Устройство для настройки регуляторов Советский патент 1982 года по МПК G05B11/26 

1

Изобретение относится к технике автоматического регулирования и может быть использовано в устройствах, предназначенных для настройки промышленных автоматических регуляторов с электрическими входными и выходными сигналами.

Известны устройства для настройки регуляторов (УНР), содержащие возбудитель колебаний, выполненный в виде последовательно соединенных релейного элемента и апериодического звена, и анализатор колебаний tl 3.

Известны также устройства , процедура настройки регуляторов которых с помощью УНР является итерационной Г2.

Недостатками известного УНР являются низкая точность, узкий диапазон возможных значений параметров настройки и низкий уровень эргономических показателей, в частности, низкий показатель удобства обслуживания УНР оператором.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для настройки регуляторов, содержащее первый задатчик, второй задатчик, блок управления, индикатор и последовательно соединенные третий задатчик, первый сумматор, релейный элемент, второй сумматор, первый преобразователь напряжения в частоту, первый делитель частоты, первый счетчик, цифро-аналоговый преобразователь и усилитель, последовательно соединенные генератор опорной частоты, второй делитель частоты, второй счетчик, блок усреднения, первый регистр и первый цифровой отсчетный блок и последовательно соединенные второй регистр и второй цифровой отсчетный блок,выход первого сумматора подключен к входу индикатора, первый вход выходного усилителя соединен с вторым, входом второго сумматора, а второй вход - с первым выхо.дом второго задатчика, первый выход 393 блока управления подключен к второму входу второго счетчика, второй выход - к второму входу блока усреднения, второй выход которого соединен с входом второго регистра, выход первого задатчика подключен к второму входу первого делителя частоты, второй выход первого преобразователя напряжения в частоту подключен к вто рому входу первого счетчика З. Недостатками известного устройству являются неудовлетворительные точ ность, надежность и эргономические показатели удобства обслуживания оператором, обусловленные слабой помехозащищенностью устройства и необходимостью выполнения оператором вычислительных операций на каждом шаге итерационной процедуры настройки регулятора. Цель изобретения - повышение точности и надежности устройства. Поставленная цель достигается тем что устройство содержит последовательно соединенные второй преобразователь напряжения в частоту, третий делитель частоты и третий счетчик, подключенный вторым входом к первому выходу блока управления, а выходом к третьему входу блока усреднения, вход второго преобразователя напряжения в частоту соединен с выходом первого сумматора, второй вход треть его делителя частоты соединен с вторым выходом второго задатчика, а тре тий вход - с выходом первого задатчи ка и вторым входом второго делителя частоты. На чертеже изображена блок-схема устройства для настройки регуляторов Устройство содержит релейный элемент 1, второй сумматор 2, первый преобразователь 3 напряжения в частоту (ПНЧ), первый делитель частоты, первый счетчик 5, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 6, усилитель 7, первый задатчик 8, второй задатчик 9, генератор 10 опорной частоты, второй делитель 11 частоты, второй счетчик 12, блок 13 управления, второй преобразователь И напряжения в частоту, третий делитель 15 частоты, третий счетчик 16, первый сумматор 17, третий задатчик 18, индикатор 19, блок 20 усреднения, первый регистр 21, второй регистр 22, первый цифровой отсчетный блок (ЦОБ) 23, второй цифровой отсчетный блок . Релейный элемент 1 имеет разнополярные симметричные относительно нуля напряжения уровни ограничения выходного сигнала. Сумматоры 2 и 17, ЦАП 6 и выходной усилитель 7 имеют двухполярные выходныесигналы. Вторые входы сумматоров 2 и 17 являются вычитающими по отношению к первым входам. ПНЧ 3 и 14 - инте|-рир 1ощего типа, например, каждый из них-содержит входной интегратор и пороговые элементы, соединенные с выходом иитегрэ тора, а также цепь сброса интегратора, управляемую пороговыми элементами, и выполнены так, что преобразуют знакопеременное входное напряжение в частоту следования импульсов на выходеJкоторая прямо пропорциональна абсолютной величине соответствующего входного напряжения. ПНЧ 3 дополнительно формирует на втором выходе логический сигнал знака входного напряжения. В частности ПНЧ 3 и k могут быть выполнены, как ПНЧ в известном УНР. Делители А и 11 частоты выполнены так, что их коэффициенты деления устанавливаются равными числовым эквивалентам параллельных кодов, подаваемых на их входы. Например, десятичный четырехразрядный код обеспечивает установку их коэффициентов деления в пределах от 1 до 9999. Делитель 15 частоты выполнен так, что его коэффициент деления равен произведению числовых эквивалентов параллельных кодов, поданных на второй и третий входы. Например, он содержит два последовательно соединенных делителя частоты, один из которых управляется по третьему входу делителя 15 и выполнен точно так, как делители j и 11 частоты, а второй по второму входу делителя 15, например, восьмиразрядным единичным нормальным позиционным кодом. I Задатчики 8 и 9 выполнены в виде задатчиков параллельного кода, например задатчик 8 - в виде переключателя на восемь положений, снабженных обозначениями О, 1, 2, , 8., 16, 32, 6, , выдающего в каждом положении различные значения единичного нормального позиционного кода. Счетчик 5 - двоичный реверсивный, причем направление счета определяется логическим сигналом на втором вхде.

ЦАП 6 имеет вход параллельного двоичного кода и настроен так, что его выходное напряжение достаточно точно равно нулю при входном коде, содержащем единицу только в старшем разряде.

Усилитель 7 выполнен в виде линейного усилителя, коэффициент усиления которого может быть достаточно точно установлен равным любому из некоторого набора значений, содержащего нулевое значение, например из набора значений %; 0,01; 0,02 0,08; 0,16; 0,32; 0,6А, В частном случае усилитель 7 может представлять собой усилитель с единичным коэффициентом усиления и с высоким , входным сопротивлением, например операционный-усилитель, включенный по схеме повторителя, на входе которого установлен двоичный резистивный делитель напряжения, управляемый позиционным кодом второго задатчика 9. Блок 20 усреднения выполнен так, что при поступлении импульса на вто рой вход блок записывает в свои входные регистры цифровые сигналы, имеющиеся к этому времени на первом и третьем входах, затем производит вычисление среднего значения всех данных, принятых по первому входу, и всех данных, принятых по третьему входу, за несколько предыдущих периодов поступления импульсов на второй вход и выдает результаты этих вы числений на первый и второй выходы соответственно вместе с командами разрешения их записи во внешние регистры. В частном случае блок 20 усреднения представляет собой два .независимых блока усреднения с общим ВХОДОМ управления, в которых обработ ка и выдача данных производится параллельно во времени, как в известном УНР. Блок 13 управления выполнен так, что при каждом переходе в одну определенную сторону входного цифрового сигнала через значение, соответствующее нулевому напряжению на выходе ЦАП 6, он формирует одиночный импульс сначала на втором выходе, а за тем - на первом выходе, кроме этого, в зависимости от конкретного выполнения блока 20 усреднения блок 13 уп равления может быть снабжен дополнительными цепями, соединяющими его выходы с соответствующими входами блока 20 усреднения и регистров 21 и 22.

Задатчик 18 выполнен в виде регулируемого источника напряжения с диапазоном изменения не меньшим, чем диапазон изменения напряжения на втором входе первого сумматора 17УНР работает следующим образом.

Соединенные между собой сумматор 2, ПНЧ 3, делитель k частоты, счетчик 5, ЦАП 6 и выходной усилитель 7 совместно с задатчиками 8 и 9 действуют, как апериодическое звено, постоянная времени и коэффициент усиления которого устанавливаются задатчиками 8 и 9 соответственно. Со- единенные между собой сумматор 17, задатчик 18 и релейный элемент 1 действуют, как релейный элемент, порог срабатывания которого устанавливается задатчиком 19, так что электрическая цепь между вторым входом первого сумматора 17 и выходом усилителя 7 представляет собой последовательно соединенные релейные элемент с регулируемым порогом срабатывания и с фиксированными по абсолютной величине разнополярными симметричными относительно нуля уровнями напряжения ограничения выходного сигнала и апериодическое звено с регулируемыми постоянной времени и коэффициентом усиления. После каждого изменения выходного состояния релейного элемента апериодическое звено отрабатывает возникший на его входе скачок от уровня ограничения прежней полярности до уровня ограничения новой полярности выходного напряжения релейного элемента таким образом, что напряжение на выходе усилителя 7 стремится по экспоненциальному закону с постоянной времени апериодического звена к новому установившемуся значению, равному новому : уровню ограничения выходного напряжения релейного элемента, умноженному на-значение коэффициента усиления апериодического звена, установленное задатчиком 9. Подключение УНР с задатчиком 9 установленным в нулевое, положение, которому соответствует нулевое значение коэффициента усиления апериодического звена, к замкнутой системе автоматического регулирования (САР) выходом усилителя 7 к свободному входу регулятора, а вторым входом первого сумматора 17 к выходу датчика регулируемого параметра САР, очевидно, не изменяет состояния САР. После указанного подключения напряжение на входе релейного элемента 1 равно разности между напряжением, созда- . ваемым на сумматоре 17 выходным сигн лом датчика регулируемого параметра, и выходным напряжением задатчика 18. Далее будем предполагать, что до пер вода задатчика 9 в какое-либо ненул,евое положение постоянная составляющая напряжения на входе релейного элемента с помощью задатчика 18 ском пенсирована настолько точно, что ее некомпенсированная часть мала по сравнению с верхним пределом изменения входного сигнала УНР и не превышает (в процентном отношении) допуСтимого для данной САР изменения сред него значения регулируемого параметра во время настройки регулятора с помощью УНР. Указанная компенсация может быть выполнена либо вручную on ратором, либо каким-либо известным образом автоматически, для чего УНР может содержать дополнительные узлы, не изобраЛенные на чертеже -и не упоминаемые далее, так как способ компенсации не имеет значения для существа изобретения. Дальнейшая процедура настройки регулятора осуществляется итерационным способом, основанным на зависимостях оптимальных параметров регулятора от параметров настройки УНР ;и параметров автоколебаний в системе :УНР - регулятор. Последние определяются по показаниям ЦОБ 23 и 2k, В частности, для САР с ПИ-регулятором настройка регулятора может считаться оптимальной, если удовлетворяются слеудющие соотношения (критерии опти мальндсти) Г2. Т « TC, 3,5 Ти (1) А 0,32d(2) где Т, А - период и амплитуда колебаний на втором входе пер вого сумматора 17 соответ ственно; Тд - постоянная времени апериодического звена УНР; d - приведенная к выходу УНРчерез коэффициент усилени апериодического звена по ловина разностей уровней ограничения выходной характеристики релейного элемента; Т - постоянная времени интегрирования регулятора. Задатчик 9 будет являться задагчиком величины d и может быть снабжен, обозначением 3, если сумматор 2 выполнить так, что отношение коэффициента передачи по его первому входу к кoэффициeнty передачи по его второму входу равно отношению номинального верхнего предела изменения напряжения на выходе усилителя 7 к уровню ограничения выходного напряжения релейного элемента 1, а задатчик 9 выполнить так, чтобы каждому его положению номинально соответствовало указанное его оцифровкой значение коэффициента передачи выходного усилителя 7. После установки задатчиком 9 отличного от нуля значения величины d при правильной фазировке подключения ; УНР к САРи при достаточно большом установленном значении величины с1, которое во всяком случае должно превышать минимальное значение напряжения, подача которого на вход регулятора в соответствующей полярности приводит в конечном счете к такому :. изменению регулируемого параметра, что напряжение на входе релейного элемента 1 изменит знак, в замкнутой системе САР-УНР возникают автоколебания. При этом в установившемся режиме колебания входного сигнала УНР по форме близки к синусоидальным колебаниям и совершаются относительно такого среднего значения, которому соответствуют симметричные относительно нуля напряжения колебания напряжения на входе релейного элемента 1. Вследствие симметричности относительно нуля напряжения выходной характеристики релейного элемента 1 и линейности статических характеристик сумматора 2, первого ПНЧ 3, первого делителя k частоты, первого счетчика 5, ЦАП 7 и усилителя 7 колебания выходного напряжения ЦАП 6 происходят симметрично относительно нуля напряжения, а моменты возникновения единицы в старшем разряде выходного кода первого счетчика 5 почти точно совпадают с моментами начальной фазы колебаний выходного сигнала УНР, так что интервалы времени между следующими друг за другом, моментами возЭ9никновения единицы в старшем разря де выходного кода первого счетчика 5 равны периоду колебаний Т. Параметры колебаний сигнала на втором входе первого сумматора 17 (амплитуда и период) зависят как от параметров настройки регулятора (постоянная времени интегрирования fy, коэффициент усиления - Кр, так от параметров настройки УНР (постоян ная времени апериодического звена Tg,, приведенный к выходу УНР через коэффициент усиления апериодического звена уровень ограничения выхо ной характеристики релейного элемента -d). Как отмечалось, задатчик 9 является задатчиком величины d. Коэффициент преобразования первого ПНЧ 3 выбран таким, что каждому значению оцифровки положений задатчика 8, выполненной в единицах времени, соответствует постоянная времени апериодического звени, которая в 3,5 раза больше установленного по оцифровке этого задатчика значения времени, Задатчик В снабжен обозначением T, так что этим задатчиком обеспечивается установка постоянной времени апериодического звена, удовлетворяющей соотношению (1). Каждый раз при возникновении еди ницы в старшем разряде выходного кода первого счетчика 5,. т.е.. в моменты начальной фазы колебаний выход ного сигнала УНР, блок 13 управления формирует на его первом выходе одиночный импульс, обнуляющий второй счетчик 12, и третий счетчик 16 (некоторая задержка в формировании этих импульсов пренебрежимо мала по сравнению с величиной периода колебаний) так что к моменту.очередного обнуления счетчиков 12 и 16, их выходные цифровые сигналы отображают числа импульсов, наклонные ими за закончив шийся предыдущий период колебаний. Число импульсов N, накопленное за время Т во втором счетчике 12, соответствует величине, определяемой следующей формулой N 4- Vi м где f,- - выходная частота генератора 10;. Т - период колебаний на втором входе первого сумматора 17; Ту - введенное в УНР задатчиком 8 значение постоянной времени интегрирования регулятора. 610 При выборе 100 Гц из (3) получаемМ 100-, С) W при ЭТОМ четырехразрядный десятичный отсчетный блок 23 с запятой после двух старших разрядов будет отображать усредненный результат измерения величины Т/Ту, который может быть использован оператором для определения бйлее оптимальных значений параметров настройки регулятора для осуществления следующего шага итерационной процедуры настройки регулятора, с помощью номограммы, аналогичной номограмме , приведенной в работе 2, но построенной не для параметра Е ЗэБ, т.е. прямо пропорционального вeличин§.., а для параметра ). Величина 7./Т, может быть также использована для оценки степени близости параметров настройки регулятора к их оптимальным значениям, поскольку, как следует из соотноше- . ния (1), приоптимальной настройке регулятора T/T 3,5. Число импульсов Мд, накопленное за время Т в третьем счетчике 16, соответствует величине, определяемой формулой -f 5ix(t)i где X(t) - наг{Ьяжение на входе второго ПНЧ U; Кд - коэффициент передачи второго ПНЧ U; t - текущее время. Хотя колебания выходного сигнала УНР отличаются от синусоидальных колебания сигнала на втором входе первого сумматора 17 и, следовательно, колебания напряжения на входе второго ПНЧ И, но вследствие свойства инерциии промышленных объектов. которое способствует сильной фильтрации высших гармоник вводимого в САР сигнала, можно считать указа ные сигналы синусоидальными, т.е. X(t) Asln4 t .(6) Тогда из формулы (5) имеем 2 Т А Так какГвепичина Ыд является функцией величин Т/Т и A/d, как и коэффициент Ч С2, она может быть использована для определения более оптимальных значении параметров настройки регулятора для следующего 119382 шага итерационной процедуры настройки регулятора, например с помощью номограммы, аналогичной номограмме, приведенной в работе 2, но построенной не для параметра, а для параметра Мд (7). Из изложенного видно, что измерение функций параметров колебаний производится -путем синхронного интегрирования входного сигнала (со оком-ю пенсированнои постоянной составляющей) интегратором, (последовательное соединение второго ПНЧ 1Л, третьего делителя 15 частоты и третьего счетчика 16) и интегрирования опорной частоты интегратором, каковым является последовательное соединение вто рого делителя 11 частоты и второго счетчика 12, за интервалы времени, автоматически определяемые блоком 13 управления, вход которого соединен с входом УНР через интегратор, каковым является последовательное соединение первого ПНЧ 3 первого- делителя i частоты и первого счетчика 5Интеграторы эффективно подавляют импульсные и высшие гармонические составляющие входных сигналов, поэтому результаты измерений -функций параметров колебаний предлагаемым УНР значительно меньше зависят от указанных составляющих его входного сигнала, чём результаты измерений ве личин А, Т известными УНР. Правильное действие блока 13 управления не нарушается при наличии дополнительных переходов через нуль входного напряжения нуль-органа, йызванных импульсными и высшими гамоническими составляющими входного сигнала, так что отпадает необходимость в демпфировании входного сигнала, которое в известных УНР вносит дополнительную погрешность измерения. Таким образом, предлагаемое УВР точнее и надежнее в работе, чем известные аналогичные устройства. На- ряду С этим предлагамое УНР проще известных аналогичных устройств, что также способствует его более надежной работе. Кроме того предлагаемое УНР не требует от оператора выполнения в процессе настройки регулятора многократных промежуточных вычислений, следовательно имеет более высокие эргономические .показатели удоб ства в работе. Предлагаемое УНР может найти применение для оптимизации настройки 6 регуляторов при вводе в эксплуатацию или периодически во время эксплуатации промышленных САР без нарушения их функционирования. формула изобретения Устройство для настройки регуляторов, содержащее первый задатчик, второй задатчик, блок управления, индикатор и последовательно соединенные Третий задатчик, первый сумматор, релейный элемент, второй сумматор, первый преобразователь напряжения в частоту, первый делитель частоты, первый счетчик, цифро-аналоговый преобразователь и усилитель, последовательно соединенные генератор опорной частоты, второй делитель .частоты, второй счетчик, блок усреднения, первый регистр и первый цифровой отсчетный блок и последовательно соединенные второй регистр и второй цифровой отсчетный блок, выход первого сумматора подключен к входу индикатора, первый вход усилителя соединен со вторым входом второго сумматора, а второй вход - с первым выходом второго задатчика, первый выход блока управления подключен к второму входу второго счетчика, второй выход - к второму входу блока усреднения, второй выход которого соединен с входом второго регистра, выход первого задатчика подключен к второму входу первого делителя частоты, второй выход первого преобразователя напряжения в частоту подключен к второму входу первого счетчика, отлича. ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности, надежности и эргономических показателей устройства, оно содержит последовательно соединенные второй преобразователь напряжения в частоту, третий делитель частоты и третий счетчик, подключенный вторым входом к первому выходу блока управления, а выходом - к третьему входу блока усреднения, вход второго преобразователя напряжения в частоту соединен с выходом первого сумматора, второй вход третьего делителя частоты соединен с вторым выходом второго задатчика, а третий вход - с выходом первого задатчика и вторым входом второго делителя частоты. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР ff 253207, кл. G, 05 В 13/02, 1968.

13938256

2. Ротач В.Я. Расчет динамики 3- Устройство для настройки регу промышленных автоматических сие- ляторов (УНР). Техническое описание тем регулирования. М., Энергия, и инструкция по эксплуатации 1973.ЗЯа. 679.503 ТО (прототип).