Самонастраивающаяся система комбинированного регулирования Советский патент 1989 года по МПК G05B13/00 

3150

Изобретение относитря к системам автоматического управления и может быть исиольз.овано для управления объектами в химической и других отраслях промьшленности.

Цепь изобретения - расширение области применения системы в условиях иестационарности объекта по коэффициенту передачи и воздействия на объект управления возмущений значительной интенсивности.

На фиг.1 представлена блок-схема самонастраивающейся системы комбинированного регулирования;на фиГо2 - структурная схема этой системы; на фиг.З - блок-схема реализации логических блоков этой системы;на фиг.4- принципиальная схема пневматического 1Ш-регулятора; на фиг.З - элек- трическая схема ПИД-регулятора.

Система (фиг.1 и 2) включает измерители 1 и 2 рассогласования,блок I3 выбора режима, первый регулятор 4, четвертый сумматор 5, второй регуля- тор 6, третий сумматор 7, первый бло 8 умножения, второй блок 9 умножения, первьш сумь1атор 10, объект 11 управ -1ения, второй сумматор 12, датчик 13 внешнего возмущения, коррек- тирующий фильтр 14, шестой сумматор 15, блок 16 самонастройки, первый управляемый ключ 17, второй управляемый ключ 18, пятый сумматор 19, логический блок 20, блок 21 выделения модуля, блок 22 дифференцирования, блок 23 вьщеления модуля, блок 24 дифференцирования, блок 25 вьщеления модуля, логические блоки. 26 - 29, третий блок 30 выделения моду- ля, блок 31 деления, третий управля- емьй ключ 32, блок 33 памяти, блок 34 умножения.

Блок-схема реализации логических блоков системы (фиг.З) включает ком- ларатор 35, управляемый ключ 36, компаратор 37, управляемый ключ 38,- компаратор 39, управляемый ключ 40, компаратор 41,управляемый ключ 42,

Принципиальная схема пневматического Ш-регулятора включает элемент 43 сравнения, дроссельный сумматор 44, элемент 45 сравнения, усилитель 46 мощности, элемент 47 сравнения, емкость 48, запорньй клапан 49, от- 1шючающее реле 50,

На фиг, 1-5 приняты следуюище обозначения: gf(t) - задающее воздействие; ) задающее воздействие;

Q

5 0

5 о .,

0 5

5

5

by«((t) - отклонение выходного сигнала объекта от первого зада1гия; йу, (t) - отклонение выходного сигнала объекта от второго .задания; R - управляющий сигнал; С -- управля- ЮПД-1Й сигнал; Со - задание для логического блока 26; С( - задание для логического блока 27; С - задание для логического.блока 28; С - задание для логического блока 29;Kg- задание для логического блока 20; и, (t) - выход блока 8 умножения; U(t) - выход блока 34 умножения; Un(t) - выходной сигнал блока 9 умножения; ХДс-) - основное контролируемое возмущение; X (t) - вход объекта по каналу управления; y(t) - выход объекта; K(p(t) - выходной сигнал блока памяти; U(,(t) - выходной сигнал блока 30 выделения модуля; uy,(t) - выходной сигнал блока 21 выделения модуля; t,y(t) выходной сигнал блока 23 выделения модуля; &.Уа(ь) - выходной сигнал блока 25 выделения модуля; Р цх сигнал, про- порциональньп4 текущему значению регулируемого параметра; Р, - команд- ньй сигнал; P-i. - сигнал, пропорцио- нальньш заданному значению регулируемого параметра; ДД - регулируемый дроссель; ДИ - регулируемый дроссель; Pgbix выходной сигнал регулятора; II - внешний переключатель рода работы; Р и А - режимы работы регулятора, Ручное и Автомат ; Больще, Меньше - кнопки выбора знака приращения выходного сигнала в режиме ручного управления; напряжение внутреннего источника питания; Р, Р, PJ - обмотки и контакты реле; Rp, Ср - резистор и конденсатор интегратора ручного управления; +Ug, UM опорные напряжения; М1СД - модуль компенсации дрейфа; Д - двуханодный стабилитрон; А, - Ag - операционные интегральные усилители; RU - высокоомный переменный резистор интегратора; С - конденсатор интегратора;; Uy - выходной сигнал интегратора (И-составляющая); К й - общий коэффициент пропорциональности регулятора; - сум- марньй сигнал П, И, Д-составляющих закона регулирования; Rq,, С q, - резистор и емкость апериодического звена (фильтра); сигнал-ограничитель выхода регулятора; Ugrp - выходной сигнал ограничителя; Дг, До

диоды; UHM ъч сигналы ограничения выхода интегратора ручного управления на нижнем и верхнем уровнях; - сигнал рассогласования заданного и текущего значений выходного параметра; К - электронный аналоговый ключ.

Система содержит два замкнутых контура регулирования, первый из которых включает блоки 1, 17, 4, 7, 8, 10 и 11, а второй - блоки 2, 18, 6, 7, 8, 10 и 11, охваченные обратными отрицательными связями, разомкнутый контур регулирования, который включает последовательно соединенные блоки 13, 14, 10 и 11, вькод- ными управляющими сигналами замкнутого и разомкнутого контуров являются соответственно сигналы ) и U(t). Цепи самонастройки разомкнутого контура содержат блоки 15, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29. и 30 о Цепи стабилизации коэффициента передачи разомкнутой системы включают блоки 12, 13, 14, 10, 8, 9. Цепи выбора режима работы системы автоматического регулирования включают блоки 17, 18, 19 и 20.

Система решает задачу управления нестационарным объектом, который в общем виде можно описать уравнением:

миц - kggCt) kд,g,,,J

do6(t) d, а ; const; .,

(2)

Уравнения (1) и (2) описывают движение объектов, нестационарных

по статической характеристике. Задача управления заключается в сведении до заданной величины ошибки регулирования в двух режимах функци-. онирования системы, определяемых

ограничениями на величину коэффициента передачи объекта ko6(t) по

каналу - y(t):

/&y,,(t)U &, , k(t) k,,

AAOKcJ; () /&y,,i(t)/ 2 , k(t) kg (4)

где

30 u.y „ (t) g,(t) - y(t)r

iy,a.(t) g/t) - y(t) .

Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано для управления объектами в химической и других отраслях промышленности. Целью изобретения является расширение области применения системы. Система содержит измерители рассогласования 1,2, блок выбора режима 3, регуляторы 4,6, сумматоры 5,7,10,12,15, блоки умножения 8,9, объект управления 11, датчик внешнего возмущения 13, корректирующий фильтр 14, блок самонастройки 16. Система обеспечивает автоматическое управление двухрежимными процессами, например выпуском продукции двух сортов. При действии на нестационарный объект управления возмущений большой интенсивности блок 3 в зависимости от условий выбирает режим работы системы, подключая один из двух основных каналов регулирования, содержащих измеритель рассогласования 1 с регулятором 4 и измеритель рассогласования 2 с регулятором 6. 5 ил.

) + y(t) ) X

ЖЬ O5(t)-f(t),

(1)

де а;, koeCt),

dog(t) - параметры объекта

управления;

y(t) - регулируемая величина;

X(t) - входной сигнал объекта (совокупное управляющее воздействие) ; X (t) - основное внешнее

контролируемое воз- пущение (возмущение на нагрузке) - выход блока 13; f(t) - внешнее неконтролируемое возмущение.

Рассматриваются нестационарные бъекты, следующего вида:

Система работает следующим об- р аз ом о

Проанализируем последовательно работу контуров системы. Разомкнутый контур формирует сигнал управления, пропорциональный величине осг новного внешнего возмущения X.,(t)..

Для этого в блоке 31 формируется сигнал отношения величин, пропорциональных в ходным переменным, ко-, торый через управляемый ключ 32 поступает в блок 33 памяти. Сигналы, поступающие на первый и второй входы делителя 31, пропорциональны на практике (применительно, например, к области химической технологии) дозировкам соответственно реагента и сырья. Поэтому отношение сигналов, поступающее в блок 33 памяти, пропорционально отношению дозировок реагента и сьфья. Запись выходного сигнала блока 31 деления в блоке 33 памяти производится только в том случае, когда блок 16 самонастройки выдает управляюпр1й сигнал С на открытие ключа 32. Выходной сигнал Km(t) блока 33 памяти поступае в блок 34 умножения, п котором формируется выходной сигнал D,j,(t) разомкнутого контура. Таким образом, выходной сигнал датчика 13 умножается в блоке 1А.на некоторую величину Krp(t) (коэффициент передачи блока 14), которая -между актами самонастройки корректирующего фильтра 14 является величиной nocToHHH ofi и хранится в блоке 33 памяти. При самонастройке блока 14 коэффициент передачи его изменяется скачкообразно, так как при наступлении состояния квазистатики объекта новое отношение входных сигналов блока 31, пропорциональное текущему соотношению дозировок реагента и сырья, пропускается через ключ 32 и запоминается в блоке 33 памяти. При работе С1-1стемы все изменения величины X(t) будут в опре- деленном соотношении,равном текущему коэффициенту передачи блока 14, отслеживаться величиной TJ(t}. Таким образом, корректирующий фильтр 14 представляет собой пропорциональное звено с переменньм коэффициентом передачи, который имеет кусочно-постоянный характер.

Рассмотрим работу блока 1,6 самонастройки (фиг.2). Блок 26 служит для определения момента самонастройки. В блоках 27-29 проверяются условия квазистатики объекта управления. Операции, выполняемые в блоках 26-29 описываются соответственно формулами

/U(t)/ С„;(5)

ду „(t)| С,, /Ay(t)| С,; (6)

С

2

С,

С

3

(7)

(8)

С.

Сигнал U,(t) представляет реакцию замкнутого контура системы на действие всех видов возмуя(ений, изме- выход объекта. Если модуль указанной величины, получаемый в блоке 30, превьш ает некоторую заданную величину Cg (формула (5)) и при этом объект находится в состоянии квазистатики, т.е. выполняются условия формл л (6)-(8), то управляющий сигнал С проходит логические блоки 26-29 и поступает на управляющий вход ключа 32. Одновременно сигнал С поступает в регуляторы 4

и 6,где обнуляет интегральную составляющую выходного сигнала работающего регулятора. Одновременно регуляторы 4 и 6 не работают, что обеспечивается цепями блока 3. Если выходной сигнал Km(t) блока 33 памяти

удовлетворяет ограничению, проверяемому в логическом блоке 20 (фиг.2)

Kcp(t) К,

(9)

то работает цепь, включающая блоки 2, 18, 6, в противном случае - цепь, состоящая из блоков 1, 17, 4.

Пусть, например, работающий ре- гулятор 4 (или 6) реализует ПИД-за- кон регулирования, тогда

U

U,(t) в, iy(t) + Bg J йу () d +

о

.B,,). (,о)

&y(t) йу „(t)V U У,г (t),

35

где В,, Bj,

В - настраиваемые параметры регулятора. В результате самонастройки филь- тра 14 величина U,(t) будет определяться формулой

u,(t)B,Mt).B,

X Vt);

(11)

0

тогда переход системы управления на новое значение коэффициента передачи корректирующего фильтра не вызывает возмущения входного сигнала X(t) объекта 11.

При вьшолнении условий, проверяемых в блоках 26-29 системы, сигнал С открывает ключ 32. Сигнал X(t) после вычитания из него в сумматоре 12 величины Upi(t) проходит блок 31 деления, ключ 32, записывается в бло915

ке 33 памяти, проходит блок 34 умно- и в виде сигнала Uj(t) поступает на вход сумматора 10. Операция обнуления И-составляющей приведет к тому, что условие, проверяемое в логическом блоке 26, не будет выполняться, в результате чего сигнал не пройдет логические блоки 26 - 29 и управляемьш ключ 32 закроется. Таким образом, в блоке 33 памяти будет записано новое значение коэффициента передачи корректирующего фильтра 14. При этом выходной управляющий сигнал U(t), формируемый зам- кнутым контуром, будет уменьшен, а выходной сигнал разомкнутого контура U(t) увеличен на величину И-составляющей выхода регулятора,имевшую место в составе выхода регулятора пере моментом самонастройки.Второй выход регулятора 4 (или 6) определяется выражением (11), т.е. представляет собой ПД-составляющую сигнала U,(t), умноженную в блоке 9 на величину X(p(t) . Сигнал Up(t) вычитается в сумматоре 12 из сигнала X(t). Этим исключается двойное суммирование ПД-составляющей выхода регулятора 4 (или 6) в сумматоре 10 и, следова- тельно, возмущение входа объекта.

При дальнейшей работе системы величина и/ (t), как реакция замкнутог контура системы на отклонение y(t) от задания, будет изменяться.Когда модуль указанного сигнала превзойдет заданное значение CQ, производится анализ условий квазистатики объекта управления, при поступлении которого выполняется следующий акт самонастройки фильтра 14. .Величины Со,С,,С2., Сз являются априорно настраиваемыми параметрами блока 16, Изменение величины выхода регулятора 4 (или 6) с течением времени характеризует изменение характеристик канала управления и (или) внешних условий функционирования системы. Величина модуля сигнала U (t) в состоянии квазистатики объекта 11 характеризует несоответствие управляющего сигнала X(t) величине основного контролируемого возмущения X,(t) в текущих условиях функционирования системы. Акт самона- стройки фильтра 14 повышает качество компенсации на входе объекта возмущения X ,(t) посредством управляющего сигнала X(t) и, следователь-

10

но, качество работы всей системы в целом, так как часть возмущений, которая до этого проходила через объект, увеличивала дисперсию выходной координаты и нагружала обратную связь, будет скомпенсирована на входе его.

Задача стабилизации коэффициента передачи разомкнутой системы рассматривается как часть задачи, сформулированной ранее (см. форьгулы (1) (4)).

Обозначим k(,g(t) - нестационарный коэффициент передачи объекта управления; Крер - коэффицизнт передачи работающего регулятора 4 (или 6); Kpg(t) - коэффициент передачи разомкнутой системы.

Блок 8 умножения, например, представлен в виде усилителя переменньй коэффициент усиления которого заменяет второй входной сигнал (t) этого блока.

Задача стабилизации К.(t) может быть сформулирована

МИН 06 ллакс;

Крег const;

Kp,(t) Kpg,- K(t) k(t);

К, Kpc(t) : K,j, требуется обеспечить

Kg К( i 0 2

где K , , - предельные значения величины

4s(

Кц, К - предельные значения величины , Kp(t); о„ - некоторое заданно положительное число.

Цепи самонастройки величины Kp(,(t), использованные в системе, позволяют решить указанную задачу. Пусть t; (i 1, 2,...,n) - моменты квазистатики объекта управления. Для момента t j

) k,,(t.,) yt;)

где lCpj,(t;) - коэффициент передачи разомкнутого контура системы.

11

Для момента t

1-И

k,(t,,) k-,(t;). &,,

где Z некоторая величина. Тогда

Kpx(t,4, ) ). K(t,v,). .

В результате самонастройки коэффициента передачи фильтра 14 в момент t.

1+-1

1

Kq,(ti,) - yt;) ,

так как в пределах некоторой допустимой погрешности система посредством блока 16 обеспечивает постоянство коэффициента передачи разомкнутого контура. Следовательно

К„Д,ч.) K.,(t;).

рк

Pk

Для разомкнутой системы в момент 25 tt (при отсутствии блока 8)

) - Kp,,k(t;).

Для момента t fctt;.,) Kp,,k,(t;),.

Из сравнения последних двух выражений с учетом выражения для Km(t;, ) следует, что для стабилизации величины Kpg(t) достаточно умножить ее на величину Кд,(1) . После введения в систему блока 8 (фиг.2) можно записат1 для момента tj

) Кр„ K(t;) ), - где Kjer Kpe,/K(t;),

для момента t , (в пределах допустимой погрешности самонастройки)

,) К,К (t.) -i- ),,50

pc T,e,

) - Kp,(t;). ,

-pc

Таким образом, использование указанных цепей самонастройки позволя ет решить сформулированную задачу стабилизации величины Kp.(t),

10

15

во20

25

50982812

Решение этой задачи расширяет . область устойчивости системы, повышает точность работы ее (в условиях воздействия на объект неконтролируемых шумов значительной интенсивности и при неизменных настройках регулятора) за счет обеспечения постоянства условий функционирования регулятора.

Третий блок умножения предназначен для того, чтобы обеспечить равенство ПД-составляющих выходного сигнала регулятора при взаимной компенсации их в сумматоре 10,

Рассмотрим работу блока 3 выбора режима. Блок 3 предназначен для переключения регулирующих цепей в системе с целью изменения задания для системы и характеристик регулирующего устройства. Потребность в подобных переключениях возникает при управлении многорежимными процессами, посредством которых на одном и том же технологическом оборудовании получают целевой материал разных сортов путем изменения тех или иных параметров режима, В логическом блоке 20 проверяется -условие, описанное формулой (9). Управляет работой блока 20 и режимом работы объекта 11 сигнал K|.p(t) , хранящийся в блоке 33 памяти, Посредством указанного сигнала производится при наступлении необходимых для этого условий автоматическое изменение режима работы объекта 1.1,

Рассмотрим, как, например, определяется величина К - задание на логический блок 20, Пусть имеются экспериментальные данные - ограничения на величины коэффициента k,.(t)

, .ОЬ

и Kp(t)

30

35

40

К,.„„ 6k(t) К

МИН

ОБ

макс ;

К, ё Kpc(t)

Kpe(t) K(t).k;,g(t) ; k (t) )K

(12) (°13)

ОБ

per

поэтому

К, K(t).(t) Kg, (14) Так как

) О, ,cx то можно записать

K ;(t) )

(15)

Рассматриваются процессы, изменение режимов которых основывается на левом соотношении огра}1Ичения (12)

) k,,

(16)

Подставим в (15) вместо k (t)

(j у

16) и используем правую

часть полученного выражения

V) k

К 1

V

Мин per

где

K(t) К,

Kg - Kper ,

При соблюдении условия (17), проверяемого в блоке 20, выходкой управляющий сигнал этого блока открывает ключ 18 и закрывает ключ 17, переключая регулирующие цепи и меняя тем самым реясим работы объекта. В противном случае работает регулирующая цепь, содержащая блоки 1, 17 и 4, сохраняя прежний режим работы объекта 11 управления.

Введение блока 20 и соответствующих ему цепей позволяет посредством косвенного параметра K(t) автоматически контролировать величину козф- фициента передачи объекта по каналу управления и осуществлять своевременное автоматическое изменение релшма работы объекта с целью избе-; жать брак готового продукта и обеспечить выпуск целевого материала того сорта, который отвечает поступающему на вход процесса сырью, что расширяет область применения системы. Формула изобретения

Самонастраивающаяся система комбинированного регулирования, содержа- щая первый измеритель рассогласования, первый регулятор, первый и второй блоки умножения, первый и второй сумматоры, датчик внешнего возмущения, корректирующий фильтр, блок самонастройки и объект управления, выход которого подключен к выходу системы и к первому входу первого измерителя рассогласования, второй вход которого подключен к первому входу задающего воздействия системы, выход датчика внешнего возмущения подключен к первому входу корректирующего фильтра, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, суммирую1Щ1й вход которого подключен к входу объекта управления и к выходу первого сумматора, первый вход которого подключен к вому выходу корректирующего фильтра, второй выход которого подключен к первым входам первого и второго блоков умножения, выходы которых подключены соответственно к второму (17) 15 входу первого сумматора и к вычитающему входу второго сумматора, выход первого блока умножения соединен с первым входом блок самонастройки, выход которого соединен с управляю20 и(им входом первого регулятора и с управляюищм входом корректирующего фильтра, отличающаяся тем, что, с целью расширения области применения системы,в нее введены

25 третий, четвертый., пятый, шестой сумматоры, первый и второй управляемые ключи, логический блок, второй измеритель рассогласования,второй регулятор, управляющий вход которого

3Q соединен с управляюш5 м входом первого регулятора, подключенного выходом к первому входу третьего сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом второго регулятора, второй выход которого подключен к первому входу четвертого сумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом первого регулятора,вход которого подключен к первому входу шестого, сумматора и к выходу первого управляемого ключа, информационный вход которого подключен к выходу первого измерителя рассог.ласова- ния,первый вход которого подключен к первому входу второго измерителя рассогласования, второй вход которого подключен к второму входу задающего воздействия системы, а выход - к информационному входу второго управляемого ключа , подключенно50 го выходом к входу второго регулятора и к второму входу шестого сумматора, выход которого соединен с вторым входом блока самонастройки, выходы третьего и четвертого суммато-55 ров подключены соответственно к вторым входам первого и второго блоков умножения, первые входы которых соединены с первым входом логического

35

40

45

151509828

блока, второй и третий ВХОДЫ которого соединены соответственно с входами управляющего ,сигнала и сигнала задания системы, выход логического блока соединен с управляющим входом второго управляемого ключа и с вы16

читающим входом пятого сумматора, суммируюп(ий вход которого соединен с входом управляющего сигнала системы, а выход пятого сумматора соединен с управляющим входом первого управляемого ключа.

х,ЧЦ

Фие.

$ue.k

Внешние

ЛЗ /45,, „

L i KlgzL - Фие.