Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор

 

Изобретение относится к автоматическим регуляторам, реализующим пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования, и может быть использовано для регулирования технологических объектов, имеющих дрейф параметров и подверженных неконтролируемым возмущениям. Техническим результатом является повышение качества регулирования и расширение области устойчивости. Устройство содержит блок сравнения, блок задания объекта регулирования, блоки умножения, пропорциональные блоки, ограничители, сумматоры, блок определения модуля, нелинейный блок с зоной нечувствительности, дифференциатор, ключ, интегратор, элемент ИЛИ. 1 ил.

Изобретение относится к автоматическим регуляторам, реализующим пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования, и может быть использовано для регулирования технологических объектов, имеющих дрейф параметров и подверженных неконтролируемым возмущениям.

Известен пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, содержащий блок сравнения, пропорциональный блок, интегратор, дифференциатор, подключенные ко входу сумматора, выход которого является выходом регулятора [А.с. №578636, СССР. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор. 1977].

Недостатком известного регулятора является высокая чувствительность к изменению параметров объекта и возмущениям на входе объекта, а также к изменениям высокочастотных составляющих сигнала задания по сравнению с сигналом регулируемой величины, приводящим к ухудшению качества регулирования, а при определенных значениях к неустойчивой работе регулятора.

Известны также пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы, содержащие последовательно соединенные первый сумматор, на один вход которого подключен выход задатчика, первый интегратор, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора и блоку сравнения, на другой вход которого подключен выход датчика регулируемой величины, а также пропорциональный блок, второй интегратор и дифференциатор, подключенные ко входу второго сумматора [Ялышев А.У., Разоренов О.И. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики. М.: Машиностроение, 1981, 399 с.].

Недостатком использования известных регуляторов для технологических объектов с запаздыванием является постоянство коэффициента усиления системы, как при больших, так и при малых отклонениях регулируемой величины, и невозможность получения единой качественной настройки регуляторов для возмущений на входе объекта и на входе регулятора, что в значительной мере снижает качество регулирования и область устойчивой работы регулятора.

Наиболее близким аналогом к изобретению по своей технической сущности, принятым за прототип, является пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, содержащий последовательно соединенные блок сравнения, блок умножения, пропорциональный блок, сумматор, а также блок выделения модуля, дифференциатор и интегратор, подключенные к выходу блока сравнения, а выходом связанные соответственно с блоком умножения и сумматором, выход которого является выходом регулятора [Голант А.И., Альперович Л.С., Васин В.М. Системы цифрового управления в химической промышленности. - М.: Химия, 1985, с.60].

Недостатком данного регулятора является невысокое качество регулирования и ограниченная область устойчивости при дрейфе параметров объекта с запаздыванием и действии на входе системы возмущений. В этом регуляторе в результате действия возмущений при значительном увеличении отклонений регулируемой величины одновременно с увеличением коэффициента усиления объекта либо с увеличением запаздывания коэффициент усиления системы должен изменяться, в то же время формирование пропорционального, интегрального и дифференцирующего воздействий регулятора остается неизменным как в установившемся, так и в переходном режимах, что приводит к ухудшению качества регулирования, появлению колебаний и неустойчивой работе регулятора.

Основной задачей изобретения является повышение качества регулирования и расширение области устойчивости.

Поставленная цель достигается установкой дополнительно параллельно первому пропорциональному блоку нелинейного блока с зоной нечувствительности, второго пропорционального блока и четвертого ограничителя, которые обеспечивают автоматическое включение нелинейного блока регулятора в работу при превышении сигналом рассогласования зоны нечувствительности нелинейного блока, что способствует увеличению быстродействия без изменения коэффициента первого пропорционального блока. Нелинейный блок имеет однозначную характеристику линейных участков, что обеспечивает повышение точности работы системы, так как она определяется только уровнем первого пропорционального блока и не зависит от характеристики нелинейного блока с зоной нечувствительности и второго пропорционального блока. Причем это позволяет выбирать уровень первого пропорционального блока небольшим, обеспечивающим приемлемые отклонения регулируемой величины в установившемся режиме.

Установленные на выходе интегратора третий ограничитель и на выходе регулятора второй ограничитель через ключ управляют работой интегратора, что обеспечивает устранение перенасыщения интегратора, способствуя сокращению времени переходного процесса и снижению колебательности, т.е. расширению области устойчивости.

На чертеже в схематическом виде изображен пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор содержит блок сравнения 1, входы которого соединены с выходами блока 2 задания и объекта регулирования (на чертеже не показан), блок умножения 3, первый пропорциональный блок 4, первый сумматор 5, первый ограничитель 6, второй сумматор 7 и второй ограничитель 8, блок 9 определения модуля, подключенный к выходу блока сравнения 1, последовательно соединенные нелинейный блок 10 с зоной нечувствительности, второй пропорциональный блок 11, четвертый ограничитель 12, соединенный с первым сумматором 5, последовательно соединенные дифференциатор 13, подключенный к выходу блока сравнения 1, и второй блок умножения 14, соединенный со входом первого сумматора 5, последовательно соединенные ключ 15, подключенный к выходу первого блока умножения 3, интегратор 16 и третий ограничитель 17, соединенный со входом второго сумматора 7, элемент ИЛИ 18, подключенный к выходам второго 8 и третьего 17 ограничителей и соединенный с управляющим входом ключа 15. Вторые входы первого 3 и второго 14 блоков умножения подключены к выходу блока 9 определения модуля. Блок 2 задания содержит последовательно соединенный сумматор 19 и интегратор 20, охваченный отрицательной обратной связью, выход которого подключен к одному из входов блока сравнения 1 и к входу сумматора 19.

Регулятор работает следующим образом.

Ошибка регулирования поступает на вход блока определения модуля 9 и на входы первого блока умножения 3, нелинейного блока 10 с зоной нечувствительности и дифференциатора 13. С помощью блока определения модуля 9 формируется сигнал |ε|, который поступает на вторые входы первого 3 и второго 14 блоков умножения, образуя выходные сигналы kП·ε·|ε| и которые поступают на первый и второй входы первого сумматоpa 5. Если ошибка регулирования невелика (|ε(t)|<δ), то нелинейный блок 10 с зоной нечувствительности в работу не включается. Сигнал, получаемый в результате вычисления на основе квадрата ошибки регулирования пропорциональной и дифференциальной составляющих, проходя первый ограничитель 6, складывается на сумматоре 7 с сигналом, поступающим с выхода третьего ограничителя 17. Если суммарный сигнал второго сумматора 7 не превышает предельного верхнего значения, установленного на втором ограничителе 8, или предельных значений третьего ограничителя 17, то командный сигнал с выхода элемента ИЛИ 18 на управляющий вход ключа 15 не поступает и интегратор 16 продолжает формировать интегральную составляющую в зависимости от квадрата ошибки регулирования. В этом случае регулирующее воздействие регулятора на выходе второго ограничителя 8 формируется на основе пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) - закона регулирования, все составляющие которого зависят от квадрата ошибки регулирования. В результате действия возмущений, приводящих к большим отклонениям системы от невозмущенного состояния, т.е. когда ошибка регулирования возрастает по величине и превышает зону нечувствительности нелинейного блока 10, на третий вход первого сумматора 5 дополнительно подается через второй пропорциональный блок 11 форсирующее воздействие по нелинейному закону с выхода нелинейного блока 10 до тех пор, пока ошибка регулирования превышает зону нечувствительности нелинейного блока 10. После того как ошибка регулирования станет меньше зоны нечувствительности нелинейного блока 10, она не проходит через этот блок и сигнал на третий вход первого сумматора 5 не поступает. Таким образом, в переходном режиме при формировании регулирующего воздействия используются одновременно воздействия блоков 4 и 11, а в установившемся режиме определяющим является воздействие первого пропорционального блока 4. Независимое формирование воздействий в пропорциональной части регулятора позволяет устанавливать коэффициент первого пропорционального блока 4 без ухудшения качества регулирования в установившемся режиме и снижения быстродействия в переходных режимах. При этом изменение величины суммарного результирующего воздействия регулятора происходит с определенным упреждением по отношению к изменению направления интегрирования и снижению пропорциональной составляющей. Это достигается выбором характеристики линейных участков нелинейного блока 10 с зоной нечувствительности, противоположной фактическому знаку ошибки регулирования на входе нелинейного блока 10. При этом на входы первого сумматора 5 поступает сумма сигналов второго блока умножения 14, первого пропорционального блока 4 и через четвертый ограничитель 12 второго пропорционального блока 11, причем величина последнего пропорциональна инверсному сигналу отклонения (инверсной ошибке регулирования). Это обеспечивает устойчивость системы при больших отклонениях регулируемой переменной в системе, быстрое затухание и уменьшение перерегулирования.

В регуляторе, реализующем ПИД-закон регулирования, выходной сигнал регулятора выходной сигнал второго ограничителя 8 равен

где U₂(t) - ограничиваемая переменная, U₂(t)=U₁(t)+U₃(t);

U_огр - предельное верхнее значение;

U(t) - ограниченное значение (выход второго ограничителя 8).

U₁(t) - выходной сигнал первого ограничителя 6 равен

где U_п(t) - ограничиваемая переменная (вход ограничителя 6);

U_погр - предельное значение;

U₁(t) - ограниченное значение (выход ограничителя 6).

Выходной сигнал третьего ограничителя 17 равен

где U_и(t) - ограничиваемая переменная на выходе интегратора 16 (вход ограничителя 17);

U_иогр - предельное значение;

U₃(t) - ограниченное значение (выход ограничителя 17).

где k_и - коэффициент интегрирования; σ(t) - функция отключения (включения) входного сигнала интегратора 16, реализуемая с помощью ключа 15.

Ключ 15 реализует функцию отключения (включения) интегратора 16 в виде

где ψ(t) - выходной сигнал элемента ИЛИ 18, поступающий на управляющий вход ключа 15, равный

Выходной сигнал первого сумматора 5 равен

где ε - ошибка регулирования, получаемая на выходе блока сравнения 1, на входе которого входной сигнал регулятора и выходной сигнал блока 2 задания,

k_п и k_д - коэффициенты пропорциональной и дифференциальной части регулятора;

U₄(t) - выходной сигнал четвертого ограничителя 12, равный

где r(t) - выходной сигнал второго блока пропорциональности 11 (вход ограничителя 12);

r_огр - предельное значение;

U₄ - ограниченное значение (выходной сигнал ограничителя 12).

Входной сигнал r(t) ограничителя 12 равен

где ±δ - величина зоны нечувствительности блока 10, имеющего линейные однозначные участки с углом наклона α;

k - коэффициент пропорциональности блока 11.

Выходной сигнал второго блока пропорциональности 11, пройдя четвертый ограничитель 12, поступает на третий вход первого сумматора 5, где суммируется с выходными сигналами первого пропорционального блока 4 и второго 14 блока умножения . Выходной сигнал сумматора 5, проходя через первый ограничитель 6, суммируется на втором сумматоре 7 с выходным сигналом интегратора 16, прошедшим через третий ограничитель 17. Выходной сигнал сумматора 7 - входной сигнал второго ограничителя 8, является выходным сигналом регулятора - U(t).

Выходной сигнал Go блока задания 2 связан с входным сигналом G зависимостью

где G - скачкообразное изменение задания регулятору;

G₀ - демпфированное значение задания регулятору, изменяющееся со скоростью, определяемой постоянной времени Т и поступающего на вход блока 1 сравнения.

Ограничение скорости изменения задания обеспечивает более плавные переходные процессы в системе при частых и резких изменениях задания.

Известно, что оптимально настроенный ПИД-регулятор чувствителен к изменению параметров объекта и действию возмущений на входе объекта и регулятора. Поэтому проведено моделирование автоматической системы регулирования и осуществлено сравнение качества регулирования объекта с помощью предложенного регулятора и стандартного ПИД-регулятора при изменении коэффициента усиления объекта в 3 раза и действии внешних возмущений. Сравнительный анализ кривых переходных процессов, вызванных действием внешнего возмущения на входе объекта и изменением задания регулятору, показал, что система с предлагаемым регулятором обладает большим запасом устойчивости по сравнению с системой на базе известного регулятора, характеризуется незначительными колебаниями регулируемой величины относительно заданного значения и меньшим числом колебаний. Максимальное динамическое отклонение при внешнем скачкообразном входном воздействии на объект уменьшается в 1.25 раза, степень затухания увеличивается в 1.35 раза, время переходного процесса уменьшается в 3.33 раза, в то время как число колебаний в системе с обычным регулятором превышает 10. Переходные процессы в системе, вызванные дополнительным задающим воздействием импульсного типа, показали сохранение значительных колебаний в обычной системе и существенную длительность переходного процесса в ней: время переходного процесса в 4.3 раза превышает время в системе с предлагаемым регулятором, степень затухания уменьшается в 1.68 раза, колебательность увеличивается, что в целом характеризует уменьшение области устойчивости.

Формула изобретения

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, содержащий последовательно соединенные блок сравнения, первый блок умножения, первый пропорциональный блок, первый сумматор, первый ограничитель, второй сумматор, второй ограничитель и элемент ИЛИ, а также последовательно соединенные ключ, первый интегратор, третий ограничитель, подключенный ко вторым входам второго сумматора и элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа, блок выделения модуля, соединенный с первым блоком умножения, и дифференциатор, подключенные к выходу блока сравнения, блок задания, включающий последовательно соединенные третий сумматор, второй интегратор, подключенный к входу третьего сумматора и блоку сравнения, отличающийся тем, что он содержит второй блок умножения и последовательно соединенные нелинейный блок с зоной нечувствительности, второй пропорциональный блок и четвертый ограничитель, выход которого подключен к одному из входов первого сумматора, другой вход которого соединен с выходом второго блока умножения, один вход которого подключен к выходу дифференциатора, а другой - к выходу блока выделения модуля, выход блока сравнения подключен к входам нелинейного блока с зоной нечувствительности и блока выделения модуля, вход ключа соединен с выходом первого блока умножения.

РИСУНКИ

Рисунок 1