Термостатирующее устройство

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 09) 11) А 1) 4 6 05 Р 23 ТЕН ОПИС ВИДЕТЕПЬСТВ АВТОРСИО ина полиИ.Ленина комены ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Харьковский ордена Лентехнический институт им. В.(56, Авторское свидетельство СССРВ 940141, кл. С 05 Р 23/29, 1980.Мазалов А.Я., Кадулин В.И, Исследование принципов построения прецизионных терморегуляторов, основанных на методе пьезокварцевого преобразования температуры, ПрепринтНаучного Совета при ПрезидиумеАН СССР, М., 1978.(54)(57) ТЕРМОСТАТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее последовательно соединенные первый кварцевый резонатор,опорный генератор, первый формирователь импульсов, компаратор частоты и ключ, последовательно соединенные второй кварцевый резонатор, гетеродин, второй формирователь импульсов, первый блок сравнения частот и импульсно-фазовый детектор,.последовательно соединенные пьезокварцевый датчиктемпературы, автогенератор, третий формирователь импульсов, второй блок сравнения частот, подключенный выходом к второмувходу импульсно-фазового детекторапоследовательно соединенные первыйблок измерительных преобразователейтемпературы, первый блок дифференциальных усилителей, первый блоккомпараторов напряжения, первый эле"мент ИЛИ-НЕ, последовательно соединенные блок задержки и первый триг-,гер, второй вход которого связан свходом блока задержки и цепью"Сброс", измерительный преобразователь температуры, подключенный выходом к входу первого компаратора на"пряжения и к вторым входам дифференциальных усилителей первого блокадифференциальных усилителей, а также усилители мощности грубого и точного контуров, к выходам которыхподключены соответствующие нагреватели грубого и точного контуров,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения точности управлениятеплофизическим объектом в переходном режиме., оно содержит второй ком-.паратор напряжения, трехканальныйкоммутатор, второй триггер, последовательно соединенные первый элементИ, элемент ИЛИ и третий компараторнапряжения, а также последовательединенные второй блок из тельных преобразователей,температуры, второй блок дифференциальныхусилителей, второй блок компараторов напряжения, второй элемент ИЛИНЕ и второй элемент И, подключенныйвыходом к второму входу элементаИЛИ, второй триггер подключен первым входом к цепи "Сброс", вторымвходом - к второму выходу компаратора частоты и управляющим входамключа и импульсно-фазового детектора,прямой выход второго триггера связан с управляющим входом первогоканала трехканального коммутатора,а инверсный выход второго триггерас управляющими входами второго итретьего каналов трехканальногомутатора, выходы которых подключ11 к входам усилителей мощности соответственно грубого и точного контуров, второй компаратор напряжения связан входом с выходом измерительного преобразователя температуры, а выходом - с входом второго элемента ИЛИ-НЕ, причем выход ключа соединен с входом второго канала трехканального коммутатора, вход третьего канала которого соединен с выходом импульсно-фазового детектора, выход измерительного преобразователя температуры связан с вторыми входами дифференциальных усилителей второго ю 93647блока дифференциальных усилителей, первый выход первого триггера соединен с вторым входом первого элемента И, выход первого компаратора напряжения подключен к входу первого элемента ИЛИ"НЕ, выход третьего компа" ратора напряжения через первый канал трехканального коммутатора связан с входом усилителя мощности грубого контура, причем вход первого элемен.та И соединен с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ, а второй выход опорного генератора связан с вторым входом автогенератора.10 15 2025 Изобретение относится к технике автоматического регулирования температуры, конкретнее к системам управления термостатами, предназначенными для прецизионного термостатирования различных радиоэлектронных элементов автоматики, а также к оптимальны по быстродействию устройствам управления объектами с распределенными параметрами.. Кель изобретения - повышение точности управления теплофизическим объектом в переходном режиме.На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - функциональная схема компаратора частоты; на фиг. 3 - временная диаграмма работы термостатирующего устройства в статическом режиме; на фиг. 4 - временная диаграмма ра" боты термостатирующего устройства в переходном режиме.Термостатирующее устройство (фиг. 1) содержит пьезокварцевый датчик 1 температуры, первый блок измерительных преобразователей 2 температуры с терморезисторными датчиками, второй блок измерительных преобразователей 3 температуры с терморезисторными датчиками, измерительпый преобразователь 4 температуры, первый блок 5 дифференциальных усилителей, второй блок б диффернциальньгх усилителей, первый блок компараторов 7 напряжения, первый компаратор 8-1 напряжения, второй компаратор 8-2 напряжения, второй блок ком 2параторов 9 напряжения, первый элемент ИЛИ"НЕ 10, второй элемент ИЛИНЕ 11, первый элемент И 12, второй элемент И 13, элемент ИЛИ 14, первый триггер 15, блок 16 задержки, третий компаратор 17 напряжения, второй триггер 18, трехканальный коммутатор 19 напряжений, первый кварцевый резонатор 20,второй кварцевый резонатор 21, автогенератор 22, опорный генератор 23, гетеродин 24, первый формирователь 25 импульсов, второй формирователь 26 импульсов, третий формирователь 27 импульсов, компаратор 28 частоты, первый блок 29 сравнения частот, второйблок 30 сравнения частот, ключ 31,импульсно-фазовый детектор 32 усиЭ (литель 33 мощности грубого контура,усилитель 34 мощности точного контура, нагреватель 35 грубого контура,нагреватель 36 точного контура,цепь "Сброс" 37 по которой подаетсяустановочный сигнал (" Сброс" ),Кроме того, компаратор 28 частоты(фиг. 2) состоит из блока 28-1 срав" нения частот и блока 28-2 определения знака разности частот, которые, в свою очередь, содержат третий триггер 38 (со счетным входом), третий элемент И 39, четвертый элемент И 40, четвертый триггер 41, четвертый 35формирователь 42 импульсов, второй блок 43 задержки, пятый элемент И 44, шестой элемент И 45, пятый триг1193 20 30 гер 46, шестой триггер 47 седьмой триггер 48.В устройстве объект термостатиро" вания представлет собой объект с распределнными параметрами (РП-объект) и для оптимального управления им по принципу обратной связи он должен быть наблюдаем, т.е. в заданные точки РП-объекта термостатирования для контроля его состояния в каж. 10 дый момент времени в переходном режиме установлены датчики температуры. В таком устройстве в качестве измерительных преобразователей 2-4 температуры в напряжение может приме. няться термочувствительный мост, подключенный к входу диффернциальных усилителей, а также пирометр. Причем датчик измерительного преобразователя 4 установленца входе объекта управления рядом с нагревателем (в точке Б РП-объекта), а остальные Е + и датчиков измерительных . преобразователей 2 и 3 температуры установлены в различных заданных25 точках М. объекта термостатирования (на выходах объекта термостатиэования). Малая постоянная времени - основное требование, предъявляемоепреобразователям 2-4, поэтому в качестве датчиков к ним желательно применять терморезисторные датчик температуры (например, бусинкового типа), которые при этом обеспечивают и достаточную точность измерения температуры. 35Пьезокварцевый датчик 1 температу. ры устанавливается в заданную точку объекта термостатировация, для которой необходимо поддерживать прецизионное термостатиронание (в устано Вившемся режиме) .Рассмотрим работу устройства (фиг. 1), где в качестве нагревателя 35 грубого контура возьмем, например, управляемую реверсивную термо- ф 5 батарею. При включении питания ца блок 6 задержки и на триггеры 15 и 18 через зажим "Сброс" 37 подается установочный сигнал (" Сброс" ), который устанавливает схему в исходное положение. После этого коммутатор 19 под действием управления с триггера 18 подключает выход. третьего компаратора к входу усилителя 33 мощности грубого контура, а выходы ключа 31 и импульсно-Фазового детектора 32 отключает от соответствующих входов уси-. 64 4лителей мощности грубого и точного контуров. В свою очередь триггер 15 разрешает прохождение импульсов с выхода первого элемента ИЛИ-НЕ 10, а прохождение импульсов с выхода второго элемента ИЛИ-НЕ 11 при этом запрещает.Выходными наблюдаемыми координатамц У; РП-объекта является темпера- тура Т, в точке И на выходе РП-объекта, температурные перепады в различных точках М относительноточки Я,1т.е. Т, - Т 1= сГТ;, точкой Ь обозначена точка РП-объекта с максимальной величиной времени запаздывания.На вторые входы компараторов первого и второго блока компараторов 7 и 9 подаются напряжения, соответствующие допустимым предельным значениям температурных перепадов д"Т На второй вход первого компаратора 8-1 подается напряжение, соответствующее предельно допустимой темпера-. туре ца входе РП-объекта, т.е. соответствующее Т.н , а ца второй входмаккомпаратора 8-2 подается напряжение, соответствующее заданной конечной температуре статировация Т. Таким образом, на выходах компараторов7, 8-1, 8-2 и 9 в зависимости от значений наблюдаемых выходных кооопинат У; объекта получаем логические "О" .или "1", которые далее поступают на логические элементы ИЛИ-НЕ О и1.В переходном режиме устройство работате следующим образом.При оптимальном быстродействии на вход объекта с начального момента времени подается максимальное управ+ляющее. воздействие 11, до тех пор, пока одна из выходных координат У объекта достигает своего предельного значения У,. После этого вход 1 Доное воздействие уменьшается скачком и регулируется (релейно) так, чтобы выходная координата це превышала допустимого значения, т.е. скользила по области допустимых значений координат объекта. И так продолжается до определенного Фиксированного мо мента времени е 0, Т . Скорость подвода энергии к РП-объекту в этот промежуток времени. превышает скорость распространения тепла (выравнивания) по объекту, поэтому теплота в основном сконцентрирована на входе объекта. Этот промежутоквремени называется временем фиксированного разгона РП-объекта в режим, К193647 Ьто при релейном двухпозиционном управлении в переходном режиме оператор 11,У) управляющего устройства с учетом обозначений (1) - (3) можно пРедставить н том виде 1 О 2 и и + 1 причем и + 1 - количество выходных координат У, на которые наложены огранйчения,В момент времени 7, задерживаемый импульс "Сброс" с выхода блока 16 задержки перебрасывает первый триггер 15 в другое состояние. В свою очередь первый триггер 15 запрещает прохождение импульсов с ны" хода первого элемента ИЛИ-НЕ 10, а прохождение импульсОв с выхода второго элемента ИЛИ-НЕ 11 разрешает.Таким образом, в момент времени /ь подается предельное управляющее воздейстние (Б и ) до тех пор, пока хотя бы одна из выходных координат объекта достигает предельного значения. Далее идет скольжение по области допутимых значений координат объек та. Как толко последняя координата объекта переместится с границы области Я допустимых значений внутрь этой области, то на объект снова подается предельное управляющее воздействие (П). И так продолжается до тех пор, пока температура на вхо. де объекта достигает заданного конечного значения. Этот промежуток времени называется временем форсированно"о торможения объекта, Для этого интервала 76 О,Т введем обозначения: 50 55 ОФ.ф 5 1 концу этого промежутка времени объект обладает энергией больше той, которая соответствует его заданному конечному состоянию. Для этого интервала 7610 С 1,1 введем обозначения:(3) О, при Оф = 15 20 25 30 35 40 45 2 3 " й+1 " / "1)М Г ч л- ч, Ч Р, р 0 )1= ч ч Рфчча+1 2" К " "1 Графики переходных процессов в РП-объекте. при оптимальном управлении приведены на фиг. 4, Временной интервал 0 ТРдля удобства рассмотрения разбит на восемь участков (фиг. 4 а).На интервале 0-1 РП-объект движется с максимальной скоростью при предельном значении управляющего возДействия (11) в сторону максимального увеличейия температуры ТЛ 1 на входе объекта. В конце интервала 0-1 объект достигает границы области допустимого значения температурного перепада ЮТв заданных точках и в течение отрезка времени 1-2 скользит по границе этой области (фиг.4 в). На интервале 2-3, когда температурный перепад уменьшается, т.е. д"Т; ( С О; ляРП-объект снова двигается с максимальной скоростью при предельном значенииуправляющего воздействия до тех пор, пока не достигает предельно допустимого (граничного) значения второй координаты, т,е. До момента достижения максимально допустимой температуры на входе РП-объекта Тл(1) = Т 1. На интервале 3-4, РП-объект скользит по гра" нице области допустимого значения температуры на его входе, т,е. поддерживается температура ТЛ 1(Т) = Тл/ (фиг. 4 г).На интервале ( Т,//, ) есть один Участок 5-6 стабилизации (скольжения), где температурный перепад )"Т поддерживается уже на другом предельно допустимом уровне (фиг. 4 в). Графики изменения температуры ТЛ 1(Т) на входе РП-объекта изменения температуры Т,(с) в точках Ь и Тц.(Г) в одной из промежуточных точек М РП-объекта приведены на фиг. 4 г.Графики изменения количества теплоты Я(С) содержащейся в РП-объекте н процессе оптимального управле. -:= сйоп /Й 1, приведены на фиг. 4 б,1 Для функции У д (г) характерным является то, что она в течение времени 7 60, С, 1 является положительной,а в момент времени ф: меняет свойзнак на обратный и на интервале времени 6 Тостается отрицательной функцией. На блоках 1, 19-36 предлагаемого ,устройства осуществляется принцип терморегулирования, основанный на сравнении частоты и фазы пьезокварцевого датчика 1 с частотой и фазой опорного генератора 23 при использовании гетеродина 24.Вторая часть схемы (фиг. 1) включает каналы грубого и точного терморегулирования. Временная диаграмма работы грубого и точного каналов представлена на фиг. 3, где диаграмма (а) показывает изменение температуры в заданной точке камеры термостата.Канал грубого терморегулирования работает следующим образом. Пьезокварцевый датчик 1 температуры возбуждается в схеме автогенератора 22, с выхода которого напряжение через третий формирователь 27 импульсов поступает на компаратор 28 частоты. На другой вход компаратора 28 частоты поступает через второй формирователь 26 импульсов напряжение опорного генератора 23, стабилизированного первым кварцевым резонатором 20, Компаратор 28 частоты (фиг. 2) состоит из двух блоков: блока 28-1 сравнения (определения величины разности) частот и блока 28-2 определения знака разности частот датчика 1 и опорного генератора 23.. Блок 28-1 сравнения частот вырабатывает имнульсы постоянной длительности (фиг., Зб) с периодом повторения, равным Т = 1/Р, где Г =Е - Й - разность частот опорвпного генератора 23 и датчика 1 соответственно. Момент, когда разность частот опорного генератора 23 и датчика 1 меняет свой знак на обратный, соответствует тому, что температура в термостатирующем устройстве достигает заданного конечного значения Т. В этот момент срабатывает пятый триггер 46 блока 28-2, который перебрасывает второй триггер 18. После этого коммутатор 1 О20253035404550 647 819 под действием управления с триггера 18 отключает выход третьего компаратора 17 от входа усилителя 33 мощности грубого контура, а выходы ключа 31 и импульсно-фазового детектора 32 подключает к соответствующим входам усилителей 33 и 34 мощности грубого и точного контуров. С этого момента терморегулиро-вание осуществляется исключительно по сигналу с пьезокварцевого датчика 1 температуры.При изменении в процессе терморегулирования разности частот Р = - Гц - Г меняется скважность импульсов и, следовательно, средняя мощность нагревателя.Импульсы через ключ 31, управляемый потенциалом с выхода блока 28-2 определения знака разности частот, (фиг. Зв) поступают на усилитель 33 мощности, нагрузкой которого является нагреватель 35, Блок 28-2 определения знака закрываетключ 31, если Г ) К.Для синхронизации частоты датчика 1 частотой опорного генератора 23 оба генератора связаны цепью синхронизации, представляющей собой делитель напряжения, Если в процессе нагревания термостата частота датчика 1 приближается к частоте опорного генератора 23 на величину порядка 2 10 от номинала, происходит захват частоты первого из них, Таким образом, схема терморегулирования является астатической по частоте. В зоне захвата частоты происходит регулирование температуры по величине рассогласования фаз напряжений генераторов 22 и.23, реализуемое точным контуром, работа которого происходит следующим образом.Напряжение гетеродина 24, стабилизированного вторым кварцевым резонатором 21, через второй фо 1 мирователь 26 импульсов поступает на блоки 29 и 30 сравнения частот. На другие входы этих блоков сравнения частот подаются импульсные напряжения автогенератора 22 и опорного генератора 23. С выходов блоков 29и 30 сравнения на импульсно-фазовый детектор 32 поступают импульсные напряжения частоты повторения Р со скважностью 2, имеющие. фазы автогенератора 22 и опорного генератора23 соответственно (фиг, Зг, д), Детектор 32 вырабатывает импульсное.9напряжение (фиг. Зе) со скважностью, пропорциональной отклонению температуры в камере термостата от номинальной. Кроме того, детектор 32. может отключаться управляющим напряжением, поступающим .с блока 28-2 определения знака разноСти частот в случае перегрева камеры термоста-. та.В предлагаемом устройстве момент ч 1/Ь перехода от форсированного разогрева к формированному охлаждению, который определяется блоком 16 задержки, зависит от начальных и граничных условий, а также от величины заданной температуры статпрования и от ограничений, накладываемых на управление и выходные координаты У объекта. Поэтому время задержки Г блока 16 задержки определяется предварительно, например, методом моделирования. Если же время задержки предварительно такйм путем определить невозможно, то его достаточно просто можно определить экспериментально на предлагаемом устройстве, При этом оператор, наблюдая переходный процесс с помощью измеритель- ,ного устройства (например, вторичного самопишущего прибора), каждый 193647 Ораз от одного запуска к другому регулирует время задержки блока 16до тех пор, пока перерегулированиев заданной точке объекта будет соответствовать заданному. Как правило, такой выходной точкой являетсяточка Ь объекта регулирования. Еслив процессе эксплуатации предлагаемого устройства изменились парамет О ры, от которых зависит время задержкиблока 16 задержки, то времязадержки этого блока необходимо приэтом определить зановоПредлагаемое устройство позволя ет осуществлять оптимальное по быстродействию управление теплофизичес"кими объектами с распределенными параметрамн при одновременно накладываемых ограничениях как на управляю щее воздействие, так и на выходныекоординатыРП-объекта, т;е. когдаограничена величина максимальнойтемпературы на выходе РП-объекта,а также допускает наложения целого 25 ряда ограничений на температурныеперепады в заданных точках РП-объек-та. При этом устройство обеспечивает высокую точность стабилизации температуры (не ниже 7 10 С при тем"пературе окружающей среды 5-45 С).93647 г.З б 7 у туиг 4 ктор Р аз 731 Подпис т откры к ил Состаивтель С.СтрелТехред Т,Дубинчак 1Тираж 86 ИИПИ Государственного ио делам изобретений 35, Москва, Ж, Ра Патент", г.ужгород, ул.Прое орректор А. Зимокосов