СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДВУХПОЗИЦИОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G05B11/54 G05B11/16 

Изобретение относится к автоматическому управлению, а именно к двухпозиционному регулированию, и может быть использовано в системах автоматического двухпозиционного регулирования объектами как промышленного (регулирование уровня в кубах ректификационных, абсорбционных и иных колонн; температуры в нагревательных печах, зонах литьевых машин и экструдеров и т.п.), так и бытового назначения (холодильники, утюги).

Известен способ автоматического релейного регулирования, когда задают требуемое задание регулируемой величины и, в случае регулятора с прямой релейной характеристикой, формируют управляющее воздействие максимальной величины, если регулируемая величина больше задания, и минимальной, если она меньше задания или наоборот, если регулятор имеет обратную релейную характеристику. Основной недостаток такого способа регулирования заключается в тяжелой работе исполнительного элемента из-за его частотного срабатывания.

Другим способом является такой, при котором задают два значения задания регулируемой величины, определяющих зону неоднозначности, и формируют (при прямой характеристике) управляющее воздействие максимальной величины, если регулируемая величина стала больше большего из значений задания, и минимальной, если она становится меньше меньшего из значений (или наоборот при обратной характеристике регулятора). Этот способ называют двухпозиционным регулированием с зоной неоднозначности. Он позволяет избежать первого недостатка.

Однако и в том и другом способе можно улучшить качество регулирования, если использовать в них неполный приток и (или) отток энергии, т.е. способ двухпозиционного регулирования с использованием неполного притока и (или) оттока - прототип (см. например А.А. Кампе-Немм, Автоматическое двухпозиционное регулирование. М.: Наука, 1967, с. 27, 28). Кроме того, данный способ позволяет уменьшить частоту срабатывания исполнительного элемента. Недостатком способа-прототипа является то, что значения управляющих воздействий задаются фиксированными, что ухудшает качество регулирования объектов с меняющейся нагрузкой, вплоть до потери системой устойчивости, например, в случае превышения нагрузкой обоих значений управляющих воздействий позиций.

Цель изобретения улучшить качество двухпозиционного автоматического регулирования объектами с меняющейся нагрузкой, которая достигается тем, что значения управляющих воздействий (позиций регулятора) автоматически изменяются (адаптируются) в зависимости от значения нагрузки объекта.

Для реализации способа задают следующие сигналы: сигнал N срабатывания релейного элемента (номинальный), сигналы управляющих воздействий, соответствующих позициям релейного элемента, сигналы двух зон со значениями ± δ и ± Δ соответственно от сигнала N срабатывания релейного элемента, т.е. N ± Δ и N ± δ .

Номинальный сигнал используется как в обычном способе релейного регулирования для переключения управляющего воздействия с большего (U₂) на меньшее (U₁) или наоборот, причем в первоначальный момент формируют максимальное - Umax2

(для большего) и минимальное - Umin1 (для меньшего) значения управляющих воздействий (позиций).

Значения первой зоны используют для формирования значения управляющего воздействия, т.е. для его адаптации к нагрузке. При этом, если регулируемая величина превысит значение N + δ и при этом включено, например, большее воздействие U₂ (верхняя позиция регулятора), то меньшее значение U₁ увеличивается на определенную величину Δ U, т.е. приближается к верхнему управляющему значению на один шаг, принимая значение U₁ + Δ U.

Если, напротив, при той же прямой характеристике регулятора регулируемая величина стала меньше номинального сигнала задания N и при этом включилось меньшее (U₁) управляющее воздействие (нижняя позиция), а затем она стала меньше N - δ , то большее значение U₂ уменьшается на ту же величину Δ U, т. е. приближается к меньшему управляющему воздействию на один шаг и станет равным U₂ - Δ U.

Иначе, при выходе регулируемой величины за первую зону управляющее воздействие (позиция), не воздействующая на данный момент на объект, адаптируется в сторону позиции, воздействующей на объект, т.е. изменяется в сторону сближения управляющих воздействий (позиций).

Если регулируемая величина продолжает изменяться в сторону следующей зоны и превысит значение N + Δ или станет меньше N - Δ , то формируют вместо действующего управляющего воздействия его максимальное или минимальное значение соответственно, т.е. устанавливают крайнее значение действующей позиции, т.е. Umax2

или Umin1 .

Наконец, возможен случай, когда в результате адаптации значения управляющих сигналов, воздействующих на объект регулирования и не воздействующих на объект регулирования, сравняются или даже возникнет ситуация, что U₁≥U₂, т. е. что сигналы перехлестнутся. В этом случае реадаптируют подготовленное управляющее воздействие путем обратной добавки Δ U (если она до этого была прибавлена, ее вычитают; если отнята - прибавляют), т.е. устраняют перехлест и вновь восстанавливают соотношение, при котором U₁<U₂. Для этого все время проводят сравнение U₁ и U₂ позиций и в случае их равенства или перехлеста формируют соответствующую команду для реадаптации сигнала соответствующей позиции.

На фиг. 1 приведена блок-схема системы регулирования, реализующая данный способ автоматического двухпозиционного регулирования (при прямой релейной характеристике регулятора).

Система состоит из адаптивного двухпозиционного регулятора I и объекта регулирования II с меняющейся нагрузкой F. Регулятор содержит шесть элементов сравнения 1-6 с пороговыми элементами, формирующих дискретные командные сигналы X₁-X₆, релейный элемент 7 с изменяющимися значениями верхней (U₂) и нижней (U₁) позиций, крайние значения которых могут достигать соответственно значений Umax2

и Umin1 , управляющих элементов 8-10, образующих блок управления позициями III, выходного управляющего канала U и пяти входных каналов для задания сигналов заданий: Y_зд = N; N ± δ и N ± Δ .

Командный сигнал X₃ управляет переключением позиций с U₁ на U₂ или наоборот. Сигнал X₂ через элемент 8 уменьшает значение U₂ на ΔU, а сигнал X₄ увеличивает значение U₁ на Δ U. Сигнал X₁ через элемент 9 возвращает управляющее воздействие U₁ к своему крайнему значению Umin1

, а X₅ - U₂ к Umax2 . Наконец, сигнал X₆ через элемент 10 раздвигает позиции между собой, изменяя U₁ или U₂ на шаг ΔU в случае их равенства или перехлеста, т.е. при U₁≥U₂, приводя их к соотношению U₁<U₂.

Приняв командные сигналы X₁-X₆ в виде следующих логических зависимостей:


можно представить предлагаемый способ в виде алгоритма, описываемого сетью Петри (см. например, Юдицкий С.А., Магергут В.З. Логическое управление дискретными процессами. М.: Машиностроение, 1987) и представленного на фиг. 2.

Буквами в кружках на фиг. 2 обозначены:
ВП - верхняя крайняя позиция регулятора, равная Umax2

;
НП - нижняя крайняя позиция регулятора, равная Umin1 ;
АВП - адаптивная верхняя позиция с текущим значением позиции U₂;
АНП - адаптивная нижняя позиция с текущим значением позиции U₁;
+ Δ U или - Δ U - шаг (величина) адаптации позиций.

На переходах (черточках) t_i сети записываются условия их срабатывания в виде булевых функций от командных сигналов X₁-X₆. Для соответствующего перехода они такие:

Начальная маркировка сети дана для случая работы верхней адаптивной позиции (метка в кружке АВП) и одновременной прибавки к нижней адаптивной позиции значения + Δ U (метка в нижнем кружке + Δ U). Верхний кружок + Δ U работает в алгоритме в случае реадаптации АВП при действующей на объект АНП.

Аналогичное назначение кружков - Δ U.

Сеть подтверждает однозначность предложенного способа адаптивного двухпозиционного регулирования.

В настоящее время авторы разрабатывают ряд устройств - регуляторов, работающих по данному способу, а также занимаются его программной реализацией с целью внедрения предложенного способа в системах регулирования промышленных и бытовых объектов.

Ожидаемое улучшение качества регулирования, особенно для объектов с меняющейся нагрузкой, является основанием получения экономических эффектов от его применения.

Изобретение относится к автоматическому управлению, а именно к двухпозиционному регулированию, и может быть использовано как в промышленности, так и в бытовой технике для регулирования различных параметров. Техническим результатом является улучшение качества двухпозиционного автоматического регулирования объектов с меняющейся нагрузкой. Сущность изобретения состоит в задании пяти значений сигналов регулируемой величины: номинального, равного заданному значению и служащего для переключения позиций регулятора, двух значений зоны адаптации, отличающихся на ±δ от номинального, и двух значений зоны реадаптации, отличающихся на ±Δ от номинального, причем и при выбеге сигнала регулируемой величины за сигналы зоны адаптации изменяют значение сигнала позиции, не воздействующей в данный момент на объект, на шаг ΔU в сторону сближения с сигналом действующей позиции, а при выбеге за зону реадаптации действующей позиции присваивают ее крайнее значение, при этом все время проводят сравнение сигналов позиций. 2 ил.

Способ автоматического двухпозиционного регулирования, основанный на задании сигнала N срабатывания релейного элемента и сигналов управляющих воздействий, соответствующих позициям релейного элемента, отличающийся тем, что дополнительно задают сигналы двух зон со значениями ± δ и ± Δ соответственно от сигнала N срабатывания релейного элемента, причем при выбеге сигнала регулируемой величины за сигналы первой зоны, т.е. за N ± δ, изменяют значение сигнала управляющего воздействия, не воздействующего в данный момент на объект регулирования, на шаг ΔU в сторону сближения с сигналом управляющего воздействия, воздействующим на объект регулирования, при выбеге сигнала регулируемой величины за сигналы второй зоны, т.е. за N ± Δ, формируют командные сигналы, которые возвращают сигнал управляющего воздействия, воздействующий на объект регулирования, на его крайнее значение, все время проводят сравнение сигнала управляющего воздействия, воздействующего на объект регулирования, и сигнала управляющего воздействия, не воздействующего на объект регулирования, и, в случае их равенства или перехлестывания, сигнал управляющего воздейсвия, не воздействующий на объект регулирования, изменяют на шаг ΔU в сторону удаления от сигнала управляющего воздействия, воздействующего на объект регулирования.