Дискретный регулятор (его варианты) Советский патент 1982 года по МПК G05B11/26 

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может быть использовано для управления медленно протекающими процессами в инер- : ционных объектах, снабженных шаговыми грубоквантованными исполнительными механизмгилн, например, для регулирования расхода электроэнергии по заданному графику в печах в ыплавки карбида кремния в абразивном производстве.

Известен регулятор для инерционных объектов, имеющий формирова:тель ошибки, на выход которого подключе. но три канала регулирования, содержаиЬте сумматор, дифференциатор с импульсным звеном и запирающим вентилем, пороговый и двухпозиционный релейный элементы и две схемы совпадения. Устройство обеспечива1ет статическую и динамическую точность с узкой зоной неаувствительности при работе исполнительного механизма в непрерывном динамическом режй-: ме выработки команд (1.

Недостатком его является низкая точность вследствие того, что для энергоемких инерционных объектов, имеющих грубоквантованные исполнительные механизмы, при непрерывном

воздействии на исполнительный механизм и малой зоне нечувствительности будет постоянное перерегулирование, т.е. раскачка режима.

Увеличение же зоны нечувствительности до уровня квантования исполнительного механизма приведет, в конечном итоге, к большой погрешности регулирования расхода энерго10носителя в заданный технологами длительный интервал времени (каимпанию) .

Наиболее близким техническим решением является экстремальный регулятор, содержащий блок определения производных, генератор тактовых импульсов, первый элемент И, второй элемент И, триггер реверса и., последовательно соединенные датчик, пер20вый квантователь уровня, первый блок памяти и третий элемент И, первый вход блока определения производных соединен с вторым входом первого квантователя уровня 2.

25

Для инерционных объектов с исполнительнхлми механизмами, имеющими большой шаг квантования, У технологический процессов которых определяется заданным интегральным расходом 30 энергетического параметра за большой

промежуток времени, такое устройство будет иметь большое число переключений исполнительного механизма. Увеличение же зоны нечувствительности регулятора приведет к тому, что произойдет значительное рассогласование времени завершения процесса по заданному интегральному расходу с запланированным. Все это не обеспечивает высокой точности регулятора.

Цель изобретения - повышение точт ноети регулятора.

Поставленная цель достигается тем, что в дискретный регулятор, содержапшй блок определения производных, генератор тактовых импульсов, первый элемент И., второй элемент И, триггер реверса и последовательно соединенные датчик, первый квантователь уровня, первый блок памяти и третий элемент И, причем первый вход блока определения производных соединен с вторым входом первого квантователя уровня, дополнительно введен второй блок памяти, второй и третий квантователи уровня, причем первый выход генератора тактовых импульсов соединен через последовательно соединенные блок определения производных и триггер реверса с вторым входом третьего элемента И и с первым входом второго элемента И, а второй выход через последовательно соединенные второй блок памяти и второй элемент И - с первым входом второго квантователя уровня, вторым входом соединенного с первым входом третьего квантователя уровня, с вторыми входами первого и второго блоков памяти и с выходом первого элемента И. Выходы первого и второго блоков памяти соединены с первым и вторым входами первого элемента И, выход датчика соединен с третьим входом блока определения производных и с третьими входами третьего и второго элементов И, выход третьего элемента И соединен со вторьм входом третьего квантователя уровня.

По второму варианту регулятор, содержащий блок определения производных, генератор тактовых импульсов, первый элемент-И, второй элемент И, триггер реверса и последовательно соединенные датчик, первый квантователь уровня, первый блок памяти и третий элемент И, первый вход блока определения производных соединен с вторым входом первого квантователя уровня, содержит второй блок памяти г второй и третий квантователи уровня, первый выход генератора тактовых импульсов соединен через последовательно соединенные блок определения производных и триггер реверса со вторым входом третьего элемента И и с первым входом второго элемента И, а второй выход через последовательно соединенные второй блок памяти и второй элемент И с первым входом второго квантователя уровня вторым входом соединенного

с первым входом третьего квантователя уровня, с вторыми входами первого и второго блока памяти и с выходом первого элемента и, выходы первого и второго блоков памяти соединены

0 с соответствующими входами первого элемента И, выход третьего элемента И соединен с вторьлм входом третьего квантователя уровня, третий выход генератора тактовых импульсов соединен с третьими входами второго и третьего элементов И.

На фиг.1 и 2 изображены схемы регуляторов; на фиг.3 - циклограмма работы.

« Регулятор содержит квантователь 1 уровня контролируемого параметра X, п оследовательно соединенный с первой ячейкой 2 памяти, первой схемой И 3 и вторым квантователем 4 уровня. Генератор 5 тактовых импульсов последовательно соединен со второй ячейкой. ПАМЯТЬ 6, второй схемой И 7. и третьим квантователем 8 уровня. Третья схема И 9 соединена входами с выходами первой и второй ячеек

0 ПАМЯТЬ 2 и 6, сбросовые входы которых соединены со сбросовыми входами второго и третьего квантователей 4 и 8 и с выходом третьей схемы И 9. Второй выход генератора 5 соединен

э с входом блока 10 определения знака производной, второй вход которого соединен с датчиком регулируемого параметра X, а выход - с триггером И реверса, выходы которого соединены с вторыми входами первой и второй схем И 3 и 7. Третьи входы первой и второй схем И 3 и 7, соединены с датчиком регулируемого параметра.. . Величина заданного значения расходуес мого параметра за такт в блоке 10 определения знак-а производной и уровень квантования первого квантователя 1 задается задатчиком, выход которого Y(.| соединен с соответствующими входами первого квантователя 1 и блока 10 определения знака производной. Второй и третий квантователи 4 и 8, соединенные установочными входами с выходом блоков задания уровня квантования Y и YOZ. обеспечивают зону нечувствительности регулятора в пределах О +YO .

Для второго варианта (фиг.2) вторые входы первой и второй схем И 3 и 7 соединены с третьим выходом генератора тактовых импульсов 5.

Устройство работает следующим образом. .

Текущее значение регулируемого

5 параметра X в виде дискретных им щгльсов} расхода подается (график X (t) фиг.З) с выхода объекта регулирования на вход первого квантователя 1 уровня, представляющего собой счетчик-делитель с коэффициентом деления Уд, и на блок 10 определения знака производной, представляющего собой устройство подсчета импульсов, синхронизируемое полу тактовыми импульсами от генератора 5, со схемой .сравнения в момент окончания такта с .заданным значеиием YQ/Z. У0 является нормирующим параметром уровня квантования и определяется заданным во времени графиком ввода в объект- энергетическо параметра, т.е. в каждый такт долж . т но выполняться условие У J X{t)3t Уд ... (1) . По достижении 1 авенства величины интегрального значения расхода контролируемого параметра величине установки УО J X(t)dt... ---с...(2) на выходе первого квантовате ля формируется импульс, включающий первую ячейку ПМ1ЯТЬ 2. Интервал от Си до , определяется текущим фак тическим значением времени,за которое в квантователе 1 достригается значение . п в нашем случае определяется порядковым номерсжл такта (фиг .3 г , TI, TV ) На графике y(t) сплошной линией показаны ход процесса накопления интегрального значения параметра X(t) в первом квантователе, а пунктирными - накопление этого же параметра в блоке определения знака производной за полутакт синхронно с началом каждого полутакта. Все тр квантователя уровня 1, 4 и 8, работая в режиме кольцевого неполного счетчика,, после достижения значения установок и YOJ. и формирова ния на выходе квантователей одиночного импульса, устанавливаются в ис ходное нулевое состояние и счет (на копление) начинается сначала. Генератор 5 тактовых импульсов генерирует через равные тактовые промежутки времени Т импульсы, вклю чающие вторую ячейку ПАМЯТЬ 6. Для этого величину квантования Y и длительность такта выбирают с учетом инерционности объекта регулирования и дискретности квантованного шага регулирования исполнитель ного механизма. Выражение (1) отображает идеальный режим регулирования расхода. Если Tf совпало с началом такта и соблюдаетсч-условие равенства Г X(t)dt Г X(t)dt УО, то не выс о ., . йбатываются управляющие воздействи на исполнительный механизм, в устро стве пуск регулятора с момента времени г и синхронная выдача импульсов через время Ъ,1 с выхода квантователя 1 и генератора 5 тактов одновремейно включают обе ячейки ПАМЯТЬ 2 и 6f которые, включая,скему И 9, сбрасываются после появления на вторых (сбросовых) входах их сигнала с выхода схемы И 9. Первая и вторая схемы И 3 и 7 не включаются, второй и третий квантователь 4 и 8 не выдают команд управления. Однако в последующий момент времени в процессе обжига и расхода энергии объект изменяет свое тепловое состояние и параметры (электрическое сопротивление или газопроницаемость) , что при неизмен1|ых характеристиках энергоисточников приводит к изменению скорости потребле- нйя энергии объектом. Допустим, .что за второй такт интегральное значение X(t) достигает раньше заданного 2 5 , чем закончится длительность такта Т., т. ,-Г2.Т (фиг.З): в этс случае сформированным импульсом, квантователь 1 включает ячейку ПАМЯТЬ, 2 и подготавливается по первому щходу к- работе первая схема И 3. Одновременно блок Ю определения знака производной определяет отклонение реальной скорости процесса в данный такт от заданной, В нашем случае это счетчик, синхронизируемый импульсами тактового генератора 5, следующими с удвоенной частотой. Задание уровня У в этот счетчик внутри схемы 10 уменьшено в два раза. Тогда, поскольку процесс потребления энергии объектом возрос, счетчик блока 10 определения производной раньсле, чем придёт тголутактовый сигнал от генератора 5, выдает на триггер 11 реверса импульс, что указывает о з-аполнении счетчика ДО уровня Уо/2. Сигналом с первого выхода триггера 11 реверса разрешается работа первой схемы. И 3, которая пропускает импульсы расхода энергии на второй квантователь 4, уровень квантования которого Уо-2 определяет зону нечувствительности регулятора.. Если за оставшуюся длительность второго такта 2т -г в квантователь 4 поступит число импульсов регулируемого параметра X больше У., , на выходе этого квантователя в момент появится импульс регулирования, воздействующий на шаговый исполни- : тельный механизм в направлении уменьшения расхода (график 4 и 4а фиг.З). По окончании второго такта в момент времени 2Т генератор 5 так.тов запускает ячейку ПАМЯТЬ 6, появившийся сигнал на выходе схемы И 9 отклаочает ячейку ПАМЯТЬ 2 и б и устанавливает в исходное состояние счетчик квантователя 4. Для блока 10 определения знака производной цикл подсчета начинается снова,так как полутактовыми .сигналами генератора 5 счетчик блока 10 сбрасывается в исходное нулевое состояние После выработки управляющего во действия с момента Г скорость пот ребления, энергии объектом снизилась что отображено на графике У(t) изме нением наклона в интервале времени С начала третьего такта, т.е. с 2Т счетчик блока определения знака производной с нулевого состояния начал подсчет фактического расхода энергии за контролируемый полутакт Хотя с начала процесса идет еще one режение потребления энергии (момент времени завершения подсчета третье порции Г ЗТ) , в середине третьего такта блоком 10 определения анака производной по первому сигналу полу такта от генератора 5 формируется сигналу переключающий триггер 11 ре верса в состояние, определяютзе установление скорости потребления энергии ниже заданной. Разрешающий сигнал с первой рхемы И 3 снимается а на входе второй схемы И 6 появляется (строка 11 + и 11 -, фиг.З) Таким образом, появление.на выходе ячейки ПАМЯТЬ 2 импульса длительностью ;ЗТ- Тд не вызывает лишних переключений, поскольку накопленное опережение процесса практически в ближайшие последующие такты скомпенсировано снижением скорости процесса потребления, начавшшлся с момента t . , Обычно длительность тактавыбирают с учетом инерционности объекта поэтому возможное отставание процесса из-за снижения скорости потребления,- как правило, не сможет произойти в следующем такте больше чем на полтакта. За следующий четвертый такт с переходом на пятый (интервал работы квантователя --C ввиду снижения скорости, процесс из опережающего стал отстающим по суммарному потреблению энергии, 4Т, т.е. 4Y. Г X(t)dt, I ° ri В ЭТОМ интервале в момент времени 4Т сигналом тактового генератора 5 включается вторая ячейка ПАМЯТЬ 6 и включается в работу вторая схема И 7; которая пропускает на третий квантователь 8 импульсы расхода в течение интервала времени (строка 7 фйг.З). Если отста ваниепроцесса незначительное, т.е меньше зоны нечувствительности YQ заданной в третьем квантователе, то число подсчитанных счетчиком квантователя 8 импульсов за интервал 4T-tr5- будет меньше заданных Y,. . В момент времени сигналом навыходе первого квантователя 1 включается ячейка ПАМЯТЬ 2, срабатывает схема И 9 и ячейки ПАМЯТЬ 2 и 6 и счетчик квантователя 8 сбрасывается в исходное нулевое состояние. Новый цикл отсчета счетчиком квантователя 1 расхода с практически неизменной заниженной скоростью приведет .к тому, что интегральное значение расхода с начала работы фегулятора отстает от заданного. Поэтому в момент завершения пятого такта 5Т включается первой по сигналу генератора 5 ячейка ПАМЯТЬ б- и откроется схема И 7, которая начнет с этого момента пропускать на третий квантователь 8 импульсы расхода энергии. После накопления счетчиком, квантователя 8 импульсов расхода, равного заданию Yo2./ т.е. X(t)dt 2 (строка 8, фиг.З). В момент , времени т: (время выработки второй команды) на выходе квантователя формируется командный импульс регулирования, воздействующий на шаговый исполнительный механизм в направлении увеличения расхода (график 8а фиг.З). С момента выполнения команды шаговым исполнительным меха-, низмом скорость потребления энергии объектом возрастает, что отображено на графике Y(t) фиг.З увеличением наклона в интервале времени t.-Т . В этом же интервале с момента t начинается новый цикл подсчета импульсов расхода 5С третьим квантователем 8. Если бы отставание фактического интегрального расхода энергии в момент времени С, было значительным от заданного, то возможно через следующий промежуток времени, необходимый для подсчета импульсов энергии X, равных заданию формирование на вьпсоде квантователя 8 второй импульсной команды в направлении увеличения-скорости потребления объектом энергии. За интервал времени квантователь успевает подсчитать число импульсов меньше задания УОО. поэтому второй команды на увеличение расхода исполнительному механизму не формируется . В интервале времени первого-шестого полутакта (5Т-5Т) счетчик блока 10 определения знака производной успевает раньше завершения полутакта набрать число Импульсов расхода энергии, равное Y,/2, поэтому на выходе блока 10 появляется сигнал +, переключающий триггер 11 реверса. Последний блокирует схему И 7 и |разрешает работу схемы И 3 (график 11 фиг.З). Дальнейший цикл отсчета импульсов расхода квантова телем 1 с момента времени t-i начнет ся с большей скоростью,t Однако накопленное отставание с начала кампа нии (с третьего такта) приведет к тому что в момент времени 6Т генератор 5 вклк1Чит ячейку ПАМЯТЬ б, а в момент tT-, когда заполнится счетчик квантователя 1 очередной порцией импульсов равной Yg , ячейка ПАМЯТЬ отключается схемой И 9. В интервалу бТ-Т, регулятор не выдает никакой команды, так как схема И 7 заблокирована сигналом от триггера 11 реверса. Процесс потребления энергии в объекте постепенно приходит в заданный ритм (интервалы ST-fg фиг.З), Это говори о том, что при повышении скорости потребления энергии за такт, интегрально накопленное отставание будет ликвидировано в течение 2-3 тактов без лишнего переключения мощных крупношаговых исполнительных механизмов , При достаточно.больших разбалансах фактических параметров расхода от заданных в течение семи тактов практически выполнено регулятором два переключения исполнительным механизмом. При этом разбаланс по времени не достигал больше длительности полутакта. I В качестве квантованных импульсо определяющих зону нечувствительност регулятора (уставки Y и .) можн использовать также временные метки, т.е. какую-то фиксированную частоту вырабатываемую генератором 5. Эта частота значительно выше, чем часто та импульсов, определяющих тактовый интервал Т, и может быть легко выделена из схемн генератора по треть му выходу. Работа регулятора по второму варианту (фиг.2) отличается от первог варианта только тем, что вместо мел комасштабных импульсов расхода энергии X, квантователи 4 и 8 .подсчитывают в интервалах времени сдвиг между фактическим интегральным расходом и заданным темпом процесса мелкомасштабные импульсы времени, генерируемые генератором 5 и пропус каемые соответственно через схему И 3 или И 7.: Поскольку за этот промежуток времени мало изменяется взаимосвязь частоты импульсов расхода со временем, а расход и ход времени всегда одномерен, т.е. идет в одном направлении - увеличения параметра, то использование импульсов времени для измерения величины разба анса в медленно протекающих процессах накопления (расхода эквивалентно использованию импульсов расхода энергии. . В настоящее время управление рас-1 ходом электрической энергии мощных печей выплавки карбида кремния, а также графита в электродном производстве есуществляеТся с помощью систем автоматического программного управления электрическим режимом АУР и САУГ, в которых Задача снижения числа переключений мощных исполнительных механизмов достигается значительным расширением зоны нечувствительности регуляторов, что снижает точность регулирования расхода электроэнергии за кампанию. Использование предлагаемого устройства в указанных системах позволяет повысить точность регулирования интегрального расхода электроэнергии за заданный промежуток времени (запланированную длительность кампании). В этом случае синхронность процесса часового расхода с временем за всю кампанию обеспечивается с точностью по времени - один полутакт, а по величине - половины величины заданного расхода за такт, что снижает относительную погрешность обеспечения заданного расхода за запланированное время до 1-0,5%, вместо возможной 3-5% ранее, обусловленной практически, зоной нечувствительносТИ регулятора.. Формула изобретения 1, Дискретный регулятор, содер-. жащий блок определения производных, генератор тактовых импульсов, пер- |4 вый элемент И, второй элемент И , триггер реверса и последовательно соединенные датчик, первый квантователь уровня, первый блок памяти и третий элемент И, первый вход блока определения производных соединен с вторым входом первого квантователя ; уровня, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности регулятора, он содержит второй блок памяти, второй и третий квантователи уровня, первый выход генератора тактовых импульсов соединен через последовательно соединенные блок определения производных и триггер реверса с вторым входом третьего элемента .И и с первым входом второго элемента И, а второй -выход через последовательно соединенные второй блок памяти и второй элемент И - с : первым входом второго квантователя уровня, вторым входом соединенного с первым входом третьего квантователя уровня, с вторыми входами первого и второго блоков памяти и с выходом первого элемента И, выходы первого и второго блоков памяти соединены с соответствующими входами первого

элемента И, выхо датчика соединен с третьим входом блока определения производных и с третьими входами третьего и второго элемента И, выход третьего элемента И соединен с вторым входом третьего квантователя уровня.

2. Дискретный регулятор, содержащий блок определения производных, генератор тактовых импудьсов-, первый элемент И, второй элемент И, триггер реверса и последовательно соединенные датчик, первый квантователь уровня, первый блок памяти и третий элемент И, первый вход блока определения производных соединен с вторым входом первого квантователя уровня, отличающийся там, 4Tqy с целью повышения точности регулятора, он содержит второй блок памяти, второй ц третий квантователи уровня, первый выход генератора тактовых импульсов соединен через последовательно соединенные блок определения производных и триггер реверса со вторым входом третьего элемента И и с первым входе второго эле мента И, а второй выход через последовательно соединенные второйблок памяти и второй элемент Hi- с первым входом второго квантователя уровня,

вторым входом соединенного с первым

входом третьего квантователя уровня, с вторыии входами первого и второго блоков памяти и с выходом первого элемента И, выходы первого и второго

блоков памяти соединены с соответствующими входами первого элемаят.а И, выход третьего элемента И соедщнея с вторым третьего квая ователя уровня,третий выход генератора

тактовых импульсов соединен с третьими входами второго и третьего элементов И.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР №370584, кл. G 05 В 11/26, 1973.

2.Авторское свидетельство СССР 468216, кл. G 05 В 11/01,, 1975 (прототип).