Термостатирующее устройство

Союз Советск инСоцналнстичесиннРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ пц 940141(51)М. Кл, С 050 23/19 Ркударстмнны 3 квинтет СССР йв делаю нзабретеннй н вткрнтнй(72) Автор изобретения Г, В, Евстратов Харьковский ордена Ленина п хнический институт им, В, И, Ленина(54) ТЕРМОСТАТИРУЮШЕЕ УСТРОЙСТВО 1Изобретение относится к технике автоматического регулирования температуры, а более конкретно к системам управления термостатами, предназначенными для термостатирования различных радио 5 электронных элементов автоматики, а также относится к оптимальным по быстродействию устройствам управления обьектами с распределенными параметрами.Известно термостатирующее устройся во, содержащее термоЧувствительный мост, подключенный к блоку управления, к выходу которого через последовательно соединенные ключевой элемент и усилигель мощности подключен нагреватель, а также содержащее подключенные к выходу ключевого элемента последователь. но соединенные генератор линейно возрастающего напряжения и.пороговый элемент, выход которого подключен к 20 одному из плеч термочвстительного моста 11.Недостатком укаэанного устройства является низкое быстродействие, а также 2то, что устройство работает толью наг подогреве, т.е. работает только в тех условиях, когда температура статирования выше температуры окружающей среды.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является термостатиру к щее устройство, содержащее термочувствительный мост и задатчик температур, подключенный к блоку управления, компаратор, последовательно сееднненные генератор монотонно возрастающего напряжения и первый пороговый элемент, последовательно соединенные основные усилитель мощности и исполнительный элемент, а также содержит подклкяенные к первому выходу блока управления последовательно соединенные блок памяти начальной температуры, дифференцвльный усилитель, второй пороговый элемент, смеситель видеоимнульсов и упрввляктдий триггер, в также содержит инвертирующий повторитель и коммута 3 94014 : ор напряжений, первый и второй каналы которого соединены с выходами компаратора и блока управления, а вьеход ко;амутатора нвпряжений связан с входом основного усилителя моепности, причем второй вход дифференциатпного усилитчпя связан с выходом задатчика тем-, пературы, а выход - с входом коещаратооа и с вторьем входом первого порогового элемента, выходом связанного с О вторым входом смесителя видеоигр,пеульсов, вход инвертируеоепего повторителя связан с выходоМ генератора монотонно Воэрасеа 1".ееего напряжения, а выход - с Вто,ъм входом второго порогового эле мента, вьехогье управляющего триггера подключены к управляющим входам коммутатора наееряжений 2.Недостатком известного устройства "; вляется низкая точность управления теп- О лофизическим объектом в переходном режиме при различных ограничениях на градиенты температур в заданных, точках управляемого объекта с распределенньеми параметрами, 2ееель изобретения - повьпцение точееостее уп"аьпения теплофиэическим объект.м .-;, лс-, к:,Одно;а режим- а именно по:т:;.Ние о;ет".; Охъндго по бы:тропействию уппавлсния теплеяизи ееским объектом при раап;,чк:ж ограничениях на его входные ч вьех"здееьее кООрдинатыУхаэмпеая цель достигается тем, что в термостатирующее устройство, содержащее первый первичный преобразовательИ (измеритель) температуры, задатчик температуры статированкя, коеемутатор напряжений, первый и второй упрамяющие входы которого подключены соответственно к неиквертируюецему ее еенвертирующему выходам управляющего триггера, компаратор уснзттель мощности, выходом подежюченееъей к вхоцу исполнительного элемента, введены блок первичных преОбразователей, (измерителей) темпера 43 турье. блок ограничителей, логический е ":11 ееет ИЛИе бпо н задержки р заДатчикрде ьно допустимой тее"еееературы выев хР,Ом подклкчеепеьей к первому входу к-.е самуе"атОра напряжений, второй вход которого подключен к задатчику темпера-.30 турье статироваепея, а выход коммутатора напояжений подключен к первому входу компаратора, выход которого подключен ;, входу усилителя мощности, причем выход пер:.Ого преобразователя температуг " бпо. а первичньех преобразователей (измерителей) температуры подключен к втори и входу компаратора и к первым 1 4входам ограничителей бпока ограничителей, вторые входы которых соединеныс соответствующими выходами (второгои последукзпих) преобразователей блокапервичных преобразователей температуры,при этом выходы блока ограничителейчерез элемент ИЛИ подключены к третьему входу компаратора, а первый входуправляющего триггера соединен с входом блока задержки, выход которого подключен к второму входу управляющеготриггера,Блок задержки содержит последовательно соединенные генератор импульсов, делитель частоты, линейку двоично-десятичных счетчиков, блок дешифраторов, а также содержит логический элемент И, входы которого подключены через коммутационно-наборную панель к соответствующим выходам блока дешифраторов, причемустановочный вход линейки двоично-десятичных счетчиков является входом блоказадержки, а выход логического элементаИ является выходом блока задержки,Каждый ограничитель блока ограничителей содержит дифференциальный;усилитель, компаратор и блок заданияпредельно допустимой величины температурного градиента, выходом подключенныйк первому входу компаратора, второйвход последнего связан с выходом дифференциального усилителя, причем первыйи второй входы дифференциального усилителя являются первым и вторым входамикаждого ограничителя, а выход компарато=ра является выходом каждого ограничиНа фиг. 1 изображена блок-схемапредлагаемого устройства; на фиг. 2 функееиональная схема блока задержки;на фиг. 3 - то же, одного из ограничителей блока ограничителей.Термостатирующее устройство (фиг. 1)содержит блок 1 первичных преобразователей (измерителей) температуры, комаратор 2, усилитель 3 мощности, исполнительный элемент 4, коммутатор 8напряжений, задатчик 6 предельно допустимой температуры, управляющий триггер7, эадатчик 8 температуры статирования,блок 9 задержки, блок 10 ограничителей,логический элемент ИЛИ 11. Клемма,на которую подается установочный сигнал ( "Сброс ), обозначена позицией 12.Кроме того, блок задержки (фиг. 2)содержит генератор 13 импульсов, стабилизированный кварцем, делитель 14частоты, линейку 15 двоично-десятичных счетчиков, блок 16 иэ 1 е дешифрато5 9401ров двоично-десятичного кода в десятичный, коммутационно-наборну ю панель17, щ -входовой логический элементИ 18,Кроме того, каждый из ограничителейблока ограничителей содержит дифференциальный усилитель 19, компаратор 20и блок 21 задания предельно допустимойвеличины градиента температуры.В устройстве в качестве исполнительного элемента могут применяться каквсевозможные электрические нагреватели(охладители), так и управляемая реверсивная термобатарея.В устройстве объект термостатирования должен бьггь полностью наблюдаем,т.е. в заданные точки объекта термостатирования для контроля состояния объекта в каждый момент времени установленыдатчики температуры. В таком устройстве 20в качестве первичных преобразователей(измерителей) температуры может прменягься термочувствительный мост, подключенный к входу дифференциальногоусилителя, а также может быть применен пирометр. Причем датчик первичногопреобразователя 1-0 установлен на объекте термостатирования рядом с нагревателем (термобатареей), т.е. на входеобъекта термостатирования, А остальныеК датчиков первичных преобразователей(измерителей) температуры установленыв различных заданных точках объектатермостатирования (на выходах объектатермостатирования).Блок 10 ограничителей состоит изотдельных независимых ограничителей,представляющих собой нелинейности типазоны нечувствительности. Их выходноенапряжение равно нулю, пока входноеменьше порога срабатывания Оор . Порогчувствительности каждого из ограничителей блока 10 равен напряжению, соответствующему допустимому уровню температурного градиента дпя заданных точек.Рассмотрим работу усгройства напримере схемы (фиг. 1), где в качестве первичного преобразователя взяттермочувствительный мост, подключенныйк входу дифференциального усилителя,а в качестве исполнительного элементавозьмем, например, управляемую раверсивную термобатарею.При включении питания на блок 9 за 55держки и на управлякюяй триггер 7 через входной зажим 12 подается установочный сигнал ("Сбросф), который устанавливает схему в исходное положение,41 6После этого коммутатор 5 напряжений под действием управления с триггера 7 подключает выход эадатчика 6 предельно допустимой температуры к входу компаратора 2, а выход задатчика 8 температуры статирования при этом отключается. На другой вход компаратора 2 с выхода первичного преобразователя 1-0 поступает напряжение, пропорциональное начальной температуре объекта, т.е, напряжение Оо, а на третьем входе компаратора 2 напряжение в начальный момент равно нулю. Таким образом, компаратор 2 переводит усилитель 3 мощности в режим насышенияя, последний, в свою очередь, выводит блок 4 реверсивных термобатарей на полную мощность, определяя тем самым начало форсированного выхода объекта в режим. Температура объекта термостатирования начинает изменяться с максимальной скоростью в сторону заданной температуры статирования Тсг.Переходный процесс в термостатируюшем устройстве начинается в момент подачи на вход компаратора 2 с задатчика 6 предельно допустимой температуры скачка напряжения заданной амплитуды Ос,с которое соответствует максимально допустимой температуре на входе объекта ТВХ.ОП, т,е. ОспС= =1 Вх д На второй и третий входы компаратора 3 поступают сигналы отрицательной обратной связи с выходов и входа объекта термостатирования, При этом компаратор 2 скачком переходит в другое состояние, как только напряжение на выходе первичного преобразователя 1-0, соответствующее температуре на входе объекта Твх, достигнет своего предельного значения, равного амплитуде сформированного скачка напряжения, т е когда ТЬХ-ТВХ.акоп-Ос пдх а также компаратор 2 срабатывает, если сработает хотя бы один из ограничителей блока 10. Последний сработает, как только градиент температур любой. из заданных выходных точек относительно входной превысит допустимую величину, Таким образом, до того момента, пока входные и выходные координаты объекта не достигнут своих предельных значений, объект движется в сторону заданного конечного состояния с максимальной скоростью при предельном значении управляющего воздействия. Как только хотя бы одна из координат объекта достигнет своего предельного значения, то управляющее воздействие на выходе401418 79хоьа 1 ар.Тора 2 меняет свой - д:". Яа об.1 а 111 ы., Объект начинает двигаться смакси 1:1 альной скоростью В Обрач 11 ую сторлдн., и снова при переходе грак 1 цы области до устимых значений координатуправля 1 сщее ВоэдейстВие меняет свойэиак. Такм образом организуют движеение объекта термостатирования по границе области допустимых значений егоВхо 1;-1 ых,и Выходных координат до окончалия переходного процесса В течениекоторого ре 1"ятор и Объект управления: ргь.авляют собой замкнутую систему,держивающуао входные и Выходные коорпикэ"ы объекта на допустимых эна 1 сЫ.ХПри этом по истечении определенногоф,кс:рованогс времени с начала переходного процесса задержанный установочный и.,1 пульс (" Сброс" ) с выхода блока9 задержки своим передним фронтомперебрасывает управляющий триггер 7в нулевое состояние, который, в своюочередь, производит переключение каналов ко 1 п 1 утатора 5, При этом одновременно Вьход задатчика 6 предельно допусти: 1 ОЙ те.лературы отключается отВхода 1041 11 Втора 2, а Вьгход задатчика" темпер , 1:. Статировакия подключаетсч, таким Обваэом, момент срабатывания ;1 р:-.ьт.",;ющего триггера 7 и подачане. ргжения , с Выхода эадатчика 8те 1 шературы статировжия на вход ком 11 1:,г 1;т 11 2 свидетелтвует оо ОкончаНИИ РсЭГОКа ЛР,ЗВЫЕ 1 адго ОЯЕКТа В РЕжим и начало режима стабилизации егоконечном заданном уровне, Начинаяс этого момента, кс.,я 1 аратор 2 отрабатывает Ошибку рассогласОВания, компенсируя зепасеньую энергию объектуре.-;тирования. Температура объекта начинает В.,:.,",. Вничаться по Всему объемуи;:.т; .-.1;:,;.;,;.:11.;"быстрее, когда в ка,е 1" -:С 11 олнительногоэлемента служит"зСистеме появляется ВоэможР. г 1., ю,а ЛИШНЕГО УН:ПЛаХОЛОДа)Фза с,ст иэменения знака температурыиспании, ельного элемента, При достижени 11 рш:е 1;В.а температур ВО Всех точках;.,";Г заРВННОЙ ТЕМПЕРатУРЫ СтатИРОВаНИЯперехощ 1 ь 1 Й процесс заканчивается, а последующее ре 1 улирование носит импульсный характер,Рассмотрим работу блока 9 задержМИ(ф.,", 2). После этого, как входнойуса;ОВ, 111 ф счгнал ( Сброс ) поданиь 1 й,;а клемму 12, сбросит в нуль счетчики линейки 15 двоично-десятичньцг,Счетчиков, то импульсы с задающегогенератора 13, стабилизированногокварцем поступают через делитель 14частоты на линейку 1 5 последовательновключенных двоично-десятичных счетчиков, Подключенные к выходам счетчика15 дешифраторы 16 преобразуют последовате 1 п ность импульсов в десятичныйкод. На выходах каждого дешифратора 16, (какдой декады) блока 16 появляютсяимпу 1 ьсы, сдвинутые на время, равное10" Т относительно импульса на предыдущем выходе, где г 1 - номер декады, начиная со старшей; Т - период 5 (с) повторения десятичного кода;на Выходах бпока 16 дешифраторов, определяемый емкостью И счетчика 15, частотой(Гц) генератора импульсов 13 и коэффициентом К деления частоты на выходе 2 О делителя 14 частоты, т.е,Т: -МКЕПериод Т при необходимости регулируют, посредством изменения коэффициента Кделителя 14 частоты. На коммутационномнаборной панели 17 с помощью 1 ъ -входо рз вого логического элемента И 18 можно выделить любой иэ импульсов в периоде Т, Таким Образом, выделяя нужныйимпуьс в йериоде Т с помощью логического элемента И 18 и подавая его навход Управляющего ЙБ -триггера 7, темсамым осуществляют необходимую задержКу входного установочного импульса( "Сброс ), В дальнейшем (уже после переходного процесса) импульсы с выхода ззэлемента И 18 периодически поступаютна вход управляющего ЙЗ -триггера 7,подтверждая этим его состояние, чтоповышает надежность работы устройствав целом.Рассмотрим работу одного из ограничителей блока 10 ограничителей (фиг. 3),На один из входов дифференциальногоусилителя 19 подается напряжение свыхода первичного преобразователя 1-0, 45датчик которого установлен около нагревателя (охладителя). т.е. на входе объекта термостатирования. На другой входдифференциального усилителя 19 подается напряжение с выхода например первичного преобразователя 1-1, датчиккоторого установлен в одной иэ заданных (контролируемых) точек объектатермостатирования, На выходе усилителя19 получают напряжение, величина которого пропорциональная градиенту 1 ем-ператур между вьпдеуказщищми точками.Это напряжение на входе компаратора20 сравнивается с напряжением заданияпредельно допустимой величины гради9 9401ента температур, которое поступает сблока 21. Если градиент температурмежду вышеуказанными точками превысит предельно допустимую величину, токомпаратор 20 срабатывает, мгновенноосуществляя через элемент ИЛИ 11управляющее воздействие на компаратор2, который в свою очередь также мгновенно меняет состояние, Как только градиент температур между этими точками 1 Останет меньше предельно допустимого,то схема скачком возвращается в исходное положение.В предлагаемом устройстве времязадержки блока задержки зависит от на ьчальных и граничных условий, а такжезависит от ограничений, накладываемыхна входные и выходные координаты объекта, т.е. зависит от температурного перепада между температурой статирования 20и начальной температурой объекта, отпредельно допустимой температуры навходе объекта, а такт:е зависит отуставок на предельно допустимые градиентытемпературного поля блока 10 ограничителей, Поэтому ши оптимального побыстродействию управления объектомтермостатирования время задержки блоказадержки определяется предварительноили методом электрического моделирова- Зония, или с помощью решения этой задачина электронной цифровой вычислительноймашине. Если же время задержки предварительно таким путем определить невозможно, то его достаточно просто можно определить экспериментально на предлагаемом устройстве. При этом оператор,наблюдая переходной процесс с помощьюизмерительного устройства (например,вторичного самопишущего прибора или 4 Оосциллографа), каждый раз от одногозапуска к другому регулирует время задержки блока 9 до тех пор, пока перерегулирование в ;заданной точке объектабудет соответствовать заданному. Как 4правило, такой выходной точкой являетсянаиболее удаленная от источников теплаточка объекта регулирования (например,центр камеры термостата). Если в процессе эксплуатации предлагаемого устройства изменились параметры, от которых зависит время задержки блоказадержки 9, то время задержки этогоблока необходимо при этом определитьзаново,Структура предлагаемого устройствапозволяет осуществлять оптимальное побыстродействию управление теплофизическими объектами с распределенными па 41 10раметрами в перехсдных режимах при следующих одновременно накладываемых ограничениях как на управляющее воздействие, так и на входные и выходные координаты объекта, т,е. когда ограничен диапазон скачкообразного изменения мощности источника тепла (холода), а точнее ограничена мощность источника в каждом из крайних его положений, ограничена максимальная температура на входе теплофизического объекм (температура объекта под нагревателем), ограничена величина перерегулирования на выходе теплофиэического объекта (процент перерегулирования в наиболее уда- ленной от нагревателя точке распределенного объекта), а также допускает положения целого ряда ограничений на температурные градиенты в заданных точках теплофизического объекта, т.е, когда предъявлякцся определенные требования к разномерности температурного поля объекта термостатирования в переходном режиме.формула изобретения1. Термостатируюшее устройство, содержащее первый первичный преобразователь (измеритель) температуры, задатчик температуры статирования, коммутатор напряжений, первый и второй управляющие входы которого подключены соответстФвенно к неинвертирующему и инвертируюшему входам управляющего триггера, компаратор, усилитель мощности, выходом подключенный к входу исполнительного элемента, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности управления теплофиэическим объектом в переходном режиме, оно содержит блок первичньк преобразователей (измерителей) температуры, блок ограничителей, логический элемент ИЛИ, блок задержки, задатчик предельно допустимой температуры, выходом подключенный к первому входу коммутатора напряжений, второй вход которого подклю чен к эадатчику температуры статирования, а выход комыутатора напряжений подключен к первому входу компаратора, выход которого подключен к входу усилителя мощности, причем выход первого преобразователя температуры блока первичных преобразователей (измерителей) температуры подключен к второму входу компаратора и к первым входам ограничителей, вторые входы которых соединены с соответствукппсми выходами11 9401второго и последу кзцих) преобразователейбпока первичных преобразователей теВаературы, при этом выходы блока ограничителей через элемент ИЛИ подключенык третьему входу компаратора, а первыйвход управлякицего триггера соединен свходом бпока задержки, выход которогопедкп."очен к второму входу упрйвлякщеготриггера,2, Устройство по п.1, о т л и ч а - 40ю щ е е с я тем, что блок задержкисодержит последовательно соединенныегбнератор импульсов, делитель частоты,личейеу 3 Вончно-десятичных счетчиковублок депифраторов, а также содержит злогический элемент И, входы которогоподключены через коммутационно наборную панель к соответствуазпим выходамбпока дешифраторов, причем установочныйвход линейки двоично-десятичных счетчи- рфков является входом блока задержки, авыход логического элемента И являетсявыходом блока задержки. 41 123. Устройство по п.2, о т л и ч аю щ е е с я тем, гго каждый ограничитель блока ограничителей содержит дифференциальный усюпггель, компаратор и блок задания предельно допустимой величины температурного градиента, выходом подключенный к первому входу компаратора, второй вход последнего связан с выкодом дифференцивльного усилителя, причем первый и второй входы дифференциального усилителя являются первым и вторым входами каждого ограничителя, а выХод компаратора являетШ 6И,точники информапии принятые во внимание при эвспертизе 1. Авторское овидем,льство СССР 14 549792, зп. 6 080:23/24, 1977,2. Авторское свидетельство СССР по заявке % 2922725/18-24,кл. б 08 2 23/19, 08.05.80 (прототип).