Регулятор с ограничением управляющего воздействия Советский патент 1988 года по МПК G05B11/01 

оо

00

со to

00

13

Изобретение относится к области автоматического управления и предназначено для управления изменением

различных параметров в системах авто

матического управления, где управляющее воздействие ограничено по величине и пропорционально ускорению изменения параметра.

Цель изобретения - повышение ка- честна управления.

На фиг. 1 изображена функциональ- ная блок-схема системы автоматического управления с ограничением управляющего воздействия объекта с аста- тизмом второго порядка на фиг. 2,- функциональная блок-схема предлагаемого регулятора; на фиг. 3 и 4 - фазовые портреты характерных линий.

На фиг. 3 и 4 А - траектория оптимального по быстродействию движения при ограниченном управляющем воздействии, Б - линия перехода управляющего воздействия через ноль, В - линия начала формирования максимального отрицательного управляющего воздействия, Г - линия начала формирования максимального положительного управлящего воздействия, Д - фазовые траектории движения изображающей точки при использовании предлагаемого регулятора, Е, Ж, И-- линии формирования соответственно нулевого, начала максимального отрицательного и нач.ала максимального положительного управляющего воздействия при использовании известного регулятора, К - фазовые траектории движения изображающей точки при использовании из- вестнрго регулятора.

Система управления изменением параметра Х- объекта 1 содержит датчик 2 отклонения параметра, изображенный в в)эде элемента сравнезшя, регулятора 3 и исполнительный орган 4. Предлагаемый регулятор наиболее эффективен при использовании в системах

управления, в которых управляющее воздействие пропорционально ускорению текущего значения параметра Х и максимальное значение управляющего воздействия ограничено.

Датчик 2 обеспечивает формирование сигнала рассогласования по закону

X Xj X

т

где X сигнал рассогласования между задающим и текущие значениями параметра;

Х - задающее значение параметра Х - текущее значение параметра. Регулятор 3 обеспечивает формирование управляющего сигнала Ур на исполнительный орган 4. Исполнительный орган 4 обеспечивает формирование управляющего воздействия У по закону

К,Ур при /Ур/г У sign Ур при

Ум

/Уу/

УМ

Ко

о

0

5

5

0

где

Р

У АЛ

К, управляющее воздействиеj управляющий сигнал с регулятора 3;

максимальное значение управляющего воздействия, коэффициент пропорциональности.

Управляющее воздействие У приводит к созданию ускорения текущего значения параметра Х-. Параллельно управляющему воздействию на объект 1 обычно действует возмущающее воздействие Уд, что условно изображено с помощью сумматора 5.

Предлагаемый регулятор 3 содержит первый, второй и третий масщтабные блоки 6-8, дифференциатор 9, блок 10 вьщеления модуля, умножитель 11, и сумматор 12; Тогда выходной сигнал У„ с регулятора 3 будет формироваться по закону

Ур К,Х + + KjX/X/, где К,, К,

Ч

к,2--

коэффициенты усиления масштабных блоков 6-8 соответственно.

Указанный закон формирования сигнала Ур от известного отличается наличием третьего слагаемого, модуль i которого пропорционален квадрату ско- 5 рости сигнала X рассогласования. Максимальное быстродействие в системах с ограничением управляющего воздействия достигается при релейном управлении, в котором знак фор- 0 мируемого максимального управляющего воздействия изменяется при попадании изображающей точки на фазовом портрете на траекторию А, оптимальную по быстродействию и заданную урав- 5 нением

X

- sign X,

где К - коэффициент пропорциональности между управляющим воз10

15

20

25

31383287

действием и ускорением изменения параметра.

Однако закон релейного управления при обеспечении оптимального быстродействия нельзя использовать в установившемся режиме. Из-за этого переходят на другой алгоритм управления, обеспечивающий требуемые динамические характеристики в установившемся режиме. Это приводит к усложнению системы управления. С другой стороны, для релейного закона, оптимального по быстродействию, необходимы малые допуска на разброс параметров системы, так как при выборе траектории переключения на одни параметры в реальной системе истинная траектория может пройти ниже или выше выбранной. В первом случае не будет оптимального быстродействия, так как фазовая траектория выйдет за линию А и будет иметь место динамический заброс с соответствующим увеличением времени переходного процесса. Во втором случае возникает колебательный процесс относительно линии А, приводящий к частой смене знака управляющего воздействия. При наличии, в системе колебательных звеньев это может привести к нежелательным последствиям.

При использовании известного регулятора на фазовом портрете (фиг.4) имеются три характерных прямых линии: Е - линия переключения знака управляющего воздействия, Ж - линия начала формирования отрицательного максимального управляющего воздействия и И - линия начала формирования максимального положительного уп равляющего воздействия. Оптимальное быстродействие в этом случае получается только для траекто- рии изображающей точки, проходящей через точку пересечений линий И и А. У траекторий изображающей точки, например К, пересекающих линию И за линией А, время переходного процесса резко возрастает за счет появления колебаний. У траекторий, про- 50 ходящих по другую сторону от точки пересечения -линий И и А, время также увеличивается за счет того, что скорость не достигает своего допустимого значения. Более того, за счет уве-55 личения коэффициента К, обеспечивающего демпфирование, можно добиться, что во всем рабочем диапазоне линия.

30

35

, 40

н н в ни ли ви бо

чи уп ре пр ве ра та ра бл Ис от уж ма

дл пр ци об ти со те уч но фи

гд

Ф

ля сл ци вт то кл бл не бл вх гу вы

10

5

0

5

0 5

0

5

И будет между осью X и линией А. Однако при начальных отклонениях внутри рабочего диапазона будут достигнуты допустимые скорости, и время возрастет за счет медленного движения. С другой стороны, повышенное значение коэффициента К приведет к увеличению скоростной ошибки в установившемся режиме, т.е. при изменении Хд с постоянной скоростью будет больше установившееся значение X.

В предлагаемом регуляторе 3 наличие третьего слагаемого в законе управления при соответствуюпщм выборе коэффициента К позволяет вместо прямых линий Е, ж, и получить соответствующие линии Б, В, Г, которые располагаются на фазовом портрете таким образом, что линия Г во всем рабочем диапазоне располагается близко к линии А со стороны оси X. Исключение составляют только малые отклонения, но при мальгх отклонениях уже не требуется формировать максимальных управляюпщх воздействий.

Выбор коэффициентов К,, К, Kg для предлагаемого регулятора 3 можно проводить следующим образом. Коэффициенты К, и К выбрать из условия обеспечения динамических характеристик при малых отклонениях, т.е. в соответствии с теорией линейных систем автоматического управления без учета ограничений величины максимально управляющего воздействия. А коэффициент К выбрать по формуле

Кз

- Р.ЗК.ХЭ - К2-л|ХэУмК + Ум/к

ко

ХаУмК

505

40

где XQ - рабочий диапазон изменения рассогласования X.

Формула изобретения

Регулятор с ограничением управляющего воздействия, содержащий последовательно соединенные дифферен- циатор и первый масштабирующий блок второй масштабирующий блок и сумматор, к первому входу которого подключен выход первого масштабного блока, второй вход сумматора соединен с выходом второго масштабного блока, вход которого подключен к входу дифференциатора и к входу регулятора, выходом которого является выход сумматора, отличающийс я тем, что, с целью повьшения качества управления, в него введены блок выделения модуля, умножитель и третий масштабный блок, причем вход блока выделения модуля соединен с выходом дифференциатора, первый вход

умножителя подключен к выходу блока выделения модуля, второй вход - к выходу дифференциатора, а выход умножителя соединен через третий масштабный блок с третьим входом сумматора.

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию и может быть использовано в системах с ограниченным управляющим воздействием. Цель изобретения - по- вьшение качества управления - достигается тем, что в регулятор, содержащий последовательно соединенные дифференциатор, первый масштабный блок и сумматор, второй масштабный блок, введены последовательно соединенные блок выделения модуля сигнала, умножитель и третий масштабный блок. Реализуемый с помошд ю регулятора закон управления позволяет приблизить переходный процесс в системе к оптимальному по -быстродействию и уменьшить скоростную составляющую ошибки в установившемся режиме. 4 ил.

Фиг. 2

Фиг.1

§иг.З

Фиг.