Струйно-пневматический пропорционально-интегрально-дифференциальный (пид) регулятор
Владельцы патента RU 2768107:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА - Российский технологический университет» (RU)
Изобретение относится к автоматическим регуляторам. Струйно-пневматический пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор состоит из двух схем с элементами, выполненными в виде пластин, подвешенных на газовых опорах, со считывающими устройствами, представленными узлами типа «сопло-заслонка», охваченными двумя компенсационными соплами, расположенными до и после пневматических мембранных усилителей мощности, образующих регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления большим единицы. Одна из схем представляет пропорционально-интегральный регулятор с двумя соплами, расположенными по обе стороны пластины. В положительной обратной связи регулятора расположено расходное интегральное звено, состоящее из переменного сопротивления, постоянного объема, точного расходного повторителя и сопла. В другой схеме расположены дифференцирующее звено и сопло, связанное с выходом первой схемы. Повышается точность регулирования. 1 ил.
Изобретение относится к области пневматических автоматических регуляторов.
Из уровня техники известен пневматический пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, состоящий из мембранных пропорционального-интегрального (ПИ) регулятора и дифференцирующего звена, объединенных с помощью сумматора [1]. ПИ-регулятор включает в себя пропорциональное звено, содержащее элемент сравнения, в обратной связи которого расположен делитель, состоящий из переменного и постоянного сопротивлений, изменение соотношения проводимостей которых приводит к изменению коэффициента усиления разности входных давлений. Интегральное и дифференциальное звенья выполнены на базе апериодических звеньев, состоящих из переменного сопротивления и постоянного объёма для изменения постоянной времени.
Недостатком такого ПИД-регулятора является низкая точность, обусловленная нелинейной характеристикой мембранных элементов сравнения, используемых в конструкции регулятора.
Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в повышении точности регулирования за счет использования линейных компенсационных схем, основанных на силовом действии струи на подвижную преграду, и за счет выполнения операций интегрирования и дифференцирования с помощью расходных апериодических звеньев.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности прототипом является пропорциональный регулятор, состоящий из подвижной части, включающей в себя пластину, подвешенную на газовой опоре, входной дифференциальной пневматической схемы, считывающего элемента в виде узла типа «считывающее сопло-заслонка», пневматического мембранного усилителя мощности, при этом подвижная часть представляет собой пластину, жестко соединенную с двумя соплами газовой опоры, а считывающий элемент охвачен двумя соплами, расположенными до и после пневматического мембранного усилителя мощности, образующего регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления, большим единицы. Обеспечивается повышение чувствительности и быстродействия за счет использования измерительной компенсационной схемы силового действия струи на подвижную преграду и регистрации этого воздействия с помощью пневматической компенсационной схемы [2].
Принципом работы указанного решения, как и настоящего изобретения, является применение измерительной компенсационной схемы, основанной на силовом действии струи на подвижную преграду, однако настоящее изобретение реализует работу регулятора по полному закону ПИД-регулирования.
Более конкретно, технический результат достигается тем, что струйно-пневматический пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор состоит из двух схем с идентичными чувствительными элементами, выполненными в виде пластин, подвешенных на газовых опорах, со считывающими устройствами, представленных узлами типа «сопло-заслонка», охваченные двумя компенсационными соплами, расположенными до и после пневматических мембранных усилителей мощности, образующих регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления большим единицы, характеризуемый тем, что одна из схем представляет собой пропорционально-интегральный регулятор с двумя соплами, расположенными по обе стороны пластины и перемещаемыми с помощью верньера в продольном направлении для изменения коэффициента усиления, причем в положительной обратной связи регулятора расположено расходное интегральное звено, состоящее из переменного сопротивления для изменения постоянной времени интегрирования, постоянного объёма, точного расходного повторителя и сопла; а в другой схеме расположены дифференцирующее звено, аналогичное по составу интегрирующему звену с переменным сопротивлением, изменяющим постоянную времени дифференцирования, и сопло, связанное с выходом первой схемы.
На фиг.1 представлена схема струйно-пневматического пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, состоящего из пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора 1 и дифференцирующего звена 2. Для регистрации угла поворота чувствительного элемента - пластины 3, закрепленной на газовой опоре 4, - под силовым воздействием струй предусмотрен считывающий узел, выполненный в виде сопла 5 и заслонки 6, жестко закрепленной на пластине 3. Между соплом 5 и питающим дросселем 7 расположена камера 8, связанная со входом усилителя мощности 9. Выходной канал усилителя 9 соединен с соплом обратной связи 10. Для компенсации силового действия струи, исходящей из сопла 5, предусмотрено компенсационное сопло 11, соединенное с междроссельной камерой 8. Сопло 5 совместно с усилителем 9 и соплом обратной связи 10 образует регенеративную обратную связь, устанавливающая нулевое положение подвижной системы.
Изменение коэффициента усиления 
ПИ-регулятора достигается путем вращения винта 12 и последующим изменением соотношения плеч 
и 
, определяющих соответственно расстояния от осей симметрии газовой опоры 4 до входных сопел 13(1) и 13(2), и от оси газовой опоры 4 до оси сопла 5.
Интегральное звено, расположенное в положительной обратной связи П-регулятора, включает в себя переменное сопротивление 14, емкость 15, точный повторитель 16, на который подано давление питания через постоянный дроссель 17. Выходной канал повторителя 16 соединен с соплом 18. Изменением проводимости 
переменного сопротивления 14 можно менять постоянную времени интегрирования:
(1)
где 
- объем емкости 15, 
- универсальная газовая постоянная, 
- абсолютная температура.
Дифференцирующее звено 2 состоит из переменного сопротивления 19, емкости 20, точного повторителя 21, на который подано давление питания через постоянный дроссель 22. Выходной канал повторителя 21 соединен с соплом 23. Изменением проводимости 
переменного сопротивления 19 можно менять постоянную времени дифференцирования:
(2)
где 
- объем емкости 20.
Выходной сигнал 
равен:
(3)
где 
- разность давлений на входе в ПИ-регулятора.
Формула (3) отражает закон ПИД-регулирования, реализованный в данном изобретении.
[1] Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М., «Машиностроение», 1973. С. 197-199.
[2] Патент РФ №2018116604, 04.05.2018. Струйно-пневматический пропорциональный регулятор // Патент России №2676362, 28.12.2018. Бюл. № 1. / Макаров В.А., Королев Ф.А., Тютяев Р.Е., Макаров А.В.
Струйно-пневматический пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор состоит из двух схем с идентичными чувствительными элементами, выполненными в виде пластин, подвешенных на газовых опорах, со считывающими устройствами, представленными узлами типа «сопло-заслонка», охваченными двумя компенсационными соплами, расположенными до и после пневматических мембранных усилителей мощности, образующих регенеративную обратную связь с коэффициентом усиления большим единицы, и характеризующийся тем, что одна из схем представляет собой пропорционально-интегральный регулятор с двумя соплами, расположенными по обе стороны пластины и перемещаемыми с помощью верньера в продольном направлении для изменения коэффициента усиления, причем в положительной обратной связи регулятора расположено расходное интегральное звено, состоящее из переменного сопротивления для изменения постоянной времени интегрирования, постоянного объема, точного расходного повторителя и сопла; а в другой схеме расположены дифференцирующее звено, аналогичное по составу интегральному звену с переменным сопротивлением, изменяющим постоянную времени дифференцирования, и сопло, связанное с выходом первой схемы.
