Регулятор

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть применено при регулировании подачи топлива в многотопочные котельные агрегаты; Целью изобретения является улучшение динамических характеристик регулятора . Поставленная цель достигается за счет того, что сигнал яадачия сравнивается с сигналом обратной связи и поступает на вход усилителя, в качестве которого применяется трехпозиционный релейный блок, охваченный инерционной обратной связью. Инерционная обратная связь реализована с помощью RS-цепи, цепи заряда и разряда конденсатора, которые коммутируются контактами выходных реле трехпозиционного релейного блока, причем цепь разряда коммутируется замыкающими контактами с регулируемым временем срабатывания на замыкание. 6 ил. Ф

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИбТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1

as SU аи цр 0 05 В 1/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4195544/24-24 (22} 11.02.87 (46) 23,09.88. Бюл. + 35 (71) Уральский филиал Всесоюзного теплотехнического научно-исследовательского института им. Ф.Э.Дзержинского (72) А.З.Сметана (53) 62.50 (088.8) (56} Штейнберг Ш,Е, и др. Промышленные автоматические регуляторы. - И.:

Энергия, 1973, с.83, рис.3-1,б, с ° 103, рис.3-11,а.

Там же, с.103, рис.3-11 б. (54) РЕГУЛЯТОР (57) Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть применено при регулировании подачи топлива в многотопочные котельные агрегаты;

Целью изобретения является улучшение динамических характеристик регулятора. Поставленная цель достигается за счет того, что сигнал задания сравнивается с cHI Hàëoè обратной связи и поступает на вход усилителя, в ка" честве которого применяется трехпозиционный релейный блок, охваченный инерционной обратной связью. Инерционная обратная связь реализована с помощью RS-цепи, цепи заряда и разряда конденсатора, которые коммутируются контактами выходных реле трехпозиционного релейного блока, причем цепь разряда коммутнруется замыкаюФ щими контактами с регулируемым временем срабатывания на замыкание. 6 ил.

1425599

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть применено при регулировании подачи топлива в многотопочные котельные агрегаты, Цель изобретения - улучшение динамических характеристик регулятора, На фиг.1 изображена принципиальная схема регулятора; на фиг.2 функциональная схема замкнутой системы автоматического регулирования с данным регулятором; на фиг.З - переходные процессы в регуляторах при скачкообразных возмущениях на входах; на фиг.4 — то же, при линейно нарастающих возмущениях; на фиг.5 — амплитудно-частотные характеристики замкнутых систем регулирования; на фиг.б — переходные процессы в замкнутых системах регулирования при скачкообразном изменении задающего сигнала.

Регулятор (фиг.1) содержит устройство 1 сравнения, усилитель 2, обмотки 3 и 4 управления первого и второго фазочувствительных реле, первый

5 и второй 6 разделительные диоды, устройство 7 обратной связи, конденсатор 8, резистор 9 заряда, замыкающие с задержкой на замыкание контакты

10 промежуточного реле, резистор 11

30 разряда, размыкающие контакты 12 промежуточного реле, потенциометр 13, замыкающие контакты 14 и 15 первого и второго фаэочувствительных реле, обмотка 16 управления промежуточного 35 реле, раэмыкающие контакты t7 и 18 первого и второго фазочувствительных реле, источник 19 напряжения питания, первые 20 и вторые 21 сигнальные лам" пы, первая 21, вторая 23 и третья 24 40 выходные клеммы регулятора.

Система (фиг.2) содержит устройство 1 сравнения, устройствЬ 7 обратной связи, релейный усилитель 25, испол-, нительный механизм 26 постоянной ско- 5

1 рости, объект 27 регулирования, устройство 28 обратной связи известного регулятора. б

На фиг. 2-6 приняты следующие обозначения сигналов: у — регулируемый параметр (выходная величина объекта 27 регулирования); х — выходная величина устройства 7 обратной связи (направление, снимаемое с конденсатора уст«55 ройства 7 обратной связи); Я вЂ” задающая величина; G - входная величина релейного усилителя 25, где G 3-у-х,"

E — выходная величина релейного усилителя 25, имеющая два значения: единица, когда релейный усилитель 25 сработал, и нуль, когда отпущен; выходная величина регулирующего воздействия регулятора (перемещение исполнительного механизма 26 постоянной скорости) .

В квадрате релейного усилителя 25 условно показана графическая связь выходной величины z от входной вели" чины 5 ..

Срабатывание релейного усилителя

25 происходит, когда Я 6, где 6 порог срабатывания релейного усилителя 25. Отпускание происходит при

6 + 6, где Ь вЂ” величина возврата.

В дальнейшем будем считать, что величина h мала по сравнению с другими величинами и что отпускание релейно"

ro усилителя 25 происходит„при б =О.

Регулятор работает следующим образом.

При отклонении регулируемой величины от заданного значения сигнал рассогласования с устройства 1 сравнения поступает на усилитель 2. Усиленный сигнал подается на обмотки 3 и 4 управления первого и второго фазочувствительных реле, и при достижении порога срабатывания одно из реле включается. Контакты 14 или

15 включают исполнительный механизм

26 на открытие или прикрытие регулирующего органа. Одновременно с этим размыкается один из контактов 17 или

i8 снимая напряжение обмотки 16 управления промежуточного реле, которое отпускается, замыкая контактом

12 цепь заряда конденсатора 8, который через резистор 9 заряда заряжается по экспоненте от напряжения, снимаемого с потенциометра 13, Напряжение, снимаемое с конденсатора 8, подается на вход устройства

1 сравнения, компенсируя возникшее до этого рассогласование, Сигнал на выходе усилителя 2 снижается и при достижении порога отпускания подтянутое до этого фаэочувствительное реле отпускается, снимая напряжение питания с исполнительного механизма 26 и подавая напряжение через размыкающие контакты 17 и 18 на обмотку 16 управления промежуточного реле, Это реле срабатывает и с выдержкой времени, определяемой регулируемым замедлителем контактов 10, замыкает цепь разряда конденсатора 8 через резистор 11 разряда.

1425599

По мере разряда напряжение на конденсаторе 8 уменьшается. Подбором выдержки времени регулируемого замедлителя контактов 10 моделируется

"чистое" запаздывание в объекте 27 регулирования при воздействии исполнительного механизма 26, а подбором величины сопротивления резистора 11 разряда моделируется скорость возвра-10 щения регулируемой величины к заданному значению. Эти параметры подбираются таким образом, чтобы изменение сигналов регулируемой величины и об. ратной связи изменялись во времени одинаково. Чем ближе будут они совпадать, тем лучше будет качество регулирования.

Коэффициент усиления регулятора (длительность включения фаэочувстви- 20 тельных реле) регулируется потенцио.метром 13 и резистором 9 заряда.

Таким образом, по сравнению с известным.регулятором, который не имеет задержки при разряде конденсатора 8, 25 предлагаемый регулятор точнее моделч" рует в обратной связи объекты 27 регулирования с запаздываниями, что улучшает качество переходных процессов в замкнутом контуре и имеет ряд достоинств.

Сравнение устройств обратной связи предлагаемого регулятора и известного позволяет условно считать последний частным случаем предлагае мого решения при установке выдержки времени, равным нулю (=0). ,Характер работы предлагаемого регулятора и известного при скачкообразном изменении входного сигнала пока- 40 зан на фиг,З. Изменение при этом величин х ш и z в известном регуляторе показано на фиг.За и в предлагаемомна фиг.Зб.

Рассмотрим эти процессы более под- 45 робно для предлагаемого регулятора.

Пусть на вход устройства 1 сравнения (фиг.2) подан скачкообразный сигнал W, На выходе устройства 1 сравнения появится сигнал5 † так как 50 сигнал с устройства 7 обратной связи пока равен нулю, Пусть также % будет больше порога срабатывания Д релейного усилителя 25 и, следовательно, 6 ) 6, Тогда рейньй йу итель 25 55 сработает и включит исполнительный механизм 26 постоянной скорости (г

1), который будет линейно увеличивать величину р. В это время (в момент времени на фиг.Зб) включится цепь заряда конденсатора 8, и по мере заряда конденсатора 8 напряжение на выходе устройства 7 обратной связи будет по экспоненте увеличиваться и вычитаться из входного сигнала Ъ .

Сигнал -х на входе релейного усилителя 25 будет уменьшаться, и при,достижении напряжения возврата э = 0 релейный усилитель 25 разомкнется (момент времени С< на фиг.Зб), с величина z станет равной нулю, исполнительный механизм 26 остановится и р прекратит свой рост, разорвется цепь заряда конденсатора 8, но еще не включится цепь разряда конденсатора 8, так как замыкающий контакт

1О замкнется с выдержкой времени c..

Б это время напряжение обратной связи не изменяется (процесс 1, "1g на фиг.Зб}. По истечении времени (момент времени ) замыкается контакт 10 и идет разряд конденсатора 8 через резистор t1 разряда по экспоненте. Цругие величины при этом не изменяются. В момент времени tg величина =9-х на входе релейного усилителя 25 становится равной его порогу срабатывания, и он срабатывает.

Вновь перемещается исполнительный механизм 26 и заряжается конденсатор 8 через контакт 12 и резистор 9 (процесс t -t4) и т.д.

На рис.За показана работа известного регулятора, в котором . О, и процесс разряда конденсатора 8 идет сразу после отключения релейного усилителя 25. Сравнение этих процессов показывает, что в обоих случаях при скачкообразном изменении входного сигнала зависимость p =f(t) принципиально не изменяется. Как в том, так и в другом случае реализуется

ПИ-закон регулирования, так как

p =-С,+С,, где С, и Со = tg ah- параметры настройки регуляторов. Однако положение изменяется, когда на вход регуляторов подается непрерывно изменяющийся сигнал, что и имеет место в реальных условиях.

На фиг.4 даны переходные процессы в регуляторах при линейно изменяющихся во времени сигналах на их входах.

Легко убедиться, что в известном регуляторе не происходит принципиаль" ных изменений в переходных процессах при разных значениях скорости измене1425599

=„-(— + — ) 2А 442А ь, ГГ

- — (— + — ) о„2А 2А, 2А,,ц

A(4.C) - "

8 и д тясов@:4, ) 2 4.(С .4.созе -т 81п <, ) г н ия входного сигнала, При увеличении сопротивления резистора 11 разряда скорость разряда. уменьшается, и при

P»-« С4-» скОООсть рЯэряда становится равной нулю. Этот процесс, фиг.44a)

Иллюстрируется характером изменений

Величин 9,, и х,. При этом регулятор

Осуществляет уже П-закон регулирования, а не ПИ. 10

Предлагаемый регулятор работает поразному в зявисимОсти от скорости ,зменения входного сигнала (фиг.Аб) .

При малой скорости изм;HHHBB QH существляет ПИ-закон регулирования х,, z ). При увеличении скорос..и изменения входного сигвяля И сос ..авляющая уменьшается и для случая х, zq становится исчезающе ма..ой, а при дальнейшем увеличении корости изменения 9, — совсем ис 44« ."-:Яет 4, Ф, х, z -э) .

Следовательно, предлагаемый регу7.".ятор ВрН мялых скооостях изменения J 4OÄÁÎÃO СИГНЯЛЯ (НИЗКОЧЯСТОТНЫЕ ВОЗ P4„

». «

4. -щения) реализует ПИ-закоH регулиро . aHHH» при больших (высОкo4- Ястотные

Возмущения) — П-закон регулирования,, При этом с увеличением частоты Исоставляющая непрерывно у4-;:.еньшается,, ЗС4

"; П-составляющая остается без иэме:::ений е

При синусоидальном характере изме,4ения входногo сигнала л =А Яхпыг. (где А — амплитуда колебаний,а

4гастотЯ) И-состаьлякЩЯя начБНЯHY

«МЕНЬШЯТЬСЯ ПРИ ЧЯСТОТЕ

6 h

4о44 = arc s in (1)

C А с A где 6 — порог срабатывания релейного 1О усилителя 25 или зона нечувствительнос.и регулятора.

При частоте Ы44 = 7 атс81п

4Я

" составляющая уже полностью зяет»

Таким обррзом, переход от ПИ к Пзакону регулиров" íèÿ осуществляется мегкцу частотами о, и Й4;, т.е, в окрестностях частоты 4+>x 1 1, А, à — — (-arcsin-+arcsin-1I — =

A - 12А

Для обеспечения перехода от Одного закона регулирования к другому на частоте 4о44 необходимо установить в обратной связи регулятора эадернку времени, 1 1 . Ь . 1Ь

6 = — (-arcsin - + arcsin;I — ) =

Я 2 A )2А

Чтобы показать, какой выигрыш дает предлагаемый регулятор, построим амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) замкнутой системы автоматического регулирования с разными законами рсгулировяния.

В качестве объекта 27 регулирования приня-,î инерционное звено первого порядка с чистым запаздыванием, Его передаточная функция и ь р е

Ы д т 1 % где Т - постоянная времени инерционногс звена; время чистого запаздывания;

Р— оператор Лапласа.

ПИ-регулятор имеет передаточную функцию

С 4 P+(«O

К = р 4 где С,, С 44 — параметры настройки регуляторов (С, — коэффициент

П-составляющей, Со — коэффициент И-составляющей) .

Передаточная функция замкнутой сис" темы регулирования по каналу входвыход объекта регулирования имеет вид»

У

Ц зс 1+1 K р»

+P+ (C P+C )

Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) замкнутой системы получается из M, путем подстановки вместо оператора P значения )ы, где j — мнимое число; Q — частота.

Модуль этой АФХ являетс амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) 1425599

На фиг.5 даны расчетные АЧХ при следующих значениях параметров объекта регулирования:

И = 20 с, ь = 20 с.

Оптимальные настройки ПИ-регулятора для этого объекта регулирования:

С,=0,932, С„=0,034 с .

Путем подстановки значений Q от 0 до 0,16 с получены следующие АЧХ:

А(Ы), - замкнутой системы автоматического регулирования с ПИ-регулятором при C(=0,932, С,=0,034 с; А(са) замкнутой системы автоматического регулирования с П-регулятором при

С1=0,932 (прежнее значение), Со =0 (интегральная составляющая отсутствует); А((а)„ — разомкнутой системы автоматического регулирования при

С,=О и С, =О, Это АЧХ объекта регулирования без регулятора.

При других объектах регулирования характер относительного расположения перечисленных АЧХ принципиально не изменяется.

Из фиг.5 видно, что в области низших частот от 0 до ц, А(Я,) А(ы), т.е. в этой области частят ПИ-регулятор лучше подавляет возмущения, чем

П-регулятор. В области частот, боль ших о,, наоборот,А (Я), А(и), т.е.

П-регулятор лучше подавляет возмущения, чем ПИ-регулятор. В области частот от 0 до Я . А(я), А(Я),, а при я =О, А(я,)=0.

Это ОВорНТ о том> что B этой об- 35 ласти частот ПИ-регулятор снижает амплитуду колебаний на выходе объеко та регулирования и при частотах, близких к нулю, подавляет их полностью (отсутствует статическая ошиб-40 ка регулирования).

В области частот, больших M ПИрегулятор не подавляет, а усиливает возмущения. Таким образом, для ПИ- 4 регулятора диапазон частот от 0 до

Я является диапазоном эффективной работы регулятора.

Этот диапазон для П-регулятора, 5 при том же значении С, расширяется до с0 и всегда больше, чем для ПИ-регулятора. Предлагаемый регулятор, работая в области низких частот как

ПИ-регулятор, а в области высоких частот как П-регулятор, обладает, таким образом, достоинствами обоих типов регуляторов и не имеет их не достатков.

Область частот, при -:оторых происходит переход от одного закона регулирования к другому, может регулироваться временем регулируемого замедлителя замыкающего контакта

10 н цепи разряда конденсатора 8.. >, В данном случае, чтобы обеспечить такой переход в точке (й, = 0,021 "с при уровне возмущений, равном 5, зонам нечувствительности (А=5) нужно, согласно зависимости (4), установить, 1 Ь Гй

Т =--(— + --) = 20 с.

О, 2А 1 2A

При этом переход от ПИ к П-закону регулирования начнется, согласно зависимости (1), при частоте

Ю„= — =- — — 001 с

А

А 55 20 а закончится, согласно зависимости (2), при частоте

2 ГЪ 2 г- -4

Ы = =- — = — ЧО 1 = 0 032 2А 20 (фиг.5), При этом АЧХ замкнутой системы регулирования с предлагаемым регулятором будет иметь вид кривой А ()з, показанной на фиг.5 пунктирной линией.

Может показаться, что частоты, большие Я,, когда ПИ-регулятор теряет свои преимущества, .являются несущест" венными в спектре частот реальных возмущении, т.е. реальные возмущения, в основном, являются низкочастотными

:и преимущества предлагаемого регуля:,тора практически не могут быть использованы. Однако это далеко не так.

На современном технологическом оборудовании (например, мощных энергоблоках) устанавливается несколько систем автоматического регулирования, влияющих друг на друга и близких по динамическим свойствам. Такие системы автоматического регулирования, даже устраняя низкочастотные колебания, генерируют друг на друга возмущения с частотой, близкой к резонансной

Q, когда АЧХ имеет максимальное зйачение. В этих случаях очень важным является уменьшение АЧХ и в области резонансных частот. Таким образом, использование предлагаемого регулятора особенно эффективно в многосвязных системах автоматического регулирования.

При скачкообразных возмущениях на регулятор, существенный спектр котоf425599 рых является низкочастотным, предлагаемый регулятор имеет преимущестна перед. известным. Ha фиг.ба показаны переходные про- 5 цессы в замкнутой системе регулирования с данным регулятором, а на фиг.бб — с изнестным регулятором.

Для о&ьектов 27 регулирования с большим чистым (транспортным) запаздыванием можно так подобрать ь, С, и. С, регулятора, чтобы при скачкообразном изменении задания регуля1 тор сработал один раз и кривые разго" на Y и Х объекта 27 регулирования и ! устройства, 7 обратной связи изменялись одинаково. В этом случае сигнал

5 на входе релейного усилителя 25 близок к нулю, и регулятор отработает это скачкообразное возмущение за одно включение.

Известный регулятор при таком объекте 27 регулирования принципиально не сможет отработать скачкообразное возмущение на входе регулятора за одно включение. Даже если он за первое нключение точно отработает это возмущение, то запаздывание реакции у объекта 27 регулирования и не.медленное изменение сигнала обратной связи Х неизбежно приведут к повтор ным включениям регулятора в ту же сторону, вследствие чего произойдет перерегулирование по 7, и регулятор будет вынужден потом отработать назад эти повторные включения (фиг.бб), 35 что нереально.

При любых других настройках также невозможно добиться отработки скачкообразного возмущения за одно включение без лишних нерациональных движе- 4О ний регулятора.

Таким образом, предлагаемый регулятор лучше подавляет спектр возмущений в области резонансных и околорезонансных частот (Я, М Ы, ), имеет более широкий диапазон частот эффективной работы регулятора (О-Яз вместо 0 — - Я ), максимум АЧХ сдвигается в более высокочастотную область, где мощность реальных возмущений зна- 5р чительно слабее, более рационально отрабатывает скачкообразные возмущения.

Такое улучшение динамических характеристик регулятора улучшает каче55 ство работы промышленных систем автоматического регулирования н дает экономический эффект, суммарный потенциал которого, безусловно, очень высок н связи с широким распространением систем автоматического регулирования в промышленности.

Реализация предлагаемого регулятора не требует существенных затрат и легко может быть осуществлена дополнительной установкой в промьппленных регуляторах промежуточного реле, имеющего замыкающий контакт с регулируемым замедлителем.

Затраты могут быть сущестненно сокращены при серийном изготовлении предлагаемых регуляторов.

Формула изобретения

Регулятор, содержащий последовательно соединенные устройство сравнения и усилитель, выходом подключенный к первым выводам обмоток управления первого и второго фазочувстнительных реле, вторыми выводами соединенных соответственно с катодом первого разделительного диода и анодом второго разделительного диода, анод и катод которых подключены к первой обкладке накопительного конденсатора„ второй обкладкой соединенного с одним из входов устройства сравнении н с первым выводом резистора заряда, источник напряжения питания, положительная шина которого подключена к первым выводам замыкающих контактов первого и второго фазочувствительных реле, а отрицательная — к первым выводам первой и второй сигнальных ламп н первой выходной клемме регулятора, второй нывод первой сигнальной лампы соединен с второй выходной клеммой регулятора, с вторым выводом замыкающих контактов первого фаэочунствительного реле и первым вынодом потенциометра, вторым выводом подключенного. к второму выводу замыкающих контактов втррого фазочувстнительного реле,к третьей выходной клемме регулятора, к первому выводу резистора разряда и второй обкладке конденсатора, о т. л и ч аю шийся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик регулятора, в нем дополнительно установлено промежуточное реле, первый вывод обмотки управления которого соединен с положительной шиной источника напряжения питания, а второй— через последовательно включенные размыкающие контакты первого и второго

1425599 фазочувствительных реле с отрицательной шиной источника напряжения питания, первый и второй выводы размыкающих контактов промежуточных реле подключены соответственно к второму выводу резистора заряда и подвижному контакту потенциометра, первый и второй выводы замыкающих с задержкой на, замыкание контактов промежуточногО

5 реле соединены соответственно с пер-. вым выводом резистора заряда и вторым выводом резистора разряда.

1425599

1,0

Ое

ОЭ 012

ИР ИФ 456 - О.И. авиа. 5

1425599

Составитель Г.Нефедова

Редактор Н,Тупица Техред М.Ходанич Корректор М.Максимигаинец

Тираж 866 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35,. Распекая наб., д, 4/5

Заказ 4766/43

Производственно-полиграфичес;кое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4