Способ расширения диапазона регулирования аср без потери устойчивости



Способ расширения диапазона регулирования аср без потери устойчивости
Способ расширения диапазона регулирования аср без потери устойчивости
Способ расширения диапазона регулирования аср без потери устойчивости
Способ расширения диапазона регулирования аср без потери устойчивости

 


Владельцы патента RU 2619746:

Зубков Евгений Витальевич (RU)
Хазиев Марат Люцерович (RU)

Изобретение относится к автоматике. Способ расширения диапазона регулирования автоматических систем регулирования без потери устойчивости включает настройку регулятора, реализующего пропорциональную и интегральную составляющие закона регулирования, при которой сигнал управляющего воздействия зависит от величины ошибки регулирования и значений коэффициентов пропорциональной и интегральной составляющих. Сигнал управляющего воздействия формируют, корректируя значения коэффициентов пропорциональной и интегральной составляющих. Корректирующие воздействия происходят в соответствии со значениями степенной функции для пропорциональной составляющей ПИ-регулятора, а интегральной составляющей - с помощью обратно пропорциональной степенной зависимости, аргументом которой является ошибка регулирования. Для каждой составляющей закона регулирования в зависимости от значения ошибки величины пропорциональной и интегральной составляющих изменяются. Расширяется диапазон регулирования АСР. 3 ил.

 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в автоматических системах регулирования (АСР) технологических параметров в машиностроении, металлургической, химической, энергетической, нефте- и газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.

Техническим результатом является расширение диапазона регулирования АСР без потери устойчивости при изменении свойств объекта регулирования и/или при появлении значительных возмущений как по нагрузке, так и по каналу регулирования. Он достигается на основе коррекции пропорциональной и интегральной составляющих регулирующего сигнала, причем корректирующие воздействия происходят в соответствии со значениями степенной функции для пропорциональной составляющей ПИ-регулятора, а интегральной составляющей - с помощью обратно пропорциональной степенной зависимости, аргументом которой является текущая ошибка регулирования.

Подавляющее большинство выпускаемых и эксплуатируемых регуляторов в АСР реализуют в своей программе ПИД-закон регулирования. Регуляторы с ПИД-законом регулирования являются по-существу единственными регуляторами, используемыми на практике в системах автоматического управления технологическими процессами. Широкое применение ПИД-закона обусловлено тем, что алгоритм их функционирования удачно имитирует работу опытного человека-оператора.

У регуляторов, выполненных на микропроцессорной основе, например Siemens серии S7, широко применяется ПИД-закон регулирования. В таких регуляторах предусматривается такая сервисная функция, как настройка их параметров по команде оператора с возможностью программного задания этих настроек.

Недостатком данных регуляторов является неизменность настроек как при больших, так и при незначительных возмущениях, что обуславливает ограниченность области устойчивой работы АСР, а показатели качества переходного процесса ухудшаются. Наиболее значительное ухудшение качества регулирования проявляется при изменении параметров объекта регулирования.

При изменении свойств объекта регулирования и при появлении значительных возмущений как по нагрузке, так и по каналу регулирования коэффициенты настройки системы должны изменяться, однако формирование управляющего воздействия регулятором остается неизменным как в установившемся, так и в переходном режимах, что приводит к увеличению колебательности, перерегулирования и времени регулирования.

Известны способы настройки параметров регулятора с идентификатором, включающие идентификацию объекта управления путем подачи на объект возмущающих воздействий определенного вида, например ступенчатых, с фиксацией реакции объекта на эти возмущения, расчет оптимальных параметров настройки регулятора по полученной динамической модели объекта и сравнение найденных параметров с уже установленными ранее, причем, если сравниваемые параметры отличаются, то устанавливают вновь найденные параметры настройки и повторно проводят идентификацию объекта, а если нет, то процесс коррекции параметров прекращают и переводят систему в рабочий режим.

Недостатком известного метода является использование моделей с недостаточным числом параметров, которые не учитывают всех свойств объекта, что приводит к установке не соответствующих объекту настроек и, как следствие, плохому качеству управления.

Известны также способы самонастройки, основанные на классическом методе Циглера-Никольса [Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum Setting for Automatic Controllers, Trans. ASME, 64, 759, (1942)] и его модификациях. Суть этих способов состоит в том, что замкнутая система вводится в колебательный режим, определяются значения критического коэффициента усиления Ккр и критического периода колебаний Ткр. Затем, в соответствии с [Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum Setting for Automatic Controllers, Trans. ASME, 64, 759, (1942)], определяются оптимальные настройки для типовых линейных регуляторов, выраженные через Ккр и Ткр:

Способы определения Ккр и Ткр могут быть различными. Критический коэффициент усиления Ккр определяется путем вывода системы на границу устойчивости [Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum Setting for Automatic Controllers, Trans. ASME, 64, 759, (1942)] при варьировании коэффициента усиления регулятора. В работах [Микропроцессорный контроллер Ремиконт-130, НИИТЕПЛОПРИБОР. - М., 1990, Семенец В.П. Способ автоматической настройки системы регулирования. Патент РФ №2002289. Бюл. №39-40. 1993] система переводится в режим двухпозиционного регулирования, при котором в системе возникают автоколебания с параметрами, используемыми для настройки регулятора. На вход объекта подается пробный гармонический сигнал с изменяемой частотой колебаний [Мазуров В.М. Самонастраивающаяся система управления. Патент РФ №2068196. Бюл. №29. 1966]. Частота колебаний выбирается так, чтобы обеспечить критическую частоту объекта, при которой фазовый сдвиг между входом и выходом равен 3.14 рад.

Недостатком этих способов самонастройки является длительность процесса идентификации, связанная со статистическим анализом нескольких периодов автоколебаний. Для повышения точности определения Ккр и Ткр может потребоваться несколько итераций, что также затягивает процесс самонастройки. Метод не подходит для объектов, динамические характеристики которых зависят от знака ошибки регулирования. К таким объектам относится, например, широкий класс тепловых объектов (печи, нагреватели, стерилизаторы и т.д.), для которых процессы нагрева и охлаждения могут иметь совершенно разные характеристики и требуют разных настроек регулятора для нагрева и охлаждения. В рассматриваемых методах параметры автоколебаний усредняются по положительным и отрицательным полуволнам и в результате определяются некоторые средние значения настроек, не соответствующие ни процессу нагрева, ни процессу охлаждения. Во всех рассматриваемых методах после определения двух параметров Ккр и Ткр используются формулы Циглера-Никольса для расчета настроек регулятора. Эти формулы носят эмпирический характер и рассчитаны на объекты с отношением τ/Т от 0 до 0,3, поэтому они не гарантируют качественное управление для объектов с большим запаздыванием. Кроме того, в случае ПИД-регулятора три настройки К, ТИ, ТД определяются всего по двум параметрам Ккр и Ткр, что указывает на неадекватность полученных настроек реальному объекту управления.

В малоинерционных объектах (относительно скорости перемещения регулирующего органа) при больших возмущениях, близких к ступенчатым, регулируемая величина изменяется достаточно быстро. Возникает ситуация, когда интегральная составляющая управляющего воздействия копится быстрее, чем регулирующий орган успевает отработать. В результате в системе возникают колебания или даже потеря устойчивости.

Известен способ коррекции систем автоматического регулирования (Патент RU 2234116 C1), в котором, при уменьшении текущей ошибки регулирования до значения, равного или меньше заданного, происходит изменение сигнала в цепи обратной связи, который формируется как произведение скорости изменения выходного параметра объекта на уменьшенный фиксированный коэффициент, что переводит переходный процесс в монотонный. Данный прием увеличивает устойчивость системы в установленных пределах отклонения стабилизируемого параметра объекта от заданного и ускоряет устранение отклонения в случае превышения им заданного значения, но ослабляет пропорциональную и дифференциальную составляющую сигнала управления, увеличивая погрешность стабилизации регулируемого параметра в установившемся состоянии.

Известен способ расширения границ устойчивой работы АСР, реализуемый при настройке регулятора по минимальному времени регулирования [Варламов И.Г. НПО "Техноконт". Каким критерием оптимизации переходных процессов в САР эффективнее пользоваться на практике? / И.Г. Варламов // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2005. - N 5. - С. 56-57].

Переходные процессы регулирования регуляторов, настроенных методом минимального времени регулирования, приобретают апериодический характер. При возмущении по «нагрузке» он характеризуется большей устойчивостью АСР. Время действия единственной полуволны (при возмущении по «нагрузке») существенно больше времени действия первой полуволны при других методах настройки. Для переходных процессов апериодического вида характерно увеличение погрешности стабилизации регулируемого параметра в установившемся состоянии.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении границ устойчивой работы АСР и сохранении допустимых показателей качества регулирования автоматической системы при изменении характеристик объекта, а также при появлении увеличенных возмущающих воздействиях на систему стабилизации регулируемой величины как при переходных процессах, так и в установившемся режиме.

Для достижения технического результата производят не общее «ослабление» настроек регулятора, а корректировку пропорциональной и интегральной составляющих сигнала управления как функции текущей ошибки регулирования в выбранной области значений от заданного до нулевого значения.

Отличительный признак предлагаемого способа от указанных выше известных способов заключается не в общем ослаблении настроек регулятора, а в коррекции пропорциональной и интегральной составляющих сигнала управления в зависимости от текущей ошибки регулирования в широком диапазоне значений текущей ошибки регулирования при изменении коэффициентов регулятора, в процессе его работы.

Предложенный способ поясняется блок-схемой АСР (Фиг. 1), реализующей ПИ-закон регулирования с коррекцией текущей ошибки регулирования по предлагаемому способу. Система содержит элемент сравнения 2, входы которого подключены к задатчику 1 стабилизируемого параметра и к выходу объекта управления 4. Выход элемента сравнения 2 соединен с входами блока регулятора 3 и блока 5 коррекции параметров Кр и Ти регулятора относительно текущей ошибки регулирования по нелинейным функциям, характеризующим объект регулирования.

Более подробно действие блока коррекции текущей ошибки регулирования пояснены следующим примером. Например, если определить через определенный шаг величины перепадов регулируемой величины в определенном диапазоне и оптимальные параметры регулирования для этих перепадов, по которым известными методами аппроксимации могут быть представлены следующие степенные зависимости: , , то можно будет определить приближенные к оптимальным параметры регулятора, при которых достигается требуемый коэффициент корреляции, на всем диапазоне регулирования, что поясняется на Фиг. 2 и Фиг. 3.

Таким образом, использование предлагаемого способа расширения диапазона регулирования АСР предотвращает потерю устойчивости при сохранении допустимых показателей качества регулирования автоматической системы в случае изменения характеристик объекта, а также при появлении увеличенных возмущающих воздействий на систему стабилизации регулируемого параметра как при переходных процессах, так и в установившемся режиме.

Способ расширения диапазона регулирования автоматических систем регулирования (АСР) без потери устойчивости путем коррекции параметров автоматического регулятора, включающий настройку регулятора, реализующего пропорциональную и интегральную составляющие закона регулирования, при которой сигнал управляющего воздействия зависит только от величины текущей ошибки регулирования и значений коэффициентов пропорциональной и интегральной составляющих закона регулирования, установленных при настройке регулятора, причем коэффициенты изменяются, отличающийся тем, что сигнал управляющего воздействия формируют, предварительно корректируя значения коэффициентов пропорциональной и интегральной составляющих закона регулирования относительно текущей ошибки регулирования перед поступлением ее на вход регулятора, причем корректирующие воздействия происходят в соответствии со значениями степенной функции для пропорциональной составляющей ПИ-регулятора, а интегральной составляющей - с помощью обратно пропорциональной степенной зависимости, аргументом которой является текущая ошибка регулирования, при этом для каждой составляющей закона регулирования в зависимости от значения текущей ошибки величины пропорциональной и интегральной составляющих изменяются на приближенные к оптимальным.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, а именно к контроллерам синхронных двигателей с разделенными фазами и датчиками положения ротора, содержащим, по меньшей мере, один силовой переключатель с устройством управления и источник питания постоянного тока в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя, снабженный компонентой бесперебойного питания источника.

Изобретение относится к электронному приборостроению и предназначено для контроля и управления тепловизионными каналами (ТВК). Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения проверки работоспособности ТВК, не имеющих органов ручного управления, и автоматизации измерения основных качественных характеристик ТВК, при повышении точности результатов измерений.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН). Технический результат заключается в обеспечении минимального температурного коэффициента выходного напряжения ИОН при пониженной разности напряжений вход-выход.

Изобретение относится к электроэнергетике. Технический результат заключается в повышении эффективности работы системы автоматического ограничения снижения напряжения (АОСН).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах электропитания, в частности в стабилизаторах переменного напряжения. Техническим результатом является снижение динамических потерь электроэнергии.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, обеспечивающим требуемое качество электрической энергии для потребителей. Технический результат заключается в обеспечении плавного и бесступенчатого регулирования и стабилизации выходного напряжения и устранении коммутационных перенапряжений и перерывов в электропитании, исключении коммутационных бросков тока.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке высокочастотных источников питания с гальванической развязкой выходного напряжения для транспортных средств с комбинированными энергоустановками.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может использоваться при разработке источников питания различной аппаратуры. Технический результат заключается в защите от выхода из строя силовых ключей при повышении на них напряжения и повышении тока через них, что выполняется с помощью определенной последовательности переключений силовых ключей и контактора от устройства управления.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат: получение сигнала синусоидальной формы, близкой к идеальной синусоиде, обеспечение возможности регулирования частоты выходного напряжения и повышение коэффициента полезного действия.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к регулированию переменного напряжения и тока. Технический результат заключается в расширении диапазона регулирования напряжения при индуктивной нагрузке независимо от ее параметров и создании надежного регулятора переменного напряжения, позволяющего реализовать этот способ, обеспечивая высокие энергетические показатели.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления приводами манипуляторов. Технический результат заключается в формировании дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает получение моментного воздействия, необходимого для обеспечения полной инвариантности его показателей качества к непрерывно изменяющимся параметрам нагрузки электропривода заданной степени подвижности робота.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления приводами манипуляторов. Технический результат заключается в формировании дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает получение моментного воздействия, необходимого для обеспечения полной инвариантности его показателей качества к непрерывно изменяющимся параметрам нагрузки электропривода заданной степени подвижности робота.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах автоматического управления нестационарными объектами - системах адаптивного управления электроприводом.

Изобретение относится к самонастраивающейся системе управления электроприводом. Самонастраивающийся электропривод манипуляционного робота содержит электродвигатель, редуктор, датчики положения и скорости, сумматоры, блоки умножения, задатчики сигнала, квадраторы, дифференциатор и функциональные преобразователи: синусные и косинусные.

Изобретение относится к самонастраивающейся системе управления электроприводом. Самонастраивающийся электропривод содержит последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, электродвигатель, связанный непосредственно с датчиком скорости и через редуктор - с датчиком положения.

Изобретение относится к управлению подводными объектами с использованием судовых спускоподъемных устройств. Устройство для управления подводным объектом содержит на судне-носителе лебедку, задатчик среднего значения длины каната, задатчик скорости лебедки, управляющий блок, электропривод лебедки, токосъемник и барабан лебедки.

Изобретение относится к способу управления подводным объектом. Для перемещения подводного объекта по вертикали со стороны судна изменяют длину первой из двух частей механической связи между объектом и судном, поддерживая усилие, равное весу подводного объекта в воде, осуществляют дополнительное перемещение со стороны подводного объекта изменением длины второй части механической связи, ограниченное допустимыми значениями.

Изобретение относится к области управления сложными объектами, которые не удается представить математической моделью в виде систем линейных дифференциальных уравнений, и быстродействующими технологическими процессами и касается нефтехимической, машиностроительной и нефтеперерабатывающей промышленностей.

Изобретение относится к области самонастраивающихся систем управления электроприводами. Способ самонастройки заключается в том, что в течение определенного интервала времени подают случайно сгенерированное управляющее задание на вход электропривода или предварительно построенной его модели.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании электроприводов манипуляторов. Техническим результатом является обеспечение инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик.

Изобретение относится к способу адаптивного управления плохо формализуемым объектом. Для управления плохо формализуемым объектом определяют адаптивный регулятор для достижения цели за конечное число управляющих воздействий, осуществляют вначале тестовые пуски объекта управления при разных управляющих и постоянном внешнем воздействии, предусматривают исключение возможности превышения заранее известных предельно допустимых значений, осуществляют пуск объекта, после достижения регулируемым параметром установившегося значения сравнивают его с заданным определенным образом.
Наверх