УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
TEMPERATURE CONTROL DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к технике автоматического регулирования и может быть использовано для построения автоматических регуляторов температуры.
Известно устройство для регулирования температуры [А.С. 532907, G05D 23/19, 1974]. Устройство содержит цифровой задатчик температуры, схему сравнения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), датчик температуры, триггер, блок памяти, элемент ИЛИ, реверсивный счетчик, элемент И, двоичный счетчик, формирователь синхроимпульсов, мультиплексор, тиристорный исполнительный элемент, нагреватель. Это устройство предназначено для повышения точности регулирования температуры за счет автоматического изменения мощности нагревателя.
Недостатками устройства являются ограниченные функциональные возможности вследствие того, что в нем отсутствует контроль температуры подаваемого воздуха, и низкая надежность, обусловленная тем, что теплонагруженные элементы нагревателя требуют периодической замены из-за их перегрузки при работе в режиме интенсивного изменения температуры подаваемого воздуха.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для регулирования температуры [Пат. 2037870, G05D 23/19,1995], которое и выбрано в качестве прототипа. По сравнению с аналогом прототип отличается большей надежностью, обусловленной отсутствием перегрузок теплонагруженных элементов нагревателя благодаря контролю температуры подаваемого воздуха.
Прототип содержит задатчик температуры объекта, последовательно соединенные датчик температуры объекта и аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, элемент ИЛИ и тиристорный исполнительный элемент, выход которого подключен к нагревателю, задатчик температуры потока воздуха, датчик температуры потока воздуха, блок микропрограммного управления, управляемый делитель частоты, регистр, индикатор температуры, двоичный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, причем один вход двоичного счетчика соединен с первым выходом блока микропрограммного управления, второй выход которого связан со счетным входом управляемого делителя частоты, а группа информационных выходов реверсивного счетчика связана с входами регистра, выходы которого присоединены к соответствующим входам индикатора температуры, а выход цифроаналогового преобразователя подключен к управляющему входу тиристорного исполнительного элемента.
Кроме того, прототип содержит второй реверсивный счетчик, вход обнуления которого соединен с выходом старшего разряда двоичного счетчика, причем один вход этого счетчика является входом предварительной записи, второй - счетным и связан с выходом датчика температуры потока воздуха, информационные входы двоичного счетчика подключены к выходам задатчика температуры потока воздуха, а остальные выходы - к входам элемента ИЛИ, выход которого связан с входом направления счета второго реверсивного счетчика, выходы второго реверсивного счетчика соединены с входами цифроаналогового преобразователя, а счетный вход - с выходом управляемого делителя частоты, по входу записи соединенного с третьим выходом блока микропрограммного управления, первый, четвертый и пятый выходы которого связаны соответственно с входами записи регистра, направления счета и записи первого реверсивного счетчика, соединенного информационными входами с выходами задатчика температуры объекта, счетным входом - с выходом аналого-цифрового преобразователя, а вторая группа информационных выходов первого реверсивного счетчика подключена к группе информационных входов управляемого делителя частоты.
Прототип работает в двух режимах, обусловленных двумя режимами работы первого реверсивного счетчика: режимом измерения температуры объекта и режимом выделения отклонения температуры от заданного значения.
Устройство работает в тактовом режиме, тактирование обеспечивается блоком микропрограммного управления.
Каждый такт начинается с реализации первого режима, в течение которого выполняется измерение температуры методом насчета импульсов, соответствующих значению температуры объекта для его последующего отображения на индикаторе.
Δ
Во втором режиме выполняется непосредственно терморегулирование, состоящее в вычислении разности измеренной и заданной температуры N, которое определяет величину частоты с выхода управляемого делителя частоты. Эта частота, будучи интегрирована вторым реверсивным счетчиком, управляет аналоговым сигналом, формируемым цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) для управления тиристорным исполнительным элементом, что в конечном счете управляет температурой нагревателя.
При температуре приточного воздуха менее заданной принудительно увеличивается значение кода на втором реверсивном счетчике путем установки режима прямого счета, что приводит к увеличению напряжения на выходе ЦАП и усилению нагрева.
При температуре воздуха, превышающей заданную, значение кода на втором реверсивном счетчике принудительно уменьшается путем установки режима обратного счета, что приводит к уменьшению напряжения на выходе ЦАП и вследствие этого к уменьшению нагрева.
Недостатком прототипа является двухрежимная потактовая работа устройства без усреднения результатов измерения параметров потока приточного воздуха и объекта регулирования, что из-за инерционности термических процессов приводит к снижению точности регулирования.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства для регулирования температуры, реализующего следящий режим регулирования на основе интегрированной обработки данных от двух источников измерительной информации.
Техническим результатом является повышение точности регулирования.
Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее задатчик температуры объекта, последовательно соединенные датчик температуры объекта и аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, элемент ИЛИ и тиристорный исполнительный элемент, выход которого подключен к нагревателю, задатчик температуры потока воздуха, датчик температуры потока воздуха, блок микропрограммного управления, управляемый делитель частоты, регистр, индикатор температуры, двоичный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, причем один вход двоичного счетчика соединен с первым выходом блока микропрограммного управления, второй выход которого связан со счетным входом управляемого делителя частоты, а группа информационных выходов реверсивного счетчика связана с входами регистра, выходы которого присоединены к соответствующим входам индикатора температуры, а выход цифроаналогового преобразователя подключен к управляющему входу тиристорного исполнительного элемента, введены второй управляемый делитель частоты, второй элемент ИЛИ и второй аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу датчика температуры потока воздуха, а выход - к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход - с вычитающим входом реверсивного счетчика, подсоединенного суммирующим входом к выходу второго элемента ИЛИ, каждый из двух входов которого соединен соответственно с выходами одного и второго управляемых делителей частоты, подключенных информационными входами соответственно одного - к выходу задатчика температуры объекта, второго - к выходу задатчика температуры потока воздуха, а счетный вход второго управляемого делителя частоты подключен к одному входу, являющемуся вычитающим, двоичного счетчика, причем выход этого счетчика соединен с входом записи регистра, выход которого подсоединен ко входу цифроаналогового преобразователя.
Сущность предлагаемого устройства для регулирования температуры состоит в реализации следящего режима регулирования на основе интегрированной обработки данных от двух источников и формирования управляющих воздействий на основе усредненных результатов измерений.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства для регулирования температуры; на фиг.2 - сигналы на выходах блока микропрограммного управления; на фиг.3 - временные диаграммы процессов, протекающих в устройстве.
Устройство для регулирования температуры содержит задатчик 1 температуры объекта, последовательно соединенные датчик 2 температуры объекта и аналого-цифровой преобразователь 3, реверсивный счетчик 4, элемент ИЛИ 5 и тиристорный исполнительный элемент 6, выход которого подключен к нагревателю 7, задатчик 8 температуры потока воздуха, датчик 9 температуры потока воздуха, блок 10 микропрограммного управления, управляемый делитель частоты 11, регистр 12, индикатор 13 температуры, двоичный счетчик 14, цифроаналоговый преобразователь 15, второй управляемый делитель частоты 16, второй элемент ИЛИ 17 и второй аналого-цифровой преобразователь 18, причем один вход двоичного счетчика 14 соединен с первым выходом блока 10 микропрограммного управления, второй выход которого связан со счетным входом управляемого делителя частоты 11, а группа информационных выходов реверсивного счетчика 4 связана с входами регистра 12, выходы которого присоединены к соответствующим входам индикатора 13 температуры, а выход цифроаналогового преобразователя 15 подключен к управляющему входу тиристорного исполнительного элемента 6, вход второго аналого-цифрового преобразователя 18 подключен к выходу датчика 9 температуры потока воздуха, а выход - к первому входу первого элемента ИЛИ 5, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 3, а выход - с вычитающим входом реверсивного счетчика 4, подсоединенного суммирующим входом к выходу второго элемента ИЛИ 17, каждый из двух входов которого соединен соответственно с выходами одного и второго управляемых делителей частоты 11 и 16, подключенных информационными входами соответственно одного 11 - к выходу задатчика 1 температуры объекта, второго 16 - к выходу задатчика 8 температуры потока воздуха, а счетный вход второго управляемого делителя частоты 16 подключен к одному входу, являющемуся вычитающим, двоичного счетчика 14, причем выход этого счетчика соединен с входом записи регистра 12, выход которого подсоединен ко входу цифроаналогового преобразователя 15.
Задатчики 1 температуры объекта и 8 потока воздуха выполнены на двоичных переключателях.
Устройство работает следующим образом.
Пусть в начальный момент времени счетчики 4, 14 и регистр 12 находятся в нулевом состоянии. ЦАП 15 на основании нулевого значения, снимаемого с регистра, формирует сигнал, соответствующий включению нагревателя 7 тиристорным исполнительным элементом 6. При подаче питания запускается блок 10 микропрограммного управления. При этом на выходах блока 10 формируются сигналы, представляющие собой последовательность коротких единичных импульсов, причем последовательности имеют разные фазы, то есть моменты появления единичного импульса на одном выходе не совпадают с моментами появления единичного импульса на другом выходе. Пример импульсных последовательностей, формируемых на выходах блока 10, приведен на фиг.2.
3
Аналого-цифровой преобразователь 3 преобразует информативные сигналы датчика 2 температуры в последовательность импульсов (диаграмма АЦП, фиг.3), которые, пройдя через элемент ИЛИ 5, поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 4 (диаграмма  фиг.3).
18
Аналого-цифровой преобразователь 18 преобразует информативные сигналы датчика 9 температуры в последовательность импульсов (диаграмма АЦП, фиг.3), которые, пройдя через элемент ИЛИ 5, также поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 4 (диаграмма  фиг.3).
Параметры АЦП 3 и 18 подбираются таким образом, чтобы импульсные последовательности на их выходах имели разные фазы.
11
Управляемый делитель частоты 11, на основе двоичного кода задатчика 1 температуры объекта и частотного потока, сформированного на втором выходе блока 10 микропрограммного управления, вырабатывает последовательность импульсов (диаграмма D/F, фиг.3), которая через второй элемент ИЛИ 17 поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 4 (диаграмма  фиг.3).
16
Управляемый делитель частоты 16, на основе двоичного кода задатчика 8 температуры потока воздуха и частотного потока, сформированного на первом выходе блока 10 микропрограммного управления, вырабатывает последовательность импульсов (диаграмма D/F, фиг.3), которая через второй элемент ИЛИ 17 также поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 4 (диаграмма  фиг.3).
14
Частотный поток, сформированный на первом выходе блока 10 микропрограммного управления, поступает также на вычитающий вход двоичного счетчика 14, уменьшая его состояние (диаграмма СТ2, фиг.3).
12
15
В момент, когда произойдет обнуление двоичного счетчика 14, на его выходе будет сформирован единичный импульс (диаграмма  фиг.3), под управлением которого данные из реверсивного счетчика 4 переписываются в регистр 12 (диаграмма RG, фиг.3). На основе кода, зафиксированного в регистре 12, ЦАП 15 формирует сигнал для тиристорного исполнительного элемента 6 (диаграмма ЦАП, фиг.3), который управляет нагревателем 7.
На основе кода, зафиксированного в регистре 12, также формируется код для отображения температуры на индикаторе 13.
В дальнейшем работа устройства повторяется.
В основу работы устройства положен итерационный принцип совмещенной обработки импульсных потоков: сформированного на базе параметров двух анализируемых объектов и выработанного на основе двух заданных опорных точек регулирования с получением интегрированного результата, усредненного по времени и по значению.
Период работы устройства Т определяется разрядностью п счетчика 14 и частотой f формируемой на выходе блока 10 микропрограммного управления:
.
Количество импульсов, поступающих на вычитающий вход реверсивного счетчика 4 за период Т, определяется следующим образом:
1
где N(Т) - количество импульсов, сформированных АЦП 3 на основе измерительной информации датчика 2 температуры объекта;
2
N(Т) - количество импульсов, сформированных АЦП 18 на основе измерительной информации датчика 9 температуры потока воздуха. Количество импульсов, сформированных на выходе управляемого делителя частоты 11 за период Т, определяется следующим образом:
set1
где N - код, определенный задатчиком температуры 1 и соответствующий точке регулирования температуры объекта;
max
max
n
где N - код, определенный разрядностью n устройства N=2.
Количество импульсов, сформированных на выходе управляемого делителя частоты 16 за период Т, определяется следующим образом:
set8
где N - код, определенный задатчиком температуры 8 и соответствующий точке регулирования температуры потока воздуха.
Количество импульсов, поступающих на суммирующий вход реверсивного счетчика 4, определяется как:
out
Выходной код счетчика N, сформированный к концу периода работы устройства, определяется количеством импульсов, пришедших на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика:
out(k-1)
где N - код, накопленный на счетчике к моменту начала k-ого периода.
Подставляя (1), (2), (3), (4) в (5), имеем:
out
out(k-1)
11
16
1
2
N=N+N+N-N(T)-N(T).
В точке регулирования, характеризующейся равенством заданной и измеренной температур, усредненные за период работы устройства коды удовлетворяют следующим равенствам
11
1
N=N(T),
16
2
N=N(T).
Это приводит к равенству количества импульсов, пришедших на вычитающий и суммирующий вход реверсивного счетчика 4, и, как следствие, к сохранению кода, имевшегося на реверсивном счетчике 4 в начале периода к концу периода работы устройства, в момент которого происходит перезапись этого неизмененного за период кода в регистр 12.
Когда устройство находится в точке регулирования, величина напряжения на выходе ЦАП 15 постоянна, тиристорный исполнительный элемент 6 поддерживает интенсивность нагрева объекта нагревателем 7.
1
При снижении температуры объекта код N(T) уменьшается.
Если при этом температура входного потока воздуха остается неизменной, то к концу очередного периода работы устройства код, сформированный на выходе реверсивного счетчика 4, будет увеличен на значение
4
1
ΔN=N(ΔT).
Это приведет к увеличению напряжения на выходе ЦАП 15, срабатыванию тиристорного исполнительного элемента 6 и усилению нагрева объекта нагревателем 7.
Если же температура входного потока воздуха также снижается, то к концу очередного периода работы устройства код, сформированный на выходе реверсивного счетчика 4, будет увеличен на значение
4
1
2
ΔN=N(ΔT)+N(ΔT).
Это приведет к более существенному увеличению напряжения на выходе ЦАП 15 и срабатыванию тиристорного исполнительного элемента 6 с более существенным нагревом объекта.
Если же температура входного потока воздуха повышается, то к концу очередного периода работы устройства код, сформированный на выходе реверсивного счетчика 4, изменится на значение
4
1
2
ΔN=N(ΔT)-N(ΔT).
1
2
В зависимости от соотношения значений ΔT и ΔT напряжение на выходе ЦАП 15 может снизиться, остаться без изменений или повыситься, что приведет к соответствующей реакции тиристорного нагревательного элемента 6 и нагревателя 7.
Аналогичным образом устройство реагирует на изменение температуры потока воздуха, предваряя момент, когда это изменение критическим образом повлияет на температуру объекта.
Если при сохранении температуры объекта температура входного потока воздуха снижается, то к концу очередного периода работы устройства код, сформированный на выходе реверсивного счетчика 4, будет увеличен на значение
4
2
ΔN=N(ΔT).
Это приведет к увеличению напряжения на выходе ЦАП 15 и срабатыванию тиристорного исполнительного элемента 6, что приведет к нагреву объекта нагревателем 7.
Если же температура входного потока воздуха увеличивается, то к концу очередного периода работы устройства код, сформированный на выходе реверсивного счетчика 4, изменится на значение
4
2
ΔN=-N(ΔT).
Это приведет к уменьшению напряжения на выходе ЦАП 15 и срабатыванию тиристорного исполнительного элемента 6, приводящему к уменьшению нагрева объекта.
Процесс регулирования температуры объекта проиллюстрирован временными диаграммами на фиг.3.
1
3
4
12
Периоды P-Р временной диаграммы соответствуют моменту включения устройства. Температура объекта меньше температуры, заданной задатчиками 1 и 8 температуры объекта и потока воздуха соответственно. Количество импульсов, поступивших на суммирующий вход реверсивного счетчика 4, превышает количество импульсов, поступивших на его вычитающий вход, что приводит к увеличению к концу периода значения кода в реверсивном счетчике 4 (диаграмма СТ, фиг.3). Код, накопленный за период работы устройства на реверсивном счетчике 4, в конце первого периода по сигналу, снимаемому с выхода двоичного счетчика 14, переписывается в регистр 12 (диаграмма RG, фиг.3), что приводит к формированию на выходе ЦАП 15 сигнала (диаграмма ЦАП, фиг.3), соответствующего значениям включения нагревателя 7 тиристорным исполнительным элементом 6.
3
В конце периода Р записанный в регистр 12 код достигает значения, обеспечивающего такой уровень сигнала на выходе ЦАП 15, который поддерживает устройство в состоянии равновесия.
4
5
В течение периодов Р-P устройство находится в равновесии, характеризующемся равенством количества импульсов, поступающих на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 4. В течение этого времени выходной код регистра 12 не изменяется.
6
3
4
В течение периода Р температура объекта становится ниже температуры регулирования, количество импульсов, поступающих на вычитающий вход реверсивного счетчика 4, уменьшается (диаграмма АЦП, фиг.3), интегрированное за период приращение выходного кода реверсивного счетчика 4 становится положительными (диаграмма СТ, фиг.3) и приводит увеличению значения кода на реверсивном счетчике 4.
6
7
В конце периода Р код с положительным приращением с выхода реверсивного счетчика 4 фиксируется в регистре 12. На следующем периоде P это приводит к увеличению сигнала на выходе ЦАП 15 (диаграмма ЦАП, фиг.3), срабатыванию тиристорного исполнительного элемента 6 и усилению нагрева нагревателем 7.
7
Усиление нагрева влечет за собой изменение температуры объекта и, как следствие, изменение сигнала с датчика его температуры. Это изменение приводит к тому, что на периоде P приращение выходного кода реверсивного счетчика 4 на предыдущем периоде компенсируется, устройство возвращается в режим равновесия.
8
18
4
9
При увеличении температуры потока воздуха в течение периода P увеличивается количество импульсов, формируемых на основе показаний датчика потока воздуха (диаграмма АЦП, фиг.3), интегрированное за период приращение выходного кода реверсивного счетчика 4 становится отрицательным (диаграмма СТ, фиг.3), это приводит к уменьшению на следующем периоде Р сигнала на выходе ЦАП 15 (диаграмма ЦАП, фиг.3), срабатыванию тиристорного исполнительного элемента 6 и уменьшению нагрева нагревателем 7.
Таким образом, в заявляемом устройстве решена задача регулирования температуры на основе интегрированной обработки данных от двух источников и формирования управляющих воздействий на основе усредненных значений, что позволяет повысить точность регулирования.
Предлагаемое устройство является более простым по сравнению с прототипом.