Позиционный регулятор для систем с запаздыванием

 

Изобретение относится к химической и теплоэнергетической технике и может быть применено, например, для регулирования температуры водонагревательных котлов. Цель изобретения 1IX ft-1, повьппение точности регулятора. Регулятор содержат задатчик 1, блок 2 сравнения, релейный блок 3 с несимметричной характеристикой, релейный элемент 4, обмотку управления промежуточного реле 5, и размыкающрш контакты блока 3, обмотки реле времени 8-11, замыкакмцие контакты 12 второго реле времени, размыкающие контакты 13 первого реле времени , второй 14 и первый 15 замьшающие и размыкающие 16 третьего реле времени , первые замыкающие 17, первые размыкающие 18, вторые размыкающие 19 и вторые замыкающие 20 контакты четвертого реле времени, исполнительный механизм 21, датчик 22. 3 ил. i (Л с: КТ1 ктг ..Г} f) ff.nl f (-, л re XT) RT LUr-T .. 4 со х СП САЭ Pi/e. 1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1439530 А I

С 05 В 11/18

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТНЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 40906 78/24-24. (22) 02.06.86 (46) 23.11.88. Бюл. N - 43 (72) А.Г.Банников и В.В.Макаров (53) 62.50 (088.8). (56) Авторское свидетельство СССР

22 - 1200238, кл. G 05 В 11/18, 1984.

Авторское свидетельство СССР

22 - 1283709, кл. G 05 В 11/18, 1985. (54) ПОЗИЦИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ СИСТЕМ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ (57) Изобретение относится к химической и теплоэнергетической технике и может быть применено, например, для регулирования температуры водонагревательных котлов. Цель изобретения— повьппение точности регулятора. Регулятор содержат задатчик 1, блок 2 сравнения, релейный блок 3 с несимметричной характеристикой, релейный элемент 4, обмотку управления промежуточного реле 5, замыкающие и размыкающие контакты блока 3, обмотки реле времени 8-11, замыкающие контакты 12 второго реле времени, размыкающие контакты 23 первого реле времени, второй 14 и первый 15 замыкающие и размыкающие 16 третьего реле времени, первые замыкающие 17, первые размыкающие 18, вторые размыкающие

19 и вторые замыкающие 20 контакты четвертого реле времени, исполнительный механизм 21, датчик 22. 3 ил.

1439530

Изобретение относится к области химической и теплоэнергетической техники и может бытЬ применено например для регулирования температуры водонагревательных котлов.

Целью изобретения является понышение точности регулятора, На фиг. 1 приведена принципиальная схема регулятора; на фиг. 2 и .3- 1О эпюры сигналов, иллюстрирующие работу регулятора в установившемся режиме.

Регулятор содержит задатчик 1, блок 2 сравнения, релейный блок 3 с II5 несимметричной характеристикой, релейный элемент 4., обмотку упранления промежуточного реле 5, замыкающие 6 и размыкающие 7 контакты блока 3, обмотки управления первого 8,„ второго 9, третьего 10 и четвертого

11 реле времени, замыкающие контакты

12 второго реле времени, размыкаю-щие кон акты I3 первого pеле нреь;ени,, вторые 14 и первые 15 замыкающие 25

=контакты и размыкающие контакты 16 третьего реле времени, первые замыкающие 17, первые размыкающие 18, вторые замыкающие l9 и вторые размы" кающие 20 контакты четвертого реле

apeìeêè, исполнительныи механизм датчик 22, первый 23 и второй 24 входы питание" регулятора, Обозначения, принятые на фиг. 1--3 .

U напряжение питания; КТХ-элементы, входящие в состав первого реле

8 времени; КТ3-элементы, входящие в состав второго реле 9 времени; КТ2элементы,, входящие в состав третьего реле 10 времени; КТ4=-элементы, вхо-. дящие в состав четвертого реле 11

Hp емени; „) — (g времена з ад ержек на срабатывание контактов 17-20, 15 и 16; 01 — сигнал задания; времена задержек на отпускание й0и на срабатывание контакта 12; времека задержек на отпускание контактов 17 — 20, 15 H 16; < -времена задержек на отпус-. кание и на срабатывание контактов;

U — сигнал заданий," U< -- выходной сигнал датчика 22; U, — сигнал рассогласования; U< — напряжение на первом выводе контактов 14; U — наЙряжение на исполнительном механизме

21; Б — напряжение на втором гыводе контактов 6; U — напряжение на перьом выводе контактов 15; U< — напряжение на обмотке 8 управления первого р еле нр емени; U — напряжение на втором выводе контактов 7;

U напряжение на первом выводе контактов 17; U — напряжение на обмотке 9 управления второго реле времени; U — напряжение на втором вьг воде контактов 19; Т вЂ” постоянная времени объекта управления К вЂ” коо6 эффициент передачи объекта управления; — запаздывание в объекте;

В и  — величины управляющего воздействия на объект при включенном и выключенном исполнительном механизме 21; О „ — величина локальных экстремальных значений параметра.

В качестве первого, второго, третьего и четвертого реле времени стандартные реле использованы быть не могут в связи с отсутствием стандар— та на конструктивное исполнение реле времени. В качестве третьего и четвер. того репе времени могут быть использованы общепромышленные реле времени, например реле времени ВС-10. Кроме того, могут быть использованы реле времени ЭВ, ВЛ, Е-52 и т.д..

В качестве первого и второго реле времени могут быть использованы, например, реле времени ВЛ 40-42.

Особенностью реле ВЛ 40-42 является то, что при подаче напряжения на реле происходит формирование в зависимости от модификации или паузы (задержка на включение, задержка на отпускание). Графики на фиг. 2 и 3 построены в предположении, что при подаче напряжения на реле происходит процесс, начинающийся с формирования импульса, т.е. мгновенное срабатывание контакта с последующим формированием первой выдержки времени на отпускание для контакта 12 и контакra 13, При иной моцицикации реле процессы проходят аналогично, но соответственно несколько корректируется методика расчета настроя контактов.

В качестве исполнительного механизма

21 используется например электронагр еватель.

Работа регулятора осуществляется следующим образом.

Предположим, что в исходный момент времени, соответствующий началу рас-. смотрения работы регулятора, значение регулируемого параметра незначительно меньше заданного значения и до момента достижения параметром заданного значения проходит время боль1439530 *

10

20 где К

В1 ше, чем время настроек реле времени.

В этом случае конечный этап переходного процесса в регуляторе имеет вид, представленньп< на фиг. 2 при условии, что запаздывание в системе включено между входом регулятора и выходом объекта, который может быть описан последовательным соединением апериодического звена первого порядка и звена запаздывания, т..е. передаточной функцией вида

ОБ -с. э

Ы = — — е (1) ов 1+ТЯ где К вЂ” коэффициент усиления объек- ов та;

Т вЂ” постоянная времени объекта; — чистое запаздывание объекта;

S — оператор Лапласа.

Пунктиром на фиг. 2 показано изменение параметра на выходе объекта, а сплошной линией — на входе регулятора. В исходный момент времени сигнал Б,1 на выходе датчика 22 меньше сигнала U> на вь<ходе задатчика 1.

На выходе блока 9 сравнения сигнал. имеет положительное значение, на выходе релейного блока 3 имеется напряжение и промежуточное реле 5 находится во включенном состоянии. Соответственно контакт 6 замкнут, а контакт 7 разомкнут.

Обмотка 10 управления третьего реле времени находится во включенном состоянии и питающее напряжение через замыкающий контакт 14, выполненный без выдержки времени, и контакт

13 поступает на исполнительный механизм 21. Происходит увеличение параметра. В момент времени t<, когда параметр на входе регулятора достигает заданного значения, отключается репейный блок 3, значение параметра на выходе объекта из-за запаздывания в системе ь определяется величиной

„&

К В,(1- е ), (2) коэффициент передачи объекта управления; величина управляющего воздействия регулятора при включении исполнительного механизма 21; постоянная времени объекта управления; основание натурального логарифма.

При превьппении сигналом Ь„эаданного значения U> происходит пропадание сигнала на выходе релейного блока 4 и отключение промежуточного реле 5, Контакт 6 размыкается, а контакт 7 замыкается. При реализации регулятора укаэанная совокупность задатчика, элемента сравнения, релейного элемента, промежуточного реле и его контактов может быть реализована при использовании серийных промьппленных двухпозиционных регуляторов, например при применении вторичных приборов

КСИ-4 с позиционными регулирующими устройствами. Происходит отключение обмотки 10 управления третьего реле времени от гитающего напряжения, размыкание контакта 14 и отключение исполнительного механизма 21 от питающего напряжения. Через контакт 7 к питающему напряжению подключается обмотка управления 11 четвертого реле времени.

По истечении выдержки времени Д„ контакта 17 последний замыкается и череэ контакт 18 питающее напряжение поступает на обмотку 9 управления второго реле времени (момент времени на фиг. 2). Поскольку контакт 12 второго реле 9 времени имеет задержку времени как на замыкание, так и на размыкание, происходит периодическое подключение исполнительного механизма 21 к питающему напряжению до истечения вь1цержки времени контакта 18 ((момент времени t на фиг ° 2). В этот момент контакт 18 размыкается, обмотка 9 управления второго реле времени отключается от питающего напряжения и соответственно происходит размыкание контакта 12, что приводит к отключению исполнительного механизма 21, Происходит дальнейшее уменьшение регулируемого

BGpBMpTpG По истечении выдержки времени контакта 19 1 происходит era замыкание (момент времени 4 на фиг. 2) и указанный процесс вновь повторяется, но при состоянии системы, когда параметр .на выходе объекта управления ниже заданного значения.

В момент времени t уменьшение параметра ниже заданного значения фиксируется регулятором, сигнал рассогласования U<, на выходе блока 2 сравнения становится положительным, происходит срабатывание блока 4 и включение промежуточного реле 5 (мо1439530 мент BpeMPHH t на фиг. 2) . Происходит замыкание контакта 6 и размыкание контакта 7. Для обеспечения ста1бильной работы схемы выдержки времени контакта 20 выбирается незначительно превышающей интервал времени между моментами времени t, и 1 . При этом в случае изменения характера работы, например под влиянием внешне- 10 го воздействия, отключепие обмотки 9 управления второго реле времени осуществляется не $B счет размьпсания контакта 7 промежуточного реле 5 а при размыкании контакта 20, что сох- 15 раняет работоспособность регулятора.

При срабатывании контактов б и 7 происходит подключение к питающему напряжению обмотки 10 управления третьего реле времени и исполнитeJ:ьнсго механизьл. 21 поскольку происходит замыкание контакта I 4, выполненнс го без выдержки вр емепи, Пр оисхсднт уз= JJII÷eHäe параметра :IB. выходе объекта, а на. выхоце регулятора. про.,дслжается его уменьшение до величины

g опр еделяющей максимальную вели— чину отрицательного отклонения в системе регулирования. При обычном двухпозициопном регулировании величина "D данного отклонения определяется -caic

Я

8 = К В(,1 — е )„ (3) ов 7 где  — величина управляющего во",действия на обьек- yiipaasieния при отключенном электроIIeI"ревателе 21

По истечении выдержки времени контакта 15 относительно момента t QQ переключения регулятора происходит замыкание контакта 15 и к питающему напряжению подключается обмотка 8 управления первого реле вреь ени фор" мирующего и JIbcHpóI0IIIIIé режим работы электронагревателя при положительном отклонении паруметра от заданного значения (момент времени 6 на фиг.2), В момент времени 7 происходит вновь изменение полярности сигнала рассогла"ования П„ и переключение промежуточного рече 5 и его контактов 6 и 7.

Обмотка 8 управления первого реле времени отключается от питающего наиряжения, исполнительный механизм

21 полностью отключ" åòñÿ от питающего напряжения и происходит снижение параметра на выходе объекта. Выдержка времени > контакта 16 выбирается Не об значительно превышающей интервал времени между моментами t> и t» что обеспечивает отключение обмотки 8 управления первого реле времени в случае изменения условий работы регулятора, В дальнейшем указанный процесс повторяется и в системе устанавливается устойчивый автоколебательный процесс с существенно уменьшенными относительно обычного двухпозиционного регулирования отклонениями регулируемого параметра от заданного значения.

Выбор задержек времени на срабать.вание и отпускание g контактов

I реле времени может быть осуществлен теоретически. При этом производится теоретическое построение характера установившегося процесса (фиг.3) в следующей последовательности.

Сначала задаются допустимыми отклонения параметра ниже О и выше заданного значения 8<.

Определяется время задержки ф по формуле (--т1п . (4) ов г.

Затем задается допустимым значение

0 — максимально допустимое отклонение параметра ниже заданного значения в процессе коррекции. Выбор бь овределяется по следующим соображениям. Минимально,цопустимая величина Й равна нул1о„ и при этом обеспечивается .минимальное переключение контактов в периоц коррекции, максимальное разно 9 и число переключений при этом максимально. При приближении к нулю значения О, повышается вероятность сбоев в работе регулятора при случайных изменениях параметров объекта или наличии возмущений.

Для ориентировочного расчета рекомендуется принимать 6< 0,5 д с последующим уточнением на объекте.

Определяется время задержки по формуле о6 2 (5) О*7= Т1п

Определяется время задержки 1 по 8 формуле

K В,-в

= Tln . (6) ое Z.

Поскольку := с —,о то при известных $ и определяется анало1439530 (13) (8) 30

Коь В«

° „= Tln (9) 35 ов « (1 0) 40

, — Tln ь- Т1п

Коьв + 9ь (, = Tln оь и (12) гично время задержки (, (длительность неполного цикла коррекции) и время задержки ((длительность поЧ следней неполной выдержки второго реле времени) .

Определяется последняя амплитуда нижней полуволны 9«по формуле

3 ю т.

91= КщВу + (Йб КоьВ21е .. (7) 1О

С учетом полученных значений строится нижняя полуволна процесса на выходе объекта без учета запаздывания (пунктирный процесс на фиг. 3 до мо- 15 мента времени t ) и соответственно нижняя полуволна процесса на входе релейного блока 3 регулятора переносом данного процесса вправо на время а (сплошной процесс). 20

Задается допустимым значение 9 — максимально допустимое отклонение параметра выше заданного значения в установившемся режиме и значение 0 аналогично значениям g и 8 для нижней пол увол ны.

Определяется время задержки по

Формуле

КСБ В 07

1= = Tln --"-- -- --1

К В вЂ” 8 ов !

Определяется время задержки и по формуле

Аналогично определяются времена зЙдержек « « по формулам

Коь à к„в, +9> оь й

Определяется значение параметра

8 в «момент переключения регулятора так же, как и амплитуды 8 для нижней полуволны. Для этого так же, как и для нижней полуволны, определяется время неполного корректирующего воздействия (, исходя из известности времен задержек (5,, II f6 и известности длительности нижнего полупериода, равного ю + g, + g«

При известности величины 8 определяется время задержки g«g«IQ формуле и время, по формуле

06 2 8 «", = Tln к, в — в, С учетом полученных значений строится установившийся процесс в регуляторе.

Аналогично, при известности, задавшись значением строится процесс регулирования на начальном участке с целью определения

8 о (Фиг. 2) .

Значение устанавливается несколько большим значения,о +,, примерно равным длительности нижнего полупериода.

После определения „о определяется время (и по формуле

ОБ 2 о

1Ч (14)

К В вЂ” 9 а затем время = Y + eI,ä + ),о

Длительность задержки принимается несколько большей значения длительности нижнего полупериода и «Ie.— сколько меньшей значения верхнего полуп ериода .

Кроме того, нь«бор параметров настройки регулятора можно осуществлять графически в следующей последовательности. Осуществляется запись процесса .регулирования при обычном двухпозиционном управлении, т.е. при отключении обмоток 8 и 9 управления первого и второго реле времени от питания. Затем фиксируется точка на графике, соответствующая моменту времени на фиг. 2. Задаваясь допустимыми значениями отклонений 8 и 8<, строится кривая п«п. По положению точки и определяется задержка времени . Предварительно определив запаздывание в системе управления, находится положение точки на графике, соответствующее моменту времени t> смещением на величину запаздывания точки пересечения кривой mn с линией, характеризующей заданное значение параметра.

Задавшись допустимой величиной 6 „îïðåделяется положение точки К, настройка первого реле времени и выдержка времени контакта 16. Задавшись допустимым значением отклонения, строится кривая Kl. По положению точки 1 определяется выдержка времени 1

7 а затем при аналогичном постро1 ении дальнейшего. установившегося про1439530

1О цесса, выдержка времени "< . Производится перестроение точки 1 в положение Х. По положению точки f определяются времена выдержек „и оэ с учетом того, что данные интервалы времени равны интервалам времени, определенным по соответствующим точкам записи графика при обычном двухпозиционном регулировании с цобавлением величины —, . Полу.ченные параметры проверяются на всем

1 диапазоне регулирования и при необходимости уточняются.

Процесс отработки управляющего или 5 возмущающего воздействия при исхоцном состоянии, когда значение регулируемого параметра выше заданного значения, происходит анапогично, тем отличием, что при этом происходит 20 незначительное увеличение длительнос-. ти переходного процесса, увеличение длительности переходного процесса при этом происходит Вследствие того, что заданное состояние регулятора 25 обеспечивается контактами 19 и 20 четПозиционный регулятор для систем с запаздыванием„содержащий датчик и эадатчик. соединенные Выходами с соответствующими входами блока сравнения, подключенного выходом к входу релейного блока с»есимметричной характеристикой, обмотки управления первого, второго, третьего и четвертого реле времени, соединенные первыми вывоцами с первым выводом исполнительного механизма и первым входом "Питание" регулятора, второй вывод обмотки управления третьего реле

Времени через замыкающие контакты релейного блока с несимметричной характеристикой соединен с вторым входом

"Питание" регулятора, второй вход обмотки управления четвертого реле времени через размыкающий контакт релейного блока с несимметричной характеристикой соединен с вторым входом

"Питание" регулятора, размыкающие и первые замыкающие контакты третьего

1реле времени соединены между собой первьыи выводами, первые размыкающие и первые замыкающие контакты четвертого реле времени соединены между собой первыми выводами, о т л и ч аю шийся тем„ что, с целью повывертого реле времени при переходе "игнала. рассогласования с положительно1

ro на отрицательное значение. Поэто— му при первом переходе значения па- „0 раиетра ниже заданного значения про-исходит снижение параметра до величины рассогласования, определяемой выра. же»нем (2), срабатывание контактов

15 и 16,что приводит к растягиванию ню.:,"ней полуволны колебаний, а затем повтор ение пр оцесса1пр еде тавл енного на фиг . 2.

Поскольку при управлении объектами с самовыравниеанием при изменении 40 заданного значения и при постоянстве параметров настройки реле времени происходит изменение величины прира,щения регулируемого пара ; етр:а -за Одно и то me число импульсов управления, настройкой параметров первого, Й

Второго реле времени обеспечиваются режимы работы, позволяюшие осуществить устойчивую работу системы регулирования во:всем интервале работы.

На фиг. 2 приведен процесс регулирсвания, близкийл к предельному для устойчивой работы, когда переключение регулятора на отрицательном Отклонении (момент времени 1. ) проис" ходит нри минимальном значении откло- нения. .В случае если в системе регулирования управление происходит при незначительном изменении задающего воздействия при выполнении примерного равенства реакции объекта на одинаковые по длительности импульсы управления и паузы между импульсами, ° точность работы систем с применением предложенного регулятора теоретически и практически может быть обеспечена сколь угодно высокой, т.е. абсолютной. Одинаковая настройка первого и второго реле времени может быть осуществлена также и при управлении

М

B системах без, самовыравнивания, когда инерционностью системы можно пренебречь, например при регулировании температуры в установках, основанных

»а смешении двух компонентов с различной температурой при управлении с помощью исполнительного механизма постоя»ной скорости „В аналогичных сисTемах при регулировании концентрации и состава и В других случаях.

Таким образом, предложенное изобре-тение позволяет обеспечить сколь угодно зысокую (т.е. абсолютную) точнОсть регулирования.

Формул а изобретения

11 1439530 12 пения точности Регулятора, в нем управления первого и третьего рела втоРой вывоД исполнительного механиэ- времени, вторые выводы первых размыма через РаэмыкаюЩие контакты пеРво- кающИх и первых эамыкаюпих контактов го реле времени соединен с первыми

5 четвертого реле времени соединены со" выводами замыкающих контактов втоРо- ответственно с вторыми выводами обмого реле времени и вторых за- ток управления второго и четвертого мыкающих контактов третьего ре-; реле времени, второй вывод размыкаюле времени, вторые выводы которых щих контактов позиционного блока че- . подключены к второму входу "Питание" 1О рез последовательно соединенные вторегулятора, вторые выводы размыкающих . Рые замыкающие и вторые размыкающие и первых замыкающих контактов третье- контакты четвертого реле времени го реле времени соединены соответ- подключены к второму выводу обмотки ственно с вторыми выводами обмоток управления третьего реле времени. I 439530

Составитель Г. Нефедова

Техред д. Олийнык Корректор С. Черни

Редактор В.Данко

Тираж 866 Под пи с но е

BIIHHIJH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

I13035, Москва, Ж-35, Рауц(скан наб., д. 4/5 Заказ 6072/ 45, .,: и (,((..ò(«HHo-èîëèãð:(ôè÷åcêîe предприятие, г. Ужгор д, р о; v!(Г! оект((;(и,