Способ формирования сигнала управления электронагревателем печи и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2422867:
Федеральное государственное унитарное предприятие Московское опытно-конструкторское бюро "Марс" (ФГУП МОКБ "Марс") (RU)
Изобретение относится к устройствам систем автоматического управления электронагревателями печей для получения инфраструктуры на космических станциях. Технический результат заключается в повышении точности управления. Он достигается тем, что предложены способ и устройство формирования сигнала управления электронагревателем печи, при этом устройство содержит задатчик температуры нагрева, два элемента сравнения, два блока выделения сигнала положительной полярности, управляемый ограничитель сигнала, три усилителя, релейный элемент с зоной нечувствительности, элемент дифференцирования, датчик температуры и задатчик сигнала скорости нагрева. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к устройствам систем автоматического управления электронагревателями печей для получения инфраструктуры на космических станциях.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования сигнала управления, заключающийся в том, что задают сигнал температуры нагрева, задают сигнал температурной скорости нагрева, измеряют сигнал текущей температуры нагревателя, формируют сигнал текущей температурной скорости нагрева нагревателя посредством дифференцирования сигнала текущей температуры, формируют разностный сигнал между заданным сигналом температуры нагрева и сигналом текущей температуры, усиливают сигнал текущей температурной скорости нагрева, усиливают функциональный сигнал рассогласования, формируют сигнал разности между усиленным функциональным сигналом рассогласования и усиленным сигналом температурной скорости нагрева [1].
Известно устройство для формирования сигнала управления по этому способу, содержащее последовательно соединенные задатчик температуры нагрева и первый элемент сравнения, последовательно соединенные первый усилитель и второй элемент сравнения, последовательно соединенные датчик температуры, выход которого соединен со вторым входом первого элемента сравнения, элемент дифференцирования и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения, и задатчик скорости нагрева [1].
Недостатками известных способа и устройства являются ограниченность функциональных возможностей управления и невысокая точность управления по температурной и скоростной характеристикам, по статической погрешности и перерегулированию, к которым предъявляются жесткие требования по допускам. Это обстоятельство, в частности, определило отрицательные свойства чистого пропорционально-интегрально-дифференцирующего принципа управления, не обеспечивающего стабильность скорости нагрева.
Решаемой в предлагаемых способе и устройстве технической задачей является расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности управления.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе формирования сигнала управления, заключающемся в том, что задают сигнал температуры нагрева, задают сигнал температурной скорости нагрева, измеряют сигнал текущей температуры нагревателя, формируют сигнал текущей температурной скорости нагрева нагревателя посредством дифференцирования сигнала текущей температуры, формируют разностный сигнал между заданным сигналом температуры нагрева и сигналом текущей температуры, усиливают сигнал текущей температурной скорости нагрева, усиливают функциональный сигнал рассогласования, формируют сигнал разности между усиленным функциональным сигналом рассогласования и усиленным сигналом температурной скорости нагрева, дополнительно выделяют сигнал положительной полярности разностного сигнала, формируют функциональный сигнал рассогласования равным выделенному сигналу положительной полярности разностного сигнала с ограничением, равным
,
где 
- заданный сигнал температурной скорости нагрева,
КТ - коэффициент усиления функционального сигнала рассогласования,
- коэффициент усиления сигнала текущей температурной скорости нагрева,
выделяют сигнал положительной полярности сигнала разности между усиленным функциональным сигналом рассогласования и усиленным сигналом текущей температурной скорости нагрева, формируют пороговый сигнал, пропорциональный значению заданной статической ошибки, и формируют выходной сигнал управления равным заданному сигналу температурной скорости нагрева при превышении сигнала положительной полярности сигнала разности над пороговым сигналом.
Указанный технический результат достигается также тем, что в известное устройство формирования сигнала управления электронагревателем печи, содержащее последовательно соединенные задатчик температуры нагрева и первый элемент сравнения, последовательно соединенные первый усилитель и второй элемент сравнения, последовательно соединенные датчик температуры, выход которого соединен со вторым входом первого элемента сравнения, элемент дифференцирования и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения, и задатчик скорости нагрева, дополнительно введены последовательно соединенные первый блок выделения сигнала положительной полярности, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения, и управляемый ограничитель сигнала, выход которого соединен со входом первого усилителя, последовательно соединенные второй блок выделения сигнала положительной полярности и релейный элемент с зоной нечувствительности, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала скорости нагрева, а выход является выходом устройства, третий усилитель, вход которого соединен с выходом задатчика сигнала скорости нагрева, а выход - со вторым входом управляемого ограничителя сигнала.
На чертеже представлена структурная схема устройства формирования сигнала управления электронагревателем печи.
Устройство формирования сигнала управления электронагревателем печи содержит последовательно соединенные задатчик температуры нагрева 1 и первый элемент сравнения 2, последовательно соединенные первый усилитель 3 и второй элемент сравнения 4, последовательно соединенные датчик температуры 5, выход которого соединен со вторым входом первого элемента сравнения 2, элемент дифференцирования 6 и второй усилитель 7, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения 4, и задатчик скорости нагрева 8, последовательно соединенные первый блок выделения сигнала положительной полярности 9, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения 2, и управляемый ограничитель сигнала 10, выход которого соединен со входом первого усилителя 3, последовательно соединенные второй блок выделения сигнала положительной полярности 11 и релейный элемент с зоной нечувствительности 12, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала скорости нагрева 8, а выход является выходом устройства, третий усилитель 13, вход которого соединен с выходом задатчика сигнала скорости нагрева 8, а выход - со вторым входом управляемого ограничителя сигнала 10. Пунктиром на схеме показан объект управления - электронагреватель печи.
Устройство формирования сигнала управления электронагревателем печи, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
Задатчиком температуры нагрева 1 задается сигнал Тзад.н. требуемой температуры нагрева электронагревателя печи.
Задатчиком сигнала скорости нагрева 8 задается скорость нагрева 
.
Датчик температуры 5 (например, термопара) формирует сигнал текущей температуры электронагревателя T(t).
Первый элемент сравнения 2 формирует рассогласование ΔT:
Гибкая обратная - связь по скорости нагрева 
- формируется дифференцированием сигнала текущей температуры T(t) элементом дифференцирования 6 с соответствующим передаточным коэффициентом 
, выставляемым во втором усилителе 7.
Закон регулирования формируется по сигналам Тзад.н. блока 1, текущей температуры T(t) датчика температуры 5 и скорости нагрева блока 6. Базовый сигнал управления σ0(t) формируется на основе сигналов рассогласования по нагреву и скорости нагрева блоками 1, 2, 3, 4 в виде:
где σ(ΔT+) - функциональный сигнал по рассогласованию, формируемый блоками 3, 5, 10 по прямой цепи и блоками 8 и 13 следующим образом:
- блоком 9 выделяется сигнал ΔT+ положительной полярности сигнала рассогласования ΔT с целью исключения в контуре ложных отрицательных сигналов, поскольку охлаждения как такового нет;
- блоком 10 ограничивается сигнал ΔT+ с ограничением Fm (пояснение по расчету приведено ниже), т.е. текущий сигнал с блока 3 F(ΔT+) формируется в виде:
- сигнал σ(ΔT+) формируется первым усилителем 3 сигнала F(ΔT+), т.е.
где KT - передаточный коэффициент первого усилителя 3.
Сигнал, сформированный в соответствии с базовым законом управления (2), поступает на второй блок выделения сигнала положительной полярности 11, с выхода которого сигнал σ0 +(t) поступает на релейный элемент с зоной нечувствительности 12, сигнал с выхода которого uн является выходным сигналом устройства. Этот сигнал в релейном элементе 12 формируется функционально следующим образом. Зона нечувствительности ρ0 блока 12 в сочетании с коэффициентом усиления прямой цепи KT определяется, исходя из допустимости в контуре управления заданной статической ошибки (рассогласования) ΔТст.зад.:
При σ0 +≥ρ0 формируется сигнал uн, равный сигналу заданной скорости нагрева 
от блока 8, т.е. uн формируется в виде:
Относительно функционального ограничения Fm в управляемом ограничителе 10 следует отметить необходимость его определенной выставки в функции для исключения перерегулирования по текущей скорости нагрева 
.
Действительно, пусть это требование выдерживается, тогда 
, сигнал σ0 + определится по (2) и (3) в виде:
С точностью до зоны нечувствительности ρ0 этот сигнал должен быть в окрестности нуля.
Следовательно,
Значение коэффициента 
для формирования ограничения Fm выставляется по (8) в третьем усилителе 13.
Таким образом, предложенные способ формирования сигнала управления электронагревателем печи для получения инфраструктуры на космической станции и устройство для его осуществления, как показывает проведенное математическое моделирование, позволяют расширить функциональные возможности управления нагревом электронагревателя в широком диапазоне условий по температуре и скорости нагрева и обеспечить при этом достижение заданной температуры с заданной скоростью нагрева с высокой точностью и без перерегулирования.
Положительный эффект предложения подтвержден результатами анализа и математического моделирования.
Все составные операции способа, звенья и блоки устройства управления могут быть выполнены на современных элементах автоматики и вычислительной техники, а также и программно-алгоритмически в бортовых вычислительных машинах.
Источники информации
1. Д.П. Ким, Теория автоматического управления, том 1, М., Физматлит, 2007, с.204-205.
1. Способ формирования сигнала управления электронагревателем печи для получения инфраструктуры, заключающийся в том, что задают сигнал температуры нагрева, задают сигнал температурной скорости нагрева, измеряют сигнал текущей температуры нагревателя, формируют сигнал текущей температурной скорости нагрева нагревателя посредством дифференцирования сигнала текущей температуры, формируют разностный сигнал между заданным сигналом температуры нагрева и сигналом текущей температуры, усиливают сигнал текущей температурной скорости нагрева, усиливают функциональный сигнал рассогласования, формируют сигнал разности между усиленным функциональным сигналом рассогласования и усиленным сигналом температурной скорости нагрева, отличающийся тем, что выделяют сигнал положительной полярности разностного сигнала, формируют функциональный сигнал рассогласования равным выделенному сигналу положительной полярности разностного сигнала с ограничением, равным
где - заданный сигнал температурной скорости нагрева;
Кт - коэффициент усиления функционального сигнала рассогласования;
- коэффициент усиления сигнала текущей температурной скорости нагрева,
выделяют сигнал положительной полярности сигнала разности между усиленным функциональным сигналом рассогласования и усиленным сигналом текущей температурной скорости нагрева, формируют пороговый сигнал, пропорциональный значению заданной статической ошибки, и формируют выходной сигнал управления равным заданному сигналу температурной скорости нагрева при превышении сигнала положительной полярности сигнала разности над пороговым сигналом.
2. Устройство формирования сигнала управления электронагревателем печи, содержащее последовательно соединенные задатчик температуры нагрева и первый элемент сравнения, последовательно соединенные первый усилитель и второй элемент сравнения, последовательно соединенные датчик температуры, выход которого соединен со вторым входом первого элемента сравнения, элемент дифференцирования и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения, и задатчик скорости нагрева, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные первый блок выделения сигнала положительной полярности, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения, и управляемый ограничитель сигнала, выход которого соединен со входом первого усилителя, последовательно соединенные второй блок выделения сигнала положительной полярности и релейный элемент с зоной нечувствительности, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала скорости нагрева, а выход является выходом устройства, третий усилитель, вход которого соединен с выходом задатчика сигнала скорости нагрева, а выход - со вторым входом управляемого ограничителя сигнала.
