СПОСОБ САМОНАСТРОЙКИ СИСТЕМЫ ПИД-РЕГУЛИРОВАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G05B13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области управления непрерывными технологическими процессами, в частности инерционными объектами, с помощью вычислительных технических средств и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Уровень техники

Известен способ самонастройки системы управления объектом, основанный на подаче управляющего воздействия на объект в виде пробного непериодического сигнала, определении параметров модели объекта на основе его реакции, определении настраиваемых параметров на основе передаточных функций моделей объекта и эталонной системы по критерию перерегулирования при минимальной сложности системы (RU 2304298 С2, 05.10.2005, G05B 13/00).

Известный способ применительно к инерционным объектам не обеспечивает требуемую эффективность самонастройки и приемлемое качество регулирования, так как использует только непериодический пробный сигнал, предусматривает сложную в практической реализации схему настройки совпадением модели объекта и эталонной системы, а используемый критерий является неэффективным для инерционных объектов.

Известен также способ автоматической настройки системы регулирования, основанный на использовании двухпозиционного регулирования с корректировкой значений амплитуды автоколебаний в разных циклах автонастройки, определении момента завершения переходного процесса по достижению равенства сумм ошибки на соседних интервалах и равенства длительностей этих интервалов, определении параметров настройки регулятора по измеренным амплитуде и частоте автоколебаний (RU 2002289 С1, 26.07.89, G05B 13/00).

Известный способ применительно к инерционным объектам не обеспечивает требуемую эффективность самонастройки и приемлемое качество регулирования, так как используемый в способе теоретический подход к реализации частотных методов анализа систем регулирования на практике бывает затруднительным.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ оптимальной автоматической настройки системы управления, основанный на подаче на объект управления (ОУ) ступенчатого пробного сигнала с настраиваемой амплитудой и полярностью, определении характерных точек переходного процесса, определении с помощью вспомогательных функций по этим точкам параметров настроек регулятора с критерием максимальной степени устойчивости (RU 2243584 С2, 24.03.2003, G05B 13/00) (прототип).

Недостатком известного способа является недостаточная эффективность самонастройки и низкое качество регулирования инерционных объектов из-за невысокой точности определения параметров используемых в способе характерных точек и сложности применяемых формул, а также неадекватности для инерционных объектов применяемой структуры модели.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения - повышение эффективности самонастройки и улучшение качества регулирования инерционных объектов.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от известного технического решения, в предлагаемом способе объект управления (ОУ) аппроксимируют апериодическим звеном 1-го порядка с запаздыванием

самонастройку осуществляют в два этапа:

на первом этапе подают ступенчатое воздействие на ОУ, определяют окончание переходного процесса по уменьшению производной выходного сигнала ОУ ниже заданного значения и определяют коэффициент усиления А, на втором этапе включают двухпозиционное регулирование, выдерживают два полных цикла автоколебаний системы, по амплитуде последнего цикла автоколебаний определяют значение отношения $$L=\frac{\tau }{T}$$ , по длительности последнего цикла автоколебаний и величине L определяют постоянную времени Т, а настройки определяют по интегральному критерию минимума модуля ошибки регулирования.

Описание чертежей

Реализация и особенности предлагаемого способа иллюстрируются фигурами.

Фиг.1. Схема регулирования с обратной связью.

Фиг.2. Кривые разгона объекта и модели.

Фиг.3. Циклограмма самонастройки.

Фиг.4. Зависимости амплитуды автоколебаний

Фиг.5. Зависимости длительности цикла автоколебаний.

Фиг.6. Зависимости оптимальных настроек.

Осуществление изобретения

Схема регулирования с обратной связью, рассматриваемая в предлагаемом способе, представлена на фиг.1.

Алгоритм ПИД-регулирования записывается в следующем виде:

$$U=K_{О}(K_{П}Е+\frac{1}{T_{И}}{\displaystyle \int Edt+T_{Д}\frac{dE}{dt}})$$

где Е=Х^зад-Х - ошибка регулирования.

В предлагаемом способе в качестве аппроксимирующей модели ОУ

используется апериодическое звено 1-го порядка с запаздыванием, имеющее следующую передаточную функцию:

где А - коэффициент усиления;

Т - постоянная времени;

τ - время «чистого» запаздывания.

Такая аппроксимация позволяет описывать широкий круг инерционных объектов, когда запаздывание τ является не фактическим, а эквивалентным.

На фиг.2 показан переходный процесс на скачкообразное воздействие по входу для сложного инерционного объекта (линия 1) и его аппроксимирующей модели (линия 2).

Эквивалентное запаздывание, существенно затрудняющее работу системы регулирования такого объекта, обеспечивает эквивалентные характеристики замкнутой системы. В основу способа положены результаты проведенного исследования на основе цифрового моделирования и оптимизации, поскольку аналитические решения для систем с запаздыванием крайне затруднены. В предлагаемом способе самонастройки комплексно используется как ступенчатое пробное воздействие на объект, так и реализация режима автоколебаний.

На 1-м этапе самонастройки подается ступенчатое воздействие на управляющий канал U при разомкнутой системе регулирования (см. фиг.3).

Момент окончания переходного процесса t_пер определяется по выполнению условия (3) (достижение производной выходного сигнала ОУ заданного минимального значения D_min):

На 1-м этапе самонастройки определяется только коэффициент усиления А:

Далее осуществляется переход ко 2-му этапу самонастройки. В момент t_пер включается замкнутая схема двухпозиционного регулирования по следующему алгоритму:

Система переходит в режим автоколебаний (фиг.3). Проведенные расчеты и моделирование показали, что установившийся режим автоколебаний в такой постановке достигается очень быстро, поэтому для определения параметров модели достаточно двух полных циклов автоколебаний.

Для объекта с передаточной функцией (2) основные характеристики определяются в зависимости от отношения $$L=\frac{\tau }{T}$$ . Амплитуда установившихся автоколебаний пропорциональна величине L (фиг.4).

С учетом этой зависимости определяется величина L по измеренной амплитуде b_ц последнего (второго) цикла автоколебаний (с усреднением амплитуд положительной и отрицательной полуволн для учета возможных нелинейностей ОУ):

Длительность цикла автоколебаний пропорциональна величине L и также пропорциональна величине постоянной времени Т (фиг.5). С учетом этой зависимости определяют величину Т по измеренной длительности цикла $$t\frac{ц}{2}$$ и ранее определенному значению L. Эквивалентное запаздывание легко определяется как τ=LT.

Таким образом, определены параметры аппроксимирующей эквивалентной модели ОУ: А, τ, Т. По этим параметрам можно определить настройки ПИД-регулирования, оптимальные по критерию минимума модуля ошибки цифрового регулирования:

где h - дискретность регулирования;

n, N - выбирают пропорционально m;

α>0.

Зависимости, по которым определяются оптимальные настройки К_п, Т_и, Т_д регулятора (1) по критерию (7), показаны на фиг.6. Коэффициент усиления регулятора K_о определяется как $$K_o=\frac{1}{A}$$ .

Критерий (6) обеспечивает достаточно высокое быстродействие при небольшом перерегулировании. Поверхность данного критерия в системе координат настроек пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих ПИД-регулирования (К_п, Т_и, Т_д) достаточно пологая в области оптимума, что облегчает настройку регулятора. Кроме того, предлагаемый способ самонастройки достаточно прост в реализации.

Для реализации способа может использоваться, например, регулирующий контроллер БАЗИС-21.2РР или другой из серии БАЗИС^® производства ЗАО «Экоресурс». Внедрение предлагаемого способа в серийно выпускаемых контроллерах серии БАЗИС^® намечено на 2014 год.

Изобретение относится к области управления непрерывными технологическими процессами. Техническим результатом является повышение эффективности самонастройки и улучшение качества регулирования инерционных объектов. Для этого предложен способ самонастройки системы ПИД-регулирования, основанный на подаче пробного сигнала на объект управления (ОУ), определении параметров модели ОУ на основе измеренных данных переходного процесса и определении настроек регулирования по параметрам модели, при этом ОУ аппроксимируют апериодическим звеном 1-го порядка с запаздыванием, а самонастройку осуществляют в два этапа: на первом этапе подают ступенчатое воздействие на ОУ, а на втором этапе включают двухпозиционное регулирование, затем определяют настройки ПИД-регулирования, оптимальные по интегральному критерию минимума модуля ошибки регулирования. 6 ил.

Способ самонастройки системы ПИД-регулирования, основанный на подаче пробного сигнала на объект управления (ОУ), определении параметров модели ОУ на основе измеренных данных переходного процесса и определении настроек регулирования по параметрам модели, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности самонастройки и улучшения качества регулирования инерционных объектов, ОУ аппроксимируют апериодическим звеном 1-го порядка с запаздыванием

самонастройку осуществляют в два этапа:
на первом этапе подают ступенчатое воздействие на ОУ, определяют окончание переходного процесса по уменьшению производной выходного сигнала ОУ ниже заданного значения и определяют коэффициент усиления А, на втором этапе включают двухпозиционное регулирование, выдерживают два полных цикла автоколебаний системы, по амплитуде последнего цикла автоколебаний определяют значение отношения по длительности последнего цикла автоколебаний и величине L определяют постоянную времени Т, время запаздывания определяют как τ=LT, затем используя А - коэффициент усиления, τ - время запаздывания и Т - постоянную времени определяют настройки ПИД-регулирования, оптимальные по интегральному критерию минимума модуля ошибки регулирования.