СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ С РЕВЕРСИВНЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ МЕХАНИЗМОМ Российский патент 2015 года по МПК G05B11/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области управления непрерывными инерционными технологическими объектами с реверсивными электроприводными исполнительными механизмами, с использованием широтно-импульсной модуляции, в частности с помощью вычислительных технических средств (контроллеров), и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики.

Уровень техники

Известен способ автоматического управления с широтно-импульсным регулированием, заключающийся в том, что формируют скоростной сигнал ошибки регулирования, формируют широтно-импульсный сигнал из управляющего сигнала и периодического хронирующего сигнала, а управляющий сигнал формируют прямо пропорциональным отношению скоростного сигнала и сигнала ошибки (RU 2050575 С1, 20.12.1995, G05В 13/02).

Известный способ применительно к инерционным объектам не обеспечивает требуемое качество регулирования и надежность, так как не предусматривает возможность использования эффективных для таких объектов алгоритмов регулирования, например ПИД-закона.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ автоматического регулирования с широтно-импульсным модулятором и позиционным исполнительным механизмом путем преобразования регулятором ошибки регулирования в соответствии с заданным законом регулирования в управляющее воздействие, дальнейшего формирования широтно-импульсным модулятором серии импульсов, перемещающих исполнительный механизм в сторону «больше» или «меньше», воздействуя на объект регулирования, а также изменения минимальной длительности импульса с учетом модуля сигнала скорости изменения ошибки регулирования (RU 2325682 C1, 20.02.2007, G05В 11/28) (прототип).

Недостатком известного способа является низкое качество регулирования инерционных объектов из-за того, что не учитываются особенности конкретного закона регулирования, а также недостаточная надежность системы регулирования в связи с использованием алгоритма модуляции, предусматривающего избыточно частые включения двигателя исполнительного механизма.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения - повышение качества регулирования инерционных объектов и надежности.

Указанная цель достигается тем, что, в отличие от известного технического решения, в предлагаемом способе в каждом периоде модуляции рассчитывают в соответствии с законом регулирования приращение дискретного управляющего воздействия по значениям ошибки регулирования на границах предыдущих периодов модуляции и формируют один управляющий импульс с шириной, пропорциональной полученному приращению, величину периода модуляции выбирают в зависимости от инерционности объекта, а постоянную времени интегральной составляющей закона регулирования задают пропорционально выбранному периоду модуляции.

Описание чертежей

Реализация и особенности предлагаемого способа иллюстрируются чертежами.

Фиг. 1. Схема регулирования с РИМ.

Фиг. 2. Циклограмма управления РИМ.

Фиг. 3. Кривые разгона объекта и аппроксимирующей модели.

Фиг. 4. Переходные процессы при различных интервалах модуляции.

а) T_М=1 с; б) T_М=4 с; в) T_М=10 с.

Фиг. 5. Влияние выбора Т_И на переходные процессы при Т_М=30 с.

а) Т_И=15,3 с - оптимальная для непрерывного регулирования;

б) Т_И=46,5 с - рассчитана по формуле (4).

Осуществление изобретения

Применение систем регулирования с использованием реверсивных исполнительных механизмов (РИМ) получило широкое распространение в промышленности. Схема регулирования с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для РИМ, реализующая предлагаемый способ, представлена на фиг. 1.

В начале каждого периода модуляции осуществляется расчет приращения управляющего воздействия U, например по дискретному алгоритму ПИД-регулирования, который запишем в следующем виде:

где Е=Х^зад-X - ошибка регулирования (в % шкалы переменной);

i - номер периода модуляции;

Т_М - период ШИМ, с;

К_П - коэффициент пропорциональной составляющей закона регулирования;

Т_И, Т_Д - постоянные времени интегральной и дифференциальной составляющих закона регулирования, с.

По полученному значению приращения ΔU_i+1 рассчитывается ширина импульса S_i+1:

где T_РИМ - время полного хода исполнительного механизма, с.

Импульс выдается на соответствующий вход РИМ: «прямо» или «обратно» - в зависимости от знака величины ΔU_i+1 (см. фиг. 2).

Основными факторами и параметрами, определяющими эффективность регулирования в рассматриваемых системах, являются:

- динамические характеристики объекта управления;

- период модуляции;

- разрешающая способность, определяемая быстродействием системы (временем выдачи дискретных воздействий на электропривод и их срабатывания) и временем полного хода РИМ;

- настройки алгоритма регулирования.

В основу способа положены результаты проведенного исследования на основе цифрового моделирования и оптимизации по интегральному критерию с использованием в качестве аппроксимирующей модели объекта управления апериодического звена 1-го порядка с запаздыванием, имеющего следующую передаточную функцию:

где К_ОБ - коэффициент усиления;

Т_ЭКВ - постоянная времени;

τ_ЭКВ - время «чистого» запаздывания.

Такая аппроксимация позволяет описывать широкий круг инерционных объектов, когда запаздывание τ_ЭКВ и постоянная времени Т_ЭКВ являются не фактическими, а эквивалентными. На фиг. 3 показан переходный процесс на скачкообразное воздействие по входу для сложного инерционного объекта (линия 1) и его аппроксимирующей модели (линия 2).

В рассматриваемых системах важнейшей задачей является выбор периода модуляции Т_М. Уменьшение Т_М до определенного уровня повышает качество регулирования (статическая и динамическая точность), но снижает надежность системы из-за увеличения частоты включения двигателя РИМ. Дальнейшее уменьшение Т_М, когда начинает сказываться разрешающая способность, вызывает увеличение статической ошибки. Выбору малого значения Т_М препятствуют также погрешности измерений и помехи.

Влияние периода модуляции Т_М на качество регулирования иллюстрируется примерами переходных процессов на скачкообразное изменение задания для Т_ЭКВ=20 с, τ_ЭКВ=10 с, Т_РИМ=30 с (фиг. 4). Настройки регулирования здесь заданы равными значениям, оптимальным по интегральному критерию для непрерывного регулирования с аналоговым исполнительным механизмом. При значении отношения запаздывания к постоянной времени объекта $$\frac{{\tau }_{ЭКВ}}{{Т}_{ЭКВ}}=\mathrm{0,5}$$ существенное ухудшение качества регулирования наступает, когда значение Т_М приближается к Т_ЭКВ. Выбор оптимального Т_М предлагается осуществлять в зависимости от инерционности объекта: чем медленнее процесс (большие Т_ЭКВ и отношение $$\frac{{\tau }_{ЭКВ}}{{Т}_{ЭКВ}}$$ ), тем Т_М может иметь большее значение.

Установлено, что при реализации предлагаемого алгоритма (1) действие интегральной составляющей (в отличие от других составляющих) в значительной степени зависит от выбранного периода Т_М. Рекомендуется выбирать коэффициент Т_И пропорциональным Т_М: например, для объекта (3) с отношением $$\frac{{\tau }_{ЭКВ}}{{Т}_{ЭКВ}}=\mathrm{0,5}$$ постоянная времени интегральной составляющей может быть определена так:

где $$T_{И}^{О}$$ - оптимальная настройка для непрерывного регулирования.

Особенно эффективно это для больших периодов модуляции. На фиг. 5 показаны переходные процессы для Т_М=30 с:

а) при настройке, оптимальной для непрерывного регулятора (Т_И=15,3 с);

б) при уточненной по формуле (4) настройке (Т_И=46,5 с).

Предлагаемый способ обеспечивает эффективное регулирование с использованием РИМ при достаточно большом периоде модуляции. Выбирая приемлемое качество регулирования, можно добиться существенного повышения надежности.

Проведенные контрольные расчеты для инерционных объектов более высокого порядка с запаздыванием показали, что полученные для 1-го порядка результаты подтверждаются и для более сложных объектов.

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 2014-2015 годы.

Изобретение относится к области управления непрерывными инерционными технологическими объектами с реверсивными электроприводными исполнительными механизмами (РИМ) и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики. Способ предусматривает формирование управляющего воздействия в виде двуполярной серии импульсов, перемещающих РИМ в прямом или обратном направлении. В каждом периоде широтно-импульсной модуляции формируют один управляющий импульс с шириной, пропорциональной приращению рассчитанного в соответствии с законом регулирования управляющего воздействия. Величину периода модуляции устанавливают по возможности большей с учетом инерционности объекта, а постоянную времени интегральной составляющей закона регулирования задают пропорционально выбранному периоду модуляции. В результате повышается качество регулирования и надежности. 8 ил.

Способ автоматического регулирования с реверсивным исполнительным механизмом путем определения ошибки регулирования, формирования на основе широтно-импульсной модуляции управляющего воздействия в виде двуполярной серии импульсов, перемещающих исполнительный механизм в прямом или обратном направлении, отличающийся тем, что с целью повышения качества регулирования и надежности в каждом периоде модуляции рассчитывают в соответствии с законом регулирования приращение дискретного управляющего воздействия по значениям ошибки регулирования на границах предыдущих периодов модуляции и формируют один управляющий импульс с шириной, пропорциональной полученному приращению, величину периода модуляции выбирают в зависимости от инерционности объекта, а постоянную времени интегральной составляющей закона регулирования задают пропорционально выбранному периоду модуляции.