РЕГУЛЯТОР С РЕЛЕЙНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ Российский патент 2004 года по МПК G05B11/18 G05B11/56 

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для управления динамическими объектами в химической промышленности, теплотехнике и др.

Регуляторы с релейной характеристикой (релейные регуляторы) широко распространены в технике (см., например, Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. - М.: Наука, 1974). Известны также регуляторы с релейными характеристиками, работающие по принципу “включено-выключено” (см., например, а.с. СССР №631864, 1418648, 1585778).

Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является регулятор с релейной характеристикой по а.с. СССР №1585778, опубл. 15.08.90, бюл. №30.

Регулятор-прототип содержит индикатор экстремумов, нуль-орган, релейный блок, сумматор, элементы И, ЗАПРЕТ, формирователь сигнала отклонений, первый, второй и третий источники входных сигналов, коммутирующие элементы.

Регулятор-прототип является релейным трехпозиционным регулятором с отрицательным гистерезисом и зоной нечувствительности. Особенность его заключается в том, что переключения регулятора происходят всегда с опережением по отношению к зоне нечувствительности (с “недоходом” регулируемой координаты до зоны нечувствительности). Недостаток регулятора заключается в том, что его применение в системах может приводить к снижению быстродействия управления и точности поддержания регулируемой координаты на заданном уровне, так как после отключения управления (с “недоходом” регулируемой координаты до зоны нечувствительности) регулируемая координата может оказаться даже вне зоны нечувствительности и может оставаться там сколь угодно долго, что и снижает точность. По этой же причине снижается и быстродействие управления).

Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и точности управления.

Технический результат достигается тем, что в регулятор с релейной характеристикой, содержащий релейный блок, нуль орган, сумматор, три источника уровней выходного постоянного сигнала, два переключателя, элемент И, элемент ЗАПРЕТ, индикатор экстремумов, выходы которого соединены с входами релейного блока, первый вход регулятора связан с входом индикатора экстремумов и первым входом нуль-органа, первый вход сумматора подсоединен к выходу релейного блока, выход сумматора связан со вторым входом нуль-органа, выход элемента И подключен к управляющему входу первого переключателя, соединенного первым и вторым информационными входами с выходами первого и второго источников постоянного сигнала, а выходом - с первым информационным входом второго переключателя, подключенного вторым информационным входом к выходу третьего источника постоянного сигнала, управляющим входом - к выходу элемента ЗАПРЕТ, а выходом - к выходу регулятора, второй вход элемента И соединен с выходом нуль-органа и со вторым входом элемента ЗАПРЕТ, введен элемент сравнения, первый вход которого соединен с первым входом регулятора, второй вход которого связан со вторыми входами сумматора и элемента сравнения, а выход элемента сравнения соединен с первыми входами элемента ЗАПРЕТ и элемента И.

Регулятор изображен на фиг.1, где представлена его блок-схема, на фиг.2 приведена его статическая характеристика, фиг.3 иллюстрирует пример конкретного выполнения регулятора на пневматических элементах УСЭППА.

Регулятор содержит (фиг.1) индикатор экстремумов 1, нуль-орган 2, релейный блок 3, сумматор 4, элемент сравнения 5, первый и второй источники 6 и 7 постоянных сигналов, элемент И 8, третий источник 9 постоянного сигнала, элемент ЗАПРЕТ 10, второй и первый переключатели 11, 12, повторители-усилители 13,14 (см.фиг.3), пневмоемкость 15, реле 16, элемент 17 сравнения, элементы 18,19 запоминания максимума и минимума, Х - регулируемая координата, Х_H - сигнал задания, Y - выход регулятора.

На фиг.2 обозначены характерные точки 20-26 статической характеристики, Y- выходной сигнал, Y₀, Y₁, Y₂ - уровни выходного сигнала.

Первый вход регулятора (переменная X) соединен с входами индикатора экстремумов 1 и вторыми входами (инверсными) элементов сравнения 2 и 5, а второй вход регулятора X связан с первым входом элемента сравнения 5 и первым входом сумматора 4, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения 2, выходы индикатора экстремумов соединены с входами релейного блока 3, выход элемента сравнения 5 связан с первым входом элемента ЗАПРЕТ 10 и первым входом элемента И 8, подключенного выходом к управляющему входу первого переключателя 12, соединенного первым и вторым информационными входами с выходами первого и второго источников постоянного сигнала 6 и 7, а выходом - с информационным входом второго переключателя 11, подключенного вторым информационным входом к выходу третьего источника постоянного сигнала 9, управляющим входом - к выходу элемента ЗАПРЕТ 10, а выходом - к выходу регулятора, второй вход элемента И 8 соединен с выходом нуль-органа 2 и вторым входом элемента ЗАПРЕТ 10.

Подобное соединение элементов позволяет реализовать следующий закон управления:

где Y₁,Y₀,Y₂ - уровни постоянного выходного сигнала, Х_H - задание (заданное номинальное значение регулируемой координаты Х),

M=(1-k)X_H+kX_Э,

k - постоянный коэффициент, меньший единицы,

Х_Э- экстремальные значения регулируемой координаты, равные ее максимуму или минимуму,

- знаки конъюнкции и дизъюнкции.

Таким образом, регулятор так же, как и регулятор-прототип, является трехпозиционным регулятором с отрицательным переменным гистерезисом, но без зоны нечувствительности.

Рассмотрим работу отдельных элементов регулятора и устройства в целом.

Индикатор 1 экстремумов работает следующим образом. При изменении регулируемой координаты, например, в сторону уменьшения на выходе элемента 18 запоминается сигнал Х_макс при X<(X_макс+a), где а - величина сдвига, настраиваемая элементом 18 запоминания, элемент 17 срабатывает и отключает элемент запоминания 18, закрыв верхний контакт реле 16, а выход элемента запоминания 19 через другой контакт реле 16 соединяется с вторым входом элемента 17 сравнения. При дальнейшем уменьшении сигнала выходной сигнал элемента 17 сравнения не изменяется. С увеличением входного сигнала на выходе элемента 19 запоминания запоминается Х_мин элемент 17 сравнения принимает исходное положение, а второй вход элемента 17 сравнения вновь соединяется с выходом элемента 18 запоминания максимума. Повторители 13 и 14 обеспечивают гальваническую развязку сигналов Х_макс, Х_мин

Релейный блок 3 (двухконтактное реле) обеспечивает коммутацию Х_макс, Х_мин по команде с выхода элемента 17 сравнения на вход сумматора 4.

4. Последний выполнен по схеме дроссельного сумматора. Его выход равен (1-k)X_H+kX_Э, где k=d/(d+b), d и b - проводимости дросселей сумматора, Х_H и Х_Э - сигналы, действующие на входах сумматора 4.

Логический элемент И реализуется элементом И 8, а логическая операция ЗАПРЕТ элементом ЗАПРЕТ 10:

Первый и второй переключатели 11, 12 - это реле, включенные по схеме коммутации двух сигналов.

Регулятор работает следующим образом.

При изменении регулируемой координаты от нуля в сторону сигнала

задания Х_н (фиг.2) в индикаторе 1 экстремумов запоминается Х_мин=0, который коммутируется через повторитель 14 и реле 3 на первый вход сумматора 4, на втором входе которого действует сигнал Х_н. На выходе нуль-органа 2 сигнал “1”, так как на его первом (прямом) входе сигнал (1-k)X_H, а на втором (инверсном) Х=0 (фиг.3). На выходе элемента сравнения 5 - “1”, поскольку Х_H > Х. Поэтому элемент И 8 на своем выходе формирует сигнал “1”, а элемент ЗАПРЕТ 10 по той же причине - сигнал “0”. Выходные сигналы элементов И 8 и ЗАПРЕТ 10 переключают переключатели 11 и 12 таким образом, что на выход регулятора проходит сигнал с выхода второго источника 7, равный Y₁. Как только регулируемая координата достигнет точки 20 (фиг.2), выходной сигнал нуль-органа 2 становится равным “0”. В этой точке регулируемая координата равна выходному сигналу (1-k)X_H сумматора 4. В результате выходной сигнал элемента И 8 становится равным “0”. Это приводит к переключению первого переключателя 12 и к его выходу подключается выходной сигнал первого источника 6 постоянного сигнала, который проходит через открытый верхний контакт второго переключателя 11 в выходной канал регулятора, в результате Y=Y₀. При дальнейшем увеличении сигнала регулируемой координаты Х и достижении его точки 21 (фиг.2) срабатывает элемент 5 сравнения. Его выходной сигнал через открытый верхний контакт реле 10 (элемент ЗАПРЕТ) переключает второй переключатель 11 таким образом, что на выход регулятора проходит сигнал Y₂ с выхода третьего источника 9 постоянного сигнала. Дальнейшее нарастание сигнала регулируемой координаты Х до точки 22 никаких изменений в регуляторе не производит. Пусть от точки 22 (фиг.2) X уменьшается до точки 25, а затем вновь нарастает до точки 26. Тогда в точке 22 индикатор 1 экстремумов запоминает сигнал Х=Х_макс, на выходе сумматора 4 формируется сигнал (1-k)X_H+kX_макс, который пока меньше, чем Х=Х_макс. Это легко проверяется подстановкой числовых значений (коэффициент k всегда меньше единицы). Поэтому выход нуль-органа 2 по-прежнему “0”. При дальнейшем уменьшении Х до величины (1-k)X_H+kX_макс (точка 23 на фиг.2) срабатывает нуль-орган 2 и на выход регулятора теперь проходит сигнал с первого источника 6 постоянного сигнала. Действительно, на выходе элемента И 8 “0”, а на выходе элемента ЗАПРЕТ 10 “1” (на его входе два сигнала “1”). Эти сигналы и обеспечивают прохождение выходного сигнала первого источника 6 постоянного сигнала на выход регулятора. Далее в точке 24 (фиг.2) вновь срабатывает элемент 5 сравнения (на его выходе появляется “1”), что приводит к формированию на выходе элемента И сигнала “1”, который переключает первый переключатель 12 и на выход регулятора проходит сигнал с выхода второго источника 7 постоянного сигнала, поскольку выход элемента ЗАПРЕТ 10 равен “0”. Этот сигнал сохраняется при изменении сигнала до точки 25, а затем и до точки 26. В точке 25 Х=Х_мин, который запоминается в индикаторе 1 экстремумов, в результате на выходе сумматора 4 вновь появляется сигнал (1-k)X_H+ kX_мин. В точке 26 этот сигнал становится равным текущему значению регулируемой координаты Х, что приводит к переключению нуль-органа 2, и на выход регулятора через второй и первый переключатели 11 и 12 проходит сигнал с выхода первого источника 6 постоянного сигнала. Далее цикл повторяется. Понятно, что точки 20, 23 и 26 не являются раз навсегда фиксированными - их положение определяется значением коэффициента k и экстремальными значениями координаты X.

Повышение точности и быстродействия управления по сравнению с регулятором-прототипом достигается здесь за счет исключения зоны нечувствительности из статической характеристики устройства. В результате регулируемая координата при прочих равных условиях после отключения управления оказывается в более близкой окрестности заданного номинального значения, чем это имело бы место в системе с регулятором-прототипом.

Кроме того, заявляемый регулятор с релейной характеристикой по сравнению с прототипом оказывается проще в эксплуатации (здесь всего один настраиваемый параметр - коэффициент k), и более надежным, поскольку проще в технической реализации.

Использование регулятора наиболее целесообразно в системах управления динамическими объектами, где решающее значение имеют точность, быстродействие и минимизация расходов на управление.

Изобретение относится к области средств автоматизации и может использоваться в химической, металлургической промышленности, в теплотехнике. Технический результат заключается в повышении быстродействия и точности управления. Регулятор представляет собой трехпозиционный регулятор с отрицательным переменным гистерезисом без зоны нечувствительности и содержит индикатор экстремумов, нуль-орган, сумматор, три источника постоянных сигналов, релейный блок, переключатели, элементы И, ЗАПРЕТ, элемент сравнения, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым входами регулятора, а выход элемента сравнения связан с первыми входами элемента ЗАПРЕТ и элемента И. 3 ил.

Регулятор с релейной характеристикой, содержащий релейный блок, нуль-орган, сумматор, три источника уровней выходного постоянного сигнала, два переключателя, элемент И, элемент ЗАПРЕТ, индикатор экстремумов, выходы которого соединены с входами релейного блока, первый вход регулятора связан с входом индикатора экстремумов и первым входом нуль-органа, первый вход сумматора подсоединен к выходу релейного блока, выход сумматора связан со вторым входом нуль-органа, выход элемента И подключен к управляющему входу первого переключателя, соединенного первым и вторым информационными входами с выходами первого и второго источников постоянного сигнала, а выходом - с первым информационным входом второго переключателя, подключенного вторым информационным входом к выходу третьего источника постоянного сигнала, управляющим входом - к выходу элемента ЗАПРЕТ, а выходом - к выходу регулятора, второй вход элемента И соединен с выходом нуль-органа и со вторым входом элемента ЗАПРЕТ, отличающийся тем, что в него введен элемент сравнения, первый вход которого соединен с первым входом регулятора, второй вход регулятора связан со вторыми входами сумматора и элемента сравнения, а выход элемента сравнения соединен с первыми входами элемента ЗАПРЕТ и элемента И.