Автоматический регулятор

 

АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР, содержащий задатчик, последовательно соединенныеизмеритель выходной координаты, первый и второй элементы сравнения, линейный усилитель, релейный усилитель, исполнительный механизм и реальное дифференцирующее звено, выход задатчика подключен к второму входу первого элемента сравнения , вход и выход объекта регулирования соответственно связаны с выходом исполнительного механизма и входом измерителя выходной координаты , отличающийся тем, что, с целью повьппения быстродействия системы регулирования при отработке внешнего задания, он содержит первый ключ, последовательно соединенные первый динамический преобразователь и второй ключ, последовательно соединенные первый вентиль, второй динамический преобразователь и трети ключ, последовательно соединенные второй вентиль, четвертый ключ и третий элемент сравнения, подключенньй вторые входом к выходу третьего ключа , а вьЕходом - к управляющему входу (Л второго ключа, выход первого элемента сравнения соединен с входом второго вентиля и с управляющими входами первого, третьего и четвертого ключей, выходы первого и второго ключей соединены соответственно с вторым и третьим входами второго элемента ьо сравнения, выход релейного усилителя э подключен к входам первого вентиля N5 00 tsO и первого динамического преобразователя .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

CPUH

РЕСПУБЛИК аю аи у(щ G 05 В 11/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ CCCP

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .,«" . н ae TopceoMT ceceeelehceev (21) 3599831/24-24

1(22) 03.06.83 (46) 23.10.84. Бюл. Ф 39 (72) В.А. Олейников, Е.Ф. Волков, В.В. Холодков и А.Е. Яковлева (71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина) (53) 62-50(088.8) (56) 1. Олейников В.А., Зотов Н.С. и Пришвин А.М. Основы оптимального и экстремального управления. М., "Высшая школа", 1969, с. 296.

2. Клюев А.С. и Колесников А.А.

Оптимизация автоматических систем управления по быстродействию. М., Энергоиздат, 1982, с. 240 (прототип). (54)(57) АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР, содержащий задатчик, последовательно соединенные измеритель выходной координаты, первый и второй элементы сравнения, линейный усилитель, релейный усилитель, исполнительный механизм и реальное дифференцирующее звено, выход задатчика подключен к второму входу первого элемента сравнения, вход и выход объекта регулирования соответственно связаны с выходом исполнительного механизма и входом измерителя выходной координаты, отличающийся тем, что, с целью повьппения быстродействия системы регулирования при отработке внешнего задания, он содержит первый ключ, последовательно соединенные первый динамический преобразователь и второй ключ, последовательно соединенные первый вентиль, второй динамический преобразователь и третиГ ключ, последовательно соединенные второй вентиль, четвертый ключ и третий элемент сравнения, подключенный вторьйч входом к выходу третьего клю- Я ча, а выходом — к управляющему входу второго ключа, выход первого элемен- Ц ф та сравнения соединен с входом второго вентиля и с управляющими входами первого, третьего и четвертого Я ключей, выходы первого и второго ключей соединены соответственно с вторым и третьим входами второго элемента сравнения, выход релейного усилителя подключен к входам первого вентиля и первого динамического преобразователя.

11 20282

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано при автоматизации тепловых процессов химических и металлургических производств.

Известны устройства для автоматического регулирования, содержащие последовательно соединенные первый и второй элементы сравнения, релейный усилитель, исполнительный механизм, к выходу измерителя выходной коордиl0

20 наты подключены последовательно со— единенные линейный усилитель и дифференциатор, выход которого подсоединен

15 к второму входу второго элемента сравнения, выход измерителя выходной координаты подключен к второму входу первого элемента сравнения, к первому входу которого подключен задатчик выходной координаты j1) .

Недостатком таких устройств является значительное перерегулирование и недостаточное быстродействие при ступенчатом изменении задающего воздействий.

Наиболее близким к предлагаемому является оптимальный релейный автома— тический регулятор, содержащий последовательно соединенные первый и вто30 рой элементы сравнения, линейный усилитель, релейньп усилитель, исполнительный механизм, к выходу которого подключены параллельно соединенные реальное дифференцирующее звено и нелинейньп функциональный лреобразо55

Ватель, своими выходами связанные с входами сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго элемента сравнения,задатчик и измеритель выходной координаты соединены с пер- 0

Вым и вторым входами первого элемента сравнения (2) .

Недостатком известного регулятора является малое быстродействие при ступенчатом изменении задания на входе системы, так как с помощью нелинейного функционального преобразователя можно получить только одно оптимальное переключение управляющего воздействия. 50

Цель изобретения — повышение Gblc T родействия системы регулирования при отработке внешнего задания.

Поставленная цель достигается тем, мто автоматический регуггятор, 55 содержащий задатчик, последовательно соединенные измеритель выходной координаты, первый и второй элементы сравнения, линейный усилитель, релейный усилитель, исполнительный меха— низм и реальное дифференцируюшее звено, выход задатчика подключен к второму Входу первого элемента сравнения, вход и выход объекта регулирования соответственно связаны с Выходом исполнительного механизма и входом измерителя выходной координаты, дополнительно содержит первый ключ, последовательно соединенные первый динамический преобразователь и второй ключ, последовательно соединенные первый вентиль, Второй динамический преобразователь и третий ключ, последовательно соединенные второй вентиль, чствертый ключ и третий элемент сравнения, подключенный вторым

Входом к Выходу третьего ключа, а

ВыхОдОм K упраВляющс му ВХОду ВтОрОго ключа, Выход первого элемента сравнения соединен с входом второго вентиля и с управ.пяющими входами пер-Вого третьего и четвертого ключей, выходы первого и второго ключей соединены соответственно с вторым и третьим входами второго элемента

r.ðÿíHeíèÿ, выход релейного усилителя подключен к входам первого вентиля и первого динамического преобразователя.

Объект управления состоит из последовательно соединенных инерционных звеньев. Принцип регулирования за— ключается в следующем: при быстром изменении задающего воздействия и при больших значениях о|пибки Е 1) b значение ошибки в системе, при котором происходит переключение управляющего воздействия и определяется в основном областью нормальных режимов регулятора и характером возрущающих воздействий на систему, регулятор в режиме постоянной скорости на знакопостоянных интервалах управляющего воздействия осуществляет квазиоптимальный по быстродействию переходный процесс, когда значение ошибки (E)l 4

7 регулятор в скользящем режиме отрабатывает и удерживает значение ошибки в системе регулирования равное нулю. Для строго оптимального по быстродействию управления в линейной системе и-го порядка необходимо осуществить и интервалов знакопостоянного управления. Однако для линейных систе 7 до четвертого порядка, состоящего из инерционных звеньев и одно112028?

Первый ключ 8

Второй ключ 9

К, = 1, р(t) >0

Л1 = О, fu(t)с0

1 let b

Z - 0 iCj b го интегратора, вполне достаточно двух, трех интервалов знакопостоянного упранления, н течение которых значение ошибки и системе регулирования уменьшается до 1-2Х от первоначального значения °

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого регулятора; на фиг.2 временные диаграммы сигналов в различных точках системы регулирования; 10 на фиг. 3 — одна из возможных схем реализации динамического преобразователя; на фиг. 4 — схема включения первого-четвертого ключей.

Регулятор (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 элементы сравнения, линейный усилитель 3, релейный усилитель 4, исполнительный механизм 5, объект 6 управления, реальное дифференцирующее звено 7, первый ключ 8, второй ключ 9, третий ключ 10, четвертый ключ 11, первый вентиль 12, второй вентиль 13, первый динамический преобразователь 14, второй динамический преобразователь 15, третий 25 элемент 16 сравнения и задатчик 17.

На фиг. 1 и 2 приняты, кроме того, следующие обозначения: F(t) — сигнал ошибки. nl (t) — сигнал переключающей

У

30 функции; x — выходная координата; уЭ(Р) — сигнал с выхода первого ди1 намического. преобразователя; yp (t)— сигнал с выхода второго динамического преобразователя; х1д — задающее воздействие; 0 — сигнал с выхода

1 35 третьего элемента сравнения.

Первый и второй динамические преобразователи 14 и 15 представляют собой пассивные RC-цепочки (на фиг.340 одна из возможных схем реализации), характеристики которых подобраны таким образом, что при подаче на вход

RC-цепочки ступенчатого сигнала с выхода релейного усилителя, с выхо- 45 да RC-цепочки снимаем сигналы, воспроизводящие функции у, (t) и у (t).

Данные функции находят йз следующих соображений. Запишем управляющую функцию P (с) на входе линейного SO усилителя 3 для случая, когда IE) 3

f0 (t) = E (t) — ун, (с) .

В оптимальный момент времени t когда и управлении должна произойти 55 смена знака управляющего воздействия

u(t), значение управляющей функции ч (, ) = 0; g (t„) = y>,(t)., 4

Если рассчитать для каждого ступенчатого возмущения или задания x»h свое время оптимального переключения t и значение ошибки g (t ) и этот момент времени, то мы сможем получить искомую функцию уп,(t), перейдя к непрерывному времени °

Аналогично находится функция у (t) для второго оптимального моgg мента переключения t . Управляющая функция p (t) на выходе третьего элемента сравнения будет равна р (t) = Е(t) — у< (t).

Первый и второй, третий и четвертый ключи 8-11, представляют собой нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты реле, которые управляются сигналом ошибки E и сигналом с третьего элемента сравнения 1 . Ha фиг. 4 показана одна из возможных схем включения контактов ключей.

Алгоритм работы ключей следующий.

Обозначим коэффициенты передачи ключей через Z; где i — номер ключа.

Третий и четвертый Я = Z4= 1, Е1) ключи 10 и 11 (2. = 7., 0,) СЪ, Величина b занисит от области нор мальных режимов работы регулятора, Первый и второй вентили 12 и 13 служат для получения сигналов одной полярности на первом и втором входах третьего элемента сравнения и представляют собой диодные мостики.

Регулятор работает следующим образом.

При подаче на вход системы ступен-. чатого воздействия х» в системе возникает ошибка рассогласования Е (допустим g > Ь ). Положение ключей следующее: коэффициенты передач первого, третьего, четвертого ключей

Z - =Z - =Z = 1 коэффициент передачи

1 .3 второго ключа Z = О. Под действием сигнала рассогласования на входе линейного усилителя 3, на выходе релейного усилителя 4 появляется управ. ляющее напряжение и исполнительный механизм 5 начинает свое движение н сторону уменьшения рассогласования.

Одновременно сигнал с выхода релейного усилителя 4 поступает на входы

1120? 82 динамических преобразователей. В ре- зультате этого на выходе динамических преобразователей и соответственно на выходе первого 8 и третьего 10 кЛючей появятся сигналы уп (t), у (t) (фиг. 2), определяемые передаточными функциями RC-цепочек. Точность аппроксимации данных функций RC-цепочками составляет 1-2 .

Если для квазиоптимальнога управления достаточно получить только два интервала знаконостоянного управления (когда объект управления вместе с исполнительным механизмом описывается дифференциальным уравнением вто- >5 рого порядка, или в конце второго интервала управления tK (t)l < bI то коэффициент передачи второго динамического преобразователя равен нулю, При трехинтервальном управлении ко- эффициенты передач первого и второго динамических преобразователей отличны от нуля .

В момент времени t (фиг. 2), коган сигнал ошибки g (t) и сигнал

25 уп (t) с выхода первого динамическо1. га преобразователя станут равными, произойдет переброс релейного усилителя, следовательно изменится управляющее воздействие и начнется второй M интервал управления, так как при

t4(t с

p (t) = E (t) — у„(,„< о

Зта следует из того, что инерцион- 3» ность динамического преобразователя не меньше, чем инерционность объекта управления, В момент времени д сигнал ошибки

g(t ) и сигнал y> (t ) с выхода

4 второго динамического преобразователя 15 станут равными, сработает первый ключ 8 и коэффициент передачи

c àHåò равным Z1 = О. Начнется третий интервал управления, так как при

t p (t) c О; yo,(t) - О;

p (t) = q (t) О. г

Когда сигнал ошибки F станет меньше Ь, произойдет переброс второго четвертого ключей и коэффициенты передач этих ключей станут равными

Е = 1, Zq- =Zy-= 0. На втоРой элемент

2 сравнения поступает только сигнал с реального дифференцирующега звена 7 параметры которого определяются из условия устойчивости минимального отклонения ошибки системы Е (t) в режиме стабилизации. Переходный процесс отработки задающего воздействия закончен, Если при подаче на вход системы регулирования ступенчатого воэдейг ствия х д в системе возникает ошибка рассогласования ®) Ь, та регулятор работает следующим образом: передаточные функции первого, третьего и четвертого ключей Z = Z>= Е i

1 второго ключа Z = 1. На вход второго элемента 2 сравнения вместе с сиг. налом ошибки K (t) поступает сигнал с реального дифференцирующего звена 7. Таким образом, в скользящем режиме регулятор обеспечивает устойчивый переходной процесс при атработ ке заданного воздействия.

В случае необходимости, на первом интервале управления можно изменять величину задающего воздействия, не дожидаясь когда система отработает предыдущее значение, в этом случае переходный процесс также будет квазиоптимальным по быстродействию.

При других возмущениях система устойчива в работе и обеспечивает близкие к оптимальным переходные процессы.

Таким образом, предла гаемае из обретение при больших значениях задания или возмущающего воздействия реализует квазиоптимальное по быстродействию трехинтервальное управление, что по сравнению с известным регулятором увеличивает быстродействие системы и отличается простатой вводимых блоков па сравнению с известным нелинейным функциональным преобразователем.

1120282

1120282

Рыу

Составитель В.Кузин

Редактор Г. Волкова Техред С,Легеза Корректор А. Тяско

Заказ 7739/34 Тираж 841 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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