Регулятор с переменной структурой Советский патент 1980 года по МПК G05B13/00 

Изобретение относится к системам управления и может быть использовано для автоматического регулирования общепромышленными, в частности нефтеперерабатывающими и нефтехимическими объектами, переходные процессы которых аппроксимируются передаточными функциями вида о.( |«iPi КдР - коэффициент передачи объекта; a-(.i-12. параметры, характе ризутощие динамику объекта, Г- постоянная времени запаздывания. В процессе регулирования параметры объекта изменяются в широких диапазонах , mat. a.,. Требуемое качество работы система регулирования в этих условиях дости10S 20 25 30 гается за счет адаптации параметров регулятора к изменяющимся параметрам объекта и внешним возмущающим воздействиям. Известны адаптивные регуляторы, состоящие из двух функциональных частей: - основного контура, формирующего пропорционально-интегральнодифференциальный закон регулирования, содержащего последовательно соединенные первый сумматор, дифференциатор, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, множительное устройство, на вход которого подается выходной сигнал контура адаптации, интегратор, и третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом множительного устройства; - и контура адаптации, формирующего автоматически изменяемый коэффициент усиления регулятора. Известен адаптивный регулятор, в контуре адаптации которого содержатся последовательно соединенные блок умножения, входы которого соответственно соединены с входами дифференциатора и второго сумматора, двухпозиционное реле и ограничитель, выход которого соединен со вторым входом

множительного устройства основного контура, формируется коэффициент усиления регулятора как усредненное значение двух постоянных уровней 1

Наиболее близким техническим решением является регулятор, содержащий блок изменении структуры,последовательно соединенные первый сумматор, дифференциатор, второй сум1чатор и блок умножения и последовательно соединенные интегратор и третий сумматор, ко второму входу которого под соединен вход интегратора, выход первого сумматора соединен со вторым входом второго сумматора и через четвертый сумматор - с первым входом второго сумматора, блок выд(гле ния модуля, выход которого через последовательно соединенные первый фильтр, первый масштабирующий блок, пятый сумматор и блок деления соедииен со вторым входом блока yf«to7seния, второй блок выделения модуля,вы::од которого через второй фильтр соединен со вторым входом блока деления С 2 J.

Недостатки регуляторов состоят В тфм, что неэффективно адаптируется автоматически изменяемый коэффициент усиления, вследствие чего систег«л автоматического регулирования, построенные на базе этих регуляторов не могут удовлетворять требованиям, йредъявляемым к качеству переходного процесса. Это вызвано тем, что автомтически изменяег ий коэффициент усиления регулятора сохраняет повьшшнное значение и на втором участке переходного процесса (участок торможения ). Кроме того, эти регуляторы в основном контуре содержат множительные устройства, перемножающие выходные сигналы второго сумматора и контура адаптации, что при ненадежной работе множительного устройства или одного из блоков контура адаптации приводит к ненадежной работе и основного контура регулятора.

Цель изобретения более ная адаптация автоматически изменяемого коэффициента усиления, улучшающая качество переходного процесса регулирования.

Указанная цель .достигается тем,, что регулятор содержит шестой сумматор, второй масштабируюпдай блок,, первый и второй ключи, первые вхо}уз которого соединены соответственно со входом и выходом дифференциаторе, выход второго сумматора через посл едовательно соединенные второй масштабирующий блок и шестой сумматор соединен со входом интегратора, выходом блока умножения и через блок изменения структуры - со вторыми входами первого и второго ключей, выходь( которых соединены соответственно со входами первого и второго блоков выделения модуля.

На чертеже изображена блок-схема предложенного регулятора, содержатая сумматоры 1-6, дифференциатор 7, первый и второй масштабирующие блоки 8, 9, блок 10 умножения, интегратор 11, блок 12 изменения структуры, второй и первый ключи 13, 14, второй и первый блоки 15, 16 выделения модуля, второй и первый фильтры 17, 18 и блок 19 деления.

Регулятор реализует закон управления.

.(( f-I(K

uai

м о

Kjj(0-|(E((e)We,,

с

0 где

оидабка регулирования, равная Xj-X,

и X реолируемая выходная коорд -1ната объекта и задание; t - время;

О переменЕ1ая интегрирования ;

К„ и к.

соответственно постоянная и автоматически изменяемая части коэффициента усиления регулятора;

Д-1 -соответственно постоянвремени дифференцирования и интегрирования,,

Регулятор работает следующим образом.

Регулируемая выходная координата объекта х и задание Xj подается соответственно на г.1инусовой н плюсовой входы первого сумматора 1, выходной сигнал Е которого поступает на вход дифференциатора 7 и на первый вход EiToporo суь-матора 2„ На входе дифференциатора 7 формируется реальная производная ошибки, которая поступает на второй вход второго сумматора 2, Выходной сигнсш Е--ЛД второго сумматора 2, поступая на вход второго масштабируемого блока 8 и на первый вход блока 10 умножения, умножается соответственно на постоянную К , и автоматически изменяемую часть коэффициента усиления Kjj. На второй вход блока 10 умножения поступает сигнал Kg, с выхода блока 19 деления контура адаптации .

Выходные сигналы второго масштабирующего блока 8 и блока 10 уг-отожения суммируются в шестом сумматоре 6. Выходной сигнал шестого сумматора б, равный (Кг, + KQ) (Е +АдЕ) ,, посту. пает на вход интегратора 11 и на первый вход третьего сумматора 3, ка втопой вход которого поступает иыходной сигнал интегратора 11, На выходе третьего сумматора 3 формируется выходной сигнал регулятора U(t).

В контуре адаптации на основе сигнала ошибки и ее реальной производной формируется автоматически изменяемая ласть коэффициента усиления регулятора Kg по алгоритму

4U,E1lll - Ж ;Щ|Т1 °

деm - постоянный масшт бный

коэффициент;

ci - малая постоянная величина, определяемая из условия физической реализуемости операции деления;

f.E,t)- переменная функции, причем

iP(E,E) . lottfja gr o, А..Ё-Е,

реализуется с помощью четвертого сумматора 4, блока изменения структуры 12 и ключевых элементов 1.3, 14; 1Ё| и 1Ё1 - соответственно максимальные значения модуля ошибки и ее реальной производной формйруе№ае в блоках выделения модуля 15, 16 и фильтрах 17, 18 по алгоритмам

Т -fr lEHlilMii, dt

,u

, P ,.

(Е.1ЧЕ|, . ,

T,nfju ,

где T и Tj - постоянные времени фильтра.

Контур адаптации, содержащий сумматоры- 4, 5, первый масштабирующий блок 9, блок изменения структуры 12, ключевые элементы 13, 14, блоки выделения модуля смибки и ее производной 15, 16, фильтры 17, 18 и блок 19 деления работает следующим образом.

Выходной сигнал первого сумматора 1 поступает на первые входы второго ключа 13 и четвертого сумматора 4, на второй (плюсовой) вход которо

го поступает сигнал с выхода дифференциатора 7. В четвертом сумматоре 4 формируется сигнал -А.Ё-Е, поступающий на первый вход блока изменения структуры 12, на второй вход которого поступает сигнал ЛдЕлЕ с выхода второго сумматора 2. в блоке 12 изменения структуры производится логическое умножение сигналов f ид. Выходной сигнал Sign (fig) блока 12 изменения структуры постуoпает на вторые (управляющие) входы ключей 1-3 и 14. Вследствие этого ключи 13 и 14 замыкают при $0 (Sign(f-g)1) входы второго блока выделения модуля ошибки 15 и первого

5 блока выделения, .модуля производной 16 соответственно с выходами первого сумматора 1 и дифференциатора 7, а при f-g 0 (Sign(f-g) 0) - размыкают. На выходах блоков выделения рлодуля 15 и 16 формируются соответствен0но сигналыVU,e)lE/ и Ч (Б-,Ё)/Е}, которые поступают на входы фильтров 17 и 18. При выбранном соотношении постоянных времени Тг, и Т фильтры оценивают максимальное значение модуля

5 ошибки I I I и ее реальной производной I Ё I по формулам (4) и (5). Выходной сиРиал первого фильтра 18, умножаясь в первом масштабирующем блоке 9 на постоянный масштабный

0 коэффициент т, поступает затем на первый вход пятого сумматора 5, на второй вход которого подается постоянная величина Ь. Выходные сигналы пятого сумматора 5 и второго

5 фильтра 17 поступают на соответствующие входы блока деления 19, в котором формируется автоматически изменяемая часть коэффициента усиления регулятора К,. Выходной сигнал блока 19 деления поступает на второй

0 вход блока 10 умножения основного контура.

Регулятор компенсирует влияние изменения параметров объекта на общий коэффициент усиления систег ы в

S апериодических переходных процессах.

При уменьшении (увеличении) коэффициента передачи объекта система становится более медленной (быстрой ) автоматически изменяемаН

0 часть коэффициента усиления регуля-- тора К0 увеличивается (умейьшается) по уровню, так как в течение всего переходного процесса выполняется условие f-g 05

Но в колебательных переходных процессах автоматически изменяемая часть коэффициента усиления регулятора адаптируется (изменяется) как

0 в, зависимости от изменения параметров объекта, так и от состояния его фазовых координат (Ё , Е ) .

Блок изменения структуры, производя логическое умножение сигналов f-X.fe-E и , определяет необ5

моменты переключений ключей 13 и 14, закыкающих при f-gSO входэ блока выделения модуля и Рлока выделения производной соответственно с выходaNW первого сумматора 1 к дкфферен1и1атора 7, а при - размыкают.

В колебательном переходном процессе на про1 ежутке времени О - t , при. котором Р Означение автоматически изменяемой части коэффициента равно соответствующей максимальной величине (так как в начальный переходного процесса |11чт с % |Е1ИЁ I о затем экспоненциально убывает до некоторого уровня с увеличением I 1 Таким образом на промежутке времени t переходного процесса регулятор быстро сводит ошибку к нулю, уменьшая время регулирования.

А на промежутке времени Ц-t переходного процесса, при котором f.g70, автоматически изменяемая часть коэффициента усиления равна нулю. Следовательно, на промежутке времени t,-t происходит торможение переходного процесса, вследствие чего уменьшается перерез-улирование ошибки и времени регулирования до минимально возможного значения .

Вследствие такой адаптации козффициента усиления регулятора уменьшается перерегулирование сшибки (в 2-3 раза) и время регулирования (и 1,2-1,4 раза) переходного процесса регулирования по сравнению с системами регулирования, построенными на базе известных адаптивных регуляторов с переменной структурой

Формула изобретения

Регулятор с переменной структурой, содержащий блок изменения структуры, последовательно соединенные первый сумматор, дифференциатор, второй сумматор и блок умножения, и последовательно соединенные интегратор и третий сумматор, ко второму вхду которого подсоединен вход интегратора, выход первого сумматора соединен со вторым входом второго сумматора и через четвертый сумматор - с первым входом второго сумматора, первый блок выделения модуля, выход которого через последовательно соединенные первый фильтр, первый масштабирующий блок, пятый сумматор и блок деления соединен со вторым входом блока умножения, второй блок выделения модуля, выход которого через второй фильтр соединен со вторым входом блока деления, отличающийс я тем, что с целью повышения качества переходного процесса и повышения надежности регулятора он содержит шестой сумматор, второй масштбирующий блок, первый и второй ключи первые входы которых соединены соответственно со входом интегратора выходом блока умножения и через блок изменения структуры со вторыми входами первого и второго ключей,выходы которых соединены соответственно со входами первого и второго блоков выделения модуля.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР 467327, кл. G 05 В 13/02, 1975.

2.Журнал Приборы и систеь« управления 1, М., 1974, с. 5-10 (прототип).

Оснобной мнтур

xw

Кмшрадаптащии

1