Адаптивный релейный регулятор

Изобретение относится к области средств автоматизации динамических объектов и может быть использовано в релейных регуляторах с отрицательным гистерезисом с зоной нечувствительности, величина которой регулируется и одновременно детерминирует предельно допустимую амплитуду автоколебаний в системе путем автоматического изменения величины выходного сигнала регулятора. Техническим результатом является повышение точности управления в условиях действия сигнальных и параметрических возмущений. Адаптивный релейный регулятор содержит блоки: релейный, интегрирующий, выделения модуля сигнала, нуль-орган, индикатор экстремумов, сумматор, источники уровней постоянных сигналов, коммутирующие элементы и предназначен для работы в системах, подверженных как сигнальным, так параметрическим воздействиям. Регулятор может быть выполнен на пневматических элементах. 3 ил.

 

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для управления динамическими объектами в химической промышленности, теплотехнике и др.

Релейные регуляторы широко распространены в технике. Известен регулятор с релейной характеристикой с настраиваемой зоной возврата, работающий по принципу «включено-выключено» (см., например, а.с. СССР №341011, кл. G 05 В 11/54). Недостаток регулятора - в сложности ручной настройки и снижении качества управления в системе, подверженной действию как сигнальных, так и параметрических возмущений.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является регулятор с релейной характеристикой по а.с. СССР №1418648. Опубл. 23.08.88. Бюл. №31. Регулятор-прототип содержит индикатор экстремумов, нуль-орган, релейный блок, сумматор, формирователь сигнала отклонений, первый, второй и третий источники входных сигналов, коммутирующие элементы.

Регулятор-прототип является релейным трехпозиционным регулятором с отрицательным гистерезисом и зоной нечувствительности и обладает адаптивными свойствами, поскольку величина гистерезиса является переменной, изменяющейся в линейной зависимости от амплитуды автоколебаний. Этот процесс можно рассматривать как процесс приспособления регулятора к сигнальным возмущениям. Особенность регулятора заключается в том, что переключения управления при его использовании в системах автоматического управления происходят всегда с опережением по отношению к зоне нечувствительности (с «недоходом» регулируемой координаты до зоны нечувствительности), настройкой величины которой можно обеспечить «срыв» (отсутствие) автоколебаний в системе. Точность управления обычно определяется величиной амплитуды автоколебаний. Для обеспечения «срыва» автоколебаний величина зоны нечувствительности при этом должна быть не меньше амплитуды автоколебаний в установившемся режиме работы системы.

Недостаток регулятора заключается в том, что его применение в системах с обеспечением «срыва» автоколебаний (а именно для этого он и предназначен) требует ручной настройки величины зоны нечувствительности. В реально функционирующих системах заранее эта настройка обычно неизвестна, и при заданной постоянной величине управляющего воздействия она может оказаться достаточно большой. В результате точность управления может выходить за рамки допустимых ограничений. Кроме того, данный регулятор не приспособлен к работе в системах, функционирующих в условиях действия параметрических возмущений, что также приводит к снижению точности.

Техническим результатом изобретения является повышение точности управления в условиях действия как сигнальных, так и параметрических возмущений.

Технический результат достигается тем, что в адаптивный релейный регулятор, содержащий индикатор экстремумов, релейный блок, блок индикации отклонений входного сигнала, первый и второй коммутирующие элементы, три источника уровней постоянного входного сигнала, выходы первого и второго источников постоянных сигналов соединены с информационными входами первого коммутирующего элемента, а его управляющий вход связан с выходом нуль-органа, первый вход которого соединен с выходом сумматора, а второй его вход связан с входом индикатора экстремумов и с первыми входами регулятора и блока индикации отклонений, второй вход которого соединен со вторым входом регулятора, информационные и управляющий выходы индикатора экстремумов соединены соответственно с информационными и управляющим входами релейного блока, информационный выход блока индикации отклонений соединен со вторым входом сумматора, а управляющий выход - с управляющим входом второго коммутирующего элемента, второй информационный вход которого соединен с третьим источником постоянного сигнала, а выход подключен к выходу регулятора, введены четвертый источник постоянного сигнала, интегрирующий блок, усилитель, блок выделения модуля сигнала, первый вход которого связан с выходом релейного блока, второй вход - со вторым входом регулятора, а выход - с первым входом интегрирующего блока, второй вход которого соединен с выходом четвертого источника постоянного сигнала и третьим входом блока индикации отклонений, выходы интегрирующего блока соединены с первым и вторым входами усилителя, третий вход которого связан с выходом первого коммутирующего элемента, а выход усилителя подключен к информационному первому входу второго коммутирующего элемента.

На фиг.1 изображена схема регулятора, на фиг.2 - пример конкретного выполнения предлагаемого регулятора на пневматических элементах. Фиг.3 иллюстрирует работу регулятора.

Регулятор содержит (фиг.1) индикатор экстремумов 1, нуль-орган 2, релейный блок 3. сумматор 4, блок индикации отклонений 5, коммутирующие элементы - первый 6 и второй 7, первый 8 и второй 9 задатчики уровней выходного сигнала, четвертый источник постоянного сигнала 10, интегрирующий блок 11, блок выделения модуля 12, усилитель 13. х, x₀, U, у₀ - обозначены каналы соответственно регулируемой координаты (первый вход регулятора), задания (второй вход), выходного сигнала и третьего уровня выходного сигнала.

Первый вход регулятора (переменная - х) соединен с входами индикатора экстремумов 1 и первыми входами нуль-органа 2 и блока индикации отклонений 5, а второй вход регулятора x₀ связан с первым входом блока 12 выделения модуля и со вторым входом блока индикации отклонений 5, информационный выход которого соединен со вторым входом сумматора 4, а управляющий (дискретный) выход - с управляющим входом второго коммутирующего элемента 7, информационные и управляющий выходы индикатора экстремумов 1 соединены соответственно с информационными и управляющим входами релейного блока 3, выход которого соединен с первым входом сумматора 4 и вторым входом блока 12 выделения модуля входного сигнала. Выход последнего соединен с первым входом интегрирующего блока 11, второй вход которого связан с выходом четвертого источника постоянного сигнала 10 и вторым входом блока индикации отклонений 5. Второй вход нуль-органа 2 соединен с выходом сумматора 4, а выход - с управляющими входами первого коммутирующего элемента 6 и интегрирующего блока 11. Управляющий выход блока 5 индикации отклонений связан с управляющим входом второго коммутирующего элемента 7, информационные входы которого соединены с каналом третьего уровня выходного сигнала y₀ и с выходом усилителя 13, а выход соединен с выходом регулятора u. Входы усилителя 13 связаны с выходами интегрирующего блока 11.

Подобное соединение позволяет реализовать в регуляторе следующий закон управления:

u=

y₀, при xB>x>хН,

где

хН=x₀-z,

хВ=х₀+z.

z - величина зоны нечувствительности, формируемая четвертым источником постоянного сигнала 10,

х - регулируемая координата (первый вход регулятора),

хе - экстремальные значения регулируемой координаты х, равные ее максимуму или минимуму,

x₀ - задание (заданное номинальное значение регулируемой координаты,

х, второй вход регулятора),

∨ - знак дизъюнкции.

y₀, y₁, y₂ - уровни постоянных сигналов,

Sign - знаковая функция, принимающая значения +1, если функция М≥0, и 0, если - иначе.

Уровни постоянных сигналов у₁, у₂ формируются источниками постоянных сигналов 9 и 8, а сигнал В1 - усилителем 13 с использованием выходных сигнала интегрирующего блока 11.

Из приведенных соотношений видно, что здесь, в отличие от регулятора-прототипа, половина ширины зоны нечувствительности положена равной величине z - заданному значению амплитуды автоколебаний, а управляющее воздействие - величина переменная, убывающая или возрастающая относительно заданных величин y_i, (уровни постоянных сигналов) в зависимости от того, большее или меньшее значение имеет амплитуда автоколебаний сигнала регулируемой координаты х по сравнению со своим заданным значением z.

Это позволяет обеспечить «срыв» автоколебаний автоматически на заранее заданном (источником 10) уровне путем автоматического изменения величины управляющего воздействия и таким образом исключить снижение точности поддержания регулируемой координаты в установившемся режиме работы системы, использующей заявляемый регулятор, в условиях действия как сигнальных, так и параметрических возмущений, а также и при отсутствии полной априорной информации о динамических характеристиках объекта.

Рассмотрим работу отдельных элементов регулятора и устройства в целом.

Индикатор 1 экстремумов работает следующим образом. При изменении регулируемой координаты, например, в сторону уменьшения на выходе элемента 14 запоминается сигнал х_макс при х<(х_макс+а), где α - величина сдвига, настраиваемая в элементом 14 запоминания, элемент 20 сравнения срабатывает и отключает элемент запоминания 14, закрыв верхний контакт реле 18, а выход элемента запоминания 15 через другой контакт реле 18 соединяется с вторым входом элемента 20 сравнения. При дальнейшем уменьшении сигнала выходной сигнал элемента 20 сравнения не изменяется. С увеличением входного сигнала на выходе элемента 15 запоминания запоминается х_мин, элемент 20 сравнения принимает исходное положение, а второй вход элемента 20 сравнения вновь соединяется с выходом элемента 14 запоминания максимума. Повторители 16 и 17 обеспечивают гальваническую развязку сигналов х_макс, х_мин.

Релейный блок 3 (двухконтактное реле) обеспечивает коммутацию х_макс, х_мин по команде с выхода элемента 20 сравнения на вход сумматора 4.

Последний выполнен по схеме дроссельного сумматора. Его выход равен (1-k)x1+kxe, где k=d/(d+b), d и b - проводимости дросселей сумматора (коэффициент k, как видно из этого соотношения, всегда меньше единицы), х1 и хе - сигналы, действующие на входах сумматора 4, хе - экстремальные значения сигнала регулируемой переменной х, равные х_макс или х_мин, а х1 принимает значения хН или хВ в зависимости от того, больше или нет текущее значение входного сигнала х величины x_0-z. Сигналы хН и хВ формируются в блоке 5 индикации отклонений.

Нуль-орган 2 - это элемент сравнения, включенный по схеме сравнения двух сигналов.

Первый 6 и второй 7 коммутирующие элементы - это двухконтактные реле, включенные по схеме коммутации двух сигналов.

Интегрирующий блок 11 содержит усилитель 27, пневмоемкость 28, переменный дроссель 29, усилитель 32 мощности выходного сигнала усилителя 27 и два реле 30 и 31, первое из которых служит для коммутации выходного сигнала интегратора на входы усилителя 13, а второе обеспечивает сброс из глухих камер усилителя 13 сигналов с выходов реле 30 в моменты его переключения, чтобы исключить их запоминание. Интегратор, образованный элементами 27 (усилитель), 28 (пневмоемкость), 29 (переменный дроссель) - это типовое устройство, реализующее на своем выходе сигнал где коэффициент k1 определяется размером емкости 28 и величиной проводимости дросселя 29. х_вх=|x₀-хе|-z, где первое слагаемое (модуль) - выходной сигнал, формируемый блоком 12 выделения модуля.

Блок 12 выделения модуля - типовое звено, состоящее из усилителя 33 и постоянного дросселя 34. Его выходной сигнал равен модулю разности двух сигналов, поступающих на его входы с релейного блока 3 и со второго входа регулятора. Блок выделяет величину амплитуды входного сигнала х.

Блок 5 индикации отклонений состоит из трех усилителей 22, 23, 25, двух реле 24 и 26 и элемента 21, реализующего логическую функцию «или». Усилитель 22, включенный по схеме сравнения трех сигналов x-(x₀+z)=x-хВ, формирует на своем выходе сигнал «1», когда текущее значение координаты х превысит верхнюю границу зоны нечувствительности хВ, а усилитель 23, включенный также по схеме сравнения трех сигналов (x₀-z)-х=хН-х, формирует на своем выходе сигнал «0», когда текущее значение координаты х превысит нижнюю границу зоны нечувствительности хН. Эти сигналы переключают реле 7 через элемент «или» 21, обеспечивая появление на выходе регулятора соответствующих уровней сигналов в соответствии с приведенным выше законом. Усилитель 25, включенный по схеме алгебраического суммирования сигналов x₀±z, передает свой выходной сигнал на вход сумматора 4, выход которого и обеспечивает переключения нуль-органа 2 с опережением по отношению к нижней хН или верхней хВ границам зоны нечувствительности.

Знак сигнала z формируется переключениями реле 24, путем коммутации сигнала на прямой или инверсный входы усилителя 25 по сигналу с усилителя 23. Так что до тех пор, пока хН=x₀-z≥x на выходе усилителя 25 формируется сигнал хН, поскольку сигнал z через открытый верхний контакт реле проходит на инверсный вход усилителя 25 и вычитается из величины сигнала x₀, который действует на прямом входе усилителя 25. Как только вышеприведенное неравенство нарушается, реле 24 выходным сигналом усилителя 23 переключается, и сигнал z проходит на прямой вход усилителя 25. В результате на его выходе появляется сигнал хВ. Сигнал же на инверсном входе усилителя 25 разряжается через открытый контакт реле 26, управляемое выходным сигналом усилителя 23. Реле 26, таким образом, выполняет ту же роль, что и реле 31 в блоке 11.

Усилитель 13, включенный по схеме алгебраического суммирования сигналов подобно усилителю 25, формирует на своем выходе в соответствии с законом управления сигнал

Здесь сигнал у₁ формируется первым источником постоянного сигнала 9, а сигнал у₂ - вторым источником постоянного сигнала 8. При этом величина выходного сигнала источника 8 меньше третьего (условно нулевого) уровня у₀, а величина выходного сигнала источника 9 больше уровня сигнала у₀.

Работу регулятора в целом рассмотрим с использованием фиг.3. Здесь для лучшего понимания процесса работы устройства показано, что регулируемая координата х устремляется из некоторого начального состояния под действием управления u к заданному конечному состоянию x_о, величина которого совмещена с осью времени (условный «нуль»). Здесь же указаны границы зоны нечувствительности, обозначенные хН (нижняя граница) и хВ (верхняя граница). Другая кривая показывает процесс изменения выходного сигнала регулятора и относительно третьего уровня постоянного сигнала у₀, совмещенного с x₀.

При изменении входного сигнала в сторону x₀ (фиг.3) в индикаторе запоминается х_мах=x(0). На управляющем дискретном выходе блока 5 - «1», формируемая выходным сигналом блока 22. Этот сигнал переключает реле 7 так, что его верхний контакт открыт, и к выходному каналу регулятора подключается выходной сигнал усилителя 13, величина которого складывается из разности двух сигналов: выходного сигнала реле 6 и выходного сигнала интегрирующего блока 11. При этом нижний контакт реле 6 открыт, поскольку выходной сигнал нуль-органа 2, управляющий переключениями реле 6, равен «0» Это обусловлено тем, что на инверсном входе нуль-органа 2 действует сигнал, равный х_мах, а на прямом его входе выходной сигнал сумматора 4, который складывается из суммы двух сигналов - выходного сигнала релейного блока 3, равного х_мах, и выходного сигнала усилителя 25, равного величине x₀+z=xB. Действительно, выходной сигнал усилителя 23 равен «0», поскольку х>x₀-z, и тогда через открытый нижний контакт реле 24 на первый прямой вход усилителя 25 поступает сигнал с выхода задатчика 10, равный величине z, а на его второй прямой вход подается сигнал x₀. Верхний контакт реле 26 при этом закрыт управляющим сигналом усилителя 23, поскольку на его выходе «0», а нижний контакт реле 26 открыт, и на третьем входе усилителя 25 сигнал равен «0». Таким образом, на выходе сумматора 4 формируется сигнал (1-k)xB+kx_мах, который всегда меньше х_мах. Это действительно так. Если, например, х_мах=1 относительно величины сигнала х₀=0, а хВ=0,1, то при k=0,4, например (этот коэффициент, как отмечалось раньше, всегда меньше единицы) сигнал (1-k)xB+kx_мах=(1-0.4)·0,1+0,4·1=0,46. Следовательно, на прямой вход усилителя 13 проходит сигнал с задатчика 8. Нулевой выходной сигнал нуль-органа 2 переключает реле 30 и 31, и инверсный вход усилителя 13 соединяется с первым выходом интегрирующего блока 11 через открытый контакт реле 30, а второй его выход через нижний открытый контакт реле 31 обнуляется. Таким образом, в момент включения регулятора управляющий сигнал определяется точкой 35 (фиг.3).

Одновременно в работу включаются блок выделения модуля 12 и блок интегрирования 11. Поскольку в момент включения амплитуда входного сигнала |x_мах-х_о| значительно превышает заданное значение z=0,5(хВ-хН), выходной сигнал блока выделения модуля 12 не равен нулю. Этот сигнал, поступающий на вход блока интегрирования 27, медленно изменяет его выходной сигнал, который в свою очередь через открытый контакт реле 32 увеличивает сигнал на выходе усилителя 13, который проходит на выход регулятора, так, как показано на фиг.3, поскольку состояние реле 7 не изменилось (верхний контакт его открыт). Как только сигнал х достигает величины сигнала, действующего на прямом входе нуль-органа 2 (точка 36 на фиг.3), последний срабатывает и происходит переключение выходного сигнала регулятора (фиг.3) следующим образом. Через открывшийся верхний контакт реле 6 на вход усилителя 13 проходит сигнал с выхода задатчика 9, а через открывшийся контакт реле 30 на инверсный вход усилителя 25 проходит сигнал с выхода интегрирующего блока 11. Выходной сигнал интегрирующего блока 11, действовавший до этого на прямом входе усилителя 25, разряжается через верхний контакт реле 31. Поскольку состояние реле 7 при этом не изменилось, то на выход регулятора проходит сигнал с выхода усилителя 13, как показано на фиг.3. Как только сигнал х становится равным величине сигнала хВ, срабатывает усилитель 22 и через элемент 21 «или» переключает реле 7. В результате на выход регулятора проходит сигнал у₀ через открывшийся нижний контакт реле 7 (фиг.3). Далее, когда сигнал х достигает величины нижней зоны нечувствительности хН (точка 38 на фиг.3) срабатывает усилитель 23, который своим единичным выходом переключает реле 7, 24 и 26. На выход регулятора вновь проходит сигнал с выхода усилителя 13. Этот сигнал по-прежнему уменьшается, поскольку блок интегрирования не прекращал свою работу. Далее цикл повторяется до тех пор, пока сигнал регулируемой координаты х не войдет в зону допустимых отклонений и уже не выйдет из нее.

Таким образом, регулятор работает точно в соответствии с приведенным законом управления.

Настройка заявляемого регулятора заключается в установке с помощью источника 10 необходимой величины зоны нечувствительности. Эта величина связана с требованиями к точности управления процессом и определяется допустимой величиной амплитуды автоколебаний в установившемся режиме работы. Вторая настройка связана с регулировкой коэффициента И интегратора 27 путем изменения проводимости дросселя 29 и должна обеспечивать сходимость процессов в системе. Эта настройка не должна «раскачивать» систему при действии как сигнальных, так и параметрических возмущений, точные знания о которых обычно отсутствуют. Однако и при неполной информации о возмущениях все же бывают известны два их свойства - ограниченность по модулю и ограниченность по частоте. Поэтому коэффициент k1 следует назначать с некоторым запасом, гарантирующим устойчивость управления во всем диапазоне изменения возмущений. Что касается установки коэффициента k в сумматоре 4, то здесь каких-либо жестких требований к его настройке нет. Его функция остается той же, что и в прототипе. С его помощью регулируется скорость затухания переходных процессов в системе.

Использование регулятора наиболее целесообразно в системах управления динамическими объектами, работающими в условиях действия как сигнальных, так и параметрических возмущений и для которых решающее значение имеют точность, быстродействие и минимизация расходов на управление. Кроме того, он оказывается проще в эксплуатации, поскольку необходимая точность управления задается оператором, а процедура ее обеспечения автоматизирована.

Адаптивный релейный регулятор, содержащий индикатор экстремумов, релейный блок, блок индикации отклонений входного сигнала, первый и второй коммутирующие элементы, три источника уровней постоянного входного сигнала, выходы первого и второго источников постоянного сигнала соединены с информационными входами первого коммутирующего элемента, а его управляющий вход связан с выходом нуль-органа, первый вход которого соединен с выходом сумматора, а второй его вход связан с входом индикатора экстремумов и с первыми входами регулятора и блока индикации отклонений, второй вход которого соединен со вторым входом регулятора, индикатор экстремумов своими информационными выходами связан с информационными входами релейного блока, а его управляющий выход соединен с управляющим выходом релейного блока, информационный выход блока индикации отклонений соединен со вторым входом сумматора, а управляющий его выход - с управляющим входом второго коммутирующего элемента, второй информационный вход которого соединен с третьим источником постоянного сигнала, а выход связан с выходом регулятора, отличающийся тем, что в него введены четвертый источник постоянного сигнала, интегрирующий блок, усилитель, блок выделения модуля сигнала, первый вход которого связан с выходом релейного блока, второй вход - со вторым входом регулятора, а выход - с первым входом интегрирующего блока, второй вход которого соединен с выходом четвертого источника постоянного сигнала и третьим входом блока индикации отклонений, выходы интегрирующего блока соединены с первым и вторым входами усилителя, третий вход которого связан с выходом первого коммутирующего элемента, выход усилителя подключен к первому информационному входу второго коммутирующего элемента, а управляющий вход интегратора соединен с выходом нуль-органа.