Релейно-импульсный пропорционально-интегрально- дифференциальный регулятор

 

Изобретение относится к автоматическим регуляторам, работающим по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону регулирования технологических процессов. Целью изобретения является повышение быстродействия регулятора. Регулятор содержит элемент сравнения 1, усилитель 2, инерционные звенья 3,4, интегратор 5, группу релейных элементов 6, элемент сравнения 7, компаратор 8, генератор пилообразного напряжения 9, группу ключевых элементов 10 и сумматор 11, причем каждый релейный элемент состоит из компаратора, элемента сравнения и делителя напряжения. 4 ил.

Изобретение относится к автоматическим регуляторам, работающим по пропорционально-интегрально-дифференциально- му (ПИД) закону регулирования, и предназначено для автоматического регулирования технологических процессов.

Известен ПИД регулятор, который содержит дифференциатор, последовательно соединенный с сумматором, усилителем, охваченным отрицательной обратной связью в виде инерционного звена, сумматором, на вход которого подключены выходы усилителей, а их входы соединены с входом и выходом дифференциатора, а также с исполнительным механизмом.

ПИД регулятор имеет расширенный диапазон настроек, дает большой запас устойчивости и сокращает время регулирования.

Наиболее близким по техническому эффекту является ПИД регулятор, содержащий усилитель, в обратную связь которого включено два последовательно соединенных инерционных звена, где выход усилителя соединен с входом исполнительного механизма (интегратор).

Недостатком регулятора является ограниченный диапазон настройки времени предварения.

Общим недостатком этих устройств является то, что они имеют жесткую настройку дифференциальной части закона регулирования, которая не зависит от величины сигнала рассогласования, а это ограничивает его быстродействие.

Целью изобретения является повышение быстродействия регулятора.

Поставленная цель достигнута в релейно-импульсном пропорционально-интегрально-дифференциальном (РИПИД) регуляторе, содержащем первый элемент сравнения с входом заданного и текущего значений переменной, выход которого соединен с входом усилителя с большим коэффициентом усиления, в отрицательную обратную связь которого включены два последовательно соединенных инерционных звена, где выход усилителя соединен с входом интегратора.

Новым в регуляторе является то, что в него введены второй элемент сравнения, генератор пилообразного напряжения, компаратор с силовым выходом, n релейных и n силовых ключевых элементов и сумматор, выход интегратора соединен напрямую и через n релейных элементов с входами второго элемента сравнения, выходы n релейных элементов соединены также через соответствующие n силовых ключевых элемента с входами сумматора, выход второго элемента сравнения и выход генератора пилообразного напряжения соединены с входами компаратора, силовой выход которого соединен с n+1 входом сумматора, выход которого является выходом регулятора, где каждый релейный элемент содержит компаратор, в обратной связи которого находятся делитель напряжения и элемент сравнения, имеющий два выхода, один из которых соединен с выходом делителя напряжения, а другой с уставкой (i +1/ΔX, где i .

Вновь введенные элементы в регулятор формируют широтно-импульсный (ШИМ) канал и канал регулируемого неполного притока (РНП), которые включены параллельно. Канал формирования ШИМ сигнала содержит второй элемент сравнения, генератор пилообразного напряжения, компаратор с силовым выходом. Элемент сравнения выявляет разность между выходным сигналом ПИД регулятора и его дискретным значением.

Генератор пилообразного напряжения и компаратор преобразуют выявленное отклонение в последовательность однополярных импульсов, усиленных по мощности. Канал регулируемого неполного притока содержит группу релейных элементов и группу силовых ключевых элементов. Группа релейных элементов формирует ступени дискретизации текущего сигнала с выхода ПИД регулятора, которые после суммирования образуют его дискретное значение. Группа силовых ключевых элементов усиливает по мощности ступени дискретизации, формируя канал неполного притока, уровни которого выбраны равными друг другу. Усиленный по мощности сигнал регулируемого неполного притока и усиленный сигнал по мощности ШИМ канала подаются на входы сумматора, на выходе которого формируется управляющее воздействие регулятора.

На фиг. 1 представлена структурная схема релейно-импульсного пропорционально-интегрально-дифференциального регуля- тора; на фиг.2 принципиальная схема i-релейного элемента; на фиг.3 приведена статическая характеристика группы релейных элементов; на фиг.4 эпюры формирования сигнала в ШИМ канале.

Релейно-импульсный пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (см. фиг. 1) содержит элемент сравнения 1, сравнивающий заданное У_зад и текущее У_тек значения переменной, выход которого соединен с входом усилителя 2 с большим коэффициентом усиления. Усилитель 2 охвачен отрицательной обратной связью с помощью инерционных звеньев 3, 4. Выход усилителя 3 соединен с входом исполнительного механизма (интегратор 5), выход которого подключен к входам группы релейных элементов 6₁-6_n и к входу элемента сравнения 7, другие входы которого соединены с выходами группы релейных элементов 6₁-6_n.

Выход элемента сравнения 7 соединен с одним из входов компаратора 8, другой вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения 9. Выходы группы релейных элементов 6₁-6_n через группу силовых ключевых элементов 10₁-10_n соответственно, а также силовой выход компаратора 8 соединены с входами сумматора 11, выход которого является выходом регулятора. Релейный элемент 6_i (см. фиг.2) содержит компаратор 12_i, в обратной связи которого находится делитель напряжения 13_i с коэффициентом деления α_i и элемент сравнения 14_i, имеющий два входа, один из которых соединен с выходом делителя напряжения 13_i, а другой с уставкой (i+1)x x/ΔX, где i= .

Компаратор 12_i содержит входные резисторы 15, 17, компаратор 16, конденсаторы 18, 19 и резисторы положительной обратной связи 20, 21, обеспечивающие триггерный эффект компаратору 16. Делитель напряжения построен на базе резисторов 22, 23 и задает ширину петли гистерезиса релейного элемента 6_i: ε_i=α_i˙Δ X, где α_i≅0,5; ΔX выход релейного элемента 6_i. Элемент сравнения 14_i содержит резисторы 25, 26, 27 и операционный усилитель 28. Коэффициент передачи операционного усилителя равен единице. Уставка сигнала (i+1)˙ΔX реализуется на переменном резисторе 24.

Релейно-импульсный пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор работает следующим образом.

Структурная схема ПИД преобразования сигнала отклонения ΔY, содержащая элемент сравнения 1, усилитель 2, инерционные звенья 3, 4 и интегратор 5, реализует на выходе последнего аналоговый сигнал Х: X C₁·ΔY+Co Δy dt + C₂ где ΔY Y_зад Y_тeк; С₁, С₀, С₂ коэффициенты пропорциональной, интегральной и дифференциальной частей закона регулирования.

На сигнал рассогласования ΔY накладывается ограничение вида Δy Формирование дискретного сигнала Х^о из аналогового сигнала Х выполняется с помощью группы релейных элементов 6₁-6_n (см.фиг.3) с помощью суммирования их выходных сигналов.

Статическая характеристика i релейного элемента имеет уровень ΔX, ширину петли гистерезиса ε_i=α_i˙Δ X и смещена вправо на величину X: X= (i + 1 α_i)˙ΔX.

Число n выбирается равным 3N4, чтобы не усложнять регулятор.

Будем считать, что ΔX ΔX ΔX=ΔX= ΔX= ΔX_ст α₁ α₂ α_i α_l α_n0,5 Тогда ε= 0,5˙ΔX; X= (i 0,5)ΔX_cт.

Уставка i релейного элемента X и текущее значение дискретного сигнала Х^о определяется по формулам ),i= где i номер i-ступени;
l число возбужденных из n релейных элементов.

Сигнал отклонения ΔХ Х Х^о с выхода элемента 7 является входом ШИМ канала, а сигнал Х с выхода интегратора 5 входом канала регулируемого неполного притока.

Формирование однополярных импульсов на выходе компаратора 8 высотой А_имп и длительностью t_имп, пропорциональных выявленному отклонению ΔХ, достигается смещением сигнала с выхода генератора пилообразного напряжения на величину его амплитуды А_гл.

Из подобия треугольников ΔSPC и ΔКТС (см.фиг.4) следует

Или
t_имп= ΔX
Уровень ступени регулируемого неполного притока формируется релейным элементом из условия, что каждая ступень уменьшает длительность импульсов в ШИМ канале вдвое, причем уровни ступеней выбраны равными, а их число определяет число дискретов Х^о.

Примем площадь ступени регулируемого неполного притока за период генератора пилообразного напряжения Т_гл:
S 0,5А_имп˙0,9Т_гл, где коэффициент 0,5 характеризует удельный вес ступени регулируемого неполного притока относительно ШИМ канала, а коэффициент 0,9 выбран из условия устойчивой работы ШИМ канала.

Тогда высота ступени регулируемого неполного притока h равна
h 0,45 A_имп
Отклонение на входе компаратора 8, соответствующее высоте ступени регулируемого неполного притока, определяется из следующего равенства:
0,45 A_имп·T_гл= A_имп·0,5 · ΔX_ст
Или
Δ X_cт 0,9 А_гл.

Тогда длительность импульсов в ШИМ канале определяется по формуле
t_имп= (X 0,9 A_глl)
Управляющее воздействие ШИМ канала
μ_шим= A_имп· γ· A_имп
Коэффициенты усиления группы силовых ключевых элементов выбраны равными друг другу и равны
K 0,5
Коэффициент усиления ШИМ канала
K_шим= · K₁ где К₁ коэффициент усиления силового ключевого элемента, усиливающего сигнал с выхода компаратора 8 ШИМ канала.

Если принять К_шим К, то очевидно
К₁ 2˙K˙А_гл А_имп.

Управляющее воздействие канала регулируемого неполного притока
μ_рнп l˙h 0,45˙l˙А_имп.

Суммарное управляющее воздействие μна выходе сумматора 11
μ= А_имп( γ+ 0,45˙l).

Учитывая, что коэффициенты усиления ШИМ канала и каждого уровня канала регулируемого неполного притока равны К, то очевидно следующее:
μ KC₁·Δy+ Co Δydt + C
Из полученного выражения следует, что релейно-импульсный пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор есть линейный регулятор с регулируемым выходом.

Формула изобретения

РЕЛЕЙНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРОПОРЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРАЛЬНО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР, содержащий первый элемент сравнения, выход которого через усилитель связан с входом интегратора, а через цепь отрицательной обратной связи, составленную из последовательно соединенных инерционных звеньев, с вычитающим входом первого элемента сравнения, суммирующий вход которого образует вход регулятора, отличающийся тем, что в него введены второй элемент сравнения, генератор пилообразного напряжения, компаратор, n релейных элементов, n ключевых элементов и сумматор, причем выход интегратора соединен с суммирующим входом второго элемента сравнения и с первыми входами всех релейных элементов, выходы которых связаны непосредственно с соответствующими вычитающими входами второго элемента сравнения, а через соответствующие ключевые элементы с n входами сумматора, выход второго элемента сравнения и выход генератора пилообразного напряжения подключены к соответствующим входам компаратора, выход которого подключен к (n + 1)-му входу сумматора, выход которого является выходом регулятора, при этом каждый i-й релейный элемент содержит делитель напряжения, элемент сравнения и компаратор, последний снабжен прямым и инверсным входами, а его выход через делитель напряжения связан с вычитающим входом элемента сравнения, выход которого подключен к инверсному входу компаратора, прямой вход компаратора образует первый вход релейного элемента, суммирующий вход элемента сравнения образует второй вход релейного элемента и предназначен для подачи соответствующей уставки релейного элемента, значение которой равно , где i 1,n; уровень статической характеристики релейного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4