Устройство для регулирования технологических параметров

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено. 040980 (21) 2979270/18-24 (1) М. КП. с.присоединением заявки Нов С 05 П 23/24 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийОпубликовано 15,09,82, Бюллетень М 34 Дата опубликования описания 170982(72) Авторизобретения ешето Заявите 54) УСТРОЙСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКРАИЕТРОВ ВаоИзобретение относится к технике регулирования температуры, а именно.к устройствам для регулирования технологических параметров, например 5 температуры, давления, вакуума ит,д, и может быть использовано для поддержания параметров процесса согласно программы, либо для Форсироьанного и высокоточного выведения 10 параметра, объекта регулирования к уставке задания беэ "пробега".Известны двухпозиционные и трех-.позиционные регуляторы (температуры) а также регуляторы, обеспечивающне уменьшение колебательности за счет ;:спользования обратных связей, изменяющих положение рабочей точки в процессе подхода системы в согласованное состояние. В двухпоэиционном регуляторе, за счет корректирующей обратной связи, обеспечивается лучшее качество регулирования в сравнении с регуляторами, в которых эта связь отсутствует 1).Наиболее близким по технической сущности кпредлагаемому является устройство для регулирования температуры, в котором действие обратной связи, вызывающей различную интенсивность разогрева датчика температуры зависит от скважности работы .триггера, в плечо которого включен исполнительный элемент объекта регулиро ния. Поскольку более сильному откл нению от согласованного состояния соответствует диапазон с большей изменяющейся скважностью включений триггера, то разогрев датчика температуры более интенсивен. Поэтому более интенсивно восстанавливается баланс резистивного моста, в плечо которого включен датчик температуры. При остывании датчика температуры вновь возникает разбаланс и система приходит в согласованное состояние уже при другой, меньшей температуре датчика и при другом диапазоне вклю" чений с меньшей изменяющейся скважностью. Обеспечивается последовательное изменение скважности в цикле включено - выключено с уменьшением диапазона скважности включений в диапазоне начиная от К=1, осуществляется "гибкая" обратная связь с изменением интенсивности ее действия при различной величине возмущений Г 2Однако известное устройство характеризуется недостаточно широким диапазоном применения, так как необходимым условием воэможности Функционирования является наличие термочувствительного резистора, включен-ного в плечо резистивного моста,измерительная диагональ котороговключена в плечо триггера с исполнительным элементом, При регулирОва-нии более высоких температур использовать терморезистор не представляет"ся возможным, а используются другиедатчики, например термопары, какнапример, в случае стабилизации температуры .катода электронно-лучевогоиспарителя материалов, возбуждающегостабилизированный эмиссионный ток луча.Существенным недостатком известного устройства является невозможность его использования в следящейсистеме, либо когда необходимо уставку задания перевести с высшего параметра на низший. Это объясняется тем,что-при изменении, например, темпе"ратуры с низшей на высшую на измерительной диагонали резистивного моста, при приближении к температуре уставки задания возникает баланс, послечего при дальнейшем повышении сигналрассогласования, как бы мнимый, возниникает вновь. Переводить уставку задания можно только с низшего параметра на высший.Недостатком устройства является 30и отсутствие возможности форсировкипереходного режима, что объясняетсялинейным характером широтно-импульсногО управления. Для ряда процессовс большой интенсивностью возмущающих 35воздействий на регулируемый параметрсуществует необходимость линейныйхарактер широтного управления остав.лять только для малых рассогласований, т.е. для определеннфго уровня, 40желательно регулируемого, после чего обеспечивать релейный характеротработки,Конструктивным и технологическимнеудобством известного устройстваявляется необходимость обратную связьзаводить на сам датчик (температуры)что ограничивает возможность его:миниатюризации, так как датчик долженрассеивать определенную мощность.Неудобства также имеются с точкизрения техники безопасности и невысокой надежности такого техническогорешения.Кроме того, недостатком устройстваявляется сложность настройки двух 55.каналов. При этом, для того, чтобыизменить уставку задания, изменяютпорог срабатывания формирователейобоих каналов, т.е. настройка требует высокой квалификации обслуживающего персонала,50 Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей устройства. Указанная цель достигается тем, .что устройство для регулированиятехнологических параметров содержит последовательно соединенные компенсационный мост с датчиком параметрав одном из плеч моста, демодулятор и генератор пилообразного напряжения, к второму входу которого подключенсинхронизатор, первый и второй формирователи импульсов, источники постоянного и переменного тока, выпрями- . тельный диодный мост, последовательно соединенные симистор и исполнительные органы, а также тиристор форсировки и последовательно соединенные фазочувствиаельный выпрямитель и блок параметрической обратной связи, второй вход которого подключенк выходу генератора пилообразно.го напряжения, а первый выход - квходу первого формирователя импульсов, содержащего последовательно соединенные операционный усили-. . тель и диод, встречно-паралплельнодиоду включен тиристор форсировки,управляющий электрод которого подключен к выходу второго формирователя, входы которого подключены к выходу демодулятора и второму выходуфазочувствительного выпрямителя соответственно, последовательно соединенные симистор и исполнительныеэлементы включены в диагональ выпрямительного моста, подключенного к источнику переменного тока, управляю"щий электрод симистора подключенк выходу первого формирователя импульсов, анод и катод - к второмувыходу и третьему входу блока параметрической обратной связи соответственно.Блок параметрической обратнойсвязи содержит защитный диод, термозависимый элемент, тиристор и последовательно соединенные ограничительные резисторы, включенные. междууправляющим электродом и катодом тиристора, который связан с общим проводом, а анод тиристора - с первымвыводом термозависимого элемента,причем первый вход блока параметри; ческой обратной связи соединен с управляющим электродом тиристора, второй вход - с вторым выводом термозависимого элемента, третий входс точкой соединения ограничительных резисторов, первый выход - с анодом тиристора, а второй выход - с катодом защитногодиода, анод которого подключен к источнику положительного напряжения.Такая структура устройства обеспечивает "внутреннюю, гибкую" обратную связь и позволяет в компенсацион. ном мосте использовать различные типы датчиков и преобразователей не- электрических величин в электрические, в том числе и терморезисторы.Введение симистора с его воэможностью поджига от положительных и отри-цательных импульсов, а также опера-.ционного усилителя в составе Формирователя позволяет осуществить форсировку,переходных процессов. Введе"ние фазочувствительного выпрямителяобеспечивает универсальность регулирования в следящем режиме согласнопрограммы, то есть от высшей уставки задания к низшей и наоборот.Использование одного генератора пилообразного напряжения упрощает настройку .и регулировку регулятора.На фиг,1,изображена структурнаяблок-схема устройства; на фиг.2диаграммы температуры в переходномрежиме: 1 - предлагаемого устройства и й - прототипа.1На фиг.3-5 - сравнительные диаграммы предлагаемого устройства встадиях широтного управления. генератора пилообразного напряжения по"вертикальному" способу:на А - заполнение синусоиды на исполнительном органе,на Б - порог срабатывания Мо формирователя с операционным усилителеми диодомна В - при различных сигналахрассогласования на выходе демодулятора (фиг.3-5)где 98= 0 )Ц- средний уровень;щах Ц- максимум.На фиг.б и 7 - диаграммы форсиров.ки при различныхпорогах настройкивторого Формирователяна А - соответственно фигурам би 7, где Ц - порог срабатываниясогласно настройки соответствующеймаксимальному сигналу выхода демодулятораЦ" = щах Цди согласно настройкиЦс. "аНа фиг,В и 9 - диаграммы переходныхрежимов при разных настройках форсировки (фиг.б и 7) .Устройство для регулирования технологических параметров, напримертемпературы, давления, вакуума ит.д., содержит (фиг.1) компенсационный мост. 1, в плечи которого включены соответственно датчик 2 параметра(ГПН), демодулятор 7, формирователиимпульсов 8 и 9, блок параметрической обратной связи 10, тиристор форсировки 11, фазочувствительный выпрямитель 12, симистор 13, исполнительные,органы 14 и .15, выпрямительный диодный мост 16, при этом блок 10 параметрической обратной связи содержит50 1020 2530354045 защитный диод 17, тиристор 18, термозависимый элемент 19, а Формирователь 9 содержит последовательно соединенные операционный усилитель 20 и диод 21, Компенсационный мост 1 питающей диагональю подключен к источнику питания переменного тока произвольной частоты (желательно Е 3 Ес,где Е- частота напряжения питания исполнительных органов), а измерительной диагональю - к де" модулятору 7 и фазочувствительному выпрямителю 12 и служит для выработки сигналов рассогласованиядатчик 2 технологического параметра и компенсационный элемент 3 помещены один на объекте регулирования, другой в термостате.Посредством демодулятора 7 вырабатывается управляющее напряжение (Фиг.3-5, соответственно Од=О,Ц 8 и щах 1)8) для ГПН, синхронизированного синхронизатором 5 с частотой синхронизации Е питающего напряжение. Посредством фазочувствительного выпрямителя 12 определяется фаза напряжения измерительной диагонали компенсационного моста 1, При фазе 0-180 фазочувствительный выпрямитель 12 вырабатывает нулевое .напряжение., а при "перевороте фазы", что возникает в области превышения объектом регулирования заданного параметра, - положительное напряжение, блокирующее прохождение сигнала рассогласования, "поджигающего".симистор 13, включенный в диагональ выпрямительного моста 16 последовательно с исполнительными органами 14 и 15, а также блокирует поджигтиристора форсировки 11 воздействием на формирователь 8. Такой переворот фазы может возникать при изменении уставки задания параметра с высшего на низший и объясняется тем, что мост может иметь одно состояние баланса при раэбалансах в разных фазах по обе стороны от положения баланса. Выход демодулятора 7,объединен с входом формирователя 8, вырабатывающего сигнал поджига тиристора форсировки 11 при определенном. задаваемом уставкой (на фиг.1 не изображена), уровне сигнала рассогласования фиг.б и 7, диагр.А). Это обеспечивает поджиг семистора 13 отрицательными им" пульсами и приложение напряжения питания к исполнительным органам 14 и 15 в полном заполнении синусоиды напряжения (фиг.б и 7, диагр.Б)Формирователь 9, входом подключенный через блок 10 параметрической обратной связи к выходу генератора пилообразного напряжения б, срабатывает при уровне напряжения на входе Мо (Фиг.3-5 диагр. Б), вырабатывает при этом положительные импульсы поджига симистора 13 и служит для обеспечения широтно-,импульсного регулирования. Блок 10 параметрической обратной связи обеспечивает шинтирование входа формирователя 9 после открывания симистора 13 посредством тиристора 18. кроме того, при этом изменяются сос тояния разогрева термочувствительного элемента 19, вследствие широтной модуляции включений симистора, и изменяется (корректируется) порог срабатывания формирователя 9 (фиг,2). Блок 10 10.обеспечивает упреждающее отклонение исполнительных органов при подходе регулируемого параметра к устав-ке задания.Защитный диод,;17 обеспечивает под ключение источника постоянного тока (+П общий) (на фиг.1 не показан) к триакам симистора 13 и поджиг тиристора 18 в блоке 10 обратной связи с момента открывания симистора 13, когда его внутреннее сопротивление уменьшается вследствие прохождения тока нагрузки.Исполнительные органы 14 и 15, подключенные параллельно между собой и последовательно с симистором 13 через выпрямительныймост 1 б к напряжению источника переменного тока, могут быть, например, соответственно, электромагнитным клапаном, изменяющим поступление хладагента З 0 (паров азота) изменением сечения канала и вентилятором с регулируемым числом оборотов.Устройство работает следующим образом. 35Пусть задана температура задания Т 3 (Фиг,2) посредством резистора 4. уставки задания (фиг.1). В пусковом режиме. сигнал рассогласования, снимаемый с измерительной диагонали 40 моста 1 до окрестности точки А (Фиг.2), где возникает первое балансное состояние моста, максимальный. На выходе демодулятора 7 в пусковом режиме вырабатывается максимальное напряжение, которое смещает пи лообразное напряжение генератора бпо "вертикальному" способу, Срабатыва-,ние формирователя 9 (точка М 1 Фиг,5, диагр,В) обеспечивает максимальное заполнение в кадре полупериода питающего напряжение (фиг.б, диагр.Б ) при соответствующей коммутации симистора 13. В пусковом режиме (фиг.9) Форсировки функционирует дополнительная связь, обеспечиваемая тиристором Форсировки 11, за счет которой происходит полное "заполнение" синусоиды (Фиг,б, диагр.Б). Тиристор Форсировки 11 находится в проводящем состоянии от положительного импульса, Формируемого формирователем 8 в течение периода соответствующей амплитуды сигнала, формируемого демодулятором 7. Очевидно, что он находится в проводящем состоянии в течение65 всего пускового периода форсировки и обеспечивает включение симистора 13 отрицательным импульсом тока, так как анодом он .соединен с.триаками управляющего электрода симистора 13, а катодом в . с выходом операционного усилителя 20 и (ОУ), находящегося в минусовом состоянии, в течение пускового периода форсировки, то есть управляющий электрод симистора соединен через проводящий тиристор Форсировки 11 и внутреннее сопротивление ОУ с минусовым источником питания, По окончании периода Форсировки упомянутый тиристор переходит в не- проводящее состояние при соответствующем уменьшении сигнала на выходе демодулятора 7, а также с момента возникновения динамического состояния ОУ 20.Проводящее состояние симистора 13 в течение периода Форсировки(фиг.8,9) обеспечивает действие максимальной гибкой обратной связи посредством включения тиристора 18 положительным импульсом, формируемым Фазочувствительным выпрямителем 12 и суммирующимся с ним напряжением источника положительного напряжения +Од (Фиг.1), которое, прикладывается к управляющему электроду тиристора 13. На анод этого тиристора поступает пилообразное напряжение с выхода генератора 6, которое суммируется в генераторе с напряжением демодулятора 7 (фиг.5), а катод тиристора 18 соединен с шиной."общий". Включение тиристора 18 обеспечивает максимальный разогрев термочувствительного элемента 19 током тиристора и обеспечивает упомянутое минусовое состояние ОУ 20, настроенного так, что потенциал на его инвертирующем входе превышает потенциал неинвертирующего за счет падения напряжения на резисторе, которое обеспечивается втекающим током ОУ. В закрытом состоянии тиристора 18 ОУ 20 также находится в минусовом состоянии до момента, когда пилообразное напряжение генератора б не достигнет порога срабатывания О в точке Мо (Фиг.5,4,3) и Оу переходит в плюс-состояние.фазочувствительный выпрямитель 12 обеспечивает статическое минус-состояние ОУ на период форсировки при открытом тиристоре форсировки 11, а когда он включается от уменьшения сигнала разбаЛанса моста 1 при приближении к первому балансному состоянию в точке Л (Фиг.2), симистор 13 переходит из статического включенного состояния в динамическое. От этого также в динамическое состояние переходит тиристор 18 и ОУ 20 при срабатываниях по достижению пилообразным напряжением порога срабатывания 0 (Фиг.5,4,3). Осуществляет5105 20 Формула изобретения 1. Устройство для регулирования тех-нологических параметров, содержащеепоследовательно соединенные компенса-ционный мост с датчиком параметра 60,в одном из плеч, демодулятор и генератор пилообразного напряжения,к второ 65 му входу которого подключен синхрони" ся режим широтно-импульсного регулирования с уменьшением скважностивключения при приближении сигналаразбаланса моста 1 к балансному .состоянию. Соответственно изменениюскважности включений в диапазонеО .К ( 1, где К - скважность включения, а К=1 соответствует периодуфорсировки, изменяется и действиегибкой обратной .связи. Из максимально разогретого состоя ния в период форсировки (фиг.8,9)в момент прихода температуры объекта к первому балансному состояниюмоста 1 в точке А (фиг.2) термочувствительный элемент 19 оказываетсяв состоянии некоторогО инерционного разогрева. По мере его остывания всвязи с уменьшением скважности .включений тиристора 18 изменяется его сопротивление в сторону увеличения (если отрицательный ТКЕ). Падение напряжения на нем увеличивается от втекающего тока (+) = входа ОУ (малого по сравнению с.током открытого тиристора 18). Это приближает потенциал (+) -входа ОУ к потенциалу (-) - входаКогда потенциалы от втекающих токов на обоих входах ОУ сравняются (фиг.З) и в.дальнейшем произойдет . некоторое древышение потенциала на (-) -входе, динамическое состояние, ОУ в области широтно-импульсного управления со скважностью прекращается и ОУ переходит в минус-состояние при К=О. В области последова тельных балансных состояний моста1 (А..А) сигнал разбаланса ввидуменьшего значения по сравнениюс максимальным сигналом форсировки не может обеспечить включения тиристора форсировки 11 посредством формирователя 8 и соответствующеговключения симистора 13 отрицательным импульсом (симистор коммутируется в отличие от тиристора как положительными, так и отрицательными токовыми импульсами по управляющему электроду). Прохождение отрицательного импульса при закрытом тиристоре форсировки 11 блокируется диодом 21, пропускающим только положительный импульс,Нулевая сквожность включений ОУ соответствует балансному состоянию моста 1 при соответствующих состояниях термочувствительного элемента 19, которые, в.свою очередь определяются величиной сигнала рассогласования и тем, насколько близко температура .объекта регулирования соответствует. температуре устаьки. Это определяет и "вязкое демпфированиеф. если теплопотери объекта изменяются от возмущающих факторов изменения массы, охлаждения и так далее: при малых рассогласованиях фактор дейст 25 30 35 40 45 50 55 вия обратной связи незначительный.При увеличении рассогласования действие обратной связи интенсивно увели"чивается .и, наконец, имеет место режим ФЬрсировки со скважностьюК=1. Такой характер гибкой обратнойсвязи определяет также малое (либонулевое ) перерегулирование стабилизируемого технологического параметра,например тока луча электронно-лучевого испарителя вакуумных покрытий.Так,. если цепь с током луча подключена к измерительной диагонали моста 1, в одно из плеч которого подключен, например, стабилитрон, тоимеет место модуляция этого токапеременным напряжением и соответствующая стабилизация тока луча воздействием исполнительным органомсимистором на возбудитель эмиссиитока луча регулируемым нагревомнити накала возбудителя, либо регулированием тока плазмы. Это регулирование осуществляется с гибкой внутренней обратной связью согласно описанию аналогично тому, как это осуществляется в прототипе, но с существенной разницей в том, что воздействие гибкой внутренней обратной связи не связано с датчиком.Таким образом, обеспечивается возможность расширить диапазон использования устройства, принятого за прототип, так как отпадает необходимость использования в качестве датчика температуры одних только термосопротивлений, имеющих низкий диапазон рабочих температур, Увеличи-. вается точность регулирования при изменяющихся нетемпературных параметрах объекта регулирования Это выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа, обеспечивая возможность высокоточного регулирования ряда процессов. Форснровка, обеспечиваемая устройством с возможностью ее регулировки,(фиг.8 и 9) повышает скорость отработки рассогласования и обеспечивает существенный экономический эффект.Универсальность регулирования с возможностью следящего режима устройства, также выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа.Использование одного генератора пилообразного напряжения упрощает настройку в сравнении с прототипом.затор постоянного. и переменного токавыпрямительный диодный мост, последовательно соединенный снмистор и исполнительные органы, о т л и ч а ю"щ е е с я тем, что, с целью расширения Функциональных возможностей, 3устройство содержит тиристор форсировки и последовательно соединеннцефазочувствительный выпрямитель и блокпараметрической обратной связи, второй вход которого подключен к выхо-. 30ду генератора пилообразного напряжения, а первый выход - к входу первого формирователя импульсов, содержащего последовательно соединенныеоперационный усилитель и диод, встреч.5но-параллельно диоду включен тиристор форсировки, управляющий электродкоторого подключен к выходу второгоформирователя, входы которого подключены к выходу демодулятора и второмувыходу Фазочувствительного выпрямителя соответственно, последовательносоединенные симистор и исполнительныеэлементы включены в диагональ выпрямительного моста, подключенного к источ,нику переменного тока, управлякаийэлектрод симистора подключен к вы.ходу первого Формирователя импульсов,анод и катод - к второму выходу и третьему входу блока параметрическойобратной связи соответственно.2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок параметрической обратной. связи содержитзащитный диод, термозависимый элемент, тиристор и последовательно соединенные ограничительные резисторы,включенные между управляааим электродом и катодом тиристора, которыйсвязан с общим проводом, а анод тиристора -. с первьи выводом термозависимого элемента, причем первыйвход блока параметрической обратнойсвязи соединен с управляющим электродом тиристора, второй вход - с вторымвыводом термоэависимого элемента, третий вход в . с точкой соединения ограничительных резисторов, первый выходс анодом тиристора, а второй. выходс катодом защитного диода, анод которого подключен к источнйку положительного напряжения.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРЮ 463953, кл. С 05 0 23/24, 1971.2. Авторское свидетельство СССРВ б 62918, кл. С 05 Р 23/24, 1976.прототип) .