Регулятор с релейной характеристикой

Регулятор относится к области средств автоматизации и может применяться в системах управления динамическими объектами в химической промышленности, теплотехнике, приборостроении. Устройство содержит индикатор экстремумов, релейный блок, сумматор, переключатель, нуль-орган и является двухпозиционным регулятором с переменным гистерезисом, величина которого поставлена в линейную зависимость от амплитуды автоколебаний регулируемой координаты. Особенность регулятора заключается в том, что гистерезис в нем может быть как положительным, так и отрицательным. Технический результат - расширение функциональных возможностей и возможность изменять амплитуду и частоту автоколебаний в широких пределах при его использовании в системах управления. 4 ил.

 

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

Регуляторы с релейной характеристикой (релейные регуляторы) широко распространены в технике (см., например, Бесекрский В.А., Попов Е.П. Теория автоматического управления. СПб.: Профессия, 2003. - С.491-501, 533-542). Известны также регуляторы с релейными характеристиками, работающие по принципу "включено-выключено" и имеющие положительный или отрицательный гистерезис (см., например, а.с. СССР № 631864, № 1418648, № 1585778). Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является регулятор с релейной характеристикой по а.с. СССР № 631864. Опубл. БИ 1978, № 40.

Регулятор-прототип содержит индикатор экстремумов, нуль-орган, релейный блок и сумматор и является релейным двухпозиционным регулятором с отрицательным гистерезисом, величина которого поставлена в линейную зависимость от амплитуды автоколебаний. Особенность его заключается в том, что переключения регулятора происходят или с опережением (с "недоходом") по отношению к сигналу на втором входе регулятора (сигналу "задания"), или в момент равенства сигналов на первом и втором входах регулятора ("переменной" и "задания"). Моменты переключения определяются настройкой регулятора. Как показывает анализ, инверсное значение комплексного коэффициента усиления этого регулятора, полученное методом гармонической линеаризации, есть луч, выходящий из начала координат во втором квадранте комплексной плоскости, который способен поворачиваться на 90 градусов при изменении настроек регулятора (только во втором квадранте).

Уравнение регулятора (закон управления, реализованный в регуляторе прототипе) имеет вид

u=В·sign(M),

где M=(1-k)X_H+kX_Э-X,

k - постоянный коэффициент, меньший единицы (0≤k<1),

Х_Э - экстремальные значения регулируемой координаты, равные ее максимуму или минимуму,

Х_Н - задание (заданное номинальное значение регулируемой координаты Х (переменной)),

sign - знаковая функция, равная +1 или -1 в зависимости от знака функции М,

В - величина управляющего воздействия ("полка" реле).

При k=0 регулятор-прототип превращается в регулятор типа "идеальное реле", в остальных случаях - это регулятор с отрицательным гистерезисом.

Существует также класс двухпозиционных релейных регуляторов с положительным гистерезисом, переключение управления в которых всегда происходит с запаздыванием по отношению к заданному номинальному значению регулируемой координаты, а его динамическая характеристика (инверсное значение комплексного коэффициента усиления со знаком минус) располагается в третьем квадранте комплексной плоскости.

Недостаток регулятора-прототипа (так и релейных регуляторов с положительным гистерезисом) заключается в его неуниверсальности - он не может перенастраиваться, оставаясь в рамках одной конструкции, и обеспечивать реализацию управления как с опережением, так и с запаздыванием переключений относительно задания, что сужает область его применения..

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей регулятора, которое заключается в его универсализации, - возможности функционировать как в качестве регулятора с положительным, так и с отрицательным гистерезисом.

Технический результат достигается тем, что в регулятор с релейной характеристикой, содержащий релейный блок, нуль-орган, сумматор, индикатор экстремумов, выходы которого соединены с входами релейного блока, а выход релейного блока связан с первым входом сумматора, первый вход регулятора подключен к входу индикатора экстремумов и первому входу нуль-органа, а второй вход сумматора подсоединен к второму входу регулятора, дополнительно введен переключатель, первый информационный вход которого соединен с выходом сумматора, второй информационный вход связан с вторым входом регулятора, а управляющий вход - с третьим входом регулятора, первый выход переключателя соединен с первым прямым входом нуль-органа, второй выход переключателя связан со вторым инверсным входом нуль-органа, третий выход переключателя соединен с первым и вторым прямыми входами нуль-органа.

Регулятор изображен на фиг.1, где представлена его блок-схема; фиг.2 иллюстрирует пример конкретного выполнения регулятора на пневматических элементах УСЭППА,

Регулятор (фиг.1) содержит индикатор экстремумов 1, нуль-орган 2, релейный блок 3, сумматор 4, переключатель 5, повторители-усилители 6, 7 (см. фиг.3), пневмоемкость 8, реле 9, элемент 10 сравнения, элементы 11, 12 запоминания максимума и минимума, реле 13, 14, 15, Х - регулируемая координата, Х_Н - сигнал задания, U - выход регулятора, Z - дискретный управляющий сигнал "0" или "1", изменяющий состояние переключателя 5.

Первый вход регулятора (переменная - X) соединен с входами индикатора экстремумов 1 и первым входом (инверсным) нуль-органа 2, а второй вход регулятора Х_Н связан с первым информационным входом переключателя 5 и вторым входом сумматора 4, выход которого соединен с вторым информационным входом переключателя 5, третий управляющий вход которого связан с третьим входом регулятора (Z), выходы индикатора экстремумов соединены с входами релейного блока 3, выход которого соединен с первым входом сумматора 4, первый выход переключателя соединен с первым прямым входом нуль-органа 2, второй выход переключателя 5 связан со вторым инверсным входом нуль-органа 2, третий выход переключателя 5 соединен с первым и вторым прямыми входами нуль-органа 2. а выход нуль-органа 2 связан с выходом регулятора (U).

Подобное соединение элементов позволяет реализовать следующий закон управления:

где

что позволяет в одной конструкции реализовать законы управления как с отрицательным, так и положительным переменным гистерезисом, чем и достигается заявленный технический результат.

Рассмотрим работу отдельных элементов регулятора и устройства в целом.

Индикатор 1 экстремумов (А.С. 482757 БИ 1975, № 32) работает следующим образом. При изменении регулируемой координаты, например, в сторону уменьшения, на выходе элемента 11 запоминается сигнал Х_макс при X<(X_макс+a), где а - величина сдвига, настраиваемая в элементе 11 запоминания, элемент 10 срабатывает и отключает элемент запоминания 11, закрыв верхний контакт реле 9, а выход элемента запоминания 12 через другой контакт реле 9 соединяется с вторым входом элемента 10 сравнения. При дальнейшем уменьшении сигнала выходной сигнал элемента 10 сравнения не изменяется. С увеличением входного сигнала на выходе элемента 12 запоминания запоминается Х_мин, элемент 10 сравнения принимает исходное положение, а второй вход элемента 10 сравнения вновь соединяется с выходом элемента 11 запоминания максимума. Повторители 6 и 7 обеспечивают гальваническую развязку сигналов Х_макс, Х_мин. Пневмоемкость 8 обеспечивает сохранение сигналов при переключениях реле 9.

Релейный блок 3 (двухконтактное реле) обеспечивает коммутацию Х_макс, Х_мин по команде с выхода элемента 10 сравнения на вход сумматора 4. Последний выполнен по схеме дроссельного сумматора. Его выход равен (1-k)X_Н+kX_Э, где k=d/(d+b), d и b - проводимости дросселей сумматора, Х_Н и Х_Э - сигналы, действующие на входах сумматора 4.

Переключатель 5 построен с использованием трех реле 13, 14, 15 и работает следующим образом. Пока сигнал Z=0, на прямой вход нуль-органа 2 через открытые контакты реле 13 и 15 проходит сигнал с выхода сумматора 4. Одновременно этот же сигнал связан с нижней камерой реле 14, отсеченной от сигнала Х_Н закрытым контактом реле 14. В результате заявляемый регулятор ничем не отличается от регулятора-прототипа (с той лишь разницей, что на его выходе величина управляющего сигнала принимает значение "1" и "0" при изменении знака функции переключения). В нем реализуется закон управления (1) с функцией переключения (2). Если сигнал Z=1, то срабатывают реле 13, 14 и 15. В результате выходной сигнал сумматора 4 теперь через нижний контакт реле 13 соединяется с инверсным входом нуль-органа 2, а сигнал со второго входа регулятора (Х_Н) через нижние контакты реле 14 и реле 15 подается на прямые входы нуль-органа 2. В результате в регуляторе реализуется управление (1) с функцией переключения (3). Действительно выход нуль-органа теперь определяется алгебраической суммой четырех сигналов

М=Х_Н-((1-k)X_Н+kX_Э)+Х_Н-X=(1+k)X_Н-kX_Э-X.

Регулятор работает следующим образом при Z=0. В этом случае верхние контакты реле 13, 14 и 15 открыты и на прямой вход нуль-органа коммутируется сигнал с выхода сумматора 4. Нижние контакты реле 14 и 15 закрыты и сигнал задания Х_Н не имеет доступа ко входам нуль-органа 2.

При изменении сигнала Х (переменной) от нуля в сторону сигнала задания Х_Н в индикаторе 1 экстремумов запоминается сигнал Х_мин=0, который коммутируется через повторитель 6 и реле 3, переключаемое элементом сравнения 10, на первый вход сумматора 4, на втором входе которого действует сигнал Х_Н. На выходе нуль-органа 2 сигнал "1", так как на его первом (прямом) входе сигнал (1-k)X_Н, а на втором (инверсном) - Х=0 (фиг.2). Как только регулируемая координата достигнет величины (1-k)X_Н, выходной сигнал нуль-органа 2 становится равным "0" (происходит первое переключение). Дальнейшее нарастание сигнала регулируемой координаты Х до величины Х=Х_мах>X_Н никаких изменений в регуляторе не производит. В момент появления Х_мах выходной сигнал сумматора 4 становится равным величине (1-k)X_Н+kX_мах, который по-прежнему меньше сигнала Х=Х_мах (Действительно, если, например, k=0,2, X_max=0,7, X_H=0,5, то после подстановки чисел в уравнение (2) величина М=-0,04). Как только переменная Х достигнет величины сигнала (1-k)X_H+kX_max (для приведенных цифр эта величина равна 0,54, что больше величины Х_Н), происходит вновь переключение нуль-органа 2 (U=1) с опережением по отношению к заданию Х_Н=0,5. После появления сигнала Х=Х_мин<Х_Н в регуляторе также не происходит никаких изменений. Когда же величина входного сигнала Х достигнет значения (1-k)X_Н+kX_мин, произойдет вновь переключение. (Действительно, если, например, Х_мин=0,4, то переключение произойдет при значении сигнала переменной Х=0,48 (вновь с опережением по отношению к сигналу Х_Н=0,5)).

Если же после первого переключения нуль-органа 2 X_мах окажется меньше сигнала Х_Н, например 0,3 для приведенных выше значений сигналов, то выходной сигнал нуль-органа 2 реверсируется, что легко проверить подстановкой цифровых значений сигналов в выражение (2). В этом случае М=0,16>0, и выходной сигнал нуль-органа 2 вновь становится равным "1". Подобные переключения имеют место при появлении сигнала Х_мин>Х_Н. Далее цикл повторяется. Понятно, что моменты переключения не являются раз навсегда фиксированными - их положение определяется значением коэффициента k и экстремальными значениями переменной X.

Если сигнал Z=1, то срабатывают реле 13, 14, 15 и на прямые входы нуль-органа 2 коммутируются сигналы Х_Н через открытые нижние контакты реле 14 и 15, а выходной сигнал сумматора 4 через нижний открытый контакт реле 13 - на инверсный вход нуль-органа 2. В результате переключения нуль-органа 2 будут определяться знаком алгебраической суммы сигналов по уравнению (3) и будут происходить всегда с запаздыванием по отношению к Х_Н. Действительно, если положить конкретные числовые значения сигналов такими же, как в вышеприведенном примере, то первое переключение произойдет при значении переменной Х=(1+k)Х_Н=0,6, а второе при значении X=(1+k)Х_Н-Х_минk=0,54, то есть с запаздыванием по отношению к сигналу задания Х_Н.

Анализ динамических характеристик такого регулятора методом гармонической линеариации (мы его можем представить при необходимости по запросу экспертизы) показывает, что годограф инверсного коэффициента усиления со знаком минус при изменении коэффициента k и управляющего сигнала Z можно вращать как во втором, так и в третьем квадрантах комплексной плоскости.

Закон управления (1), реализованный в регуляторе, расширяет области его применения.

Заявляемый регулятор с релейной характеристикой по сравнению с прототипом позволяет в системах управления существенно расширить диапазоны как частоты, так и амплитуды автоколебаний и управлять этими параметрами.

Возможности такого расширения иллюстрируются результатами цифрового моделирования в среде MCAD. На фиг.3 и 4 представлены процессы изменения выходной координаты объекта с передаточной функцией на входе которого установлен заявляемый регулятор. Первый график фиг.3 получен при Z=0, k=0,95, B=0,5. Второй график фиг.4 получен при Z=1, k=0,15, В=1. Из чертежей видно, что при прочих равных условиях на выходе объекта можно изменять только настройкой коэффициента k и командой Z амплитуду и частоту автоколебаний в десятки раз.

Регулятор с релейной характеристикой, содержащий релейный блок, нуль орган, сумматор, индикатор экстремумов, выходы которого соединены с входами релейного блока, первый вход регулятора связан с входом индикатора экстремумов и первым инверсным входом нуль-органа, первый вход сумматора подсоединен к выходу релейного блока, а второй вход сумматора связан со вторым входом регулятора, отличающийся тем, что в него введен переключатель, первый информационный вход которого соединен с выходом сумматора, второй информационный вход связан со вторым входом регулятора, а управляющий вход - с третьим входом регулятора, первый выход переключателя соединен с первым прямым входом нуль-органа, второй выход переключателя связан со вторым инверсным входом нуль-органа, третий выход переключателя соединен с первым и вторым прямыми входами нуль-органа.