Пневматический релейный регулятор с переменной структурой

 

Изобретение относится к средствам автоматизации. Регулятор содержит индикатор экстремумов, блок обнаружения отклонений регулируемой переменной за зону допустимых отклонений, семь реле переключения, блок выделения модуля, сумматоры, элемент сравнения, усилитель и интегратор. Соединение этих элементов позволяет реализовать алгоритм, обеспечивающий перевод объекта управления из начального состояния в окрестность заданного конечного релейным управлением с одним переключением и стабилизацию объекта в конечном состоянии. Переключения управления при больших отклонениях регулируемой переменной осуществляются с опережением по отношению к зоне допустимых отклонений. Стабилизация объекта в окрестности задания осуществляется также релейным управлением, переключения которого происходят с опережением по отношению к заданию. Структура регулятора при этом изменяется, а величина управляющего воздействия пропорциональна максимальной ошибке. 3 ил.

Изобретение относится к средствам автоматизации, а именно к пневматическим регуляторам.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор с релейной характеристикой. Его недостатки низкая статическая точность регулирования выходных переменных объекта, а также чувствительность к варьированию параметров объекта и настроек регулятора.

Цель изобретения повышение точности регулирования.

На фиг. 1 изображена схема регулятора; на фиг. 2 процессы на входе и выходе регулятора; на фиг. 3 пример конкретного выполнения предлагаемого регулятора на пневматических элементах.

Регулятор содержит индикатор экстремумов 1, элемент сравнения 2, первое реле 3, первый сумматор 4, блок обнаружения отклонений 5, второе реле переключения 6, третье реле переключения 7, первый 8 и второй 9 задатчики, пятое реле переключения 10, второй сумматор 11, четвертое реле переключения 12, усилитель 13, шестое реле переключения 17, седьмое реле переключения 15, интегратор 16, блок выделения модуля 17.

На фиг. 1, 2 и 3 приняты следующие обозначения: Х_о сигнал задания; Х текущее значение регулируемой переменной; Y выходной сигнал регулятора; Р_о сигнал смещения; С половина зоны допустимых отклонений.

В регуляторе реализуется следующий алгоритм: B sigu M1, если Х < Х1, Y B sigu M2, если Х > Х2 (1) B1 sigu M3 + P, если Х1 ≅ Х ≅ Х2, где Х1 Х_о С; Х2 Х_о + С; В максимальное управляющее воздействие, М1 Х1 + К1(Х_э Х1) Х; М2 Х2 + К1(Х_э Х2) Х; М3 Х_о + К2(Х_э Хо) Х; К1 и К2 постоянные коэффициенты, меньшие единицы и К1 < К2; Х_э экстремальное значение;
sigu знаковая функция, принимающая значение "1", если ее аргумент больше нуля, и "0", если аргумент меньше или равен нулю,
В1 КХ_э Х_о|
К постоянный коэффициент;
Р Р_о постоянное смещение в случае использования регулятора в системе с астатическим объектом (условный нуль); Р K(Х_о-Х)dt для случая использования в системе со статическим объектом;
К₃ коэффициент настройки интегратора.

Из алгоритма работы регулятора следует, что он обеспечивает перевод объекта из начального состояния в окрестность заданного и стабилизацию его в конечном состоянии. При этом задачи перевода объекта в окрестность заданного Х_о ±С и стабилизации его в конечной точке Х_о решаются раздельно. Решение первой задачи достигается формированием на выходе регулятора релейного сигнала предельной амплитуды с одним переключением, которое происходит с опережением по отношению к окрестности заданного значения. Стабилизация объекта в заданной точке осуществляется также релейным управлением, величина которого пропорциональна предельному значению ошибкиХ_э Х_о| а переключения управления происходят здесь (в зоне допустимых отклонений) с опережением по отношению к заданию Х_о. Причем структура регулятора в зоне допустимых отклонений меняется, а именно, коэффициент К1, определяющий момент переключения управления, заменяется на К2. Целесообразность этого изменения поясняется фиг. 2, где на верхнем рисунке приведены примеры процессов 1 и 2 для случаев, когда коэффициенты К1 и К2 равны (процесс 1 для случая малых К_i < 0,2, второй для случая больших K_i > 0,8, i 1, 2). Кривая 3 на фиг. 2 отражает случай протекания процессов при К1 ≠ К2. Кривая 4 иллюстрирует изменение управления для этого случая. При малом коэффициенте К1 переключения регулятора происходят вблизи зоны допустимых отклонений и процесс в системе может развиваться так, как показано на фиг. 2, кривая 1. Наоборот, при больших К1 переключения управления происходят вдали от зоны допустимых отклонений. Например, при К1 0,8, переключение, если в момент включения, Х_э 0, произойдет, когда М1 (1 К1) Х1 Х 0,2 ˙ Х1 Х обратится в нуль, а регулируемая переменная, не достигнув зоны допустимых отклонений, повернет вниз (кривая 2 на фиг. 2). В момент появления максимума в т. М на этой кривой, функция М1 становится больше нуля, а управление равным +В и т.д. Сочетание процессов 1 и 2 фиг. 2 достигается изменением структуры регулятора в зоне допустимых отклонений, а изменение здесь и величины управляющего воздействия (величины "полки" реле) обеспечивает затухание процессов и ликвидацию ошибок, так что протекание переходных процессов происходит в соответствии с кривыми 5 или 6 на фиг. 2.

Рассмотрим работу отдельных элементов регулятора по фиг. 3.

Индикатор экстремумов 1 обеспечивает запоминание на своих выходах экстремальных значений Х_э входного сигнала Х и по команде с индикатора коммутацию их через реле 3 на первые входы сумматоров 4 и 11 и на вход реле 15. Индикатор состоит из элементов 18 и 24, включенных соответственно по схеме запоминания минимума и максимума входного сигнала, повторителей-усилителей 19, 20, введенных для усиления по мощности и передачи сигналов в схему, реле 21, управляющий вход которого связан с выходом элемента 22, выход с первым входом элемента сравнения 22, а информационные входы с выходами элементов 18 и 24. Второй вход элемента сравнения 22 соединен с каналом переменной. Индикатор экстремумов 1 работает следующим образом. При изменении входного сигнала, например, в сторону уменьшения на выходе элемента 24 запоминается Х_мах при Х < (Х_мах е), где е величина сдвига, которая настраивается в элементе запоминания 24. Элемент 22 срабатывает и отключает элемент 24, закрыв верхний контакт реле 21, а выход элемента 18 через другой контакт реле 21 соединяется с первым входом элемента 22. При дальнейшем уменьшении сигнала выход элемента 22 не меняется. С увеличением входного сигнала на выходе элемента 18 запоминается Х_мин, элемент 22 принимает исходное состояние, а его первый вход вновь подключается к выходу элемента 24 запоминания максимума. Пневмоемкость 23 обеспечивает сглаживание колебаний сигналов при переключениях реле 21.

Реле 3 обеспечивает коммутацию Х_мах и Х_мин по команде с элемента 22 на вход сумматоров 4 и 11. Последние выполнены по схеме дроссельных сумматоров. Выход каждого из них равен (1 К) Х₁ + КХ_э, где Ка/(а + в), а и в проводимости дросселей сумматора; Х_э и Х₁ сигналы, действующие на первом и втором входах сумматора 4 или 11.

Элемент сравнения 2 реализует функцию sigu М, где М разность двух сигналов: регулируемой переменной Х и сигнала, поступающего с выхода реле 12 и равного выходному сигналу сумматора 4 или 11.

Блок обнаружения отклонений 5 это устройство, формирующее дискретный управляющий сигнал на своем первом выходе, если входной сигнал становится меньше или больше своего заданного значения Х_о и допустимой зоны отклонений ±С, задаваемой в блоке 5. Он содержит повторители 31 и 25. С их помощью задается зона допустимых отклонений соответственно +С и -С. При этом, если входной сигнал Х меньше Х_о С, то срабатывает элемент сравнения 27, его выходной сигнал через элемент ИЛИ 28 появляется на первом выходе блока 5 и одновременно переключает реле 29, обеспечивая коммутацию сигнала Х_о С через повторитель-усилитель 30 на второй выход блока 5. Если Х больше Х_о + С, то сработает элемент 26, элемент 27 при этом находится в исходном состоянии, и на выход реле 29 проходит сигнал Х_о + С. Если входной сигнал находится в зоне допустимых отклонений, то на выходах элементов 26 и 27 "нули". Таким образом, пока на выходе элемента 28 "1", через реле 10 на входы сумматоров 4 и 11 подается сигнал либо Х_о С (когда Х < (Х_о С)), либо Х_о + С (если Х ≥ (Х_о- -С)). Если же выход элемента 28 равен "0", то на входы сумматоров 4 и 11 подается через нижний контакт реле 10 сигнал Х_о.

Pеле 3, 6, 7, 10, 12 включены по схеме коммутации двух сигналов на один выход, а реле 14 и 15 включены по схеме коммутации "один вход-один выход".

Блок выделения модуля разности двух сигналов 17 содержит дроссель 39 и усилитель 38.

Усилитель 13 содержит сумматор 33, дроссельный делитель 32 и элемент ИЛИ 34. На выходе усилителя формируется сигнал
±КХ_э Х_о| + Р. Знак перед первым членом обеспечивается переключением выходного сигнала блока выделения модуля разности двух сигналов 17 через реле 14 и 15 по команде с элемента сравнения 2 в "положительную" или "отрицательную" камеры элемента 33 усилителя 13. Сигнал Р Р_о, который через элемент ИЛИ 34 подается на третий вход усилителя, формируется как условный нуль для получения знакопеременного релейного сигнала при использовании регулятора в системах с астатическим объектом. Выходной сигнал интегратора 16, подаваемый через повторитель-усилитель 36 на второй вход ИЛИ 34, при этом отключается или снятием питания с интегратора, или закрытием дросселя 35 перед включением его в работу. Интегратор 16 подключается в системах с устойчивым объектом для устранения статической ошибки. Следует отметить, что выходной сигнал усилителя 13 подключается к выходному каналу регулятора через реле 7 только тогда, когда управляющий дискретный выходной сигнал блока обнаружения отклонений 5 равен "0".

Работу регулятора в целом рассмотрим с использованием фиг. 1, 2 и 3. При изменении входного сигнала в сторону Х_о (фиг. 1, кривая 3) в индикаторе 1 запоминается Х_мин 0. На первом управляющем выходе блока 5 "1". Его выходной сигнал переключает реле 7 так, что его верхний контакт открыт, и к выходному каналу регулятора подключается выход реле 6. При этом верхний контакт реле 6 открыт, так как на выходе элемента сравнения 2 "1". Это обусловлено тем, что в его положительной камере сигнал (1 К1) (Х_о С), а Х 0. Таким образом в выходной канал регулятора проходит сигнал с задатчика 9 (кривая 4 на фиг. 2). В точке "а" на фиг. 2 элемент 2 вновь срабатывает, переключая реле 6, и в выходной канал регулятора проходит сигнал с задатчика 8. Срабатывание элемента 2 в точке "а" происходит потому, что переменная Х становится равной сигналу в положительной камере элемента 2, т.е. здесь функция М1 в выражении 1 обращается в нуль. В точке "б" (см. фиг. 2) переменная входит в зону допустимых отклонений. Это приводит к следующим переключениям. К выходному каналу регулятора подключается выходной сигнал усилителя 13, равный -КХ_о + Р_о, поскольку выходной управляющий сигнал блока 5 равен "0" и верхний контакт реле 7 закрывается, а нижний открывается. Кроме того, переключаются реле 14 и 15 так, что в отрицательную камеру элемента 33 усилителя 13 поступает сигнал с блока выделения модуля 17, равный Х_о. Переключаются также реле 29, так что к верхнему контакту реле 10 подается сигнал Х2 Х_о + С, реле 10, через нижний контакт которого на входы сумматоров 4 и 11 проходит сигнал Х_о, и реле 12, чем обеспечивается коммутация выходного сигнала сумматора 11 в положительную камеру элемента 2. В точке "в" блок обнаружения отклонений вновь срабатывает и к выходному каналу регулятора через реле 6 и 5 вновь подключается выходной сигнал задатчика 9, а через верхний контакт реле 10 на вход сумматоров 4 и 11 проходит сигнал Х2 Х_о + С, так что в положительной камере элемента 2 теперь сигнал (1 К1) Х2. В точке "г" появляется Х_мах, и величина сигнала в положительной камере элемента 2 становится равной значению Х2 + К1 (Х_мах Х2). В точке "д" переменная Х становится равной значению сигнала в положительной камере элемента 2, и функция М2 выражения (1) обращается в нуль. Происходит переключение элемента 2, и в выходной канал регулятора проходит сигнал с задатчика 8. В точке "е" переменная входит в зону допустимых отклонений и цикл повторяется. К выходной линии вновь подключается выходной сигнал усилителя 13, который теперь равен К (Х_мах Х_о) + Р_о. В точке "ж" этот сигнал вновь изменяется, поскольку появился Х_мин, и становится равным К (Х_о Х_мин) + Р_о. В следующей точке этот сигнал становится равным Р_о К(Х_о Х_мин), в точке "и" уравнение вновь реверсируется, поскольку появляется Х_мах, но эта величина меньше чем Х_о и т.д.

Таким образом в зоне допустимых отклонений формируется релейное управление с затухающей амплитудой, а регулируемая переменная управляется на всех участках своей траектории.

Рекомендации по настройке. Коэффициент К1 устанавливается так, чтобы при подаче ступенчатого входного воздействия Х_о Х_омах(предельное входное воздействие) первый максимум Х появился в окрестности Х_о, коэффициент К2 устанавливается примерно равным К2 2К1; коэффициент К усилителя 13 выбирается из следующих соображений: величина В1 КХ_э Х_о| не должна превышать максимально допустимого воздействия В, настраиваемого задатчиками 8 и 9, т.е. В1 ≅ В. Из этого условия и может выбираться коэффициент К, учитывая, что величинаХ_э Х_о| ≅ С, т.е. К ≅ В/С. При известном математическом описании объекта настройки регулятора могут быть уточнены методом моделирования.

Регулятор может быть использован для управления широкого класса технических объектов и процессов. Он мало чувствителен к изменениям параметров объекта и настройкам.

Формула изобретения

ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ, содержащий индикатор экстремумов, вход которого соединен с каналом регулируемой переменной, три реле переключения, входы первого из которых соединены с выходами индикатора экстремумов, первый сумматор, один вход которого соединен с выходом первого реле переключения, элемент сравнения, один из входов которого соединен с каналом регулируемой переменной, а выход с управляющим входом второго реле переключения, взаимно инверсные входы которого связаны с выходами первого и второго задатчиков, а выход подключен к первому входу третьего реле переключения, блок обнаружения отклонений, первый и второй входы которого подключены соответственно к каналу регулируемой переменной и каналу задания, а выход связан с управляющим входом третьего реле, выход которого является выходным каналом регулятора, отличающийся тем, что дополнительно установлены четыре реле переключения, интегратор, усилитель, блок выделения модуля и второй сумматор, один вход которого соединен с выходом первого реле переключения, другие входы первого и второго сумматоров соединены с выходом пятого реле переключения, а выходы сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого реле переключения, управляющие входы четвертого и пятого реле переключения соединены с выходами блока обнаружения отклонений, взаимно инверсные входы пятого реле переключения соединены с каналом задания и сигнальным выходом блока обнаружения отклонений, управляющие входы шестого и седьмого реле переключений соединены с выходом элемента сравнения, а входы с выходом блока выделения модуля, первый вход которого связан с каналом регулируемой переменной, а второй с выходом первого реле переключения, выходы шестого и седьмого реле соединены соответственно с первым и вторым входами усилителя, выход которого связан с вторым входом третьего реле переключения, входы интегратора соединены с каналами регулируемой переменной и задания, а выход с третьим входом усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3