Резервированная система автоматического управления

 

1. РЕЗЕРВИРОВАННАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ, содержащая основной регулятор, первый информационный вход которого соединен с выходом задатчика, информационный выход - с первьм входом элемента ИЛИ, а управляющий выход - с первым входом блока переключателей, первый выход которого соединен с первым входом исполнительного органа, второй вход - с вторым выходом блока переключателей, второй вход которого соединен с выходом задатчика, выход датчика соединен с вторым информационным входом основного регулятора, третьим входом резервного регулятора и входом блока пороговых элементов, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом блока переключателей, отличающаяся тем, что. с целью повьпиения надежности системы , она содержит устройство контроля управляющего сигнала, блок перестройки структуры резервного регулятора , управляющий выход основного регулятора соединен с первым входом устройства контроля управляющего сигнала, второй вход которого соединен с выходом задатчика, а выход с третьим входом -элемента ИЛИ, вход блока перестройки структуры резервного регулятора соединен с вторым выходом резервного регулятора, а выход - с третьим входом блока переключателей , третий выход которого соединен с четвертым входом резервного регулятора. (Л 2. Система поп.1, отлича ющ а я с я тем, что устройство контроля управляющего сигнала содержит фильтр, дифференцирующий усилитель, усилитель-инвертор, сумматор, первый и второй пороговые элементы, причем первый вход устройства соединен последовательно через фильтр и дифференцирующий усилитель с входом 00 первого порогового -элемента и через сумматор - с входом второго порогового элемента, второй вход устройсГва 00 через усилитель-инвертор соединен с вторым входом сумматора, выходы пороговых элементов соединены с выходом устройства.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (И) А зш G 05 В 9/03 Н 05 К 10/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОткРытий! ъ,»

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /"

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛВСТВУ (21) 3492804/18-24 (22) 27.09.82 (46) . 15.09.84. Вюл. -34 (72) В.Ф.Ковтунов, А.И.Колесников и С.Д.Малкин (53) 621.503(088.8) (56) 1. Патент СССР -427535, кл. 5 05 В 15/02, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

-571792, кл. Н 05 К 10/00, 1975 (прототип). (54)(57) 1. РЕЗЕРВИРОВАННАЯ СИСТЕМА

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ, содер. жащая основной регулятор, первый информационный вход которого соединен с выходом задатчика, информационный выход — с первым входом элемента

ИЛИ, а управляющий выход — с первым входом блока переключателей, первый выход которого соединен с первым входом исполнительного органа, второй вход — с вторым выходом блока переключателей, второй вход которого соединен с выходом задатчика, выход датчика соединен с вторым информационным входом основного регулятора, третьим входом резервного регулятора и входом блока пороговых элементов, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом блока переключателей, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности системы, она содержит устройство контроля управляющего сигнала, блок перестройки структуры резервного регулятора, управляющий выход основного регулятора соединен с первым входом устройства контроля управляющего сигнала, второй вход которого соединен с выходом задатчика, а выход— с третьим входом элемента ИЛИ, вход блока перестройки структуры резервного регулятора соединен с вторым выходом резервного регулятора, а выход — с третьим входом блока переключателей, третий выход которого соединен с четвертым входом резервного Е

Ф регулятора.

2. Система по п. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что устройство контроля управляющего сигнала содержит фильтр, дифференцирующий усилитель, д усилитель-инвертор, сумматор, первый и второй пороговые элементы, причем первый вход устройства соединен последовательно через фильтр и дифференцирующий усилитель с входом первого порогового -элемента и через сумматор — с входом второго порогового элемента, второй вход устройства через усилитель-инвертор соединен с вторым входом сумматора, выходы поро- ( говых элементов соединены с выходом устройства.

1113778

Изобретение относится к автоматике, в частности к системам управления с цифровыми вычислительными устройствами в контуре управления сложными объ ектами и техническими процессами, 5

Известны системы автоматического управления. с цифровыми управляющими вычислительными машинами, которые для обеспечения надежности резервированы регуляторами, построенными на 1Р основе более простых и надежных элементов. В случае отказа вычислительной машины такие системы обеспечивают, хотя с худшим качеством, управление от резервного регулятора. Управляю- 15 щие сигналы вычислительной машины подаются как на исполнительный механизм, так и на вход резервного регулятора, причем на вход регулятора подается такой сигнал, чтобы его вы- 20 ходной сигнал был равен сигналу на входе исполнительного механизма для обеспечения перехода управления с вычислительной машины на резервный регулятор без скачкообразных возму- 25 щений P1) .

Недостаток устройства — дополнительная вычислительная нагрузка на вычислительную машину. Кроме того, при возникновении неконтролируемого gp отказа вычислительной машины (например, вследствие ошибки в математическом обеспечении) возможна выдача недопустимого управляющего сигнала, приводящего к выходу регулируемого параметра за допустимые значения.

Наиболее близкой к предлагаемой является система автоматического ,управления, содержащая датчик, управляющую вычислительную машину, ана- 4О логовый резервный регулятор, задатчик, размыкающие и замыкающие контакты, блок переключателей, блок управления аналогового регулятора, исполнительный механизм и исполнительный 45 орган. Блок переключателей соединен: с управряющей вычислительной машиной и аналоговым регулятором. Вход обратной связи аналогового регулятора через размыкающие контакты соединен 50 с выходом управляющей вычислительной машины, а через замыкающие контакты с блоком управления аналогового регулятсра. Вход исполнительного механизма соединен через размыкающие 55 контакты с аналоговым выходом управляющей вычислительной машины, а через замь1кающие контакты с выходом блока управления аналогового регулятора. Датчик, преобразующий измеритель- . ную величину управляемого параметра в токовый сигнал, и задатчик соедине- ны с управляющей вычислительной машиной и аналоговым регулятором (2) .

В известной системе автоматическое переключение с режима управления от управляющей вычислительной машины на аналоговый регулятор происходит не только при отказе управляющей вычислительной машины, но и при выходе регулируемого параметра за допустимые граничные значения.

Однако контроль параметра и формирование сигнала по его отклонениям возложены на вычислительную машину, при этом не контролируется сигнал с ее выхода. Такое техническое решение не обеспечивает надежность при возникновении ряда неконтролируемых отказов управляющей вычислительной машины, связанных, например, с ошибками в программном обеспечении. Неконтролируемые отказы в управляющей вычислительной машине могут привести к выдаче на исполнительный орган недопустимого управляющего воздейст" вия или к отсутствию контроля управляемого параметра по выходу за допустимые пределы. Система практически не может применяться для управления потенциально опасными объектами, например энергетическими ядерными реакторами, так как допускает выдачу такого управляющего сигнала, который может вывести регулируемый пара-. метр за пределы регламентируемых значений и привести к катастрофическим последствиям.

Цель изобретения — повышение надежности системы с вычислительным блоком в контуре управления путем обеспечения контроля величины и скорости изменения управляющего сигнала, а также перехода на резервный регулятор без скачкообразного возмуt щения.

Поставленная цель достигается тем, что в резервированную систему управления, содержащую основной регулятор, первый информационный вход которого соединен с выходом задатчика, информационный выход — с первым входом элемента ИЛИ, а управляющий выход— с первым входом блока переключателей, первый выход которого асоединен с первым входом исполнительного органа, з 1113 второй вход — с вторым выходом блока переключателей, второй вход которого соединен с выходом задатчика; выход датчика соединен с вторым информационным входом основного регулятора, третьим входом резервного регулятора и входом блока пороговых элементов, выход которого соединен с вторым ! входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом блока переключателей, введены устройство контроля управляющего сигнала, блок перестройки структуры резервного регулятора, управляющий выход основного регулятора соединен с первым

15 входом устройства контроля управляющего сигнала, второй вход которого соединен с выходом задатчика, а выходс третьим входом элемента ИЛИ, вход блока перестройки структуры резерв20 ного регулятора соединен с вторым выходом резервного регулятора, а выход — с третьим входом блока переключателей, третий выход которого соединен с четвертым входом резервного регулятора.

Устройство контроля управляющего сигнала содержит фильтр, дифференцирующий усилитель, усилитель-инвертор, сумматор, первый и второй пороговые элементы,- причем первый вход устройства соединен последова-. тельно через фильтр и дифференцирующий усилитель с входом первого порогового элемента и через сумматор с входом второго порогового элемента,з5 второй вход устройства через усилитель-инвертор соединен с вторым входом сумматора, выходы пороговых элементов соединены с выходом устройства.

На фиг. I приведена функциональная блок-схема предлагаемой резервированной системы автоматического управления на фиг.2 — схема устройства

1 контроля управляющего сигнала; на 45 фиг.3 — вариант блок-схемы резервного регулятора с блоком перестройки структуры.

Резервированная система автоматического управления (фиг..1) содержит вычислительный блок 1 (основной регулятор), резервный регулятор 2> датчик 3 задатчик 4, пороговый элемент 5> элемент ИЛИ 6» блок переключателей 7, устройство 8 контроля 55 управляющего сигнала, блок 9 перестройки структуры резервного регулятора. Блок 7 переключателей содержит

778 4 входы 10,11 и 12 и выходы 13„14 и 15, а резервйый регулятор 2 — выходы

16,17 и 18.

Блок 8 содержит сглаживающий фильтр 19, дифференцирующий усилитель

20, пороговый элемент 21 усилитель-инвертор 22 сумматор 23 и пороговый элемент 24, а также вход 25 для подключения электрической цепи.

Регулятор 2 может содержать ограничитель 26 входного сигнала, интегратор 27 усилитель 28,исполнительный орган 29 и сумматор 30.

Принцип работы системы состоит . в следующем.

В режиме управления от вычислительного блока при появлении на выходе вычислительного блока недопустимого управляющего сигнала, например с недопустимой скоростью изменения или недопустимой величины, в устройстве контроля управляющего сигнала вырабатывается сигнал пере-. ключения режима управления на резервный регулятор, при этом происходит перестройка структуры резервного регулятора.

Для выполнения указанных функций устройство контроля управляющего сиг" нала содержит фильтр, дифференцирующий усилитель, усилитель-инвертор, сумматор и пороговые элементы, причем управляющий выходной сигнал вычислительного блока, проходя последовательно через фильтр, дифференцирующий усилитель и первый пороговый элемент, проверяется на отсутствие недопустимой скорости изменения, а проходя через сумматор и второй пороговый элемент — на отсутствие недопустимой величины. Наличие сумматора и соединенного с ним усилителяинвертора, на вход которого поступает сигнал задатчика, позволяет менять допускаемую величину управляющего сигнала в зависимости от величины сигнала задатчика.

При управлении от вычислительного блока структура резервного регулятора перестраивается таким образом, что он не оказывает существенного влияния на вырабатываемый вычислительным блоком управляющий сигнал, в то же время при переключении в режим управления от резервного регулятора на его выходе не появляется скачкообразного изменения управляющего сигналами

Это можно реализовать, например, пе1113778.рестраивая резервный регулятор в режиме управления от вычислительного блока в апериодическое звено с такой постоянной времени, чтобы управляющий сигнал, вырабатываемый вычислительным 5 блоком, проходил через это звено без существенных искажений.

Таким образом, система блокирует прохождение на исполнительный орган недопустимых управляющих сигналов, возникающих при.любых отказах вычислительного блока, а переход на резервный регулятор происходит без скачкообразных возмущений, что существенно повышает надежность и безопасность системы управления.

Система работает следующим образом, При управлении исполнительными органами от вычислительного блока 1 управ- 2О ляющий сигнал поступает на BxolT 10 блока переключателей, далее (через замкнутые контакты) на выход 13 блока переключателей и через резервный регулятор 2 на выход 17 к исполнительным 2 органам. Резервный регулятор 2 при этом перестраивается в апериодическое звено с малой постоянной времени и не оказывает существенного влияния на качество процессов управления. Сигнал задатчика 4 поступает на вход вычислительного блока и вход 11 блока переключателей 7, в этом режиме он не проходит на выход 14 (контакты блока пере: ключателей разомкнуты) . Сигнал датчика

3 поступает в вычислительный блок 1 резервный регулятор 2 (обратные связи) и на пороговый элемент 5. При выходе регулируемого параметра, измеряемого датчиком 3, за допустимые значения появляется сигнал на выходе порогового элемента 5. Блок ИЛИ 6 выдает сигнал в блок переключателей 7 на отключение вычислительного блока 1 и переход на управление от резервного регулятора

2 при наличии на его входе любого иэ трех сигналов: выходного сигнала из блока пороговых элементов 5, сигнала из вычислительного блока 1 о его отказе, сигнала из устройства 8 контроля управляющего сигнала о недопустимой величине или скорости изменения управляющего. сигнала. Управляющий сигнал, вырабатываемый вычислительным блоком

I, проходит через фильтр 19, сглаживающий ступенчатое изменение сигнала циф5S ро-аналогового преобразователя вычислительного блока, поступает на дифференцирующий усилитель 20, с выхода которого на пороговый элемент 21 поступает сигнал, пропорциональный скорости изменения выходного управляющего сигнала. При увеличении скорости изменения сигнала выше допустимой, что может произойти, например, при неисправностях цифро-аналогового преобразователя на выходе вычислительного блока 1, пороговый элемент срабатывает, подключает электрическую цепь 25, и на выходе .устройства контроля появляется сигнал. Пороговый элемент 24 срабатывает, подключая электрическую цепь 25, при отклонении величины управляющего сигнала за допустимые значения. При этом допустимое значение величины управляющего сигнала формируется с обратным знаком усилителем-инвертором 22, на выход которого поступает сигнал задатчика 4. Коэффициент усиления усилителя-инвертора определяет степень допустимого превышения величины управляющего сигнала по сравнению с сигналом задатчика.

В некоторых режимах работы управляемого объекта существует ограничение на скорость перемещения исполнительного органа. Для упрощения конструкции резервного регулятора это ограничение распространяется на все режимы работы объекта управления.

Для ограничения скорости перемещения исполнительного органа регулятор содержит развертывающее устройство, состоящее из ограничителя 26 входного сигнала и интегратора 27. При изменении заданного положения исполни— тельного органа задатчиком 4 на вход усилителя 28 подается не скачкообразный сигнал, а линейно нарастающий или убывающий (в зависимости от знака сигнала на входе ограничителя

26). Скорость развертки сигнала заданного положения исполнительного органа определяется величиной входного сигнала и постоянной времени интегратора 27.

Подключение вычислительного блока для управления исполнительным органом 29 позволяет оптимизировать технологические процессы, так как положение и скорость перемещения исполнительного органа 29 определяются не только задатчиком 4, но и параметрами технологического процесса, состоянием управляемого объекта и другими условиями. Для этих целей

7 11 выходной аналоговый сигнал с вычисли тельного блока можно быпо бы подать непосредственно на сумматор 30 вместо сигнала с выхода интегратора 27.

Однако при этом при передаче управления от вычислительного блока 1 резервному регулятору 2 не обеспечивается плавный переход, так как в момент переключения сигнал на выходе интегратора 27 может существенно отличаться от сигнала с выхода вычислительного блока, что приведет к резкому изменению положения исполнительного органа. Лля обеспечения плавного перехода режима управления с вычислительного блока на резервный регулятор предлагается выходной сигнал вычислительного блока подать на вход резервного регулятора.

Блок 9 перестройки структуры содержит конденсатор, который соединен с выходом 18 резервного регулятора и входом 12 блока переключателей. В режиме управления от вычислительного блока этот конденсатор (блок 9) отключается блоком переключателей (размыкаются вход 12 и выход

15) и вследствие уменьшения емкости уменьшается постоянная времени, а интегратор фактически перестраивается в апериодическое звено.

Резервным регулятором может быть любой электрогидравлический или электромеханический регулятор, на вход которого подаются электрические сигналы. Например, в качестве резервного регулятора может быть использован канал регулятора APM-5, устанавливаемого в системе управления на атомных станциях. Подключение вычислительного блока в этом.

13778 случае позволяет оптимизировать процесс управления.

Предлагаемая система управления по сравнению с известными системами защищена от большого числа отказов вычислительного блока, в том числе и возникающих из-за ошибок в программном обеспечении. Применение простых и надежных средств контроля

1О управляющих сигналов вычислительного блока, резервных регуляторов делает систему менее зависимой от вычислительного блока и позволяет строить более надежные и экономичные системы . автоматического управления, в том числе и для ядерных реакторов.

По сравнению с базовым объектом, в качестве которого выбрана современная система управления реактором . большой мощности атомной электростанции, предлагаемая система может выполнять дополнительные функции> например оптимальное распределение поля энерговыделений в реакторе.

Известно, что повышение теплонапряженности реакторов атомной электростанции мощностью 2 мпн.кВт только на 1Ж в результате улучшения качества управления при сохранении надежности реакторов дает экономический эффект, в несколько раз превышающий затраты на вычислительную машину БЭСМ-6.

Существующие системы управления реакторами атомной электростанции не могут выполнять функции оптимального распределения поля энерговыделения в силу необходимости выполнения сложных вычислений по определению управляющих воздействий.

1113? 78

Заказ бб 18/39 Тираж -841

ВНИИХИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

-1

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Максимов

Редактор Л. Авраменко Техред M.Tenep Корректор И. Муска