Регулятор для объектов с запаздыванием

 

Изобретение относится к технике автоматического регулирования, а именно к устройствам для регулирования инерционных объектов со значительными транспортными запаздываниями и неконтролируемыми возмущениями. В регуляторах для объектов -с запаздыванием значительны динамические ошибки в связи с тем, что по условиям устойчивости приходится значительно снижать частоту среза систем, т.е. их быстродействие. С целью повьшения быстродействия при больших возмущениях в регулятор, содержащий непрерьшные пропорционально-интегральнодифференцирующие звенья, введено дополнительное цифроаналоговое корректирующее звено логического действия, содержащее два компаратора, два триггера , два элемента совпадения, элемент задержки, дифференцирующий блок, элемент равнозначности, инвертор, операционный усипитель и три ключа. Введение дополнительного корректирующего звена снижает максимальное от--. кланение регулируемой величины, время регулирования и интеграле от ошибки. Интегр ал от ошибки снижается на порядок по сравнению с интегралом от ошибки для непрерывной системы. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. i О) 00 оэ ел о со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) 1М) 4 G 05 В 13/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

110 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ,(21) 4084292/24-24 (:22) 02.07.86 (46) 23.12.87. Бюл.№ 47 (71) Сызранский филиал Куйбышевского политехнического института им. В.В.Куйбьппева (72) А.Д.Герлейн (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1080118, кл. G 05 В 13/02, 1984.

Авторское свидетельство СССР № 911463, кл. G 05 В 13/04, 1982. (54) РЕГУЛЯТОР ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЬВАНИЕМ (57) Изобретение относится к технике автоматического регулирования, а именно к устройствам для регулирования инерционных объектов со значительными транспортными запаздываниями и неконтролируемыми возмущениями.

В регуляторах для объектов -с запаздыванием значительны динамические ошибки в связи с тем, что по условиям устойчивости приходится значительно снижать частоту среза систем, т.е.

Ъ их быстродействие. С целью повьппения быстродействия при больших возмущениях в регулятор, содержащий непрерывные пропорционально-интегрально дифференцирующие звенья, введено дополнительное цифроаналоговое корректирующее звено логического действия, содержащее два компаратора, два триггера, два элемента совпадения, элемент задержки, дифференцирующий блок, элемент равнозначности, инвертор, операционный усилитель и три ключа.

Введение дополнительного корректирующего звена снижает максимальное отклонение регулируемой величины, .время регулирования и интеграл< от ошибки.

Интеграл от ошибки снижается на порядок по сравнению с интегралом от ошибки для непрерывной системы.

2 э.п. A-лы, 4 ил.

Ке 1

Тт,р + 177т+Р + 17 (4) 1 136150

Изобретение относится к технике

I автоматического регулирования инерционных объектов со значительным запаздыванием и неконтролируемыми возмущениями.

Цель изобретения — повышение динамической точности регулирования.

На фиг.1 представлена. блок-схема регулятора для объектов с запаздыва- 10 кием и блок-схема второго корректируюМ щего устройства; на фиг.2 — блоксхема третьего корректирующего звена; на фиг.3 — логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ); на фиг.4 — характеристики переходных процессов отработки возмущений.

Схема содержит (фиг.1) сумматор 1, усилитель 2 рассогласования, первое корректиру щее звено 3, у итель 4 20 мощности, сумматор 5, объект 6 регулирования, датчик 7 обратной связи, второе корректирующее звено 8, операционный усилитель 9, резисторы

10 и 11, конденсатор 12 и третье 25

J корректирующее звено 13. Последнее содержит первый двухпороговый компаратор 14, первый элемент 15 совпадения, первый триггер 16, второй элемент 17 совпадения, второй триггер

18, элемент 19 задержки, дифференцирующий блок 20, второй двухпороговый компаратор 21, элемент 22 равнозначности, инвертор 23, первый 24, второй 25, третий 26 и четвертый 27 резисторы, конденсатор 28, операционный усилитель 29, первый 30, второй

31 и третий 32 ключи (фиг.2).

Регулятор работает следующим об- 40 разом.

При малых возмущениях P и малых задающих воздействиях Х, корректирующее устройство 13 не срабатывает, воздействие Х5. отсутствует, работают 45 лишь первое 3 и второе 8 корректирующие устройства. С помощью этих устройств обеспечивается наклон ЛАЧХ скорректированной системы 20 дБ/дек (фиг.З). Характеристика L показы- 50 вает изломы, которые имели бы место при отсутствии дифференцирующих звеньев, компенсирующих инерцию объекта — излом на частоте И (т =т ) и инерцию датчика обратной связиизлом ца частоте Q (T =T ). Частота среза выбирается из условий устойчивости и показателей качества регулирования с учетом запаздывания.

3 2

По схеме (фиг.1) постоянные времени определяются следующими выражениями:

Передаточная функция второго корректирующего звена

TzP+ 1

Н (Р) каTP+1 (1)

Передаточная функция первого корректирующего звена

Н (Р) (2)

IIpH 9ToM Т ) Tz, T ) Т ° Излом, соответствующий Т, выходит за пределы фиг.3, т.е. имеет место при у., Я, . Передаточная функция разомкнутой системы с учетом корректирующих звеньев 3 и 8 имеет вид

К(Т Р+1)(Т Р+1)е (3)

При Т = То и Т = Т имеют

Можно трактовать корректирующие звенья 3 и 8 как элементы, реализую- щие обратную модель объекта без запаздывания. Такая линейная CAP характеризуется малым быстродействием и большими динамическими ошибками. На фиг.4 приведен пример кривых изменения выходной координаты У, объекта 6 и выходного сигнала Z, датчика 7 обратной связи при отключенном звене

13 и большом скачке возмущения F рассчитанные на ЭЦВМ. Возмущение F принято таким, чтобы без регулятора оно вызывало отклонение выхода на

10Х от диапазона изменения Y. При работе только линейной части регулятора максимальное отклонение выхода У составляет 3,87, а время регулирования, соответствующее уменьшению Y до ОуЗХ

t =26Oc или t = 22<, P P

Назначение корректирующего звена

13 — уменьшить максимум отклонения

Y и сократить время регулирования при значительных рассогласованиях Х

Практически для систем стабилизации . важно обеспечить быстрое отрабатывание рассогласований, вызванных возмущающими воздействиями. Величина возмущающего воздействия отражается (10) 3 1361503 4 на величине скорости изменения рассо- Y(t) (фиг.4) до начала работы коррекгласования тирующего звена 13 (t = 0 — Ф< ) и юг от t, до 1 близки к прямолинейным, е Н.

5 то можно выбирать К из соотноше9 при фиксированной величине самого ния рассогласования Х = Я . По извест- t

2 К =1+- — - — (9) ным передаточным функциям объекта 6 1 -1( регулирования и датчика обратной

По графикам (фиг.4) получают К связи рассчитываются зависимости Х =

lO 1,8

Т вЂ” p f (t) для ряда фиксированных знаВ момент времени t необходимо чений У, а также зависимости 7 =

z снизить Х от значения Х = К F

= fz(t) для тех же значений F. Если Р P до значения Х = Г и сохранять этот принять коэффициенты усиления объекта р сигнал до тех пор, пока величина

6 регулирования, датчика 7 обратной

7 не снизится ниже уровня (/Ч/ г ) связи и усилителя 4 мощности, равными

Рассогласование Х при этом может единице, а коэффициент усиления расбыть и больше величины Я, так как согласования 2 равным К = 100, то для срабатывание КУЗ происходит по сорассматриваемого примера справедливы впадению трех условий: следующие выражения с учетом того, 20 что Х = Z при Х, = 0: /Хг/-K

/v/

Х = F(,l — - — — —: — Ь -- — ) (S) г

) (sign Xz = sign V. е 1 — е / А

U = F -------- — ——

T (6) Таким образом предотвращается поо А вторное срабатывание корректирующего

По графикам Хг = f (t) для фикси- звена 13, которое привело бы к само.Рованного значения Хг = Я делаются раскачиванию регулятора. Отключение выборки значений 1 соответствующих корректирующего звена 13 произвоЭ 30 каждому из F . Каждому значению соот- дится по. истечении времени t >

Зад ветствует по.графикам V = .f () свое задержки элемента 19 задержки, кото- г значение V<. Далее определяется ап- рое выбирается по условии /V/ c g ,проксимирующая функция 7 = f (Г). при всех возможных возмущениях в системе.

Для рассматриваемого примера при 35 Сигнал рассогласования Х усилива-г г — 22 ° 10 ется усилителем 2, что облегчает поV = (0,01 .+ 0 41 F) 10 z, (7) сТроеННе по едующи уз"ов ° KoMnapa

Е тор 14 срабатывает при / Хг/ р

Оценка F по величине V что соответствует /Х./ V, F = 244(U l0 ) . (я) 40 Компаратор 21 выдает единичный сигнал

P при /У/, что соответствует

ПосколькУ малые отклонениЯ У Уст- Х / V .,3лемент равнозначности

4 ог

РанЯютсЯ линейной частью РегУлЯтоРа, 22 выдает логическун единицу при а коРРектирующее звено 13 предназна- з X = sign Х Т,..е п и

3 4 s чено для быстрого предоТвращения 46 = sign V. При собл дении условий (10). больших отклонений У, вполне прием- триггер 16 устанавливается в единичлема линейнаЯ аппРоксимациЯ. При ное состояние, При этом размыкается цепь ключа 30 и замыкается цепь ключа

215 Ч 31 ° Размыкание клича 30 переводит ъ

50 операционный усилитель 29 в режим

КоРРектиРУищее звено 13 срабатыва- хранения, имеющегося на его выходе напряжения, пропорционального K F.

Выбор коэвфициента форсировки

Ключ 31 передает это напряжение

К

Х5

55 на вход операционного усилителя 9, P корректирующим звеном осуществляется производится по условию снижения Y форсированное снижение отклонения до нуля к моменту времени изменения регулируемого параметра Y вызванного знака V. Поскольку участки кривых возмущающим воздействием F. Когда

1 скорость изменения рассогласования изменит свой знак, на выходе инвертора 23 появляется логическая единица и срабатывает триггер 18. Это вызывает замыкание ключа 32 и начало отсчета времени элементом 19 задержки. Замыкание ключа 32 обусловливает снижение Х z в К раз ° Сопротивления резисторов 26 и 27 выбираются из условия . + 17 ф R, 361503 6 клонениям параметров. Для точной настройки (кривые Y и Z ) принят К =

" 3 ф

=1,8, для кривых У и Z принят К вЂ” 1,3, Тем не менее и кривые Y соответствуют вполне удовлетворительной интенсивной обработке возмущения.

Сопоставление интегралов от ошибки за время регулирования показывает, что для кривой Y эта величина в 11 раз меньше, чем для кривой Y, т.е. происходит повышение динамической точности.

1 о Т» -Та

В, yR<, (16) и составляет 0,988.

После отключения корректирующего 45 звена 13 непрерывная часть регулятора обеспечивает устранение остаточного отклонения регулируемой величины.

Характеристйки У > и Z (фиг,4) получены при этом же возмущении, что и характеристики У, и Z,, но при работе корректирующего звена 13. При этом максимальиое отклонение Y уменьшается до 2,3Õ, а время регулирования до значения = 33 с или 1р

2,75, что в 8 раз меньше, чем при отсутствии корректирующего звена

13» Кривые У и Z демонстрируют малую чувствительность системы к от-.

Значение X = К F при разомкнутом 16 ключе 32 обеспечивается параметрами усилителя 2 рассогласования дифференцирующего блока 20 и сопротивлениями резисторов 24 и 25. Произведение емкости конденсатора 28 на сопротивле-. ние резистора 25 должно быть значи-. тельно меньше величины Г для получения пренебрежимо малого запаздывания процесса заряда конденсатора 28.

В течение времени t „ задержки 25 элемента 19 задержки скорость изменения Х должна снизиться ниже величины и компаратор 21 должен переключиться в исходное состояние с логическим нулем на выходе, По истечении времени ° 1 „, выходным сигналом элемента 19 задержки оба триггера возвращаются в исходное состояние.

Конденсатор 12 в конце работы имеет заряд и напряжение, соответст35 вующие величине F . Делитель, образованный для сигнала Х резисторами

1 и 10, имеет коэффициент передачи, близкий к единице, Для рассматриваемого примера 40

Формула изобретения е

1. Регулятор для объектов с запаздыванием, содержащий сумматор, усилитель рассогласования, два корректирующих звена, датчик обратной связи, вход и выход которого подключены соответственно к первому входу регулятора для объектов с запаздыванием и к первому входу сумматора, и усилитель мощности, выход которого соединен с выходом регулятора для объектов с запаздыванием, второй вход сумматора связан с вторым входом регулятора для объектов с запаздыванием, отличающийся тем, что, с целью повышения динамической точности регулирования, в него введено третье корректирующее звено, причем выход сумматора через усилитель рассогласования соединен с входами первого и третьего корректирующих звеньев, выход первого корректирующего звена подключен к первому входу второго корректирующего звена, соединенному вторым входом с выходом третьего корректирующего звена, вход усилителя мощности соединен с выходом второго корректирующего звена.

2. Регулятор по п,1, о т л и ч аю шийся тем, что второе корректирующее звено содержит операционный

1 усилитель, первый вход второго корректирующего звена через последовательно соединенные два резистора и конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала, второй вход второго корректирующего звена связан с точкой соединения второго резистора и конденсатора, точка соединения первого и второго резисторов связана с входом операционного усилителя, выход которого подключен к его инвертирующему входу и выходу второго корректирующего звена.

7 1361

3. Регулятор по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что третье корректирующее звено содержит два компаратора, элемент равнозначности, дифференцирующий блок, два элемента совпадения, два триггера, четыре резистора, три ключа, инвертор, элемент задержки, конденсатор, операционный

- усилитель, причем входы первого 10 компаратора и элемента равнозначности и вход дифференцирующего блока соединены с входом третьего корректирующего звена, выходы первого и второго компараторов и элемента равнозначности соединены с входами первого элемента совпадения, выход которого подключен к S-входу первого триггера, выход дифференцирующего блока подключен к входам второго компаратора, элемента равнозначности и через резистор — к входу первого ключа, квходам второго элемента совпадения подключены выход первого триггера и выход инвертора, вход которого соеди- 25

I нен с выходом элемента равнозначнос503 8 ти, выход второго элемента совпадения соединен с S-входом второго триггера, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа и входом элемента задержки, выход которого .соединен с R-входами первого и второго триггеров, выход первого ключа соединен с инвертирующим входом и через конденсатор — с выходом операционного усилителя, управляющий, вход первого ключа соединен с инверсным выходом первого триггера, выход операционного усилителя через второй резиС гор соединен с входом первого ключа, вход второго ключа связан соответственно через третий и четвер- тый резисторы с выходом операционного усилителя и входом третьего ключа, управляющий вход второго ключа соединен с выходом первого триггера, неинвертирующий вход операционного усилителя и выход третьего ключа.связаны .с общей точкой, выход второго ключа подсоединен к выходу третьего корректирующего звена.+

13б15 03

Фиг. Ф

Составитель С.Никишов

Редактор М.Бланар Техред Л.Сердюкова Корректор Н. Король

Заказ 6281/46

Производственно-полиграфическое преДприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4

У, V

Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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