчик температуры 15, усилитель 16, первый 17, второй 18, третий 19 и четвертый 20 элементы И, первый 21 и второй 22 элементы НЕ, аналогоцифровой преобразователь 26 и делитель Б напряжения 27. 2 ил./Изобретение относится к автоматике ивычислительной технике и может быть использовано для автоматизированного регулирования 1-2 параметров технологическогопроцесса при одно- или многоканальном регулировании в автономном режиме или приуправлении от микропроцессорных систем;Известна цифровая система регулирования температуры, содержащая датчиктемпературы, подключенный ко входу аналого-цифрового преобразователя на выходекоторого имеется код регулируемой величины. Заданная температура устанавливаетсяс помощью переключателей, положения которых с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуются в цифровойкод, который подается на входы вычислительного устройства, где вычитается из кодарегулируемой величины, Разность кодов подается на цифровой компаратор, которыйвключает исйолнительный механизм, когдакод аналого-цифрового преобразователяпревышает код задаваемой величины.Недостатком известной системы является то, что она не позволяет производитьрегулирование более одного параметра итребует сложного вычислительногО блока.Наиболее близким к изобретению потехнической сущности и достигаемому резупЬтату является цифровой регулятор температуры, содержащий задатчиктемпературы, вычислитель, цифроаналоговый преобразователь, генератор тактовыхимпульсов, формирователь синхроимпульсов, дешифратор, сумматор, мультиплексор, блок памяти, компаратор,формирователь управляющих сигналов, регулирующий элемент, нагреватель, датчиктемпературы и усилитель,При повышении температуры объектаотносительно заданной знак числа на выходе вычитателя изменяется, величина ошибки регулирования поступает на сумматор сознаком "минус", и в результате величинакода, хранящегося в блоке памяти, начинаетс каждым периодом синхронизации дискретно убывать Это приводит к уменьшениюугла наклона ступенчатого напряжения иуменьшению мощности, подводимой к регулятору температуры, Процесс стремится кустойчивому состоянию, при котором ошибка регулирования равняется нулю, а мощность, подводимая к нагревателю, равнарассеиваемой мощности при заданной температуре,Недостатком известного устройстваявляется невысокая точность регулирования, Это обьясняется тем, что в известномустройстве применен последовательныйметод преобразования кода в частоту им 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 пульсов, последовательное накопление импульсов в счетчике и преобразование его после этого в аналоговую величину на выходе цифроаналогового преобразователя, Кроме того отсутствует компенсация возмущающих воздействий регулирования, и метод компенсации выходного аналогового напряжения усилителя с помощью аналогового компенсатора и цифроаналогового . преобразователя с выходным переменным напряжением также снижает точность регулирования.Целью изобретения является повышение точности регулирования температуры.Для достижения поставленной цели в цифровой регулятор температуры, содержа-. щий задатчик температуры, генератор тактовых импульсов, датчик температуры, усилитель, формирователь синхроимпульсов, формирователь управляющих сигналов, регулирующий элемент, нагреватель, первый компаратор, причем вход усилителя подключен к выходу датчика температуры, вход нагревателя подключен к выходу регулирующего элемента, информационный вход которого подключен к выходу формирователя управляющих сигналов, вход разрешения которого подключен к первому выходу первого компаратора, введены блок памяти параметров компенсации напряжения питания, первый и второй аналого.цифровой преобразователи, счетчик импульсов, первый и второй элементы НЕ, делитель напряжения, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый компаратор выполнен цифровым, первый вход которого является выходом разбаланса старших разрядов, и дополнительно введен второй цифровой компаратор. 8 ыход "равно" второго цифрового компаратора подключен к управляющему входу формирователя управляющих сигналов и через первый элемент НЕ - к первому входу первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго элемента И, а третий вход первого элемента И подключен к выходу третьего элемента И и входу разрешения второго цифрового компаратора, Первый информационный вход второго цифрового компаратора подключен к выходу счетчика импульсов, счетный вход которого подключен к выходу первого элемента И, а вход сброса - к выходу четвертого элемента И и входам запуска первого и второго аналого-цифровых преобразователей, информационные выходы которых подключены соответственно к первому информационному входу первого цифрового компаратора и к входу блока памяти параметров компенсации напряжения питания, выходы которого подключены ко вторым информационным входам первой группы второго цифрового компаратора, вторые информационные входы второй группы которого подключены к информационным выходам первого цифрового компаратора. Выход разбаланса младших разрядов первого цифрового компаратора подключен к первому входу второго элемекта И, второй вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов. Первые входы , третьего и четвертого элементов И подключены к выходу разрешения задатчика темпера- туры, информационный выход которого подключен ко второму информационному входу первого цифрового компаратора, а его вход является информационным входом регулятора температуры. Выход усилителя подключен к информационному входу первого аналого-цифрового преобразователя, выход готовности которого подключен ко входу второго элемента НЕ, выход которого подключен ко второму входу третьего элемента И. Вход делителя напряжения подключен к входу питания регулирующего элемента и к выходу источника постоянного напряжения, а выход - к информационному входу второго аналогоцифрового преобразователя. Второй вход четвертого элемента И подключен к выходу формирователя синхроимпульсов, а задатчик температуры снабжен стробирующим входом.На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового регулятора температуры; на фиг. 2 - диаграммы работы цифрового регулятора температуры.Цифровой регулятор температуры содержит задатчик 1 температуры, первый аналого-цифровой преобразователь 2, первый цифровой компаратор 3, блок 4 памяти параметров компенсации напряжения питания; второй цифровой компаратор 5, формирователь 5 управляющих сигналов, генератор 7 тактовых импульсов, формиро- ватель 8 синхроимпульсов. На чертеже представлен формирователь 8 синхроимпульсов, выполненный в виде последовательно соединенных выпрямителя 9, делителя 10 частоты и формирователя 11.Цифровой регулятер температуры также содержит счетчик 12 импульсов, регулирующий элемент 13, в качестве которого может быть использован транзистор, симистор или тиристор, нагреватель 14, датчик 15 температуры, усилитель 16, первый элемент И 17, второй элемент И 18, третий элемент И 19, четвертый элемент И 20, первый элемент НЕ 21, второй элемент НЕ 22, выход 23 источника постоянного напряжения; вход 24 синхронизации, информационный вход 25 регулятора температуры, второй анало 15 решения формирователя 6 управляющих 20 вому входу первого элемента И 17, Второй 25 разрешения второго цифрового компарато 30 43 40 45 50 55 5 10 го-цифровой преобразователь 25 и делитель 27 напряжения, в качестве которого может быть использован дифференциальный усилитель с резистивным делителем и опорным стабилитроном на входе. Схемы цифровых компараторов 3 и 5 могут быть выполнены на микросхемах типа К 555 СП 1,Информационные выходы задатчика 1 температуры и первого аналого-цифрового преобразователя 2 соединены, соответственно, с.вторым и первым информационными входами первого цифрового компаратора 3, выход разбаланса старших разрядов которого подключен к входу разсигналов, Выход "равно" второго цифрового компаратора 5 подключен к управляющему входу формирователя 6 управляющих сигкалов и через первый элемент НЕ 21 - к пери третий входы элемента И 17 подключены к выходам соответственно второго 18 и третьего 19 элементов И. Выход третьего элемента И 19 подключен также к входу ра 5, первый информационный вход которого подключен к выходу счетчика 12 импульсов, Счетный вход счетчика 12 импульсов подключен к выходу первого элемента И 17, а его вход сброса - к выходу четвертого элемекта И 20 и входам запуска первого и второго аналого-цифровых преобразователей 2 и 26, Информационный выход второго аналого-цифрового преобразователя 26 подключен к входу блока памяти параметров компенсации напряжения питания. Вторые информационные входы первой группы второго цифрового компаратора 5 соединены с выходами блока памяти параметров компенсации напряжения питания,а вторые информационные входы второй группы - с информационными выходами первого цифрового компаратора 3. Выход разбаланса младших разрядов первого цифрового компаратора 3 подключен к.первому входу второго элемента И 18, второй вход которого подключен к выходу генератора 7 тактовых импульсов. Первые входы третьего элемента И 19 и четвертого элемента И 20 подключены к выходу разрешения задатчика 1 температуры, вход которого является информационным входом 25 регулятора температуры. Задатчик 1 температуры снабжен также стробирующим входом. Вход усилителя 16 подключен к выходу датчика 15 температуры, а его выход - к информационному входу первого аналого-цифрового преобразователя 2, выход готовности которого подключен ко входу второго элемента НЕ 22, выход которого подключен ко второму5 10 15 20 30 40 50 55 входу третьего элемента И 19, Второй вход четвертого элемента И 20 подключен к выходу формирователя 8 синхроимпульсов. Выход делителя 27 напряжения подключен к информационному входу второго аналогоцифрового преобразователя 26, а его вход - к входу питания регулирующего элемента 13 и к выходу 23 источника постоянного напряжения, Выход регулирующего элемента 13 подключен к входу нагревателя 14, а его информационный вход - к выходу формирователя 6 управляющих сигналов.Регулятор температуры работает следующим образом.На вход выпрямителя 9 формирователя 8 синхроимпульсов поступают синусоидальные колебания питающей сети частотой 50 Гц и напряжением 12-20, В, которые выпрямляются, ограничиваются и запускают делитель 10 частоты (фиг. 2 а, б), в качестве которого может быть применен двоично-десятичный счетчик, Выходные импульсы этого счетчика имеют частоту 1 Гц (фиг,.2 в) и запускают формирователь 11, в качестве которого может быть применен ждущий мультивибраторДлительность выходных импульсов мультивибратора определяется постоянной ВС его времязадающей цепи (фиг, 2 г), равной 2-5 мкс. Импульсы поступают на вход элемента И 20, на другой вход которого подается сигнал разрешения с выхода задатчика 1 температуры в виде постоянного высокого логического уровня ("лог,1"), Если в задатчик 1 температуры (в регистр) была записана информация по входу 25 и сигнал разрешения в виде высоких логических уровней ("лог.1") с помощью клавиши пульта или микро-ЭВМ, т.е. задано значение задаваемой величины А, то элемент И 20 будет пропускать выходные импульсы формирователя 11 (фиг 2 г) для запуска аналого-цифрового преобразователя 2, а такжедля сброса счетчика 12 импульсов (двоичнодесятичного),Регулируемая величина В, поступающая с датчика 15 температуры и усиливаемая усилителем 16, подается на информационный вход аналого-цифрового преобразователя 2, При наличии сигнала запуска на входе аналого-цифрового преобразователя 2, поступающего с выхода элемента И 20 (фиг, 2 г), вырабатывается сигнал готовности аналого-цифрового преобразователя 2 в виде "лог.1", поступающей на вход элемента НЕ 22, Этот сигнал сигнализирует о том, что в аналого-цифровом преобразователе 2 закончено преобразование аналоговой регулируемой величины В параллельный двоичный цифровой код (10-12 разрядов), Преобразование осуществляется за время 1 преобр.1 /Когда сигнал готовности на выходе аналого-цифрового преобразователя 2 переходит в "лог.0" после завершения преобразования, на выходе элемента НЕ 22 образуется сигнал "лог,1", который откроет элемент И 19 и сигнал "лог.О" поступит на первый вход элемента И 17, Если задаваемая величина на втором информационном входе первого цифрового компаратора 3, подаваемая в виде параллельного двоичного цифрового кода (10-12 разрядов) с выхода задатчика 1 температуры, больше регулируемой величины на первом информационном входе этого компаратора, подаваемой на этот вход с выхода аналого-цифрового преобразователя 2 в виде параллельного двоичного цифрового кода, то на выходе разбаланса младших разрядов первого цифрового компаратора 3 будет высокий логический уровень ("лог,1"), который разрешит прохождение импульсов генератора 7 тактовых импульсов на выход элемента И 18 и его выхода на вход элемента И 17,Одновременно, ввиду того, что двоичнодесятичный счетчик 12 импульсов был сброшен начальным импульсом сброса с выхода элемента И 20, на выходе "равно" второго цифрового компаратора 5 будет низкий логический уровень ("лог,О"), который инвертируется элементом НЕ 21 в высокий логический уровень ("лог,1") и разрешает прохождение импульсов с выхода элемента И 18 на вход элемента И 17 и далее на счетный вход счетчика 12 импульсов. В результате на выходе счетчика 12 импульсов накапливается параллельный двоичный цифровой код; подаваемый на первый информационный вход второго цифрового компаратора 5 от значения, равного О, до значения, равного параллельному цифровому коду с выхода блока 4 памяти параметров компенсации напряжения питания и с ийформационных выходов первого цифрового компаратора 3, подаваемого на вторые информационные входы второго цифрового компаратора 5.Цифровые компараторы 3 и 5 работают как нуль-органы, Первый цифровой компаратор 3 имеет на выходе 4 значения: АВ, АВ и А = В и 3 значения функции ,и =, показывающие результирующий разбаланс всех разрядов разности А - В. Два значения разбаланса старших 4-х разрядов АВ, АВ обозначаются как А В и А В. Когда предлагаемое устройство работает в режиме регулирования, значения А В = О, АВ = О, а значение А = В равно "лог,1", Тризначения АВ и одно А )В первого цифро- изменяется на (10-15);4. При мощном навого компаратора 3 подаются на вторые ин- гревателе, т.е. токе нагрузки, равном 1-5 А, формационные входы средних (и младших) стабилизировать его напряжение В, посту- разрядов (параллельно) второго цифрового пающее на вход 23 очень дорого, т,к. мал компаратора 5 в виде параллельного цифро КПД стабилизатора ( " 30), а изменения вого кода задаваемой величины А (до 8 раз- этого напряжения Он приводят к погрешнорядов). Второй цифровой компаратор 5 сти регулирования до 3и более, т,к. мощвместесосчетчиком 12 импульсовработают ность в нагревателе Р = 1 Вв качестве преобразователя параллельного О р 2н ндвоичного цифрового кода в широтно-им: -.ОВ, т,е.пропорциональна напульсный сигнал (ШИМ).В= - Если на вторых информационных вхо-. пРЯжению нареваел ДлЯ компенсации дах втоРого цифрового компаратора 5 задан этого с помощью аналого-цифроВого преобкод не равный нулю, то код на его первомРазователя 26 измеряют выпрямленное и информационном входе будет накапливать офильтрованное напряжение Он, при этом ся до значения равного значению на вторых аналого-цифровой преобразователь 26 заинформационных входах до тех пор, пока на пускают тем же сигналом запуска, что и анаего выходе "равно" не появится высокий лого-цифровой преобразователь 2 и логический уровень ("лог,1"), который через выходной код аналого-цифрового преобраэлемент НЕ 21 закроет элемент И 17, пре 20 эователя 26 подают на вход блока 4 памяти кратив прохождение счетных импульсов на паРаметРов компенсации напряжения пита- счетный вход счетчика 12 импульсов, Накоп- ния, котоРый служит в качестве компенсатоленный на выходе счетчика 12 импульсов Ра. Блок 4 памяти параметров компенсации параллельный двоичный код будет сохра- напряжения питания программируют таким нять свое неизменное значение до конца 25 образом, что при напряжении питающей сецикла регулирования, пока импульс сброса ти О = 220 В выходной параллельный двос выхода элемента И 20 не установит этот . "чный цифровой код его равен 192, при О счетчик в "лог.О" в начале следующего цикла = 242 В его выходной код равен нулю, а при регулирования. Таким образом, заданное Он = 192 В этот код равен 416, Промежуточна вторых информационных входах второго 30 ные значения заносят в таблицу. У регулятоцифрового компаратора 5 значение парал- Ров с большим запаздыванием величины дельного,цифрового кода с выходов блока 4 этого кода увеличивают в 2 - 3 раза (все знапамяти параметров компенсации напряже-. чения кода) для того, чтобы увеличить точния питания и первого цифрового компара- ность регулирования с учетом тора 3, Равное, например. 12 будет 35 запаздывания, равного 2 - 3 циклам регулисоответствовать установке в лог.1" двух Рования. В Результате происходит компенРаэрядов "8 и "4" (на фиг, 2 ж это соответст- сация изменений мощности регулирования, вует двум параллельным линиям). Все это и умеьшается погрешность регулирования будет соответствовать накоплению счетчи- и нестабильность.ком 12 импульсов на его выходе кода "рав Для небольших криостатов и камер с но" двенадцати входным импульсам (фиг, малым полезным объемом напряжение ре 2 а), При этом в начале цикла регулирования гулирующего элемента 13 на его входе обычвыходной код счетчика 12 импульсов равен но мало и составляет 20 - 30 В, а мощность. нулю, При поступлении на счетный вход также не более 30 ВА. В этом случае напрясчетчика 12 импульсов двенадцатого им жение нагревателя стабилизируют с по- пульса выход "равно" второго цифрового мощьюстабилизаторанапряжения. Однако компаратора 5 установится в "лог 1" (фиг в этих криостатах и камерах имеются также 2 л) и через элемент НЕ 21 запретит счет питаемые постоянным напряжениемиспыимпульсов счетчиком 12, Длительность им- туемые большие интегральные схемы(БИС), пульса на выходе "равно" второго цифрово которые выделяют тепло пропорциональго компаратора 5 будет пропорциональна ное, например, их току потребления. В этом заданному значению кода на его вторыхин- случае ток потребления измеряют с по- формационных входах, Этот импульс(ШИМ) мощью аналого-цифрового преобразоватебудет управлять через формирователь 6 уп ля 26, выходной код которого подают на равляющих сигналов регулирующим эле вход блока 4 памяти параметров компенсаментом 13, в качестве которого может быть ции напряжения питания. При этом аналопРименен мощный составнойтранзистор с гично компенсации изменения напряжения нагревателем 14 на его выходе, который питания производится компенсация возму- поддерживает температуру в камере тепла, щающего воздействия температуры камеры Известно, что напряжение питающей сети или кРиостата. Ввиду того, что все камеры/имеют тепловые потери, пропорциональные обьему камеры, имеется необходимость компенсации этих. потерь регулирующим элементом и нагревателем. Например, мощность потерь для камеры обьемом 0,1- 0,3 м и нагревателем с максимальной мощностью Рм = 1000 ВА равна О,ЗРм= 300 ВА. Сопротивление нагревателя Я = 49,2 Ом, 1 н = 4,47 А при Он = 220 В. При Он = 242 В Р= =(щ-у) 49,2 = 1190,3 ВА, при Он -- 198 В242Рм = ( щ у )49,2 = 796,8 ВА198 .Л Р = -203,2 ВА+ 190,З,ВАЙзменение мощности относительно Р потерь = 300 ВА составляет 2/3, Следовательно, точность регулирования данного устройства по сравнению со схемой прототипа выше в 6-7 раз( 66),Вход задержки в формирователе 6 управляющих сигналов с постоянной времени ЙС = 50 10с предназначен для задержки сигнала А В,.имеющего высокий уровень до выхода регулятора на режим регулирования, т.е. при большом разбалансе между. заданной и регулируемой величинами, что необходимо для более быстрого выхода на режим регулирования (поддержания).В данном устройстве точность регулирования определяется измерительной цепью: датчик 15 температуры, усилитель 16 и аналого-цифровой преобразователь 2. Чем больше разрядность и выше точность аналого-цифрового преобразователя 2, тем выше точность регулятора температуры, т.к, все остальные цепи регулятора являются цифровыми, точность которых, как известно; самая высокая, т.е. они вносят незначительные погрешности, Предлагаемое устройство является баяансным, имеет выходы функции "больше", "равно" и "меньше", что позволяет работать не только с транзисторными и симисторными регулирующим элементами, но может одновременно работать с исполнительными элементами других типов, например, включать и отключать электродвигатель вентилятора выходным сигналом "меньше" и т.д;Наличие двух цифровых компараторов, аналого-цифровых преобразователей, блока памяти параметров компенсации напряжения питания, счетчика импульсов, элементов И и НЕ, а также новых связей позволило создать устройство цифрового регулятора с повышенной точностью; позволило отказаться от сравнения аналоговых сигналов, т.е. сравнения сигналов малых уровней, обладающих, как известно, температурным, временным дрейфами и другими недостатками по сравнению с цифровыми элементами. Устройство может работать как в автономном режиме, так и врежиме автоматизированного управления5 от микропроцессоров или ЭВМ,Формула изобретенияЦифровой регулятор температуры, содержащий задатчик температуры, генератор тактовых импульсов, датчик10 температуры, усилитель, формировательсинхроимпульсов, формирователь управляющих сигналов, регулирующий элемент, нагреватель, первый компаратор, причем входусилителя подключен к выходу датчика тем 15 пературы, вход нагревателя подключен квыходу регулирующего элемента, информационный вход которого подключен к выходуформирователя управляющих сигналов,вход разрешения которого подключен к пер 20 вому выходу первого компаратора, отл и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности, введены блок памяти параметровкомпенсации напряжения питания; первый ивторой аналого-цифровые преобразователи,25 счетчик импульсов, первый и второй элементы НЕ, делитель напряжения, первый -четвертый элементы И, первый компараторвыполнен цифровым и дополнительно введен второй цифровой компаратор, выход30 РАВНО которого подключен к управляющему входу формирователя управляющих сигналов и через первый элемент НЕ - кпервому входу первого элемента И, второйвход которого подключен к выходу второго35 элемента И, а третий вход - к выходу третьего элемента И и входу разрешения второгоцифрового компаратора; первый информационный вход которого подключен к выходусчетчика импульсов, счетный вход которого40 подключен к выходу первого элемента И, авход сброса - к выходу четвертого элементаИ и входам запуска первого и второго аналого-цифровых преобразователей, информационные выходы которых подключены45 соответственно к первому информационному входу первого цифрового компаратора ик входу блока памяти параметров компенсации напряжения питания, выходы которогоподключены к вторым информационным50 входам первой группы второго цифровогокомпаратора, вторые информационные входы второй группы которого подключены кинформационным выходам первого цифрового компаратора, выход.разбаланса млад 55 ших разрядов которого подключен кпервому входу второго элемента И, второйвход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, первые входытретьего и четвертого элементов И подключены к выходу разрешения задатчика темпе1781675 ду питания регулирующего элемента и к выходу источника постоянного налряженйя, а выход - к информационному входу второго аналого-цифрового преобразователя, второй вход четвертого элемента И подключен к выходу формирователя синхроимпульсов, задатчик температуры снабжен стробирующим входом, а первый выход первого цифрового компаратара является выходом разбаланса старших разрядов,ог 2 Составитель Л.ОсетинскаяТехред М.Моргентал Корректор А,К Реда Заказ 4274 ВНИИПИ Госу Тиражвенного комитета по иэоб 113035, Москва, Ж, Рау роизводственио-издательский комбинат "Патент", г од, ул. Га Гд ратуры, информационный выход которогоподключен к второму информационномувходу первого цифрового компаратора. авход является информационным входом регулятора, выход усилителя подключен к информационному входу первогоаналого-цифрового преобразователя, выход .готовности которого подключен к входу первого элемента НЕ, выход которого подключен к второму входу третьего элемента И, 10вход делителя напряжения подключен к вхоПодписноеениям и открытиям при ГКНТ СССРкая наб., 4/5