СПОСОБ РАБОТЫ ПРОПОРЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРАЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА Российский патент 2016 года по МПК G05B11/36 

Изобретение относится к автоматическому регулированию и предназначено для использования в различных системах автоматики.

Известны способы работы пропорционально-интегрального регулятора, при которых входной сигнал, пропорциональный ошибке регулирования, интегрируют, результат суммируют с входным сигналом, а суммарный сигнал масштабируют (Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: вопросы реализации / Современные технологии автоматизации, 2007, №4. - С. 86-97, рис. 6; Гельднер К., Кубик С. Нелинейные системы управления. М.: Мир, 1987, с. 265, 266, рис. 164).

В известных способах обеспечивается формирование регулирующего воздействия для объекта, пропорциональное сумме входного сигнала рассогласования системы и интеграла от него:

где k - коэффициент пропорциональности; Т - постоянная времени.

При реализации известных технических решений обеспечивается быстрая реакция системы на изменения рассогласования за счет пропорциональной составляющей, высокая точность регулирования в установившихся режимах, обеспечиваемая интегральной составляющей, и ограничение выходного сигнала интегратора.

Однако при управлении инерционными объектами известные способы не обеспечивают высокое качество регулирования в переходных режимах, что проявляется в повышенной длительности колебательных процессов отработки рассогласования. Это обеспечивается инерционным действием интегратора. Особенно сильное проявление колебательности наблюдается в системах управления при ограниченной мощности исполнительного устройства, т.е. при наличии нелинейности типа «ограничение». В этом случае замедление отработки рассогласования приводит к увеличению выходного сигнала интегратора и его насыщению. В момент достижения ошибкой системы 0 на выходе интегратора оказывается большой сигнал, снижение которого возможно только при изменении знака рассогласования. В результате в системе возникают длительные колебания.

Таким образом, недостаток известных способов работы пропорционально-интегрального регулятора - насыщение интегратора и сохранение на его выходе большого значения сигнала при переходных процессах, приводящее к снижению качества регулирования в автоматических системах.

Из известных способов наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ работы пропорционально-интегрального регулятора, при котором входной сигнал, пропорциональный ошибке регулирования, интегрируют, получаемый при этом сигнал суммируют с входным сигналом, а сумму масштабируют, определяют абсолютное значение входного сигнала, сравнивают его с пороговым значением и при превышении абсолютным значением входного сигнала порогового уровня интегрируют разность входного сигнала и сигнала, пропорционального результату интегрирования (Патент РФ №2103715, МПК G 05 B 11/36. Опубл. 27.01.1998).

В соответствии с известным способом производится отключение интегрирующей части регулирующего устройства при достижении абсолютным значением входного сигнала порогового значения, благодаря чему снижается нежелательное перерегулирование.

Однако при известном способе работы пропорционально-интегрального регулятора качество переходных процессов остается низким. Это объясняется тем, что, во-первых, при отключении интегратора на его выходе сохраняется напряжение, величина которого может быть большой и вызвать колебания в системе при его включении, и, во-вторых, возможным снижением точности регулирования при действии возмущений, т.к. при отключенном интеграторе возможно появление статической ошибки регулирования.

Таким образом, недостаток известного способа - низкое качество работы, проявляющееся в снижении качества регулирования при действии возмущений и возможном появлении статической ошибки.

Цель предлагаемого изобретения - повышение качества работы пропорционально-интегрального регулятора путем уменьшения выходного сигнала интегратора при переходных процессах и гарантированного сохранения астатического регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе работы пропорционально-интегрального регулятора, при котором входной сигнал, пропорциональный ошибке регулирования, интегрируют, получаемый при этом сигнал суммируют с входным сигналом, а сумму масштабируют, дополнительно выполняют нелинейное преобразование входного сигнала в соответствии с характеристикой

где x - входной сигнал устройства; α - коэффициент пропорциональности; x₀ - пороговое значение,

и умножают интегрируемый сигнал на полученное значение.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ работы пропорционально-интегрального регулятора имеет следующие отличительные признаки (новые операции):

- выполняют нелинейное преобразование входного сигнала в соответствии с характеристикой

где x - входной сигнал устройства; α - коэффициент пропорциональности; x₀ - пороговое значение,

- умножают интегрируемый сигнал на полученное значение.

Следовательно, заявляемый способ работы пропорционально-интегрального регулятора соответствует требованию «новизна».

По каждому отличительному существенному признаку проведен поиск известных технических решений в области автоматического управления.

Операции, состоящие в том, что выполняют нелинейное преобразование входного сигнала в соответствии с характеристикой

где x - входной сигнал устройства; α - коэффициент пропорциональности; x₀ - пороговое значение, и умножают интегрируемый сигнал на полученное значение, в известных технических решениях не обнаружены.

Следовательно, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. Регулирующее воздействие на выходе пропорционально-интегрального регулятора формируется пропорционально сумме входного сигнала и интеграла от него на выходе интегратора, коэффициент передачи которого зависит от абсолютного значения входного сигнала. Коэффициент передачи интегратора имеет постоянное максимальное значение при малых входных сигналах и уменьшается с увеличением модуля сигнала рассогласования по экспоненциальному закону. При этом вследствие малого коэффициента передачи интегратора в течение переходного процесса, т.е. при больших рассогласованиях, его выходной сигнал изменяется медленно, благодаря чему насыщение интегратора не происходит. При длительном действии больших нагрузок статическая ошибка всегда интегрируется интегратором, т.е. происходит астатическое регулирование. В результате обеспечивается высокая точность автоматической системы в установившихся режимах и высокое качество регулирования при переходных процессах.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует требованию «положительный эффект».

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема аналогового регулирующего устройства, реализующего предлагаемый способ, и поясняющая сущность изобретения. На чертеже обозначено: 1 - нелинейный функциональный преобразователь с характеристикой

2 - блок перемножения; 3 - интегратор; 4 - сумматор; 5 - усилитель.

В регуляторе один из входов блока перемножения 2, один из входов сумматора 4 и вход нелинейного функционального элемента 1 объединены и являются входом устройства, выход нелинейного функционального преобразователя 1 соединен с вторым входом блока перемножения 2, выход которого подключен к входу интегратора 3, выход которого соединен с вторым входом сумматора 4, выход которого подключен к входу усилителя 5, выход последнего служит выходом устройства.

Регулятор работает следующим образом. Входной сигнал x(t), пропорциональный ошибке регулирования, поступает на первый вход сумматора 4, вход нелинейного функционального элемента 1 и через блок перемножения 2 на вход интегратора 3. Блок перемножения 2, один из входов которого соединен с выходом нелинейного функционального преобразователя 1, выполняет функцию регулятора коэффициента передачи интегратора входного сигнала. Выходной сигнал интегратора 3 суммируется с входным сигналом с помощью сумматора 4 и масштабируется усилителем 5.

Следовательно, передаточная функция пропорционально-интегрального устройства может быть представлена в виде

где k₂(x) - коэффициент передачи интегральной составляющей,

Т - постоянная времени интегратора 3;

k - коэффициент передачи усилителя 5.

При малой ошибке регулирования |x(t)|≤x₀ выходной сигнал нелинейного функционального элемента 1 имеет значение u₁=1, при этом k₂(x)=1.

Устройство в этом случае представляет собой обычный классический пропорционально-интегральный регулятор с передаточной функцией:

Так как работа системы при малой ошибке регулирования |x(t)|≤x₀ соответствует установившимся процессам (низкие частоты), то в этом случае регулирующее устройство представляет собой обычный пропорционально-интегральный регулятор, обеспечивающий астатическое регулирование в системе. В установившемся режиме ошибка регулирования стремится к 0.

Следовательно, при установившихся режимах нелинейный функциональный элемент 1 не оказывает влияния на работу системы.

В случае превышения абсолютным значением ошибки регулирования порогового уровня x₀, например при изменении сигнала задания или возмущения, выходной сигнал нелинейного функционального элемента 1 уменьшается пропорционально величине В результате этого происходит уменьшение сигнала на входе интегратора 3. Коэффициент передачи интегральной составляющей уменьшается. Следствием этого является предотвращение насыщения интегратора и улучшение качества переходных процессов.

Таким образом, при предлагаемом способе работы пропорционально-интегрального регулятора осуществляется быстрая отработка большой ошибки регулирования без насыщения интегратора и астатическое регулирование при любых значениях рассогласования. Благодаря этому обеспечивается высокая точность регулирования.

С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого с помощью предлагаемого технического решения, было проведено компьютерное моделирование процессов в автоматической системе с предложенным способом работы пропорционально-интегрального регулятора. Структурная схема системы показана на фиг. 2, где обозначено: 6 - элемент сравнения; 7 - регулирующее устройство; 8 - исполнительное устройство с коэффициентом передачи k_y и ограничением выходного воздействия на уровне U₀; 9 - объект управления с передаточной функцией:

На фиг. 2 обозначено: z₀ - сигнал задания; z - выходной сигнал системы.

При моделировании были приняты следующие параметры объекта и системы управления: k₀=2; T₀=0,6 с; k_y=1; U₀=12 В; α=1. Моделирование системы проводилось при различных значениях времени запаздывания τ₀: τ₀=1,2 с и τ₀=2,2 с.

На фиг. 3 приведены диаграммы переходных процессов в системе при τ₀=1,2 с для выходного сигнала z при ступенчатом изменении сигнала задания в момент t=0 c и ступенчатом изменении нагрузки при t=20 с:

- линия 1: классическая настройка традиционного пропорционально-интегрального регулятора (Кулаков Г.Т. Инженерные экспресс-методы расчета промышленных систем регулирования. Минск: Вышэйшая школа, 1984, с. 73-86). При этом параметры регулятора были установлены следующими: k=0,15; T=0,5 с, ограничение воздействия на объект при выборе параметров не учитывалось;

- линия 2: регулирующее устройство с отключением интегратора при больших сигналах рассогласования (прототип);

- линия 3: предлагаемое регулирующее устройство. Постоянная времени интегратора 1.3 равна T=0,5 с; пороговое значение функционального элемента 1 выбрано равным x₀=0,05 В.

В системе с классическим пропорционально-интегральным регулятором перерегулирование составляет 28% (линия 1), в системе с отключением интегратора перерегулирование отсутствует (линия 2), в предлагаемой системе перерегулирование не превышает 5% (линия 3). Время регулирования во всех трех случаях практически одинаковое и составляет 12 с.

При ступенчатом изменении нагрузки предлагаемый способ работы пропорционально-интегрального регулятора имеет существенные преимущества:

- время регулирования - 6 с (линия 3); у классического (линия 1) и прототипа (линия 2) - 10 с;

- коэффициент демпфирования системы с предлагаемым регулятором - 0,7; при классическом регуляторе (линия 1) 0,4; для прототипа - 0,5.

На фиг. 4 приведены аналогичные графики переходных процессов при сохраненных настройках и τ₀=2,2 с и включении нагрузки при t=60 с. В системе с классическим пропорционально-интегральным регулятором перерегулирование составляет 90%, время регулирования 80 с (линия 4), в системе с отключением интегратора перерегулирование равно 5%, время регулирования 12 с (линия 5), в предлагаемой системе перерегулирование также равно 5%, время регулирования 12 с (линия 6).

При ступенчатом изменении нагрузки предлагаемое регулирующее устройство имеет существенные преимущества:

- время регулирования - 15 с (линия 6); у классического (линия 4) - 80 с, у прототипа (линия 5) - 45 с;

- коэффициент демпфирования системы с предлагаемым регулятором - 0,7; при классическом регуляторе (линия 4) 0,1; для прототипа - 0,1.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение качества регулирования: снижение колебательности, уменьшение времени регулирования и гарантированный режим астатического регулирования.

Важным достоинством предлагаемого регулирующего устройства является то, что он может быть легко реализован как аппаратным, так и программным способом.

Использование предлагаемого технического решения в различных системах автоматики позволит повысить качество процессов управления.

Изобретение относится к автоматическому регулированию. Технический результат заключается в повышении качества регулирования путем уменьшения выходного сигнала интегратора при переходных процессах и повышения точности за счет гарантированного сохранения астатического регулирования. Для этого обеспечивается малый коэффициент передачи интегратора в течение переходного процесса, при длительном действии больших нагрузок статическая ошибка всегда интегрируется, т.е. происходит астатическое регулирование. 4 ил.

Способ работы пропорционально-интегрального регулятора, при котором входной сигнал, пропорциональный ошибке регулирования, интегрируют, получаемый при этом сигнал суммируют с входным сигналом, а сумму масштабируют, отличающийся тем, что дополнительно выполняют нелинейное преобразование входного сигнала в соответствии с характеристикой

где x - входной сигнал устройства; α - коэффициент пропорциональности; x₀ - пороговое значение,
и умножают интегрируемый сигнал на полученное значение.