Устройство регулирования температуры термостатирующего воздуха для космической головной части
DEVICE FOR TEMPERATURE CONTROL OF THE TEMPERATURE CONTROLLING AIR OF THE ASCENT UNIT

Предлагаемое изобретение относится к оборудованию и функционированию наземных стартовых космических комплексов, в частности к устройствам регулирования температуры термостатирующего воздуха, подаваемого на космическую головную часть.
Известны способ регулирования температуры выходного воздушного потока и устройство для его осуществления (см. патент РФ на изобретение №2363976, М.кл. G05D 23/19, F24F 3/14, опубл. 10.08.2009 г.), в которых рассматривается процесс регулирования температуры выходного потока воздуха, образованного смешиванием двух входных потоков воздуха при изменении их объемного содержания в выходном потоке.
Устройство для регулирования температуры выходного воздушного потока содержит модуль изменения объемного содержания входных потоков в выходном, электропривод управления модулем, датчик объемного содержания входных потоков в выходном, датчик температуры выходного потока, блок сравнения температуры выходного потока с заданным значением, коммутатор электрической цепи пуска и останова электропривода управления модулем, имеющий первый и второй входы и выход, причем модуль изменения объемного содержания входных потоков в выходном снабжен подвижным элементом для изменения объемного содержания, механически соединенным с выходом электропривода управления модулем, соединенным также со входом датчика объемного содержания входных потоков в выходном, электрический вход электропривода подключен к выходу коммутатора электрической цепи пуска и останова электропривода, на второй вход блока сравнения температуры подано заданное значение температуры выходного потока, дополнительно содержит датчик температуры первого входного потока, датчик температуры второго входного потока, коммутатор сигналов датчиков температуры, запоминающее устройство, вычислительный блок, элемент сравнения сигналов и таймер, коммутатор сигналов датчиков температуры имеет четыре входа и выход, запоминающее устройство имеет вход и два выхода, вычислительный блок снабжен двумя выходами и входом, элемент сравнения сигналов снабжен двумя входами и выходом, вход таймера соединен с выходом элемента сравнения сигналов и выходом блока сравнения температуры, выход элемента сравнения сигналов соединен с первым входом коммутатора электрической цепи пуска и останова электропривода, первый вход элемента сравнения сигналов соединен с первым выходом вычислительного блока, второй вход элемента сравнения сигнала соединен с выходом датчика объемного содержания входных потоков в выходном, второй выход вычислительного блока соединен со вторым входом коммутатора электрической цепи пуска и останова электропривода, вход вычислительного блока соединен с первым выходом запоминающего устройства, второй выход которого соединен с первым входом блока сравнения температуры выходного потока, вход запоминающего устройства соединен с выходом коммутатора сигналов датчиков температуры, первый вход коммутатора сигналов датчиков температуры соединен с выходом датчика температуры первого входного потока, выход датчика температуры второго входного потока соединен со вторым входом коммутатора, третий вход которого соединен с выходом датчика температуры выходного потока, а выход таймера соединен с четвертым входом коммутатора сигналов.
1
2
3
3
3
1
2
1
2
3
В данном устройстве при изменении температуры T и Т первого и второго входных потоков соответственно с периодом, меньшим, чем период отсчета температуры Т выходного потока, предлагаемый процесс регулирования температуры не позволяет получить заданную точность установки температуры Т выходного потока. Частота отсчетов температуры Т должна быть, по крайней мере, в два раза больше частоты изменения температуры T или Т первого или второго входных потоков соответственно. В противном случае при частоте изменения T и Т, близкой к частоте изменения Т, состояние устройства регулирования температуры будет не определено, что не позволит регулировать температуру воздушных потоков с достаточной точностью.
Известно устройство воздушного термостатирования космических объектов (см. патент РФ на изобретение №2135910, М.кл. F25B 29/00, F25B 25/00, опубл. 27.08.1999 г.). Данное устройство обеспечивает автоматическое поддержание заданного температурного режима космического объекта от начала термостатирования до момента пуска ракеты-носителя. Устройство содержит пневмощит управления для подачи воздуха высокого давления от источника воздуха высокого давления по воздуховодам, блок понижения давления для получения воздуха пониженного давления с температурой, близкой к 0°С, нагреватель, заполненный теплоносителем (антифризом), и содержащий необходимое количество автоматически управляемых от пультов управления теплоэлектронагревателей (ТЭНов) разной мощности: большой, средней и малой для нагрева воздуха с выхода блока понижения давления до температуры, необходимой при термостатировании космического объекта. Управление нагревателем осуществляется оператором с помощью пультов управления, контроль управления - с помощью датчиков температуры, один из которых контролирует температуру теплоносителя в нагревателе, а два других контролируют температуру воздуха в воздуховодах до и после нагревателя.
В данном устройстве ТЭНы имеют различную мощность и разные температурные градиенты (скорость нагрева/остывания), температурный градиент теплоносителя в объеме нагревателя имеет разные значения при нагреве и естественном охлаждении, а при изменении количества ТЭНов, подключенных к разным фазам питающей трехфазной сети, может возникать перекос напряжения, вызванный несимметрией нагрузки, что приведет к неконтролируемой погрешности регулирования.
Эти факторы в совокупности не позволяют достичь высокой точности термостатирования (1-2°C) даже при автоматизированном способе регулировании температуры воздуха.
Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение точности регулирования температуры воздуха для термостабилизации космической головной части.
Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом устройстве регулирования температуры термостатирующего воздуха для космической головной части, содержащем нагреватель, заполненный теплоносителем, на вход воздуха которого от устройства подготовки термостатирующего воздуха подан охлажденный воздух высокого давления, а выход воздуха служит для подключения посредством воздуховода, например, на основе трубопровода, к космической головной части, при этом нагреватель содержит электронагреватели, электрические входы и выходы которых соединены с соответствующими выходами и входами блока управления, другой соответствующий вход которого соединен с датчиком температуры, установленным на выходе нагревателя, отличающемся тем, что содержит два дополнительных датчика температуры, один из которых установлен на входе нагревателя, а второй - непосредственно на нагревателе, причем выходы обоих датчиков подключены к соответствующим входам блока управления, связанного также двунаправленными шинами с устройством подготовки термостатирующего воздуха пониженного давления и с введенным в устройство вычислительным блоком, другой двунаправленной шиной связанного с введенным в устройство блоком хранения базы данных и знаний, вход которого и соответствующий вход блока управления служат для подключения к рабочему месту оператора, при этом блок управления выполнен с возможностью обеспечения двух режимов управления - пропорционально-интегрального для предварительного нагрева теплоносителя и пропорционально-интегрально-дифференциального для отслеживания температуры термостатирующего воздуха.
Введение в предлагаемое устройство двух дополнительных датчиков температуры, один из которых установлен на входе нагревателя, а второй -непосредственно на нагревателе, позволяет определять зависимость температуры теплоносителя в нагревателе и температуры воздуха на выходе нагревателя от мощности ТЭН при заданной температуре воздуха на входе нагревателя во всем диапазоне регулирования мощностей и температур.
Данная зависимость температуры заносится в базу данных и знаний введенного блока хранения базы данных и знаний для последующего использования в процессе управления регулированием температуры.
При этом выполнение блока управления таким образом, чтобы обеспечить возможность реализации двух режимов управления: пропорционально-интегрального для предварительного нагрева теплоносителя и пропорционально-интегрально-дифференциального для отслеживания температуры термостатирующего воздуха на основании совместного с блоком хранения базы данных и знаний определения введенным вычислительным блоком функционального отношения, связывающим требуемую мощность нагрева теплоносителя с количеством ТЭНов, используемых для его нагрева, позволяет осуществить регулирование температуры и слежение за ее изменением на основании расчета требуемой мощности нагрева теплоносителя, т.е. дает возможность подключить такое количество ТЭНов, которое обеспечит требуемую мощность нагрева с учетом симметрии нагрузки на фазы питающей сети. Кроме того, вначале раздельное, в широком диапазоне температур, пропорционально-интегральное регулирование температуры теплоносителя до значения незначительно ниже температуры термостабилизации космической головной части, а затем последующее - в узком диапазоне температур - пропорционально- интегрально-дифференциальное регулирование температуры термостабилизирующего воздуха на выходе нагревателя обеспечивает высокую точность слежения за температурой теплоносителя.
В результате точность регулирования температуры термостабилизирующего воздуха повышается, т.е. достигается необходимый технический результат.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства регулирования температуры термостатирующего воздуха для космической головной части, на фиг. 2 - блок-схема алгоритма работы блока управления, на фиг. 3 - экранная форма оператора, на фиг. 4 - графики изменения температуры теплоносителя, термостабилизирующего потока воздуха и давления воздушного потока.
На фиг. 1 показаны устройство 1 подготовки воздуха высокого давления для термостатирования, воздуховод 2, нагреватель 3, включающий воздушный вход 4, воздушный выход 5, теплоэлектронагреватели (ТЭНы) 6, первый 7, второй 8 и третий 9 датчики температуры, воздуховод 10, объект термостабилизации КГЧ 11, блок управления 12, вычислительный блок 13, блок данных и знаний 14, АРМ оператора 15, сигналы 16 от внешней системы регулирования, при этом первый датчик 7 установлен на входе 4 нагревателя 3, второй датчик 8 установлен непосредственно на нагревателе 3, а третий датчик 9 - на выходе 5 нагревателя 3, выход 5 служит для подключения воздуховода 10 к космической головной части (КГЧ) 11. При этом устройство 1 подготовки воздуха высокого давления обычно содержит пневматический щит управления, на который посредством трубопровода подается сжатый воздух, а его выход посредством воздуховода подключен ко входу блока регулирования давления, с выхода которого, который является выходом устройства 1 подготовки воздуха высокого давления для термостатирования КГЧ 11, подготовленный воздух подается посредством воздуховода 2 на соответствующий вход 4 нагревателя 3. Соответствующие входы и выходы ТЭНов 6 нагревателя 3 подключены к соответствующим выходам и входам блока 12 управления, другие соответствующие входы которого связаны с первым 7, вторым 8 и третьим 9 датчиками температуры, соответствующими входами/выходами блок 12 управления соединен с устройством 1 подготовки воздуха пониженного давления для термостатирования с вычислительным блоком 13 и блоком 14 хранения базы данных и знаний, другой вход которого и соответствующий вход блока 12 управления являются входами для подключения к автоматизированному рабочему месту (АРМ) 15 оператора, на вход которого поданы сигналы 16 от внешней системы автоматического регулирования (САР).
Работа предлагаемого устройства в соответствии с фиг. 1 и 2 осуществляется следующим образом.
Предварительно измеряют и заносят в базу данных и знаний блока 14 хранения базы данных и знаний зависимость температуры теплоносителя в нагревателе 3 и температуры воздуха на выходе 4 нагревателя 3 от мощности ТЭНов 6 при заданной температуре воздуха на входе 4 нагревателя 3 во всем диапазоне регулирования мощностей и температур.
Также предварительно определяют функциональное отношение, связывающее требуемую мощность нагрева теплоносителя в нагревателе 3 с типономиналами соответствующих ТЭНов 6 нагревателя 3, используемых для нагрева этого теплоносителя.
Далее процесс регулирования разбивается на два этапа.
На первом этапе производится предварительное автоматическое регулирование температуры теплоносителя внутри нагревателя 3 (предварительный нагрев теплоносителя), на втором этапе в режиме термостатирования воздуха осуществляется автоматическое регулирование температуры воздуха, на выходе 5 нагревателя 3, подаваемого через воздуховод 10 на вход КГЧ 11.
уст
уст
уст
устпн
За несколько десятков минут (25-30) до начала работы оператор на своем АРМ 15 вводит значение температуры воздуха на выходе 5 нагревателя 3 (Т уставки - Т) в базу данных и знаний блока 14 хранения базы данных и знаний. В блоке 14 на основании значения Т определяется значение мощности нагрева теплоносителя, которое вводится в вычислительный блок 13, и на основании которого в вычислительном блоке 13 осуществляется расчет количества номиналов ТЭН, которые могут обеспечить требуемую мощность нагрева с учетом симметрии нагрузки питающей трехфазной сети. В вычислительном блоке 13 также на основании данных и знаний рассчитывается требуемое значение температуры теплоносителя, оптимальное с точки зрения достижения значения температуры воздуха на выходе 5 нагревателя 3, близкого к значению Т до начала процесса термостатирования. На основании информации, полученной из базы данных и знаний блока 14 хранения базы данных и знаний оператор на своем рабочем месте 15 вводит расчетную уставку предварительного нагрева (Т) и включает предварительный нагрев теплоносителя.
устпн
Предварительный нагрев теплоносителя осуществляется следящей автоматической системой пропорционально-интегрального регулирования блока управления 12 с большим диапазоном слежения и большой постоянной времени интегрирования, которая сравнивает температуру теплоносителя в нагревателе 3 с уставкой предварительного нагрева Т и вырабатывает сигналы управления, подаваемые на часть ТЭНов 6.
устпн
При достижении температуры теплоносителя значения температуры Т предварительного нагрева следящая автоматическая система пропорционально-интегрального регулирования блока управления 12 отключает сигналы управления, при этом продолжая постоянное слежение за температурой теплоносителя до начала процесса термостатирования КГЧ. В случае снижения температуры теплоносителя вновь автоматически осуществляется пропорционально-интегральное регулирование температуры теплоносителя до значения температуры уставки предварительного нагрева.
По команде «Старт Термостабилизации КГЧ», подаваемой с АРМ 15 оператором или сигналами 16 системы САР, производится, автоматически или оператором, ввод уставки термостабилизации воздуха и включение в блоке управления 12 системы пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования температуры теплоносителя с меньшей постоянной интегрирования и относительно небольшим диапазоном (5-6 градусов Цельсия) слежения за температурой путем сравнения температуры воздуха на выходе 5 нагревателя 3 и выработки соответствующих сигналов управления, подаваемых на другую часть ТЭНов 6.
уст
Пропорционально-интегрально- дифференциальное регулирование осуществляется на основании расчета требуемой мощности нагрева и расчета номиналов ТЭНов 6 с учетом симметрии нагрузки на фазы питающей сети, а также на основании слежения за температурой воздуха на выходе 5 нагревателя 3 и сравнения ее с Т, обеспечивая поддержание температуры термостатирующего воздуха на выходе 5, подаваемого через воздуховод 10 в КГЧ 11.
уст
При необходимости резко (более чем на 2°С) изменить температуру термостабилизации (Т) воздуха блоком 12 управления производится автоматическое отключение режима пропорционально интегрально-дифференциального регулирования температуры воздуха, в вычислительном блоке 13 производятся новые расчеты для пропорционально-интегрального регулирования температуры теплоносителя для достижения нового значения температуры предварительного нагрева и последующего включения пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования температуры воздуха на выходе 5 нагревателя 3.
тек
тек.
На фиг.2 представлен алгоритм совместной работы блока 12 управления, вычислительного блока 13 и блока 14 хранения базы данных и знаний. В соответствии с представленным алгоритмом оператором с АРМ 15 и сигналами 16 от внешней системы автоматического регулирования задается температура Т термостатирования КГЧ 11. По значению этой температуры Т в блоке 14 хранения базы данных и знаний производится определение и выбор требуемого значения М общей мощности предварительного нагрева теплоносителя в нагревателе 3. Далее в вычислительном блоке 13 производится расчет количества ТЭНов 6 большой средней и малой мощности для набора полученного значения М. Сначала определяется количество ТЭНов 6 большой мощности, затем средней и далее малой. Полученное количество ТЭНов 6 распределяется симметрично по фазам питающего напряжения и подается на установочный вход блока 12 управления. Далее включается режим пропорционально-интегрального регулирования температуры теплоносителя. После поступления команды на термостатирование КГЧ 11, или значения температуры термостатирующего воздуха, производится дополнительный расчет дополнительной мощности для регулирования температуры термостатирующего воздуха по рассмотренному алгоритму. После этого осуществляется пропорционально интегрально-дифференциальное регулирование температуры термостатирующего воздуха.
На фиг. 3 представлена экранная форма интерфейса, с которым взаимодействует оператор АРМ 15, а на фиг. 4 - графики изменений температуры воздуха на входе в нагреватель, температуры теплоносителя, температуры воздуха на выходе нагревателя и в КГЧ 11, а также давления в воздуховодах, полученных в процессе термостабилизации КГЧ 11 воздухом высокого давления.
Рассмотрим пример выполнения блоков предлагаемого устройства.
Блоки 1, 2, 3, 10, 11 аналогичны соответствующим блокам прототипа. Блоки 7, 8, 9 - датчики температуры могут быть выполнены любым известным способом (см. http://www.niifi.ru АО «НИИФИ», каталог изделий).
Блок 12 управления может быть выполнен на основе микропроцессорных устройств (см. Баховцев И.А. Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники. В 2 ч. - НГУ.:2006. - 72 с.; Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: Учеб. пособие/В.В. Солодовников, В.Г. Коньков, В.А. Суханов, О.В. Шевяков; Под ред. В.В. Солодовникова. - М.: Высш. шк., 1991. - 255 с.).
Вычислительный блок 13 может быть выполнен также на основе микропроцессорной техники (см. Алексеенко А.Г., Галицын А.А., Иванников А.Д. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах: Программирование, типовые решения, методы отладки. - Москва. - Радио и Связь.: 1984).
Блок 14 хранения базы данных и знаний также может быть выполнен на базе стандартных решений (см. Системы управления базами данных и знаний./Под ред. А.Н. Наумова.- М., 1991; Базы данных и знаний.: Мартемьянова А.В. - АГТУ. - 2009. - с. 291; Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. - СПб.: Питер, 2001. - 384 с.).
ТЭНы 6 блока 3 также могут быть выполнены на базе стандартных изделий (см www.forkom.ru/catalog/teni_termopari/trubchatie_teni).