Струйно-фотокомпенсационный полупостоянно работающий пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор Российский патент 2023 года по МПК G05B11/00 

Изобретение относится к области пневмоэлектрических автоматических регуляторов.

Из уровня техники известен пневматический пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, состоящий из мембранного пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора и дифференцирующего звена, объединенные с помощью сумматора [1]. ПИ-регулятор включает в себя пропорциональное звено, содержащее элемент сравнения, в обратной связи которого расположен делитель, состоящий из переменного и постоянного сопротивлений, изменение соотношения проводимостей которых приводит к изменению коэффициента усиления разности входных давлений. Интегральное и дифференцирующее звенья выполнены на базе апериодических звеньев, состоящих из постоянного объема и переменного сопротивления для изменения постоянной времени.

Недостатками такого регулятора являются низкие динамические свойства, присущие мембранным элементам.

Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в повышении быстродействия регулирования за счет использования принципа полупостоянно работающего регулятора [1] и компенсационной схемы, основанной на равенстве моментов силового действии струи на подвижную преграду и противодействующей магнитоэлектрической силы.

Известен также пропорциональный регулятор, состоящий из подвижной части, включающей в себя пластину, подвешенную на газовой опоре, входной дифференциальной пневматической схемы, считывающего элемента в виде узла типа «сопло-заслонка», пневматического мембранного усилителя мощности, охваченного регенеративной обратной связью [2]. Принципом работы указанного решения, как и настоящего изобретения, является применение измерительной компенсационной схемы, основанной на силовом действии струи на подвижную преграду, однако настоящее изобретение реализует работу регулятора в полупостоянном режиме ПИД-регулятора, что существенно повышает его быстродействие.

Более конкретно, технический результат достигается тем, что струйно-фотокомпенсационный полупостоянно работающий пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор состоит из пропорционально-интегрального ПИ-регулятора и дифференцирующего звена, причем ПИ-регулятор включает входные сопла, нормально расположенные к чувствительному элементу - пластине, угол поворота которой пропорционален силовому воздействию струй и регистрируется оптической частью регулятора, состоящей из источника света, конденсора, диафрагмы и сдвоенного фотосопротивления, входящего в равновесный электрический мост, в обратной связи которого располагается магнитоэлектрический гальванометр, делитель сопротивлений для изменения коэффициента усиления, выходной миллиамперметр для регистрации выходного сигнала и интегральное звено, состоящее из электрических конденсатора и переменного сопротивления для изменения постоянной времени интегрирования, отличающегося тем, что дифференцирующее звено, состоящее из пневматических переменного сопротивления, постоянного объема, одномембранного точного повторителя и сопла, расположенного нормально к пластине другого магнитоэлектрического гальванометра, выход которого объединен сумматором с ПИ-регулятором, на выходе которого расположен узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и ее скорости от задания, выполненный в виде отключающего реле с двумя параллельно расположенными пороговыми элементами, причем первый пороговый элемент связан с выходом регулятора для определения знака ошибки, а второй пороговый элемент соединен с дифференцирующим звеном для определения знака скорости.

На фиг. 1 представлена схема струйно-фотокомпенсационного полупостоянно работающего пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, состоящего из пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора 1 и дифференцирующего звена 2. Для регистрации угла поворота чувствительного элемента - пластины 3, закрепленной на петле 4 фотоэлектрического гальванометра 5 предусмотрена оптическая схема, состоящая из зеркала 6, на которое падает луч света от источника 7, конденсора 8 и диафрагмы 9. Отраженный от зеркала луч света освещает обе половины сдвоенного фотосопротивления 10, включенного в равновесный мост 11, образованный сопротивлениями . Рамка 12 гальванометра 5 помещена в поле постоянного магнита 13, образуя при протекании тока I обратной связи магнитоэлектрический момент направленный встречно механическому моменту от силового действия струй на поверхность пластины 3.

В обратной связи ПИ-регулятора последовательно расположены делитель 14 для изменения коэффициента усиления пропорционального звена, выходной вторичный прибор миллиамперметр 15, выходное сопротивление 16 и электрическое интегральное звено, состоящее из конденсатора 17 и переменного сопротивления 18. Изменением проводимости α переменного сопротивления 18 можно менять постоянную времени интегрирования:

(1)

где - емкость конденсатора 17, - универсальная газовая постоянная, - абсолютная температура.

Входной канал ПИ-регулятора представлен двумя соплами 19 и 20, из которых вытекают струи под давлением, пропорциональным давлению переменной величины и давлению задания.

Звено дифференцирующего преобразователя (использована одна и та же нумерация однотипных компонентов схем) состоит из пневматических емкости 21 и переменного сопротивления 22 для изменения постоянной времени дифференцирования. Для получения расходного сигнала, пропорционального производной входного давления переменной величины используется точный повторитель 23, питание которого осуществляется через постоянный дроссель 24. Изменением проводимости β переменного сопротивления 22 можно менять постоянную времени дифференцирования:

(2)

где - объем емкости 21.

Выходной сигнал через сопло 25 воздействует на пластину 3 струей под давлением, пропорциональным выражению .

Оба выходных канала ПИ-регулятора и дифференцирующего звена поступают на сумматор 26, выходной сигнал которого равен:

(3)

где - разность давлений на входе ПИ-регулятора, - коэффициент усиления, - коэффициент преобразования.

Формула (3) отражает закон ПИД-регулирования, реализованный в данном изобретении.

На фиг. 2 представлена схема анализа работы регулятора в полупостоянно работающем режиме. В периодах A и C, когда регулируемая величина удаляется от задания, происходит включение регулятора, а в периодах B и D его отключение.

Сигнал на отключение регулятора согласно фиг. 2 равен:

, (4)

где , сигнал ошибки, равный разности давлений переменной и задания, - сигнал разности производной ошибки (знака скорости), принимающие положительное или отрицательное значения в зависимости от направления касательных прямых к синусоиде изменения переменного параметра .

При положительном знаке ошибки ( - пороговое значение сигнала элемента 27) выдает сигнал . При отрицательном - выдается сигнал .

Для определения знака скорости используется дифференцирующее звено 2, определяющее скорость изменения переменного параметра .

Выходной сигнал звена 2 равен при постоянной времени .

Положительному знаку скорости , соответствует выходной сигнал порогового элемента 28 , отрицательному - .

Сигнал служит командой, определяющей условия отключения регулятора с помощью элемента 30, работающему по функции «Запрет». При , когда знаки ошибки и ее скорости не совпадают, то есть , регулируемая величина приближается к заданному значению. При , когда знаки и совпадают (), регулируемая величина удаляется от заданного значения.

Оба дискретных сигнала с двух пороговых элементов 27 и 28 и поступают на вход элемента 29, реализующего функцию неравнозначности по формуле (4), а выход этого элемента соединен с элементом 30, работающим по функции «Запрет» для отключения сигнала выхода регулятора I.

Библиографические данные

[1] Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М., «Машиностроение», 1973. С. 197-199.

[2] Патент РФ №2680614 04.05.2018. Струйно-фотокомпенсационный пропорциональный регулятор // Заявка №2018116605, 04.05.2018. / Макаров В.А., Королев Ф.А., Макаров А.В, Тютяев Р.Е.

Изобретение относится к струйно-фотокомпенсационным регуляторам. Струйно-фотокомпенсационный полупостоянно работающий пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор состоит из пропорционально-интегрального ПИ-регулятора и дифференцирующего звена, причем ПИ-регулятор включает входные сопла, нормально расположенные к чувствительному элементу - пластине, угол поворота которой пропорционален силовому воздействию струй и регистрируется оптической частью регулятора, состоящей из источника света, конденсора, диафрагмы и сдвоенного фотосопротивления, входящего в равновесный электрический мост, в обратной связи которого располагается магнитоэлектрический гальванометр, делитель сопротивлений для изменения коэффициента усиления, выходной миллиамперметр для регистрации выходного сигнала и интегральное звено, состоящее из электрических конденсатора и переменного сопротивления для изменения постоянной времени интегрирования, характеризуется тем, что дифференцирующее звено состоит из пневматических переменного сопротивления, постоянного объема, одномембранного точного повторителя и сопла, расположенного нормально пластине другого магнитоэлектрического гальванометра, выход которого объединен сумматором с ПИ-регулятором, на выходе которого расположен узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и ее скорости от задания, выполненный в виде отключающего реле с двумя параллельно расположенными пороговыми элементами, причем первый пороговый элемент связан с выходом регулятора для определения знака ошибки, а второй пороговый элемент соединен с дифференцирующим звеном для определения знака скорости. Технический результат - линейность статической характеристики и динамика процесса управления. 2 ил.

Струйно-фотокомпенсационный полупостоянно работающий пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, состоящий из пропорционально-интегрального ПИ-регулятора и дифференцирующего звена, причем ПИ-регулятор включает входные сопла, нормально расположенные к чувствительному элементу – пластине, угол поворота которой пропорционален силовому воздействию струй и регистрируется оптической частью регулятора, состоящей из источника света, конденсора, диафрагмы и сдвоенного фотосопротивления, входящего в равновесный электрический мост, в обратной связи которого располагается магнитоэлектрический гальванометр, делитель сопротивлений для изменения коэффициента усиления, выходной миллиамперметр для регистрации выходного сигнала и интегральное звено, состоящее из электрических конденсатора и переменного сопротивления для изменения постоянной времени интегрирования, характеризующийся тем, что дифференцирующее звено состоит из пневматических переменного сопротивления, постоянного объёма, одномембранного точного повторителя и сопла, расположенного нормально пластине другого магнитоэлектрического гальванометра, выход которого объединен сумматором с ПИ-регулятором, на выходе которого расположен узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и её скорости от задания, выполненный в виде отключающего реле с двумя параллельно расположенными пороговыми элементами, причем первый пороговый элемент связан с выходом регулятора для определения знака ошибки, а второй пороговый элемент соединен с дифференцирующим звеном для определения знака скорости.