СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДВУХПОЗИЦИОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G05B11/18 

Изобретение относится к области автоматического управления, а именно к двухпозиционному регулированию. Оно может быть использовано для автоматического управления процессами как в промышленности (регулирование температуры в нагревательных печах, прессах, экструдерах, регулирование уровня в кубах ректификационных колонн и т.п.), так и в быту (регулирование температуры в бытовых электронагревательных приборах).

Известен способ автоматического двухпозиционного регулирования, основанный на задании максимального U₂ ^max и минимального U₁ ^min значений управляющего воздействия, задании номинального сигнала регулируемой величины N и переключении управляющего воздействия с большего U₂ ^max на меньшее U₁ ^min или наоборот при выбеге регулируемой величины за номинальное значение сигнала N (см. , например, А.А.Кампе-Немм. Автоматическое двухпозиционное регулирование. - М. : Наука, 1967, с. 6). Недостатком такого способа является низкое качество регулирования.

Улучшить качество регулирования можно, если применить способ автоматического многопозиционного регулирования - прототип (см., например, то же, с. 68-70). Положительные эффекты в нем достигаются за счет задания ряда управляющих воздействий, воздействующих на объект при выбеге регулируемой величины за соответствующее значение сигнала задания этой величины. В частности таких значений сигналов регулируемой величины может быть пять: номинальное N, зоны с двумя значениями, одно из которых больше номинального, а второе - меньше на величину δ, еще одной зоны тоже с двумя значениями, но отличающимися от номинального на величину ±Δ, причем При выбеге регулируемой величины за номинальное значение сигнала задания N происходит переключение управляющего воздействия, например, с большего U₂ на меньшее U₁ или наоборот; при выбеге за последующие зоны N+δ и N+Δ значения управляющих воздействий, воздействующих на объект, возрастают, например, на величину ΔU, а при выбеге за значения N-δ и N-Δ убывают, т.е. при задании пяти значений сигналов задания регулируемой величины N, N±δ и N±Δ имеем шестипозиционное регулирование. Положительные эффекты в нем достигаются за счет небольшого (на ΔU) изменения управляющих воздействий на объект при соответствующем выбеге за значение той или иной зоны и задания самих зон.

В то же время недостатком способа-прототипа является недостаточное качество регулирования, особенно для объектов с меняющейся нагрузкой, в силу фиксированности значений управляющих воздействий на объект и установления различных средних значений регулируемой величины при этих изменениях в силу колебаний последней возле того или иного из значений зон.

Цель изобретения - улучшение качества автоматического позиционного регулирования объектами с меняющейся нагрузкой.

Цель достигается максимальным приближением управляющих воздействий, действующих на объект регулирования, к нагрузке объекта при заданном номинальном значении сигнала N регулируемой величины.

Для этого для реализации предлагаемого способа, как и в способе-прототипе, задают пять значений сигналов задания регулируемой величины: номинального (N); зоны с двумя значениями, одно из которых больше номинального (N+δ), а второе - меньше номинального (N-δ) на некоторую величину δ и зоны тоже с двумя значениями, но отличающимися от номинального на величину ±Δ, причем т.е. N+Δ и N-Δ.
Номинальное значение сигнала задания (N) используют, как и в способе-прототипе, для переключения управляющих воздействий с большего U₂ на меньшее U₁ (или наоборот), причем в первоначальный момент формируют максимальное - U₂ ^max (для большего) и минимальное - U₁ ^min (для меньшего) значения управляющих воздействий.

Значение зоны N±δ используют для формирования значения управляющего воздействия, т. е. для его адаптации к нагрузке объекта. Причем, если регулируемая величина превысит значение N+δ и при этом включено, например, большее управляющее воздействие U₂, то меньшему значению U₁ присваивают значение управляющего воздействия, равное (U₁ + U₂)/2, т.е. меньшее управляющее воздействие приближают к большему управляющему воздействию и делают равным среднему значению между вновь действующим большим управляющим воздействием и ранее действовавшим меньшим управляющим воздействием.

Новое присвоенное значение меньшего управляющего воздействия запоминают (для чего в регуляторе устанавливают ячейку памяти нижней позиции (ЯПН)) и далее используют как новое меньшее управляющее воздействие на объект, а также для дальнейшей адаптации позиций регулятора, в случае повторного выбега регулируемой величины за первую зону N±δ. Старое же значение меньшего управляющего воздействия, записанное в ЯПН, стирают, причем в первоначальный момент в ЯПН записывают минимальное значение управляющего воздействия U₁ ^min.

Если напротив, при той же характеристике регулятора регулируемая величина стала меньше номинального сигнала задания (N) и при этом включилось меньшее U₁ управляющее воздействие, а затем она стала меньше N-δ, то большее значение U₂ управляющего воздействия приближают к меньшему и делают равным среднему значению управляющего воздействия между действующим меньшим значением и ранее действовавшим большим значением. При этом новое значение большего управляющего воздействия запоминают (для чего в регуляторе устанавливают ячейку памяти верхней позиции (ЯПВ)), а ранее действующее - стирают. В первоначальный же момент в ЯПВ записывают максимальное значение управляющего воздействия U₂ ^max.

Иначе, при выбеге регулируемой величины за зону N±δ управляющему воздействию, недействующему в данный момент на объект регулирования, присваивают среднее значение между действующим значением управляющего воздействия и ранее действовавшим, а в данный момент недействующим значением управляющего воздействия, с последующим запоминанием нового значения в соответствующую ячейку памяти ЯПН или ЯПВ. Таким образом, управляющее воздействие регулятора, недействующее в данный момент времени на объект регулирования, адаптируют в сторону сближения с действующим управляющим воздействием регулятора.

Если регулируемая величина продолжает изменяться в сторону следующей зоны N±Δ 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 действующего управляющего воздействия (U₂^max или U₁ ^min). При этом в соответствующую ячейку памяти (ЯПВ или ЯПН) записывают это значение управляющего воздействия, а ранее записанное - стирают.

Процесс адаптации (перенастройки) управляющих позиций регулятора начинают с момента включения системы регулирования и прекращают в том случае, если размах автоколебаний ΔY не будет превышать значения зоны 2δ, а сама регулируемая величина Y не выходит из зоны N±δ, т.е.

N-δ<Y<N+δ.
В общем случае процесс адаптации управляющих воздействий регулятора можно записать следующим образом:

где Y - значение регулируемой величины;
k = 0; 1; 2... - число срабатываний порогового элемента при переходе регулируемой величины нижнего значения зоны N-δ, т.е. при Y≤N-δ;
n= 0; 1; 2... - число срабатываний порогового элемента при переходе регулируемой величины верхнего значения зоны N+δ, т.е. при Y≥N+δ.
На фиг. 1 приведена блок-схема системы регулирования, реализующая данный способ автоматического двухпозиционного регулирования.

Система состоит из адаптивного двухпозиционного регулятора I и объекта регулирования II с меняющейся нагрузкой F.

Регулятор содержит пять элементов сравнения 1 - 5 с пороговыми элементами, формирующих дискретные управляющие сигналы X₁ - X₅, релейный элемент 6 с изменяющимися значениями верхнего (U₂) и нижнего (U₁) управляющих воздействий, крайние значения которых могут достигать, соответственно, значений U₂ ^max и U₁ ^min, управляющих элементов 7 и 8, образующих блок управления III, двух ячеек памяти 10 ЯПБ (верхней позиции) и 9 ЯПН (нижней позиции), в которых хранятся соответствующие значения управляющих воздействий, двух элементов 11 и 12, предназначенных для преобразования дискретных потенциальных сигналов X₂ и X₄ в единичные импульсы X₂ ^и и X₄ ^и соответственно, продолжительностью τ, выходной управляющий канал U и пять входных каналов, для задания сигналов задания регулируемой величины: Y_эд= N; N±δ; N±Δ.
Командный сигнал X₃ управляет переключением управляющих воздействий с U₁ на U₂ или наоборот. Сигнал X₂ преобразуется элементом 11 в единичный импульс X₂ ^и продолжительностью τ, который через элемент 7 осуществляют перенастройку U₂ (большего управляющего воздействия регулятора 3) с учетом записанных в ячейки памяти 9 (ЯПН) и 10 (ЯПВ) значений нижнего и верхнего управляющих воздействий, а также осуществляет сброс ранее записанного значения управляющего воздействия и запись нового значения в ячейку памяти 10 (ЯПВ).

Аналогично сигнал X₄, преобразованный элементом 12 в импульс X₄ ^и, через элемент 7 осуществляет перенастройку U₁ (меньшего управляющего воздействия) согласно значений в ЯПВ и ЯПН, а также осуществляет сброс ранее записанного и запись нового значения управляющего воздействия в ячейку памяти 9 (ЯПН). Причем время длительности (τ) сигналов X₂ ^и и X₄ ^и должно быть достаточным для перезаписи соответствующих управляющих воздействий в ячейки памяти ЯПН или ЯПБ. Таким образом, при срабатывании элементов 2 или 4 происходит однократное изменение управляющих воздействий в соответствующих ячейках памяти. Для повторного же их изменения необходимо, чтобы регулируемая величина вошла в зону N±δ, а затем вновь превысила значения этой зоны. Сигналы X₁ и X₅ через элемент 8 возвращают управляющие воздействия U₁ и U₂, соответственно, к своим крайним значениям U₁ ^min и U₂ ^max, а также производят сброс ранее записанных и запись крайних значений в соответствующих ячейках памяти 9 (ЯПН) и 10 (ЯПВ).

Определение среднего значения между начавшим действовать на объект и предшествующим управляющим воздействиями производится путем суммирования значений этих воздействий и деления результирующего значения пополам.

Для этого предшествующее значение управляющего воздействия U₁ ^n-1 (или U₂ ^k-1) подается в ячейку памяти ЯПН 9 (или ЯПН 10) соответственно. Туда же подается и значение вновь начавшего действовать на объект управляющего воздействия U-U₂ (или U₁) соответственно (на блок-схеме фиг. 1 линия подачи управляющего воздействия U на элементы 9 и 10 не показана, хотя возможно для лучшего понимания работы схемы это следовало бы сделать).

В момент, определяемый появлением импульса X₄ ^u (X₂ ^u) соответственно на элементе 9 (или 10), в них происходит определение вышеназванного среднего значения U₁ ⁿ (или U₂ ^k) соответственно, т.е.

его запоминание и стирание значения U₁ ^n-1 (U₂ ^k-1), что условно показано в виде скачка управляющего воздействия в элементе 6 со значения U₁ ^n-1 на U₁ ⁿ (или U₂ ^k-1 или U₂ ^k), происходящего по импульсу X₄ ^u (X₂ ^u) соответственно, проходящего через управляющий элемент 7. Фактически этот скачок имеет место по этим импульсам в соответствующих ячейках памяти ЯПН (или ЯПН 10).

Запомненное значение U₁ ⁿ (U₂ ^k) с элемента 9 (или 10) передается в момент переключения управляющих воздействий с U₂ на U₁ (или с U₁ на U₂), т.е. в момент изменения сигнала X₃, на элемент 6 через вышеназванный элемент 7 (см. линии, подходящие к нему сверху на фиг. 1), т.е. на объект управления в качестве значения U (линия командного сигнала X₃ на элемент 7 фиг. 1 также не показана).

Для реализации передачи запомненного значения управляющего воздействия U₁ ⁿ (U₂ ^k) в элементах 9 (10) на объект элемент 7 должен представлять из себя управляемый сигналом X₃ переключательный элемент.

Приняв командные сигналы X₁ - X₅ в виде следующих логических зависимостей:





можно представить предлагаемый способ в виде алгоритма, описываемого ингибиторной 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. обозначено выполнение следующих операций:
ВП - включение крайнего максимального управляющего воздействия (верхней позиции регулятора) (U₂ ^max);
НП - включение крайнего минимального управляющего воздействия (нижней позиции регулятора) (U₁ ^min);
АВП - включение большего адаптивного управляющего воздействия (адаптивной верхней позиции) (U₂);
АНП - включение меньшего адаптивного управляющего воздействия (адаптивной нижней позиции) (U₁);
ЯПВ - запись U₂ в ячейку памяти большего управляющего воздействия (верхней позиции);
ЯПН - запись U₁ в ячейку памяти меньшего управляющего воздействия (нижней позиции);
ΔU₁ и ΔU₂ - приращение значений управляющих воздействий, соответственно, меньшего и большего (по вышеизложенным формулам).

На переходах t_i (черточках сети) записываются условия их срабатывания в виде булевых функций от командных сигналов X₁ - X₅. Для соответствующего перехода они такие:
t₁ - U₁ ^minU₂ ^maxX₃;

t₂ - U₁ ^minU₂ ^maxX₃;













t₉ - U₂ ^maxX₄ ^и; t'₉ - U₁ ^minX₂ ^и;




t₁₂ - X₅; t'₁₂ - X₁.

Начальная маркировка сети дана для случая действия на объект большего адаптивного управляющего воздействия (верхней адаптивной позиции - метка в кружке АПВ) и одновременного изменения и записи нового меньшего значения управляющего воздействия (нижней позиции - метки в кружках ΔU₁ и ЯПН).

Поскольку операции приращения меньшего управляющего воздействия и записи его в ЯПН происходят одновременно, то для упрощения сети эти операции объединены в один кружок. Аналогично объединены операции приращения большего управляющего воздействия и запись его в ЯПВ.

Сеть подтверждает однозначность предложенного способа автоматического двухпозиционного регулирования.

В настоящее время разрабатывается ряд устройств регуляторов, работающих по данному способу.

Изобретение относится к области автоматического управления, а именно к двухпозиционному регулированию. Технический результат заключается в улучшении качества регулирования за счет сокращения времени адаптации. Способ регулирования заключается в том, что при выбеге регулируемой величины за первую зону адаптации управляющему воздействию, переставшему действовать на объект, присваивают среднее значение между вновь действующим значением управляющего воздействия и значением, переставшим действовать. Таким образом, достигается более быстрое сближение позиций регулятора со значением нагрузки объекта, что приводит к сокращению времени адаптации. При изменении нагрузки объекта регулятор сохраняет возможность возврата позиций в их крайние значения (за счет выбега параметра за зону реадаптации), а при последующих выбегах параметра за зону адаптации позволяет произвести подстройку позиций к новому значению нагрузки. 2 ил.

Способ автоматического двухпозиционного регулирования, основанный на задании минимального U₁ ^min и максимального U₂ ^max значений управляющего воздействия, пяти значений сигналов задания регулируемой величины: номинального N, зоны с двумя значениями, одно из которых больше номинального, а второе - меньше на величину δ, зоны тоже с двумя значениями, но отличающимися от номинального на величину ±Δ, причем |Δ| > |δ|, и переключении управляющего воздействия с большего U₂ на меньшее U₁ или наоборот при выбеге регулируемой величины за номинальное значение сигнала задания, отличающийся тем, что при выбеге регулируемой величины за значения сигналов задания зоны N±δ управляющему воздействию, переставшему действовать на объект, присваивают среднее значение между вновь действующим управляющим воздействием и значением, переставшим действовать, которое после присвоения стирают, а присвоенное среднее значение запоминают и используют в качестве управляющего воздействия в случае повторного выбега регулируемой величины за значения сигналов задания зоны N±δ, а при выбеге регулируемой величины за значения сигналов задания зоны N±Δ значение действующего на объект управляющего воздействия стирают, а вместо него запоминают и воздействуют на объект соответствующим ему минимальным U₁ ^min или максимальным U₂ ^max значением управляющего воздействия.