Система автоматического управления Советский патент 1982 года по МПК G05B13/04 

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть применено для управления технологическими процессами, например, в нефтехимии и нефтепереработке, в ко-торых требуется поддержание заданного значения одного или нескольких параметров регулируемого технологического процесса или функции нескольких его параметров.

Изобретение относится к системам управления производственными процессами, у которых требуется длительное поддержание определенного значения выходного параметра в условиях, когда изменяются входные параметры и некоторые свойства управляемого технологического процесса. Системаможет быть использована в технологических . процессах, в которых циклически повторяются определенные операции (производство большого количества одинаковых изделий: прокатка труб, отливка шин) или для непрерывных технологических процессов (полимеризация, ректификация, крекинг).

Известна система автоматического управления, содержащая объект управления, датчик и регулятор регулирующеi-o параметра и датчик выходдаого параметра 1i. . .

Недостаток этой системы - низкая динамическая точность и большая длительность переходных процессов, особенно при регулировании ииерционных объектов и объектов с запаздыванием, когда имеются большие и частые возмущения на входе.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой, является система автоматического управления, содержащая объект управления, блок датчиков входных неуправляемых параметров, регулятор и. датчик регулирующего параметра, датчик выходного параметра и первый вычислитель-выходаого параметра, первый вход кот.орого соединен с блоком датчиков входных неуправляемых параметров, первый прерыватель, первый блок сравнения, управляющий таймер и формирователь сигнала управления, причем выход формирователя сигнала управления соединен с непосредственным входом первого прерывателя, выход которого соединен с первым входом регулятора, второй вход которого соединен с датНцком регулирующего параметра, а выход соединен со входом объекта управления, ко входу формирователя сигнала управления подключен также вход первого блока сравнения,выход которо го соединен с входом управляющего та мера, первый выход которого соединен с управляемым входом первого прерывателя 2 . ...,.,. : Недостаток известной системы состоит в низкой статический точности из-за того, что .используемый в ней формирователь сигнала управления вырабатывает эти сигналы с погрешность поскольку в свою очередь работает с вычислителем выходного параметра, ко торый осуществляет свою функцию с погрешностью. Статическая точность еще более понижается в условиях боль ших возмущений на входе и при измене ниях свойств управляемого объекта. Точность регулирования при применении могла быть повышена за счет использования бблее сложного вычисли теля выходной величины, использующего более сложную .зависимость выходной величины, включающей большее количество входных неуправляемых параметров. Однако, кроме усложнения сие темы удлиняется время, необходимое для формирования сигналов управления что в свою очередь, затягивает процесс управления и снижает его точность. Этот недостаток становится особен но очевидным, если учесть, что используемая упомянутая зависимость мо жет и даже должна быть адаптивной. Как известно, объем информации и вре мя, необходимое для корректировки адаптивной зависимости, растут значительно быстрее, чем растет число учтенных в зависимости параметров. В такой же степени.возрастает сложность элементов, системы и общая сто имость. Цель изобретения - повышение точности управления. Поставленная цель достигается тем что система содержит второй вычислитель выходного параметра, первый вхо которого соединен с блоком датчиков входных неуправляемых параметров. второй, третий и четвертый прерыватели, переключатель, второй, третий и четвертый блоки сравнения, причем выход переключателя соединен с входом упомянутого формирователя сигнала управления, входы переключателя соединены с выходами первого и второго вычислителей выходного парамет ра, а управляющий вход пбреключателя через четвертый прерыватель соединен с выходом четвертого блока сравнения, входы которогосоединены с выходами второго и третьего блоков сравнения, первые входы которых соединены с датчиком выходного параметра, второй выход управляющего таймера соединен с управляёмым входом четвертого прерывателя, второй вход второго блока сравнения соединен с выходом первого вычислителя выходно-. го параметра, а второй вход третьего блока сравнений соединен с выходом второго вычислителя выходного параметра, вторые входы первого и второго вычислителей соединены с выходом формирователя сигнсша управлений через второй и третий прерыватели соответственно,управляемые входы которых соединены с третьим выходом управляющего таймера. Таким образом, в связи с введением дополнительного (или дополнительных) вычислителя определение ожидаемых значений выходной величины осуществляют по различным зависимостям выходной величины от разных комбинаций входных неудаавляемых и управляющих параметров и учитывающим разные нелинейности в управляемом процессе, периодически в -блоках сравнения определяют рассогласование ох идаемых значений выходной величины с действительным ее значением на выходе процесса и выделяют из ожидаемых значений выходной величины то, рассогласованиекоторой с действительным значением оказалось наименьшим и с помощью.переключателя, соединяя формирователь с вычислителем выходного параметра, дающим большую точность прогнозирования, .формирование сигнала управления осуществляют по выделенному ожидаемому значению выходного параметра. Управление осуществляется не по одной модели, описывающей сложный технологический процесс по всей пространственно-временной области, а используется дополнительная (или дополнительные) модель, причем каждая из моделей адекватно описывает управляемый технологический процесс в своей части пространственно-временной области. Управление по таким коротким моделям сокращает время на формирование управляющего воздействия и улучшает тем самым точность характеристики технологического динамического процесса. Эффективность этого способа управления еще больше возрастает, когда необходимо проводить адаптацию упомянутых моделей,так как адаптировать несколько коротких моделей несравненно легче и быстрее, чем одну длинную модель. Определение ожидаемых значений выходной величины по различным зависимостям выходной величины от разных комбинаций .входных неуправляемых и управляющих параметров,и учитывающим разные нелинейности в управляемом процессе, поз:воляет осуществлять выбор из всех комбинаций наиболее подходящей (обеспечивающей наивысшую точность) на данном этапе управления.

В то же .время каждая отдельная комбинация входных параметров, может оставатся достаточно простойи корот.кой, допуская реализацию на специализированных малых вычислительных устройствах, обеспечивая, тем самым, уменьшение стоимости и повышение жи.вучести системы.

Таким образом, применение набора разных зввисимостей позволяет использовать при управлении сложньм производственным процессом более точные сведения о статических и динамических характеристиках объекта в конкретной области изменений входных параметров.

На чертеже схематично изображена

предложенная система.

Система содержит объект 1 управления, регулятор 2 регулирующего параметра, первый и второй вычислители 3 и 4 выходного параметра, формирователь 5 сигнала управления, первый, второй, третий и четверый блоки 6, 7, 8, и 9 сравнения, переключатель 10, управляющий таймер 11, первый, второй, третий ичетвертый прерывате ли 12,13,14 и 15,датчик 16 регулирующего параметра, датчик 17 выходного параметра, блок 18 датчиков входных неуправляемых параметров.

Неуправляемые входные параметры и регулирующий параметр поступгиот на входы объекта 1. Выход датчика 16 регулирующего параметра соединен с nepBfJM входом регулятора 2. Выход блока 18 датчиков входных неуправляе мых параметров соединен со вторым . входом первого вычислителя 3 выходного параметра, а.первый вход -этого вычислителя через второй прерыватель 13 соединен с выходом формирователя 5 сигнала управления. Этот же выход формирователя 5 сигнала управления через первый прерыватель 12 соединен со вторым входом регулятора 2, а через третий прерыватель 14 соединен с первым входом второго вычислителя выходного параметра 4. Выходы вычислителей 3 и 4 подсоединены ко входам переключателя 10, выход которого соединен со входами формирователя 5 сиг нала управления и первого блока 6 сравнения. Выход блока 6 соединен с входом управляющего таймера 11, Тайм 11 имеет три выхода: Первый выход соединен с управляющим входом первог прерывателя 12,. второй - с управляющ входом четвертого прерывателя 15,третий - с управляющими входами второго и третьего прерывателей 13 и 14.,Выход датчика 17. выходного параметра соединен с первыми входами второго и третьего блоков 7 и 8 сравнения.Ко второму входу второго блока 7 сравнения подключен выход первого вычислителя 3 выходного параметра, а ко второму входу третьего блока 8 сравнения подключен выход второго вычислителя 4 выходного параметра. Выходы второго и третьего блоков 7 и 8 сравне.ния соединены с входами четвертого блока 9 сравнения, выход которого соединен со входом четвертого прерывателя 15..

Блоки системы реализованы следующим образом.

Регулятор 2 регулирующего параметра и формирователь 5 сигнала управления - обычные пневматические ПИ-регуяятс ы типа ПР3.31; первый и четвертый блоки 6 и 9 сравнения - обычные пневматические двухпоз ционные регуляторы типа ПР 1.5, выход, которых равен

0,если переменная больше .задания и

1,если наоборот; второй и третий блоки 7 и 8 сравнения - су «1маторы, например типа ПФ1.1, или интеграторы рассогласования; прерыватели 12, 13, 14 и 15 обычные запорные клапаны с мембранами приводами. Переключатель

10- управляемый трехходовой кран,, который при- поступлении на его управляющий вход сигнсша 1 сообщает с первым кансшом второй, а при снятии сигнала - третий. Управляющий таймер

11- командный прибор с несколькими выходами и может быть выполнен в виде КЭПП-12У с той разницей, что вместо ручного злектровыключателя, в него встроена пневмоэлектрокнопка со. схемой самоподхвата для пуска прибора, и контакт, который отключает сам таймер после каждого цикла и, наконе вычислители выходного параметра. 3 и

4 - объединение блоков суммирования, умножения на постоянный коэффициент и перемножения сигналов в сочетании со звеньями задержки, конкретная структура и параметры которого предопреде.пены выбранным видом управл.ения для моделирования объекта.

В тех случаях, когда задача управления состоит не в стабилизации выходного параметра на заданном уровне а в оптимизации управляемохо объекта формирователь 5 сигнала управления может быть выполнен в виде экстремалного регулятора (возможно, многоканального) или в виде микроэвм, реализующий один из известных алгоритмов поиска оптимума (градиентный спуск, симплекс - метод и т.д.). в этом случае переключатель 10 и первый блок б сравнения также удобно выполнить в виде микропроцессоров. Управляющий таймер 11 также не обязательно выполнять в виде КЭПП-12У - это может быть любой циклически работающий , прибор, замыкающий различные контакты через заданные интервалы времени.

Система работает следующим образом.

Начнем рассмотрение в тот мсмент когда первый и четвертый прерыватели j и 15 - закрыты,, а второй и третий прерыватели 13 и 14 - открыты. Пусть при этом переключатель 10 сообщает вход формирователя 5 сигнала управления с выходом второго вычислителя 4 выходного параметра/ а управляющий таймер. 11 - выключен это означает, что на входе первого блока 6 сравнения имеется рассогласование больше порогового, а на выходе нуль). Формирователь 5 сигнала управления изменяет свой выход до тех пор пока выход второго вычислителя 4 выходного параметра не .сравняется с заданием системы. В этот момент сигнал на выходе первого блока 6 сравнения становится единицей и включается управляемый таймер 11. Управляемый таймер 11 на короткое время открывает первый прерыватель 12 и регулятор 2 регулирующего параметра получает новое задание, которое далее сохраняет ся и отрабатывается, а потом управляе мый таймер 11 закрывает первый преры ватель 12. Немедленно вслед за этим закрываются второй и третий прерыватели 13 и 14, и через некоторое время на короткое время открывается четвертый прерыватель 15, который пропускает на управляющий вход переключателя 10 значение выходного сигнала четвертого блока 9 сравнения, имевшееся там в это время и немедленно вслед за (этим снова открывает второй и третий прерыватели 13 и 14 и выключается управляемый таймер 11. Блок 9 сравнения имеет на выходе во время короткого открывания четвертого прерывателя 15 нуль или единицу в зависимости от того, выход какого из блоков 7 и 8 сравнения больше, т.е. в зависимости от того, выход какого из двух вычислителей 3 и 4 выходного параметра окажется точнее. Переключатель 10 подключает на вход формирователя 5 сигнала управления именно этот блок (т.е. один из двух - 3 или 4).Открывается замкнутый контур, например вычислитель 3 выходного параметра,йа входы которого поступают те же входы что и на объект, формирователь 5 сигнала управления и совершается процесс подбора нужного значения выхода формирователя 5 сигнала управления, т.е уставки регулятора регулирующего параметра. Как только он закончится, первый блок 6 сравнения енова включит управляемый таймер 11 и т.д. Таким образом, введение дополнительных элементов позволяет повысить точность управления. Как показал опыт, использование моделей для нахождения заданий регуляторам регулирующих параметров процессов нефтепере работки позволит получить экономический эффект в размере 600 тыс.руб. в год на комбинированной установке переработки нефти, а По всей отрасли ожидаемый экономический эффект превышает 1 млн.руб. в год. Формула изобретения Система автоматического управления содержащая объект управления, блок датчиков входных неуправляемых параметров, регулятор и датчик регулирующего параметра,- датчик выходного параметра и первый вычислитель выходного параметра, первый вход которого соединен с блоком датчиков входных неуправляемых параметров, первый прерыватель, первый блок сравнения,управляющий таймер и формирователь сигнала управления, причем выход формирователя сигнала управления соединен с непосредствейным входом первого прерывателя, выход которого соединен с первым входом регулятора, второй вход которого соединен с датчиком регулирующего параметра, а выход соединен с входом объекта управления, к входу формирователя сигнала управления подключен также вход.первого блока сравнения, выход которогосоединен с входом управляющего таймера, первый выход которого соединен с управляемым входом первого прерывателя, о т л и.чающая с я тем, что, с целью |повышения точности управления, система, содержит второй вычислитель выходного параметра, первый вход которого соединен с блоком датчиков входных неуправляемых параметров, второй, третий и четвертый прерыватели f переключатель, второй,третий и четвертый блоки сравнения,причем выход переключателя соединен со входом упомянутого формирователя сигнала управления, входы переключателя соединены с выходами первого и второго вычислителей выходного параметра, а управляющий вход переключателя через четвертый прерыватель соединен с выходом четвертого блока сравнения, входы которого соединены с выходаMil второго и третьего блоков сравнения, первые входы которых соединены с датчиком выходного параметра, второй выход управляющего таймера соединен с управляемым входом четвертого прерывателя, второй вход второго блока сравнения соединен с выходом первого вычислителя выходного параметра, а второй вход третьего блока сравнения соединен с выходом второго вычислителя выходного параметра,вторые входы первого и второго вычислителей соединены с выходом формирователя сигнала управления через второй и третий прерыватели соответственно, .управляемые входы которых соединены .с третьим выходом управляющего таймера.