РЕГУЛЯТОР С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 2000 года по МПК G05B11/36 

Изобретение относится к технике автоматического регулирования, а именно к устройствам с переменной структурой, и может быть использовано при автоматизации различных технологических процессов.

Известны регуляторы с переменной структурой (РПС), содержащие блок переключения, блок предварения, регулирующий блок, логический блок и блок сигнализации с зоной нечувствительности, например, пневматический регулятор с переменной структурой (авт. свид. СССР N 718834, М. Кл² G 05 B 11/58 и G 05 B 13/00, Бюл. изобр. N 8, 1980), в котором изменяются лишь постоянная времени блока предварения и величина зоны нечувствительности блока сигнализации.

Однако поэтому известный регулятор не обладает достаточной помехозащищенностью, устойчивостью и точностью работы при управлении объектами с переменными параметрами и запаздыванием, изменяющимися в широких пределах и при действии значительных возмущений технологического процесса.

Кроме того, известны регуляторы с переменной структурой, содержащие элемент сравнения, регулирующий блок, блок переключения и блок логики, состоящий из двух блоков предварения и двух блоков релейной сигнализации, например, пневматический регулятор с переменной структурой (авт. свид. СССР N 851337, М. Кл³ G 05 B 11/58, Бюл. изобр. N 28, 1981), в котором переключаются лишь параметры дифференциальной составляющей закона регулирования.

Поэтому этот известный регулятор также не обеспечивает достаточного качества (помехозащищенности, устойчивости и точности работы) при управлении объектами с переменными параметрами и запаздыванием, изменяющимися в широких пределах и при действии значительных возмущений технологического процесса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор с переменной структурой, содержащий блок переключения, первый и второй блоки релейной сигнализации, каждый из которых содержит сигнализаторы верхнего и нижнего отклонений, логический блок, состоящий из логических элементов: первого, второго и третьего элементов ИЛИ, первого и второго элементов И, элемента ИЛИ-НЕ, первого и второго элементов "Запрет", а также регулирующий блок, вход которого подключен к выходу элемента сравнения и входам первого и второго блоков предварения, выходы которых подключены соответственно к входам первого и второго блоков релейной сигнализации, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго элементов ИЛИ, выходы которых подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ, вход первого элемента "Запрет" соединен с выходом первого элемента ИЛИ, запрещающий вход - с выходом второго элемента ИЛИ, вход второго элемента "Запрет" соединен с выходом второго элемента ИЛИ, запрещающий вход - с выходом первого элемента ИЛИ, входы первого элемента И соединены с выходами сигнализаторов верхнего отклонения, входы второго элемента И соединены с выходами сигнализаторов нижнего отклонения, выходы первого и второго элементов И подключены к входам третьего элемента ИЛИ (авт. свид. СССР N 748345, М. Кл². G 05 B 11/58 и G 05 B 13/00, Бюл. изобр. N 26, 1980).

Однако в этом известном регуляторе изменяются только параметры регулирующего блока (закона регулирования) и остаются постоянными (без изменения) постоянные времени блоков предварения и величины зон нечувствительности в блоках релейной сигнализации, что не позволяет изменять наклон линий переключения параметров и ширину соответствующих зон нечувствительности на фазовой плоскости автоматической системы регулирования (АСР), то есть нет возможности изменять закон переключения параметров регулирующего блока в соответствии с изменяющимися условиями работы объекта управления. Это снижает качество регулирования технологических параметров, а также сужает функциональные возможности регулятора.

В предлагаемом регуляторе с переменной структурой, содержащем элемент сравнения, связанный с ним регулирующий блок и подключенный к нему задающими параметры закона управления выходами блок переключения настроек, первый и второй блоки предварения, входы которых соединены с выходом элемента сравнения, а выходы подключены соответственно к входам первого и второго блоков релейной сигнализации, каждый из которых содержит сигнализаторы верхнего и нижнего отклонений, и логический блок, состоящий из первого, второго, третьего, четвертого элементов ИЛИ, первого, второго, третьего, четвертого элементов И, элемента ИЛИ-НЕ и первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого элементов "Запрет", входы первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с выходами первого и второго блоков релейной сигнализации, а их выходы подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к прямому входу седьмого элемента "Запрет", прямые входы первого и второго элементов "Запрет" соединены соответственно с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а их запрещающие входы - с выходами соответственно второго и первого элементов ИЛИ, выходы первого и второго элементов "Запрет" подключены к прямым входам соответственно шестого и пятого одноименных элементов, входы первого и второго элементов И подключены к выходам сигнализаторов соответственно верхнего и нижнего отклонений первого и второго блоков релейной сигнализации, а их выходы соединены с входами третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к прямому входу четвертого элемента "Запрет", первые входы третьего и четвертого элементов И соединены с сигнализаторами верхнего отклонения соответственно первого и второго блоков релейной сигнализации, а вторые - с сигнализаторами нижнего отклонения соответственно второго и первого блоков релейной сигнализации, выходы третьего и четвертого элементов И подключены к входам четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с прямым входом третьего элемента "Запрет", первый, второй, третий, четвертый и пятый основные входы блока переключения настроек соединены соответственно с выходами седьмого, шестого, пятого, четвертого и третьего элементов "Запрет" в логическом блоке, дополнительный вход блока переключения настроек соединен непосредственно с задающим логическим каналом, который также подключен к запрещающим входам третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого элементов "Запрет", соответствующие выходы блока переключения настроек соединены с параметрическими входами первого и второго блоков предварения, а также первого и второго блоков релейной сигнализации, блок переключения настроек содержит семь динамических блоков и семь переключателей шести аналоговых параметров настройки каждый, шесть задающих логических входов каждого переключателя соединены с соответствующими шестью задающими логическими входами других переключателей и шестью входами блока переключения настроек, выходы переключателей через соответствующие динамические блоки подключены к соответствующим семи выходам блока переключения настроек.

На фиг. 1 представлена блок-схема регулятора с переменной структурой; на фиг. 2 представлена схема блока переключения настроек; на фиг. 3 - разбиение фазовой плоскости АСР на области логическим устройством регулятора.

Предлагаемый регулятор содержит элемент сравнения 1, регулирующий блок (РБ) 2 для реализации стандартного ПИД-закона, блок переключения настроек (БПН) 3, два блока предварения 4, 5 (БП1 и БП2), два блока релейной сигнализации 6, 7 (БРС1 и БРС2) и логическое устройство 8, которое, в свою очередь, содержит логические элементы ИЛИ 9-12, элементы И 13 - 16, элемент ИЛИ-НЕ 17 и элементы "Запрет" 18 - 24, кроме того, БПН содержит семь переключателей шести аналоговых параметров настройки каждый 25-31, а также семь динамических блоков 32-38 (ДБ1 - ДБ7).

Каждый из двух блоков релейной сигнализации 6 и 7 содержит сигнализаторы нижнего и верхнего отклонений выходного сигнала, подключенного к нему блока предварения 4 или 5 за нижнюю и соответственно верхнюю границы зон нечувствительности (Δ^′ в БРС1 и Δ^″ в БРС2), значения которых устанавливаются блоком БПН3.

Выход ε элемента сравнения 1 (ошибка регулирования или сигнал рассогласования ε) соединен с сигнальными входами регулирующего блока РБ 2 и блоков предварения: первого БП1 (блок 4) и второго БП2 (блок 5), сигналы с выходов которых поступают соответственно на входы первого 6 и второго 7 блоков релейной сигнализации БРС. На входы первого 9 и второго 10 элементов ИЛИ подаются логические сигналы соответственно S₁, S₂ и S₃, S₄ от сигнализаторов нижнего и верхнего отклонений соответственно первого 6 и второго 7 блоков релейной сигнализации БРС, а выходы первого 9 и второго 10 элементов ИЛИ подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ 17, выход которого соединен с прямым входом седьмого элемента "Запрет" 24. На прямые входы первого 18 и второго 19 элементов "Запрет" поданы сигналы с выходов соответственно первого 9 и второго 10 элементов ИЛИ, а на их запрещающие входы - с выходов соответственно второго 10 и первого 9 элементов ИЛИ, сигналы с выходов первого 18 и второго 19 элементов "Запрет" поданы на прямые входы соответственно шестого 23 и пятого 22 одноименных элементов. На входы первого 13 и второго 14 элементов И подаются сигналы S₂, S₄ и S₁, S₃ соответственно с выходов сигнализаторов верхнего и нижнего отклонения первого 6 и второго 7 блоков релейной сигнализации БРС, а выходы первого 13 и второго 14 элементов И подключены к входам третьего элемента ИЛИ 11, выход которого подключен к прямому входу четвертого элемента "Запрет" 21. На первые входы третьего 15 и четвертого 16 элементов И поданы сигналы S₂ и S₄ соответственно с выходов сигнализаторов верхнего отклонения первого 6 и второго 7 блоков релейной сигнализации, а на вторые - соответственно S₃ и S₁ с выходов сигнализаторов нижнего отклонения второго 7 и первого 6 блоков релейной сигнализации БРС, выходы третьего 15 и четвертого 16 элементов И подключены к входам четвертого элемента ИЛИ 12, сигнал с выхода которого подан на прямой вход третьего элемента "Запрет" 20. На первый - пятый основные входы блока переключения настроек БПН 3 подаются сигналы C₁-C₅ с выходов соответственно седьмого - третьего элементов "Запрет" 24-20 в логическом блоке 8, на дополнительный вход блока переключения настроек БПН 3 непосредственно подан сигнал P₀ с задающего логического канала, который также подается на запрещающие входы третьего - седьмого элементов "Запрет" 20 - 24. Выходы блока переключения настроек T', T'' и Δ^′,Δ^″ соединены соответственно с параметрическими входами первого 4 и второго 5 блоков предварения, а также первого 6 и второго 7 блоков релейной сигнализации.

Регулятор работает следующим образом.

На входы элемента сравнения 1 поступают сигнал задания Y₃ и текущее значение регулируемого параметра Y, а на его выходе образуется сигнал рассогласования ε. На выходе первого блока предварения 4 формируется сигнал на выходе второго блока предварения 5 - сигнал блоки релейной сигнализации 6 и 7 формируют следующие логические сигналы:




где обычно Δ^″ > Δ^′ > 0, T'' > T'; Δ^′ и Δ^″ - значения зон нечувствительности блоков релейной сигнализации 6, 7; T' и T'' - постоянные времени блоков предварения 4, 5; ε - сигнал рассогласования; производная по времени сигнала рассогласования.

Логические выходные сигналы БРС1 и БРС2 S₁, S₂, S₃, S₄ поступают на входы логического блока 8 и вызывают появление на выходах логического блока сигналов, соответствующих логической "1" при следующих условиях:
C₁ = "1" при что соответствует области I на фиг. 3;
C₂ = "1" при что соответствует области II на фиг. 3;
C₃ = "1" при что соответствует области III на фиг. 3;
C₄ = "1" при что соответствует на фиг. 3 области IV, в которой выходные сигналы обоих блоков предварения имеют одинаковые знаки;
C₅ ="1" при что соответствует на фиг. 3 области V, в которой выходные сигналы обоих блоков предварения имеют разные знаки;
C₀ = "1" при P₀=1, что соответствует принудительной установке параметров настройки K₀, T_И0, T_Д0, T'₀, T''₀, независимо от значений остальных логических сигналов C₁-C₅.

Следует отметить, что две и более логические "1" на выходах логического устройства появиться не могут. Логический блок 8 связан с блоком переключения настроек 3 логическими сигналами C₀, C₁, C₂, C₃, C₄, C₅, характеризующими положение рабочей точки процесса на фазовой плоскости (см. фиг. 3), так, C₁= "1" соответствует области I на фиг. 3, C₂= "1" - области II на фиг. 3 и так далее. При C₀= "1", независимо от значений других логических сигналов, БПН 3 устанавливает значения параметров настройки K₀, T_И0, T_Д0, T'₀, T''₀, Блок переключения настроек БПН 3 в зависимости от значений логических сигналов на его входах устанавливает в регулирующем блоке 2 различные значения параметров настройки каждой составляющей ПИД-закона регулирования, а также постоянные времени блоков предварения 4, 5 и величины зон нечувствительности блоков релейной сигнализации 6, 7 (табл. 1).

Довольно эффективным оказался следующий упрощенный алгоритм работы блока параметров настройки БПН (табл. 2) и соответственно регулятора:

где K₁, T_И1, (T_Д1 = 0) - настройки ПИ-регулятора с малыми коэффициентами передачи для нормального режима (область I);
K₂, T_И2, T_Д3 - умеренные настройки ПИД-закона регулирования, соответственно пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих;
K₄, T_И4, T_Д4 - форсированные настройки ПИД-закона регулирования;
K₀, T_И0, T_Д0 - принудительно устанавливаемые сигналом C₀ настройки регулятора;
p - оператор Лапласа;
K₄ > K₂ > K₁, T_И4 < T_И2 < T_И1, T_Д4 > T_Д3;
в скобках указаны номера областей на фиг. 3.

В табл. 2 по сути приведен алгоритм работы БПН и всего регулятора, причем условия переключения БПН полностью соответствуют табл. 1. Параметры блоков предварения БП и релейной сигнализации БРС переключаются только на двух уровнях.

Если текущие значения рассогласования и его производной малы по абсолютной величине, то есть сигналы на выходах блоков предварения 4, 5 находятся внутри установленных зон нечувствительности в блоках релейной сигнализации 6, 7, что соответствует области I на фиг. 3, то на первом выходе C₁ логического блока 8 сигнал равен логической "1", который поступает на первый вход блока переключения настроек БПН 3, отключающего в регулирующем блоке РБ 2 дифференциальную составляющую закона регулирования (T_Д1 = 0). Оставшиеся пропорциональная (K₁) и интегральная (T_И1) составляющие с малыми коэффициентами передачи (время интегрирования T_И1 велико, поэтому коэффициент передачи интегратора K_И1 мал) обеспечивают высокую степень помехозащищенности и устойчивости работы системы регулирования АСР. Блок переключения настроек БПН 3 устанавливает также малые постоянные времени T'₁ и T''₁ в блоках предварения 4, 5 и малые величины зон нечувствительности в блоках релейной сигнализации 6, 7.

Аналогично действие устройства и в остальных случаях, но со своими параметрами настройки для каждой из пяти областей на фиг. 3. Если сигнал на выходе какого-либо блока предварения 4 или 5 выйдет из установленной для него зоны нечувствительности, срабатывает соответствующий блок релейной сигнализации 6 или 7, что соответствует области II или III на фиг. 3, блок переключающих реле 4 выдает сигнал на втором C₂ или третьем C₃ выходе, блок переключения настроек 3 установит в регулирующем блоке 2 соответствующий закон регулирования: если C₂ = "1", то отключена только дифференциальная составляющая закона (T_Д2 = 0), а во вторых блоках предварения 5 и релейной сигнализации 7 установлены большие постоянная времени T''₂ > T''₁ и зона нечувствительности если же C₃ = "1", то отключается интегральная составляющая ( T_ИЗ _→ ∞, то есть K_И3 = 0), в первом блоке предварения 4 установлена меньшая постоянная времени T'₂ < T'₁, а в первом блоке релейной сигнализации 6 установлена большая зона нечувствительности
Если регулируемая величина ε удаляется от задания Y₃ или приближается к нему с очень большой скоростью (область IV на фиг. 3), в блоках релейной сигнализации 6, 7 срабатывают сигнализаторы отклонений одного типа (оба верхнего или оба нижнего). Логический блок 8 выдает сигнал C₄ = "1" на четвертом выходе, а блок переключения настроек 3 по этому сигналу устанавливает форсированные настройки ПИД-закона регулирования: K₄ > K₂, T_И4 < T_И2, T_Д4 > T_Д3, в первом блоке предварения 4 устанавливает меньшую постоянную времени T'₂ < T'₁, во втором блоке предварения 5 - большую постоянную времени T''₂ > T''₁, а в блоках релейной сигнализации 6, 7 устанавливает большие значения зон нечувствительности
Если регулируемая величина ε приближается к заданию со степенью затухания, заключенной в интервале (1/T'', 1/T', в блоках релейной сигнализации 6, 7 срабатывают сигнализаторы отклонений разного типа (область V на фиг. 3), то логический блок 8 выдаст сигнал C₀ = "1", а блок переключения настроек 3 оставит в законе регулирования только пропорциональную составляющую K₅ = K₂ ≠ 0, T_И5 _→ ∞ (K_И5 = 0) и T_Д5 = 0 (чтобы не было больших скачков по управлению при выходе в эту область из смежных областей II и III), а в блоках предварения 4, 5 и релейной сигнализации 6, 7 устанавливаются начальные значения параметров: T'₁, T''₁ и
Независимо от того, в какой из областей фазовой плоскости АСР (фиг. 3) находится рабочая точка, при подаче управляющего логического сигнала P₀ = "1", а следовательно, и C₀ = "1", блок переключения настроек 3 устанавливает следующие параметры настройки регулятора: K₀, T_И0, T_Д0, T'₀, T''₀,
По сравнению с известными, предлагаемый регулятор обладает лучшей помехозащищенностью автоматической системы регулирования (так как при малых значениях работает ПИ-регулятор с малыми коэффициентами передачи: K₁, T_И1, а T_Д1 = 0); повышает степень устойчивости системы при наличии запаздывания в объекте (за счет изменения постоянных времени блоков предварения, изменения ширины зон нечувствительности в блоках релейной сигнализации и смены структуры регулятора с упреждением не в тот момент, когда а заранее, в момент, когда причем T'' > T' и Δ^″ > 0); увеличивает точность работы системы (так как форсированные параметры настроек закона регулирования устанавливаются в моменты, когда регулируемая величина удаляется от задания или приближается к нему с большой скоростью); повышает срок службы исполнительного механизма (так как скачки по управлению в моменты переключения структуры регулятора незначительны).

Дополнительное повышение качества регулирования достигается за счет изменения параметров блоков релейной сигнализации и блоков предварения. Рекомендуется в форсированном режиме (область IV на фиг. 3) увеличить большую постоянную времени T'' блока предварения БП2 и уменьшить меньшую постоянную времени Т' блока предварения БП1, а зоны нечувствительности в обоих блоках релейной сигнализации увеличивать.

Кроме того, за счет добавления блока переключения настроек 3 значительно увеличиваются функциональные возможности устройства, что позволяет получать на его базе (как частные случаи) практически все известные алгоритмы обычных (линейных) регуляторов и с переменной структурой различных типов. Так например, если все элементы векторов в БПН равны (K₁ = K₂ = ... K₅, T_И1 = T_И2 ... = T_И5, T_Д1 = T_Д2 = ... T_Д5), то реализуется стандартный ПИД-закон регулирования. При отсутствии зон нечувствительности (Δ^′ = Δ^″ = 0) имеем обычный регулятор с переменной структурой (без зон нечувствительности), работающий только в двух режимах: умеренном и форсированном - на фиг. 3 при этом остаются только области IV и V.

При постоянных K и T_И (K₁ = K₂ = ... K₅, T_И1 = T_И2 ... T_И5) и переключаемой соответствующим образом только постоянной времени дифференцирования получаем известный регулятор с переменной структурой (авт. свид. СССР N 851337, М. Кл³ G 05 B 11/58, Бюл. изобр., 1981, N 28). При равных, но переключаемых постоянных времени блоков предварения (T' = T'' ≠ 0) и также равных, но плавно переключаемых величинах зон нечувствительности блоков релейной сигнализации БРС (Δ^′ = Δ^″ ≠ 0) получаем известный регулятор с переменной структурой (авт. свид. СССР N 718834, М. Кл². G 05 B 11/58 и G 05 B 13/00, Бюл. изобр., 1980, N 8). Наиболее близкий по технической сущности регулятор с переменной структурой получается, если в таблице 1 все элементы каждого из векторов T', T'' и Δ^′,Δ^″ сделать одинаковыми (при этом параметрические входы блоков предварения БП и блоков релейной сигнализации БРС можно отключить от блока переключения настроек БПН), а элементы векторов K, T_И, T_Д подобрать соответствующим образом.

Предлагаемый регулятор с переменной структурой и расширенными функциональными возможностями можно выполнить на элементах цифровой и микропроцессорной техники, и даже на элементах и модулях промышленной пневмоавтоматики его реализация не вызывает затруднений. Довольно просто предлагаемый регулятор реализуется на микропроцессорном контроллере типа Ремиконт Р-130 с использованием алгоритма ПЕР (переключение). Причем, на контроллере Р-130 нетрудно реализовать не скачкообразное, а плавное переключение параметров настройки по какому-либо закону или с заданной скоростью изменения, что позволяет вообще избежать скачков по управлению в моменты переключения структуры регулятора.

Изобретение относится к технике автоматического регулирования, а именно к устройствам с переменной структурой, и может быть использовано при автоматизации различных технологических процессов. Технический результат изобретения заключается в повышении качества регулирования и расширении функциональных возможностей регуляторов. Регулятор обладает достаточной помехозащищенностью, устойчивостью и точностью работы при управлении объектами с переменными параметрами и запаздыванием, изменяющимися в широких пределах и при действии значительных возмущений технологического процесса. Регулятор может быть выполнен на элементах цифровой и микропроцессорной техники, а также на элементах и модулях пневмоавтоматики. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Регулятор с переменной структурой, содержащий элемент сравнения, связанный с ним регулирующий блок и подключенный к нему выходными, задающими параметры закона управления, блок переключения настроек, первый и второй блоки предварения, входы которых соединены с выходом элемента сравнения, а выходы подключены соответственно к входам первого и второго блоков релейной сигнализации, каждый из которых содержит сигнализаторы верхнего и нижнего отклонений, и логический блок, состоящий из первого, второго, третьего элементов ИЛИ, первого, второго элементов И, первого, второго элементов "Запрет" и элемента ИЛИ-НЕ, входы первого и второго элементов ИЛИ подключены соответственно к выходам первого и второго блоков релейной сигнализации, а их выходы - к входам элемента ИЛИ-НЕ, прямые входы первого и второго элементов "Запрет" соединены с выходами соответственно первого и второго элементов ИЛИ, а их запрещающие входы - с выходами соответственно второго и первого элементов ИЛИ, входы первого и второго элементов И подключены к выходам сигнализаторов соответственно верхнего и нижнего отклонений первого и второго блоков релейной сигнализации, а их выходы соединены с входами третьего элемента ИЛИ, отличающийся тем, что в нем логический блок дополнительно содержит третий и четвертый элементы И, четвертый элемент ИЛИ, а также третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой элементы "Запрет", первые входы третьего и четвертого элементов И соединены с сигнализаторами верхнего отклонения соответственно первого и второго блоков релейной сигнализации, а вторые - с сигнализаторами нижнего отклонения соответственно второго и первого блоков релейной сигнализации, выходы третьего и четвертого элементов И подключены к входам четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с прямым входом третьего элемента "Запрет", прямой вход четвертого элемента "Запрет" соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, прямые входы пятого и шестого элементов "Запрет" подключены к выходам соответственно второго и первого элементов "Запрет", прямой вход седьмого элемента "Запрет" соединен с выходами элемента ИЛИ-НЕ, первый, второй, третий, четвертый и пятый основные входы блока переключения настроек соединены соответственно с выходами седьмого, шестого, пятого, четвертого и третьего элементов "Запрет" в логическом блоке, дополнительный вход блока переключения настроек соединен непосредственно с задающим логическим каналом, который также подключен к запрещающим входам третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого элементов "Запрет", соответствующие выходы блока переключения настроек соединены с параметрическими входами первого и второго блоков предварения, а также первого и второго блоков релейной сигнализации. 2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что блок переключения настроек содержит семь динамических блоков и семь переключателей шести аналоговых параметров настройки каждый, шесть задающих логических входов каждого переключателя соединены с соответствующими шестью задающими логическими входами других переключателей и шестью входами блока переключения настроек, выходы переключателей через соответствующие динамические блоки подключены к соответствующим семи выходам блока переключения настроек.