Регулирующее устройство
В регулирующем устройстве (1, 1') с множеством параллельно подключенных со стороны данных регулирующих модулей (4, 4'), которые со стороны выхода соединены с помощью переключающего устройства (6) с общим выходом (8) сигнала, необходимо обеспечить особенно простыми средствами и надежным способом свободное от скачка переключение между отдельными регулирующими модулями. Для этого согласно изобретению перед переключающим блоком (6) со стороны данных присоединено множество дифференцирующих звеньев (12), каждый из которых относится соответственно к одному из регулирующих модулей (4, 4'), а после него - интегрирующее звено (14). Технический результат - свободное от скачков переключение между отдельными регулирующими модулями. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение касается регулирующего устройства с множеством параллельно подключенных со стороны данных регулирующих модулей, которые со стороны выхода соединены с помощью переключающего устройства с общим выходом сигнала.
В промышленных регулирующих устройствах обычно, например, по причинам избыточности или соображениям безопасности или также для подготовки множества альтернативных процессов управления или регулирования, для предоставления сигнала регулирования предусмотрено множество параллельно соединенных со стороны данных регулирующих модулей. Эти регулирующие модули со стороны выхода соединены с помощью переключающего устройства с общим выходом сигнала, причем с помощью переключающего устройства может происходить целенаправленный выбор соответственно одного из регулирующих модулей для предоставления выходного сигнала. В зависимости от хода процесса при этом обычно задано, какой из регулирующих модулей должен быть непосредственно активен при соответствующем рабочем режиме. Также самые простые регулирующие устройства имеют обычно, по меньшей мере два таких, заданных посредством альтернативных регулирующих модулей, целенаправленно выбираемых регулирующих канала, причем может проводиться различие, например, между режимами работы «автоматическое регулирование» и «ручное регулирование». В таких случаях альтернативно автоматическому регулированию также возможно за счет целенаправленного воздействия извне предварительное задание значения за счет целенаправленного выбора канала «ручное регулирование» (называемое также управлением или регулированием «с разомкнутым контуром»). Помимо этого в пределах регулирующего устройства может быть предусмотрено большое количество альтернативных каналов регулирования, которые могут отличаться, например, относительно внутреннего хода процесса или индивидуально заданными рабочими параметрами. Наконец, даже может быть предусмотрено переключение между регулирующими модулями, которые регулируют соответственно различные переменные величины процесса.
При переключении между различными режимами работы в таком регулирующем устройстве за счет приведения в действие переключающего устройства происходит отключение со стороны сигнала соответственно непосредственно активного регулирующего модуля от выхода сигнала и выполняемое при этом соединение со стороны сигнала альтернативного регулирующего модуля с выходом сигнала. По эксплуатационным причинам тем не менее не всегда может обеспечиваться при таком переключении, что отключаемый регулирующий модуль и новый подключаемый регулирующий модуль имеют точно одинаковый выходной сигнал в момент переключения, так как ввиду возможного разнообразия протекающих в регулирующих модулях процессов могут иметь место незначительные различия сигналов. Такие различия сигналов могут быть даже сравнительно большими, так как новый подключаемый регулирующий модуль до момента переключения не находится в замкнутом контуре регулирования и имеет поэтому возможно тенденцию «дрейфовать» к позиции ограничения. Тем более возникают отклонения сигнала, если регулирующим модулям предписаны различные значения регулирования. Если при переключении между регулирующими модулями имеет место такое отклонение сигнала, то выходной сигнал при переключении испытывает так называемый скачок сигнала. Принимая во внимание эксплуатационные требования или возможные критерии стабильности, такие скачки сигнала могут быть очевидно нежелательными.
Чтобы во избежание подобных скачков сигналов при переключении между различными регулирующими модулями сделать возможным так называемое «свободное от скачков переключение», которое гарантирует отчетливо повышенную техническую надежность регулирующего устройства в целом, могут быть принципиально предусмотрены концепции отпускания или компенсации. В случае отпускания выходы отдельных регулирующих модулей не коммутируются, а передаются на выходной канал с помощью минимального или максимального звена. При подобной схеме происходит свободное от скачков переключение. Однако применение такой концепции сравнительно сильно ограничено, так как минимальный или максимальный регулирующий модуль на выходе сигнала полностью определяет правило переключения. Реализация переключения по любому желаемому правилу, которое не является ни минимальным, ни максимальным, при этом не возможна. Кроме того, концепция отпускания слишком медленна в большинстве случаев технических применений, так как «отпускаемый» регулирующий модуль должен пройти некоторый «путь» до тех пор, пока может иметь место отпускание. По этой причине именно при промышленных использованиях регулирующих устройств концепция отпускания не особенно распространена.
Альтернативно может использоваться так называемая «компенсация», которая позволяет реализовать переключение по любому критерию, образованному по так называемой «логике переключения». При такой коммутации выходной сигнал первого регулирующего модуля может при необходимости добавляться как дополнительный входной сигнал к альтернативному, подключаемому теперь регулирующему модулю, и учитываться им. Тем не менее при такой коммутации требуется взаимная дополнительная загрузка всех регулирующих модулей выходными сигналами всех других регулирующих модулей. Такая концепция по этой причине именно при параллельном включении множества регулирующих модулей имеет особенно высокую сложность, которая может приводить к особенно высоким издержкам изготовления или проектирования.
Кроме того, именно при реализации в аналоговой технике с концепцией компенсации связан тот недостаток, что во время переключения кратковременно выдается "нулевой сигнал". Таким образом, такое переключение, по меньшей мере, в аналоговом использовании не является свободным от скачков в узком смысле.
Напротив, при альтернативном использовании в цифровом выполнении каждая отдельная цепь компенсации представляет собой сигнальный контур, который не может быть мгновенным в цифровой технике. Такие сигнальные контуры в цифровой технике имеют тем не менее недостатки, так, в частности, при проектировании должна учитываться не только правильность коммутирования, но и изменение во времени компенсационного сигнала. Эта проблема может осложняться еще больше, если используется множество процессоров, которые работают асинхронно относительно друг друга. Именно в сложных регулирующих системах эта концепция является, таким образом, также только ограниченно применимой.
Поэтому в основе изобретения лежит задача создания регулирующего устройства вышеупомянутого вида, которое особенно простыми средствами и надежным способом обеспечивает свободное от скачков переключение между отдельными регулирующими модулями. Кроме того, необходимо создать подходящий способ эксплуатации подобного регулирующего устройства.
В отношении регулирующего устройства это задача согласно изобретению решается так, что перед переключающим устройством со стороны данных включено множество дифференцирующих звеньев, соответственно относящихся к регулирующим модулям, а после него - интегрирующее звено.
При этом регулирующее устройство выполнено таким образом, что выходные сигналы отдельных регулирующих модулей сначала дифференцируются по времени, затем переключаются и после этого интегрируются по времени, чтобы образовать выходной сигнал. При этом изобретение исходит из того, что при особенно просто поддерживаемой концепции свободного от скачков переключения нужно избегать продолжительной перекрестной компенсации между отдельными регулирующими модулями с целью предотвращения скачков сигнала. Вместо этого выходные сигналы регулирующих модулей должны обрабатываться таким образом, что вместо возможных собственных выходных сигналов с индивидуальными отклонениями или скачками скорее должна использоваться общая систематика по всем параллельно соединенным регулирующим модулям. Для этого сначала из поступающих от регулирующих модулей выходных сигналов формируется производная по времени, которая на основании общей систематики для всех каналов регулирования должна иметь сопоставимый характер. На основании этой производной по времени собственных сигналов может затем осуществляться переключение, причем после переключения за счет образования интеграла по времени восстанавливается собственно выходной сигнал. Эффект дифференцирования и последующего интегрирования при том, по существу, взаимно уничтожаются, причем выходной сигнал при переключении не испытывает скачка, так как коммутируется не сам сигнал, а его производная. Отклонения между отдельными каналами регулирования или регуляторами могут привести при таком переключении во всяком случае к неустойчивости производной по времени выходного сигнала, которая тем не менее не приведет к неустойчивости собственно сигнала.
При таком выполнении регулирующего устройства каждому регулирующему модулю может соответствовать индивидуальное, отдельно поддерживаемое дифференцирующее звено. Предпочтительно, однако, встраивать одно или каждое из дифференцирующих звеньев в соответственно относящийся к нему регулирующий модуль. Тем самым регулирующий модуль, включая относящееся к нему дифференцирующее звено, может использоваться в виде модульной конструкции как отдельный компонент и в случае необходимости непосредственно соединяться со следующим переключающим устройством.
Именно в случае широко распространенного PI-регулятора (пропорционально-интегрального регулятора) в качестве регулирующего модуля может при этом предпочтительно снабженный дифференцирующим звеном регулирующий модуль, с одной стороны, иметь снабженную пропорциональным звеном пропорциональную цепь, и, с другой стороны, снабженную дифференциальным звеном дифференциальную цепь, которая связана со стороны выхода с общим суммирующим звеном. В такой форме выполнения в регулирующем модуле таким образом формируется сумма из пропорциональной составляющей и из дифференциальной составляющей регулирующего сигнала. При следующем за переключением интегрировании сигнала таким образом в качестве выходного сигнала возникает сигнал с интегральной составляющей (образованной из ранее содержащейся пропорциональной составляющей) и пропорциональной составляющей (образованной из ранее определенной дифференциальной составляющей), так что сохраняются обычные характеристики выходного сигнала PI-регулятора.
В отношении способа упомянутая задача решается так, что в качестве входного сигнала на переключающее устройство подается один дифференциальный сигнал, характерный для производной по времени выходного сигнала регулирующего модуля, из которого со стороны выхода переключающего устройства формируется за счет интегрирования по времени выходной сигнал регулирующего устройства.
Предпочтительно дифференциальный сигнал формируется за счет производной по времени выходного сигнала регулирующего модуля. В альтернативной предпочтительной форме выполнения, в частности для моделирования PI-регулятора, дифференциальный сигнал формируется за счет суммирования первой составляющей сигнала регулятора, образованного производной по времени регулирующего сигнала, и второй составляющей сигнала, пропорциональной регулирующему сигналу.
Преимущества, достигнутые за счет изобретения, состоят, в частности, в том, что формируется, по существу, неизменный выходной сигнал за счет дифференцирования по времени регулирующего сигнала с последующим интегрированием по времени до конечного результата, при котором взаимно нейтрализуются дифференцирование и интегрирование. За счет переключения, выполняемого между дифференцированием по времени и интегрированием по времени, становится возможным надежно избежать скачка сигнала при переключении, так как коммутируется не сигнал, а его производная. Таким образом возможно особенно простыми средствами и без дополнительной сложности при коммутации регулирующих модулей фактически свободное от скачков переключение между регулирующими модулями. Ввиду сравнительно просто поддерживаемой концепции, не существует никаких дальнейших ограничений относительно типа использованных регулирующих модулей или критерия переключения. В частности, не требуется снабжать регулирующие модули функцией компенсации. Кроме того, при принципиально быстродействующей структуре схемы регулирования, не требуется никаких сигнальных контуров в коммутации, причем в качестве регулирующих модулей могут использоваться любые линейные, нелинейные и/или адаптивные регуляторы.
Пример выполнения изобретения подробнее объясняется с помощью чертежей, на которых показано:
фиг.1 - регулирующее устройство,
фиг.2a, 2b - соответствующее схематичное представление регулирующего модуля,
фиг.3 - альтернативная форма выполнения регулирующего устройства.
Одинаковые элементы во всех чертежах имеют те же обозначения.
Регулирующее устройство 1 согласно фиг.1 в виде многоканальной конструкции, при которой несколько каналов 2 регулирования со стороны данных подключены параллельно, включает в себя множество регулирующих модулей 4, которые со стороны данных подключены параллельно, а со стороны выхода связаны с помощью переключающего устройства 6 с общим выходом 8 сигнала. При этом переключающее устройство 6 управляется логической переключательной схемой 10. Ввиду многоканальной структуры, регулирующее устройство подходит, в частности, для промышленных применений, в которых должен быть активным, в зависимости от потребности и/или от режима работы, попеременно соответственно один из регулирующих модулей 4. При этом может быть предусмотрено, например, что один из регулирующих модулей 4 должен быть выполнен в виде ручного средства регулирования (называемого также управлением или регулированием «в разомкнутом контуре») для ручного воздействия извне, причем остальные регулирующие модули 4 могут быть выполнены в расчете на автоматический процесс управления, при необходимости с отличающимся друг от друга динамическими характеристиками или т.п.
Регулирующее устройство 1 выполнено с учетом особенно высокой надежности эксплуатации и производственной стабильности. При этом, в частности, учитывая, что регулирующие модули 4 на основании внутренних свойств или на основании различных регулируемых величин и функции регулирования или на основании факта, что не находящийся в рабочем состоянии регулятор обладает тенденцией к «уходу», на их выходах могли бы формироваться более или менее сильно отличающиеся друг от друга выходные сигналы. Вследствие этого при непосредственном переключении между отдельными каналами 2 регулирования или регуляторами могли бы иметь место более или менее сильно выраженные скачки сигнала на выходе 8 сигнала. Чтобы избежать таких нежелательных скачков сигнала, которые могли бы приводить, например, к возникновению нежелательных или недопустимых колебаний в контуре регулирования, регулирующее устройство 1 выполнено для обеспечения так называемого свободного от скачка переключения, при котором именно такие скачки сигнала должны быть исключены.
Чтобы достигнуть этого особенно простыми средствами, в регулирующем устройстве 1 каждый канал 2 регулирования имеет соответственно дифференцирующее звено 12, которое относится к соответствующему регулирующему модулю 4 и со стороны данных включен между ним и переключающим устройством 6. Дополнительно за переключающим устройством 6 со стороны данных подключено интегрирующее звено 14.
В такой схеме при работе регулирующего устройства 1 выданный соответствующим регулирующим модулем 4 в каждый канал 2 регулирования выходной сигнал RA сначала дифференцируется по времени дифференцирующим звеном 12 и преобразуется при этом в дифференцированный сигнал D. Дифференцированный сигнал D подается затем на переключающее устройство 6, где при необходимости может осуществляться переключение между отдельными каналами 2 регулирования. Переключающее устройство 6 каждый раз передает дальше со стороны выхода этот подведенный дифференцированный сигнал D от выбранного в качестве активного канала 2 регулирования. Затем этот переданный дифференцированный сигнал D интегрируется по времени в подсоединенном интегрирующем звене 14. Результатом этой операции является выходной сигнал 8 в виде выходного сигнала A. При таком режиме работы регулирующего устройства 1 дифференцирование и последующее интегрирование выходного сигнала RA соответствующего регулирующего модуля 4 взаимно нейтрализуются, так что полученный от регулирующего устройства 1 выходной сигнал A остается за счет этих операций, по существу, неизменным. Разумеется, переключение между каналами 2 регулирования происходит в переключающем устройстве 6 не на собственно выходном сигнале RA регулирующего модуля 4, а на производной по времени представленного дифференцированного сигнала D. Вместе с тем отклонения в выходных сигналах RA регулирующих модулей 4 не отражаются друг на друге, и выходной сигнал A не испытывает скачка при переключении. Тем самым переключение является свободным от скачков в узком смысле.
Концепция, базирующаяся на переключении производной по времени выходного сигнала RA регулирующего модуля 4 с происходящим после переключения интегрированием по времени, не вызывает принципиально никаких ограничений относительно типа используемых регуляторов или критериев переключения. В частности, не требуется, чтобы переключаемые регулирующие модули 4 имели функцию компенсации или подобную ей функцию. В частности, широко распространенные регуляторы типа P (пропорциональные), I (интегральные), PI, PD (пропорционально-дифференциальные), PID или также любые линейные, нелинейные или адаптивные регуляторы при особенно незначительных рабочих и конструктивных издержках могут переключаться без скачков, не требуя использования контуров сигнала. Не требуется также, чтобы регуляторы, между которыми происходит переключение, были одного типа. Напротив они могли бы регулировать даже соответственно различные величины процесса или регулируемые величины. Например, один из регуляторов мог бы быть регулятором тока, а другой регулятор - регулятором напряжения.
Регулирующие модули 4 могут представлять собой PI-регулятор (пропорционально-интегральный), как схематично показано для примера на фиг.2a. При этом регулирующий модуль 4 имеет пропорциональный канал 20 и подключенный со стороны данных параллельно ему интегральный канал 22, в который включено интегрирующее звено 24. Со стороны выхода пропорциональный канал 20 и интегральный канал 22 связаны с общим суммирующим элементом 26, в котором формируется сумма обоих составляющих сигналов. К нему со стороны выхода подсоединен дифференцирующий элемент 12, который, в свою очередь, со стороны выхода, который обозначен узлом 28 переключения, связан с переключающим устройством 6. При соответствующей "активной" установке в переключающем устройстве 6 образованный тем самым канал 2 регулирования связан с подсоединенным интегрирующим звеном 14. В структуре согласно фиг.2a сформированный по традиционному PI-типу регулирующий модуль 4 связан с, по существу, отдельным дифференцирующим звеном 12 для образования соответствующего канала 2 регулирования.
Может обеспечиваться равноценная относительно свойств автоматического регулирования система, причем дифференцирующее звено 12 встроено в соответственно присоединенный к ней регулирующий модуль 4. Пример выполнения такой установки представлен на фиг.2b посредством PI-регулятора. При этом снабженный дифференцирующим звеном 12 регулирующий модуль 4, с одной стороны, имеет одну пропорциональную цепь 32 с пропорциональным звеном 30 и, с другой стороны, одну дифференциальную цепь 34 с дифференцирующим звеном 12. Пропорциональная 32 и дифференциальная 34 цепи связаны со стороны выхода с общим суммирующим звеном 36. В этом выполнении характеристический дифференциальный сигнал D для производной по времени выходного сигнала RA регулирующего модуля 4 формируется путем суммирования первой составляющей сигнала S1, образованной производной по времени регулирующего сигнала, и второй составляющей сигнала S2, пропорциональной регулирующему сигналу. Таким образом, выданный дифференциальный сигнал D подводится, соответственно вышеописанному выполнению, к переключающему устройству 6, характеризующемуся узлом 28 переключения, и передается, в зависимости от потребностей и режима работы, к подсоединенному интегрирующему звену 14.
Пример выполнения для одного из таких регулирующих устройств 1', образованного регулирующим модулем 4, снабженного соответственно уже встроенным дифференцирующим звеном, показан на фиг.3. При сохранении концепции, что переключение между каналами регулирования или регуляторами должно происходить относительно производной собственно регулирующего сигнала, причем предусмотрено последующее интегрирование по времени, в этой форме выполнения регулирующие модули 4', выдающие дифференциальный сигнал D в качестве выходного сигнала, связаны непосредственно с переключающим устройством 6. К нему снова подсоединено интегрирующее звено 14 для формирования собственно выходного сигнала A.
Список обозначений
| 1, 1' | Регулирующее устройство |
| 2 | Каналы регулирования |
| 4, 4' | Регулирующие модули |
| 6 | Переключающее устройство |
| 8 | Выходной сигнал |
| 10 | Блок логического переключения |
| 12 | Дифференцирующее звено |
| 14 | Интегрирующее звено |
| 20 | Пропорциональный канал |
| 22 | Интегральный канал |
| 24 | Интегрирующее звено |
| 26 | Суммирующее звено |
| 28 | Узел переключения |
| 30 | Пропорциональное звено |
| 32 | Пропорциональная цепь |
| 34 | Дифференциальная цепь |
| 36 | Суммирующий элемент |
| А | Выходной сигнал |
| D | Дифференциальный сигнал |
| RA | Выходной сигнал |
| S1,S2 | Составляющие сигнала |
1. Регулирующее устройство (1, 1') с множеством параллельно подключенных со стороны данных регулирующих модулей (4, 4'), которые со стороны выхода соединены с помощью переключающего устройства (6) с общим выходом (8) сигнала, причем перед переключающим устройством (6) со стороны данных подключено множество дифференцирующих звеньев (12), каждое из которых соответственно относится к одному из регулирующих модулей (4, 4'), а после него - интегрирующее звено (14).
2. Регулирующее устройство (1, 1') по п.1, в котором одно или каждое из дифференцирующих звеньев (12) встроено в соответствующий ему регулирующий модуль (4, 4').
3. Регулирующее устройство (1, 1') по п.2, в котором, по меньшей мере, один регулирующий модуль (4, 4'), снабженный одним дифференцирующим звеном (12), с одной стороны, имеет пропорциональную цепь (32), содержащую пропорциональное звено (30), и, с другой стороны, имеет содержащую дифференцирующее звено (12) дифференциальную цепь (34), которая со стороны выхода связана с общим суммирующим звеном (26).
4. Способ приведения в действие регулирующего устройства (1, 1') с множеством параллельно подключенных со стороны данных регулирующих модулей (4, 4'), которые со стороны выхода соединены с помощью переключающего устройства (6) с общим выходом (8) сигнала, при котором на переключающее устройство (6) в качестве входного сигнала подают дифференциальный сигнал (D), являющийся производной по времени от выходного сигнала (RA) регулирующего модуля (4, 4'), из которого на стороне выхода переключающего устройства (6) за счет интегрирования по времени вырабатывают выходной сигнал (А) регулирующего устройства (1, 1').
5. Способ по п.4, в котором дифференциальный сигнал (D) формируют суммированием первой составляющей сигнала (S1), образованной производной по времени от регулирующего сигнала, и второй составляющей сигнала, пропорциональной регулирующему сигналу (S2).
