Самонастраивающаяся система комбинированного регулирования

 

Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано для управления объектами в химической и других отраслях промышленности. Целью изобретения является расширение области применения системы. Система содержит измерители рассогласования 1,2, блок выбора режима 3, регуляторы 4,6, сумматоры 5,7,10,12,15, блоки умножения 8,9, объект управления 11, датчик внешнего возмущения 13, корректирующий фильтр 14, блок самонастройки 16. Система обеспечивает автоматическое управление двухрежимными процессами, например выпуском продукции двух сортов. При действии на нестационарный объект управления возмущений большой интенсивности блок 3 в зависимости от условий выбирает режим работы системы, подключая один из двух основных каналов регулирования, содержащих измеритель рассогласования 1 с регулятором 4 и измеритель рассогласования 2 с регулятором 6. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (и) 098 8 А1 (51) 4 С 05 В 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4193184/24-24 (22) 12.02.87 (46) 23.09.89. Бюл. - 35 (72) В.Г.Брусов, Е,A.Ñóõàðåâ, Ю. Д. Левичев и В.M. Краш енин н. ков (53) 62.50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

К 1339494, кл. G 05 В 13/00, 1986.

Авторское свидетельство СССР

)) - 1386957, кл. G 05 В 13/00, 1986i (54) САМОНАСТРАИВАЮЩАЯСЯ СИСТЕМА

КОМБИНИРОВАННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (57) Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано для управления объектами в химической и других отраслях промышленности. Целью изобретения является расширение области применения системы. Система

2 содержит измерители рассогласования

1, 2, блок выбора режима 3, регуляторы 4, 6, сумматоры 5, 7, 10, !2, 15, блоки умножения 8, 9, объект управления 11, датчик внешнего возмущения 13, корректирующий фильтр

14, блок самонастройки 16. Система обеспечивает автоматическое управление двухрежимными процессами, например выпуском продукции двух сортов. Нри действии на нестационарный объект управления возмущений большой интенсивности блок 3 в зависимости от условий выбирает режим работы системы., подключая один из двух основных каналов регулирования, содержащих измеритель рассогласования

1 с регулятором 4 и измеритель рассогласования 2 с регулятором 6.

5 ил.

3 1509828

Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано для управления объектами в химической и других от5 раслях промышленности.

Цель изобретения — расширение области применения системы в условиях нестационарности объекта по коэффициенту передачи и воздействия на 10 объект управления возмущений значительной интенсивности.

11а фиг.1 представлена блок-схема самонастраивающейся системы комбинированного регулирования;на фиг.2— структурная схема этой системы; на фиг.3 — блок-схема реализации логических блоков этой системы;на фиг,4— принципиальная схема пневматического ПИ-регулятора; на фиг.5 — элек- 20 трическая схема ПИД-регулятора.

Система (фиг.1 и 2) включает измерители 1 и 2 рассогласования, блок 3 выбора режима, первый регулятор 4, четвертый сумматор 5, второй регулятор 6, третий сумматор 7, первый блок

8 умножения, второй блок 9 умножения, первый сумматор 10, объект 11 управления, второй сумматор 12, датчик 13 внешнего возмУщения, КорреК- 30 тирующий фильтр 14, шестой сумматор

15, блок 16 самонастройки, первый управляемый ключ 17, второй управляемый ключ 18, пятый сумматор 19, логический блок 20, блок 21 выделения модуля, блок 22 дифференцирования, блок 23 выделения модуля, блок

24 дифференцирования, блок 25 выделения модуля, логические блоки 26

29, третий блок 30 выделения моду- 40 ля, блок 31 деления, третий управляемьй ключ 32, блок 33 памяти, блок

34 умножения.

Блок-схема реализации логических блоков системы (фиг.3) включает ком45 паратор 35, управляемый ключ 36, компаратор 37, управляемый ключ 38, компаратор 39, управляемый ключ 40, компаратор 41,управляемый ключ 42.

Принципиальная схема пневматического ПИ-регулятора включает элемент

43 сравнения, дроссельный сумматор

44, элемент 45 сравнения, усилитель

46 мощности, элемент 47 сравнения, емкость 48, запорный клапан 49, отключающее реле 50.

kIa фиг.1-5 приняты следующие обо-; значения: gl(t) — задающее воздействие; gq(t) — задающее воздействие;

Ьу«(г) — отклонение выходного сигнала объекта от первого задания; у, (1.) — отклонение выходного сИгнала объекта от второго задания;

R — управляющий сигнал; С вЂ” управляющий сигнал; Со — задание для логического блока 26; CI — задание для логического блока 27; С вЂ” задание для логического блока 28; Сз — задание для логического блока 29;К >— задание для логического блока 20;

U<(t) — выход блока 8 умножения;

Uz(t) — выход блока 34 умножения;

U»(t) — выходной сигнал блока 9 умножения; Х,() — основное контролируемое возмущение; Х (t) — вход объекта по каналу управления; y(t) выход объекта; К (t) — выходной сиг Г нал блока памяти; U (t) — выходной сигнал блока 30 выделения модуля;

Ау, (t) — выходной сигнал блока 2 1 выделения модуля; А у () — выходной сигнал блока 23 выделения модуля, у (t) — выходной сигнал блока 25

3 выделения модуля; P „— сигнал, пропорциональньп текущему значению регулируемого параметра; Р„ — команднылI сигнал; Р— сигнал, пропорциональньп заданному значению регулируемого параметра; ДД вЂ” регулируемый дроссель; ДИ вЂ” регулируемый дроссель; Р цц„- выходной сигнал регулятора; Й вЂ” внешний переключатель рода работы; "Р" и "А" — режимы работы регулятора "Ручное" и "Автомат";

"Больше", "Меньше" — кнопки выбора знака приращения выходного сигнала в режиме ручного управления;Ц„„„ напряжение внутреннего источника питания; Р, Р, P — обмотки и контакты реле; Ril, С вЂ” резистор и конденсатор интегратора ручного управления; +П, -U — опорные напряжения;

МКД вЂ” модуль компенсации дрейфа;

Д вЂ” двуханодный стабилитрон; А, "А — операционные интегральные усилители; Rg — высокоомный переменный резистор интегратора; С„ — конденсатор интегратора:, U„ — выходной сигнал интегратора (И-составляющая);

1< — общий коэффициент пропорциональности регулятора; U„„< — суммарный сигнал П, И, Д-составляющих закона регулирования; RISHI С вЂ” резистор и емкость апериодического звена (фильтра); U . — сигнал-ограничитель выхода регулятора; U „ — выходной сигнал ограничителя; Дг, Д,э09828 6

МИЦ ОБ() M0IKC (2) a; = const, 20

25 где

5 15 диоды; -U „, -U — сигналы ограничения выхода интегратора ручного управления на нижнем и верхнем уровнях; Š— сигнал рассогласования заданного и текущего значений выходного параметра; К, — электронный аналоговый ключ.

Система содержит два замкнутых контура регулирования, первый из которых включает блоки 1, 17, 4, 7, 8, 10 и 11, а второй — блоки 2, 18, 6, 7, 8, 10 и 11, охваченные обратными отрицательными связями, разомкнутый контур регулирования, который включает последовательно соединенные блоки 13, 14, 10 и 11, выходными управляющими сигналами замкнутого и разомкнутого контуров являются соответственно сигналы V,(г.) и V (t). Цепи самонастройки разомкнутого контура содержат блоки 15, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29. и 30. Цепи стабилизации коэффициента передачи разомкнутой системы включают блоки 12, 13, 14, 10 8, 9. Цепи выбора режима работы системы автоматического регулирования включают блоки 17, 18, 19 и 20.

Система решает задачу управления нестационарным объектом, который в общем виде можно описать уравнением: мин об(t) макс у

Уравнения (1) и (2) описывают движение объектов, нестационарных

10 по статической характеристике ° Задача управления заключается в сведении до заданной величины-ошибки регулирования в двух режимах функци-. онирования системы, определяемых

15 ограничениями на величину коэффициента передачи объекта 1. «(t) по

VX(t) каналу 1 --,— — — — y(t) iх (t) /, у (,)! а t,, К „ (,) = К „

kqЕ Ik„„„, К„<,) (3) (ущ (t)/ 4 kîs(t) k, (4) 3р у н (t) = Q g (t) у(г)

h.у> (t) = К (t) у ° t) ° и

y(1 (t) + y(t) k (t)

1-<

< об (г.) ()

X(t) где RI I kg@ (t) у с1 (t) — параметры объекта управления;

y(t) — регулируемая величина;

X(t) — входной сигнал объекта (совокупное управляющее воздействие);

Х, (t) — основное внешнее контролируемое возмущение (возмущение на нагрузке) выход блока 13;

f(t) — внешнее неконтролируемое возмущение.

Рассматриваются нестационарные объекты следующего вида:

Система работает следующим об разом.

Проанализируем последовательно работу контуров системы. Разомкнутый контур формирует сигнал управления, пропорциональный величине ос-.

40 новного внешнего возмущения Х <(t)..

Для этого в блоке 31 формируется сигнал отношения величин, пропорциональных входным переменным, ко-. торый через управляемый ключ 32 по45 ступает в блок 33 памяти, Сигналы, поступающие на первый и второй входы делителя 31, пропорциональны на практике (применительно, например, к области химической технологии) дозировкам соответственно реагента и сырья. Поэтому отношение сигналов, поступающее в блок 33 памяти, пропорционально отношению дозировок реагента и сырья. Запись выходного сигнала блока 31 деления в блоке 33 па55 мяти производится только в том случае, когда блок 16 самонастройки выдает управляющий сигнал С на открытие ключа 32, Выходной сигнал К (t) бло1509828

K (t) c K, (9) v,(t) =

ЗО

fv„(t)! ) с.; (5) С

dt а Гь (t J))1! — — — — — С;

<<<- (2

45 хК (с) d (.Ау «(t)J ) . с 6 <2. (С )

de t (8) 5О ка 33 памяти поступаеч в блок 34 умножения, в котором формируется выходной сигнал 1< (С) разомкнутого коптура. Таким образом, выходной сигнал датчика 13 умножается в бло5 ке 14.на некоторую величину К () (коэффициепт передачи блока 14), которая между актами самонастройки корректирующего фильтра 14 является величиной постоянной и хранится в блоке 33 памяти. При самонастройке блока 14 коэффициент передачи его изменяется скачкообразно, так как при наступлении состояния квазистатики объекта новое отношение входных сигналов блока 31, пропорциональное текущему соотношению дозировок реагента и сырья., пропускается через ключ 32 и запоминается в блоке 33 памяти. При работе системы все изменения величины Х(<) будут в опре- деленном соотношении, равном текущему коэффициенту передачи блока 14, отслеживаться величиной Ц (t). Таким 25 образом, корректирующий фильтр 14 представляет собой пропорциональное звено с переменным коэффициентом передачи, который имеет кусочно-постоянный характер.

Рассмотрим работу блока 1.6 самонастройки (фиг.2). Блок 26 служит для определения момента самонастройки. B блоках 27-29 проверяются условия квазистатики объекта управления. Операции, выполняемые в блоках 26-29 описываются соответственно формулами

/бУ «(б)/ а С,, бу„<б)1C С,; (б) Сигнал U „(t) представляет реакцию замкнутого контура системы на дей55 ствие всех видов возмущений, изменяющих выход объекта. Если модуль указанной величины, получаемый в блоке 30, превышает некоторую заданную величину С„ (формула (5)) и при этом объект находится в состоянии квазистатики, т.е. выполняются условия формул (6) -(8), то управляющий сигнал С проходит логические блоки 26-29 и поступает на управля« ющий вход ключа 32. Одновременно сигнал С поступает в регуляторы 4 и б,где обнуляет интегральную составляющую выходного сигнала работающего регулятора. Одновременно регуляторы 4 и 6 не работают, что обеспечивается цепями блока 3, Если выходной сигнал К<Р() блока 33 памяти удовлетворяет ограничению, проверяемому в логическом блоке 20 (фиг,2) то работает цепь, включающая блоки

2, 18, 6, в противном случае — цепь, состоящая из блоков 1, 17, 4.

Пусть, например, работающий регулятор 4 (или 6) реализует П Щ-закон регулирования, тогда (В, бУ<б> - В, J 6y <"> б

О

 — — Х вЂ” — К (Е); с1ГЬ,(t)3 (10)

3 dt 7

6. y(t) = hy и ()Ч h y«(t) у где В<, В2,  — настраиваемые параь метры регулятора.

В результате самонастройки фильтра 14 величина U,(t) будет определяться формулой

U (t) = В

d L Ь у(l) тогда переход системы управления на новое значение коэффициента передачи корректирующего фильтра не вызывает возмущения входного сигнала

X(t) объекта 11.

При выполнении условий, проверя" емых в блоках 26-29 системы, сигнал

С открывает ключ .32. Сигнал X(t) после вычитания иэ него в сумматоре 12 величины U (t} проходит блок 3 1 деления, ключ 32, записывается в бло

9 1509828 10 ке 33 памяти, проходит блок 34 умножения и в виде сигнала V (t) поступает на вход сумматора 10 ° Операция обнуления И-составляющей приведет к тому, что условие, проверяемое в логическом блоке 26, не будет выполняться, в результате чего сигнал не пройдет логические блоки 26

29 и управляемый ключ 32 закроется.

Таким образом, в блоке 33 памяти будет записано новое значение коэффициента передачи корректирующего фильтра 14. При этом выходной управляющий сигнал U (t), формируемый замкнутым контуром, будет уменьшен, а выходной сигнал разомкнутого контура U (t) увеличен на величину И-составляющей выхода регулятора, имевшую место в составе выхода регулятора перед моментом самонастройки. Второй выход регулятора 4 (или 6) определяется выражением (11), т. е. представляет собой ГЩ-составляющую сигнала U,(t), умноженную в блоке 9 на величину +(t). Сигнал U „<(t) вычитается в сумматоре 12 из сигнала X(t). Этим исключается двойное суммирование

ПД-составляющей выхода регулятора 4 (или 6) в сумматоре 10 и, следовательно, возмущение входа объекта.

При дальнейшей работе системы величина UI (t), как реакция замкнутого контура системы на отклонение y(t) от задания, будет изменять"я.Когда модуль указанного сигнала превзойдет заданное значение С, производится анализ условий квазистатики объекта управления, при поступлении которого выполняется следующий акт самонастройки фильтра 14. Величины

С,С„,С, С являются априорно настраиваемыми параметрами блока 16.

Изменение величины выхода регулятора 4 (или 6) с течением времени характеризует изменение характери стик канала управления и (или) внешних условий функционирования системы. Величина модуля сигнала U (t) в состоянии квазистатики объекта 11 характеризует несоответствие управляющего сигнала X(t) величине основного контролируемого возмущения

X <(t) в текущих условиях функционирования системы. Акт самонастройки фильтра 14 повышает качество компенсации на входе объекта возмущения Х,(t) посредством управляющего сигнала X(t) и, следовательмин = оь() мс1кс >

К вЂ” const;

К рс() = К рег К<р() оь()» к, » к,(t) к„

35 требуется обеспечить

К вЂ” К ( гдеК, К

40 м»»» макс пр едел ьные з н ачения величины

ОБ предельные значения величины

Рс некоторое заданное положительное чис45 ло.

Цепи самонастройки величины

К p (t), использованные в системе, позволяют решить указанную задачу.

Пусть t (i = 1, 2...,n) — моменты квазистатики объекта управления.

Для момента t °

55 Kð (t>) os(t ) (р(" )> где K (й;) — коэффициент передачи разомкнутого контура системы. но, качество работы всей системы в целом, так как часть возмущений, которая до этого проходила через объ5 ект, увеличивала дисперсию выходной координаты и нагружала обратную связь, будет скомпенсирована на входе его.

Задача стабилизации коэффициента

10 передачи разомкнутой системы рассматривается как часть задачи, сформулированной ранее (см. формулы (1)— (4)).

Обозначим Icos(t) — нестационарный коэффициент передачи объекта управления; Kiter коэффициент передачи работающего регулятора 4 (или

6); К (с) — коэффициент передачи разомкнутой системы.

Блок 8 умножения, например, представлен в виде усилителя переменныйкоэффициент усиления которого заменяет второй входной сигнал K (t) этого блока.

Задача стабилизации К (t) может быть сформулирована

1509828

Для момента t +, 15

Kðê(!+! ) рк(30

40 (12) (13) 45 поэтому т.е. (14) Крс (" +! ) Крс (""

55 Так как то можно записать

Ов(!+! 06() где 3! — некоторая величина.

Тогда

В .результате самонастройки коэффициента передачи фильтра 14 в момент t;+!

K+(t;„) = K (t;) „. >

1 так как в пределах некоторой допустимой погрешности система посредством блока 16 обеспечивает постоянство коэффициента передачи разомкнутого 20 контура. Следовательно

Для разомкнутой системы в момент 25 (при отсутствии блока 8) рс() рег ов(Дпя момента

1+!

К,(!- ) = К, 1с (1 )"., Из сравнения последних двух выражений с учетом выражения для

К, (t;„,) следует, что для стабилизации величины К (t) достаточно умножить ее на велйчину Кр(). После введения в систему блока 8 (фиг.2) можно записать для момента t;! рс () рег ср(!) оь() т ! где КРег = рег !р(" ) э для момента t „ (в пределах допустимой погрешности самонастройки) Таким образом, использование ука занных цепей самонастройки позволяет решить сформулированную задачу стабилизации величины К Ре (t) .

Решение этой задачи расширяет область устойчивости системы, повышает точность работы ее (в условиях воздействия на объект неконтролируемых шумов значительной интенсивности и при неизменных настройках регулятора) за счет обеспечения постоянства условий функционирования регулятора.

Третий блок умножения предназначен для того, чтобы обеспечить равенство ПД-составляющих выходного сигнала регулятора при взаимной компенсации их в сумматоре 10.

Рассмотрим работу блока 3 выбора режима. Блок 3 предназначен для переключения регулирующих цепей в системе с целью изменения задания для системы и характеристик регулирующего устройства. Потребность в подобных. переключениях возникает при управлении многорежимными процессами, посредством которых на одном и том же технологическом оборудовании получают целевой материал разных сортов путем изменения тех или иных параметров режима. В логическом блоке

20 проверяется условие, описанное формулой (9). Управляет работой блока

20 и режимом работы объекта 11 сигнал

К,(t), хранящийся в блоке 33 памяти.

Посредством указанного сигнала производится при наступлении необходимых для этого условий автоматическое изменение режима работы объекта 11.

Рассмотрим, как, например, определяется величина К вЂ” задание на логический блок 20. Пусть имеются экспериментальные данные — ограничения на величины коэффициента k (й) и КРс(с) мик — „(t) - макс рс() 2) р() kI!E (t)

1.Ä(t) = 1 Ä(t) К

K, c K (t) 1с (t) K

k„(t) > 0 9 tE (Q,о =) р

1509828

К К К (t) < --„---- °, (1")

К оБ() К () Рассматриваются процессы, изменение режимов которых основывается на левом соотношении ограничения (12) 1, () 1„„ (16)

Подставим в (15) вместо k (t)

ОБ ограничение (16) и используем правую часть полученного выражения

К

К (t)6 — — — — —— (17) 15

1 мин К рег

К9() с Кв, где

К ь К 1 мин Крег

При соблюдении условия (17), проверяемого в блоке 20, выходной управляющий сигнал этого блока открывает ключ 18 и закрывает ключ 17, переключая регулирующие цепи и меняя тем самым режим работы объекта. В противном случае работает регулирующая цепь, содержащая блоки 1, 17 и 4, сохраняя прежний режим работы объек30 та 11 управления.

Введение блока 20 и соответствующих ему цепей позволяет посредством косвенного параметра K (t) автоматически контролировать величину коэф- Зу фициента передачи объекта по каналу управления и осуществлять своевременное автоматическое изменение режима работы объекта с целью избе-; жать брак готового продукта и обеспе- 40 чить выпуск целевого материала того сорта, который отвечает поступающему на вход процесса сырью, что расширяет область применения системы. формула изобретения

Самонастраивающаяся система комбинированного регулирования, содержащая первый измеритель рассогласования, первый регулятор, первый и второй блоки умножения, первый и вто- 50 рой сумматоры, датчик внешнего возмущения, корректирующий фильтр, блок самонастройки и объект управления, выход которого подключен к выходу системы и к первому входу первого измерителя рассогласования, второй вход которого подключен к первому входу задающего воздействия системы, выход датчика внешнего возмущения подключен к первому входу корректирующего фильтра, втброй вход которого подключен к выходу второго сумматора, суммирующий вход которого подключен к входу объекта управления и к выходу первого сумматора, первый вход которого подключен к первому выходу корректирующего фильтра, второй выход которого подключен к первым входам первого и второго блоков умножения, выходы которых подключены соответственно к второму входу первого сумматора и к вычитающему входу второго сумматора, выход первого блока умножения соединен с первым входом блока самонастройки, выход которого соединен с управляющим входом первого регулятора и с управляющим входом корректирующего фильтра, отличающаяся тем, что, с целью расширения области применения системы,в нее введены третий, четвертый,, пятый, шестой сумматоры, первый и второй управляемые ключи, логический блок, второй измеритель рассогласования, второй регулятор, управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого регулятора, подключенного выходом к первому входу третьего сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом второго регулятора, второй выход которого подключен к первому входу четвертого сумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом первого регулятора, вход которого подключен к первому входу шестого, сумматора и к выходу первого управляемого ключа, информационный вход которого подключен к выходу первого измерителя рассогласования,первый вход которого подключен к первому входу второго измерителя рассогласования, второй вход которого подключен к второму входу задающего воздействия системы, а выход — к информационному входу второго управляемого ключа; подключенного выходом к входу второго регулятора и к второму входу шестого сумматора, выход которого соединен свторым входом блока самонастройки, выходы третьего и четвертого сумматоров подключены соответственно к вторым входам первого и второго блоков умножения, первые входы которых соединены с первым входом логического

1509828

16 блока, второй и третий ° входы которого соединены соответственно с входами управляющего сигнала и сигнала задания системы, выход логического блока соединен с управляющим входом второго управляемого ключа и с вычитающим входом пятого сумматора, суммирующий вход которого соединен с входом управляющего сигнала системы, а выход пятого сумматора соединен с управляющим входом первого управляемого ключа.! 509828

1509828

6ниание gerpu

Составитель Е.Власов

Редактор С.Пекарь Техред JI,ÑåðäþêaBà Корректор М.Максимишинец

Заказ 5809/43 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101