способ управления технологическим объектом

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ, при котором формируют задание, измеряют регулируемый параметр, определяют отклонение регулируемого параметра от задания и скорость отклонения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества управления, управляющее воздействие формируют периодически с периодом, равным сумме времени запаздывания и постоянной времени объекта управления, начинают формировать управляющее воздействие в моменты изменения задания и при превышении отклонением зоны ограничения регулируемого параметра и нейтральной зоны, величину которой выбирают меньше величины погрешности регулируемого параметра, величину управляющего воздействия устанавливают пропорционально предельному отклонению, которое пропорционально скорости отклонения, в начале формирования управляющего воздействия и пропорционально остаточному отклонению в остальные его периоды, дискретно вычитают до нуля из начальной величины управляющего воздействия постоянный сигнал, амплитуда которого больше зоны нечувствительности контура управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автоматического управления статическими и астатическими, непрерывными и циклическими технологическими объектами в различных отраслях промышленности, в которых возмущения вызывают отклонение объекта от состояния равновесия.

Известны способы автоматического управления [1], по которым формируют задание, измеряют регулируемый параметр, определяют отклонение регулируемого параметра от задания и скорость отклонения, формируют управляющие воздействия пропорционально отклонению регулируемого параметра (П-закон), пропорционально сумме отклонения и интеграла по нем (ПИ-закон), пропорционально сумме отклонения, интеграла и производной по отклонению (ПИД-закон) и отрабатывают непрерывно в течение переходного процесса в соответствии с постоянным изменением отклонения.

Управление технологическими объектами с использованием П-, ПИ- и ПИД-законов регулирования в большинстве своем (случаев) неудовлетворительно из-за наличия статической ошибки при П-законе; увеличения переходного процесса на 20-40% при ПИ- и в 2-3 раза при ПИД-законах по сравнению с П-законом; ограниченности быстродействия (малый допустимый коэффициент усиления в зоне устойчивости); наличия потенциальной возможности генерирования незатухающих колебаний и потери устойчивости; наличия значительных трудностей определения и установки оптимальных параметров настройки.

Известен, выбранный в качестве прототипа, способ автоматического управления [2], по которому формируют задание, измеряют регулируемый параметр, определяют отклонение регулируемого параметра от задания и скорость отклонения, формируют управляющее воздействие пропорционально сумме отклонения и производной (ПД-закон) и отрабатывают непрерывно в течение переходного процесса в соответствии с постоянным изменением отклонения.

Практическое использование данного способа крайне ограничено из-за наличия статической ошибки, потенциальной возможности генерирования незатухающих колебаний и потери устойчивости даже при малом (допустимом) коэффициенте усиления.

Функциональная ограниченность прототипа и аналогов связана с использованием "метода проб и ошибок" и аналоговым принципом формирования и отработки управляющего воздействия, требуемую величину которого не вырабатывают. Управление осуществляют путем непрерывного согласования текущего и заданного значений регулируемого параметра при крайне малых (допустимых) коэффициентах усиления (граница устойчивости). В результате наблюдаются "затягивание" переходного процесса, крайне слабое использование потенциальных возможностей "опережающего воздействия" производной, значительные трудности определения оптимальных значений сильно взаимосвязанных между собой и зависящих от статических и динамических характеристик технологических объектов двух-трех параметров настройки и т.д., а в целом плохое качество управления, невосполнимые потери энергоносителей и промышленной продукции.

Задача изобретения - создание высококачественного способа управления за счет уменьшения динамической ошибки и перерегулирования, продолжительности переходного процесса и интегральных показателей качества и повышение точности управления.

Задача решена тем, что по способу автоматического управления технологическим объектом, по которому фоpмируют задание, измеряют регулируемый параметр, определяют отклонение регулируемого параметра от задания и скорость отклонения, согласно изобретению управляющее воздействие формируют периодически с периодом, равным сумме времени запаздывания и постоянной времени объекта управления, начинают формировать управляющее воздействие в моменты изменения задания и при превышении отклонением зоны ограничения регулируемого параметра и нейтральной зоны, величину которой выбирают меньше величины погрешности регулируемого параметра, величину управляющего воздействия устанавливают пропорциональной предельному отклонению, которое пропорционально скорости отклонения в начале формирования управляющего воздействия и остаточному отклонению в остальные его периоды, дискретно вычитают до нуля из начальной величины управляющего воздействия постоянный сигнал, амплитуда которого больше зоны нечувствительности контура управления.

На чертеже изображена схема реализации предлагаемого способа.

Схема реализации предлагаемого способа включает в себя пять блоков. Блок 1 обеспечивает формирование сигналов задания Р_з, отклонения измеряемого регулируемого параметра Р_т от задания Р_з, знака отклонения Р(0,1), команды К(0,1) превышения отклонения заданной нейтральной зоны Н, импульсных команд K (0,1) превышения отклонения заданного ограничения _з и К_з(0,1) изменения задания Р_з. Блок состоит изх трех сумматоров С1, С2, С3, двухрелейных элементов ЭСР.1,2 сравнения, двух релейно-импульсных элементов РИЭ. 1,2, элемента временной задержки и элемента ИЛИ V.1. На входы С.1 подают сигналы Р_т и Р_з, а выход является выходным сигналом блока, а также входом РИЭ. 1. На второй вход РИЭ.1 подают сигнал задания _з, выход K которого является выходным сигналом блока. На входы С.2 и С.3 подают сигналы Р_з и Н, выходы их соединены с первыми входами ЭСР.1 и ЭСР.2, на вторые входы которых подают сигнал Р_т, а выходы Р₊ и Р_- являются выходными сигналами блока и соединены с двумя входами элемента ИЛИ V.1, выход К которого также является выходным сигналом блока. Входы РИЭ.2 один прямо, а другой через элемент временной задержки соединены с Р_з, а выход - выходной сигнал К_зблока.

Блок 2 обеспечивает формирование сигналов производной " и предельного отклонения , состоит из дифференциатора и усилителя V.1 с коэффициентом усиления К₁. Вход дифференциатора соединен с выходом блока 1, а выход - с входом V. 1, на второй вход усилителя подают К", выход которого является выходом блока.

Блок 3 обеспечивает формирование нормированного по возмущению управляющего воздействия , состоит из релейного элемента РЭ.1 с нормально закрытым (НЗ) контактом, непрерывного элемента НЭСmax сравнения с выбором большего сигнала и усилителя V.2 с коэффициентом усиления К_р устройства. Один вход РЭ.1 соединен с выходом блока 2, другой - с выходом самоблокирующегося РЭС блока 4, а выход - с первым входом НЭСmax, второй вход которого соединен с выходом блока 1, а выход - с входом V.2, выход которого является выходным сигналом блока.

Блок 4 регламентирует порядок выполнения операций: формирует сигналы временной задержки t_з, периода II, команды К_t (0,1) окончания счета времени задержки t_з, К_оп (0,1) окончания счета периода П, К_ссброса в "0" Стп, К_п (0,1) начала счета нового периода П. Блок состоит из двух счетчиков (таймеров) Ст_tз и Cт_п времени, трех элементов ИЛИ V.2,3,4, одного самоблокирующегося релейного элемента задержки и одного инвертора Ин. Вход Ст_tз соединен с выходом блока 1 (сигнал К) (на второй вход его подают задание времени задержки t_з), а выход К_t - с третьим входом его, является выходом блока и соединен с первым входом РИЭ.3 прямо, а с вторым через временной элемент задержки. Выход РИЭ.3 соединен с первым входом элемента ИЛИ V.2, выход которого соединен с первым входом ИЛИ V.3. Вторые входы элементов ИЛИ V.2 и V.3 соединены с выходами блока 1 (K и К_з), причем выход элемента ИЛИ V. 3 соединен с первым входом элемента ИЛИ V.4, второй вход которого соединен с входом Ин и выходом С_тп (К_оп), а выход - с входом Стп, на второй вход которого подают задание периода П_з. Выходы элемента ИЛИ V.4 и Ин являются выходными сигналами К_с и К_п блока.

Блок 5 обеспечивает формирование с заданной амплитудой, периодом и длительностью приращения выходного сигнала P_Xn заданного знака (), выработку команды К_и(0,1) окончания отработки сформированного в самом начале периода нормированного управляющего воздействия , усиление и выдачу на ИМ выходного сигнала Р_х устройства. Блок состоит из семи релейных элементов РЭ. 2,3,4,6,7,9,10 с нормально открытыми (НО) контактами, двух РЭ.5,8,11 с НЗ контактами, четырех сумматоров С. 4,5,6,7, двух запоминающих устройств ЗУ. 1,2, генератора прямоугольных импульсов Ги, элемента ИЛИ V.5, двух элементов ЭСР.3,4 сравнения с релейным выходом и усилителя мощности V.3. На первые входы сумматоров С.4,5 подают заданный сигнал приращения , а вторые их входы соединены с выходом РЭ.4, входом РЭ.9, второй вход которого соединен с выходом блока 4 (К_с), а также входами ЭСР.3,4 и входом V.3, а выходы С.4,5, через РЭ.2,3, вторые входы которых соединены с выходами блока 1 (Р_- и Р₊), соединены с входом РЭ.5, выход которого через ЗУ.1 соединен с входом РЭ. 4. Вторые входы РЭ.4 и РЭ.5 соединены с выходом Ги, а вход Ги через РЭ.6, РЭ.7, вторые входы которых соединены с выходами блока 1 (К, К_t) и РЭ.8 соединен с выходом блока 4 (К_п). Второй вход РЭ.8 соединен с выходом элемента ИЛИ V. 5 (К_и) (команда Ки является и выходом блока), два входа элемента ИЛИ V.5 соединен с выходами ЭСР.3 и ЭСР.4 входы которых соединены с входом V.3 и выходами С. 6, 7, первые входы которых через ЗУ.2 соединены с выходом РЭ. 9, а вторые - с выходом блока 3 (). Выход V.3 соединен с выходом РЭ.11, на вход которого подают сигнал ручного задания Р_хр, и входом РЭ. 10, выход которого соединен с входом V.3. На вторые входы РЭ.10 и РЭ.11 подают команду Р_к включения автоматического управления.

Способ осуществляют следующим образом.

По статическим и динамическим характеристикам конкретного технологического объекта, характеристикам измерительной и регулирующей аппаратуры схемы реализации предлагаемого способа определяют и устанавливают величины сигналов: регулируемого параметра Р_з, нейтральной зоны Н, времени задержки t_з, периода П, амплитуду , период и длительность дискретных приращений, ограничение _з, коэффициенты усиления К" и К_р. При этом Н выбирают меньше величины погрешности измерения регулируемого параметра t_з 0,1Т_о, П= Т_о+ , больше зоны нечувствительности контура управления, а период и длительность дискретных приращений больше запаздывания и потерь сигнала в контуре управления, _з0,35, K= , а K_р= , где Т_о - постоянная времени объекта; - запаздывание; - производная по отклонению ; - предельное отклонение; К_об - коэффициент усиления объекта. Вначале включают тумблер А (автоматическое регулирование, К - каскадное регулирование). При этом команда Р_к закрывает НО и открывает НЗ контакты РЭ.10 и РЭ.11: сигнал ручного управления Р_хр с выхода V.3 поступает на вход V.3. Одновременно подаются измеряемый сигнал Рт на входы С.1 и ЭСР.1 и ЭСР.2, а сигнал задания Рз на входы С.1, С.2, С.3 и РИЭ.2 блока 1. При этом на выходе С.1 получают сигнал отклонения , на выходах С.2 и С.3 - соответственно Р_з+ Н и Р_з- Н на выходе РИЭ.2 - импульсный сигнал (К_з=1), который, пройдя через элементы ИЛИ V.2,3,4, сбрасывает в ноль С_тп (блок 4). Если технологический объект находится в состоянии равновесия (Р_т=Р_з, =0, "=0), то С_тп автоматически начинает отсчет периода, но управляющее воздействие не формируется (= 0) ни вначале этого, ни в последующие периоды. При этом выходной сигнал остается неизменным, т.е. Р_х=Р_хр.

Если технологический объект под воздействием возмущения выходит из состояния равновесия, РтР_з+ Н (Р_тР_з- Н), т.е. отклонение регулируемого параметра выходит из заданной нейтральной зоны Н, но <_з (заданное ограничение), то на выходе ЭСР.1 блока 1 появляется команда Р _-=1, которая замыкает НО контакт РЭ.2 блока 5 (выход ЭСР.2 Р₊=0), проходит через элемент ИЛИ V.1 и уже как команда К=1 (выход блока 1) включает Ст_tз (блок 4), замыкает НО контакт РЭ.6 (блок 5), снимая запрет на включение Ги, и поступает на вход РЭС (блок 4). Одновременно сигнал отклонения поступает на вход РИЭ. 1, выход которого K=0, так как <_з, вход дифференциатора d/dt и вход НЭС max. При этом выход дифференциатора d/dt усиливается с заданным коэффициентом К" в V.1, и его выходной сигнал, равный предельному отклонению , пропорционален скорости отклонения (производной) ", а следовательно, и приложенному возмущению. Сигнал через Нзх контакт РЭ.1 поступает на второй вход НЭСmax и сравнивается с . Выход НЭСmax, поскольку в начале переходного процесса при большем возмущении > , равный , усиливается с заданным Кр в V.2, на выходе которого получают опережающий примерно на ЗТ_о времени, нормированный по возмущению, т.е. пропорциональный тому отклонению , которое возникло бы через время, равное ЗТ_о, сигнал управляющего воздействия , который поступает на входы С.6 и С.7.

За время отсчета заданного времени задержки (t0,1Т_о) отклонение , производная ", предельное отклонение , а следовательно, и управляющее воздействие непрерывно увеличиваются. К концу отсчета t₃₃ отклонение по абсолютной величине превышает погрешность измерения регулируемого параметра Р_т, что увеличивает достоверность измерения и ", а следовательно, и сигнала управляющего воздействия . В конце отсчета заданного времени задержки, когда t_ззt_т, на выходе Ст_tзпоявляется команда К_t=1, которая останавливает счет t_з, но в ноль Ст_tзне сбрасывает (сброс в ноль Ст_tз выполняет команда К=0), замыканием НО контакта РЭ.7 снимает запрет включения Ги, а пройдя через РИЭ.3, уже как импульсная команда К_tи=1 проходит через элементы ИЛИ V.3,4 и уже как импульсная команда Кс=1 сбрасывает в ноль Ст_п, на время действия импульса замыкает НО контакт РЭ.9 (блок 5), обеспечивая запоминание в ЗУ.2 (блок 5) сигнала выхода в самом конце периода Р_х=Р_хп.

После сброса в ноль Ст_п автоматически включается на отсчет следующего периода и его выходной сигнал К_оп=0, пройдя через Ин, уже как сигнал К_п=1 проходит через НЗ контакт РЭ.8 и закрытые командами К_t=1 и К=1 НО контакты РЭ. 7 и Р Э.6 и включает Ги, период и длительность прямоугольных импульсов (Р= 0, Р=1) которого заданы. Чередующиеся импульсы Ги управляют НО и НЗ контактами РЭ. 4 и РЭ.5, обеспечивая при Р=0 в С.5 сложение сигнала Р_х, равного запомненному в ЗУ.2 в самом конце предыдущего периода, сигнала выхода Р_х= Р_хп с постоянным заданным сигналом дискретного приращения , а в С.4 - вычитание последнего. При этом на ЗУ.1 и вход РЭ.4 через закрытый командой Р_-= 1 (блок 1) НО контакт и НЗ контакт РЭ.5 через закрытый командой Р_-=1 (блок 1) НО контакт и НЗ контакт РЭ.5 подается сигнал Р_х- выхода С.4, но на входы сумматоров С.4, С.5 и вход V.3 сигнал Р_х- не поступает.

При смене импульса с Р=0 на Р=1 после одновременного размыкания НЗ (РЭ. 5) и замыкания НО (РЭ.4) контактов уже уменьшенный на сигнал Р_х(Р_х-) запоминается в ЗУ.1, подается на входы С.4 и С.5 и на вход V.3, а после усиления по мощности - на ИМ, где он перемещением регулирующего органа уменьшает поступление энергии (вещества) на объект на постоянную заданную сигналом приращения величину. Одновременно сигнал Р_х- подается на входы ЭСР. 3 и ЭСР. 4, в которых сравнивается дискретно изменяющийся сигнал Р_х- с постоянными на время счета периода П сигналами выхода С.6(Р_х+) и С. 7(Р_х-), которые получают суммированием в С.6, запомненного в ЗУ.2 в самом конце предыдущего периода сигнала Р_х=Р_хп со сформированным в самом начале данного периода управляющим воздействием и вычитанием последнего в С.7. При этом выход ЭСР.3 при уменьшении сигнала Рх всегда равен нулю, так как разность сравниваемых сигналов Рх+ > Р_х-n увеличивается, а выход ЭСР.4 равен нулю только до уменьшения до нуля сравниваемых сигналов (Рх- < Рх-n). Сменой импульса с Р=1 на Р=0 обеспечиваются запоминание в ЗУ.1 и выдача на вход РЭ.4 сигнала Рх-2. При повторной смене импульса с Р=0 на Р= 1 операции повторяются и выходной сигнал Р_х и разность между сравниваемыми в ЭСР.4 уменьшается уже на 2. Процесс дискретного уменьшения выходного сигнала Р_х продолжается до полной отработки начальной величины сформированного в самом начале данного периода управляющего воздействия , т.е. до окончания процесса дискретного вычитания до нуля из начальной величины управляющего воздействия постоянного заданного сигнала приращения . В конце отработки, когда Р_х- Р_х-n, выход ЭСР.4 становится равным единице, а пройдя через элемент ИЛИ V.5, уже как команда К_и=1 размыканием НЗ контакта РЭ.8 выключает Ги и одновременным замыканием НО контакта РЭС (блок 3) обеспечивает самоблокировку его командой К=1 (блок 1), а размыканием НЗ контакта РЭ.1 (блок 3) прекращает подачу сигнала на вход НЭСmax на время, пока > Н.

Если в начале переходного процесса Р_тР_з, a Н, но <_з, то все операции формирования и отработки нормированного по возмущению управляющего воздействия выполняются аналогично, но выходной сигнал Р_хза каждый шаг при смене сигнала выхода Г_и с Р=0 на Р=1 увеличивается на также до полной отработки сформированного в самом начале периода сигнала управляющего воздействия . При этом положительное дискретное приращение Р_х+n обеспечивается ЭСР.2 (блок 1), выход которого при Р_тР_з- Н Р₊=1 замыкает НО контакт РЭ. 3 (блок 5), а выключение Ги обеспечивает ЭСР.4 (блок 5), выход которого при Р_х+ Рх+n изменяет значение сигнала с нуля на единицу.

После дискретной отработки и выдачи на ИМ объекта управления выходного сигнала Р_хn до окончания счета периода П никаких других управляющих воздействий не формируется. На технологическом объекте протекает переходный процесс, направленный на компенсацию воспринятой объектом за кратковременное воздействие возмущения "лишней" энергии (вещества). При этом время воздействия возмущения на объект примерно равно 0,1-0,15 То и состоит из времени от начала воздействия возмущения до момента его обнаружения ( Н), заданного времени задержки tз и части времени дискретной отработки управляющего воздействия.

Если в конце периода < Н, то команды Р_-=Р₊=К=0: выполняется сброс в ноль Ст_tз, К_t=0, НО контакты знака приращения открыты (РЭ.3, РЭ.3 блока 5), НО контакты разрешения включения Ги открыты (РЭ.6, РЭ.7 блока 5), РЭС (блок 4) разблокируется и НЗ контакт РЭ.1 (блок 3) замыкается. В конце периода, когда ПтПз, на выходе Стп появляется команда Коп=1, которая на время действия импульса сбрасывает в ноль команду Кп (выход И и блока 4) и, пройдя через элемент ИЛИ V. 4, уже как команда К_с=0 на время действия импульса закрывает НО контакт РЭ.9 (блок 5), обеспечивая запоминание в ЗУ.2 сигнала выхода Р_хк=Р_хn, и сбрасывает в ноль Ст_п, который автоматически включается на отсчет следующего периода. При этом К_оп=0, К_с=0, а К_п=1, но Г_и не выключается. Управляющее воздействие не формируется и не отрабатывается. Выходной сигнал равен Рх-n, остается постоянным и в последующие периоды, если < Н.

Если в конце пеpиода > Н, то одна из команд в зависимости от знака отклонения Р_- или Р₊ остается равной единице, остаются неизменными и команды К=1, К_t=1. При этом остаются закрытыми НО контакты разрешения включения Ги (РЭ.5 и РЭ.6), остается закрытым НО контакт РЭ.2 или РЭ.3 (в зависимости от знака приращения), остается открытым НЗ контакт РЭ.1 (блок 3) и на вход НЭСmax поступает только сигнал остаточного отклонения . После усиления в V. 3 получают новый сформированный без временной задержки в самом начале следующего периода сигнал управляющего воздействия, пропорциональный остаточному отклонению, который как и раньше, подается на входы С.6 и С.7 (блок 5). Во время сброса в ноль Ст_пимпульсная команда К_с=1 обеспечивает запоминание в ЗУ.2 (блок 5) сигнала выхода, который был в самом конце предыдущего Р_хк= Р_х-n, а с началом отсчета следующего периода команда с выхода Ин (блок 4) включает в работу Ги. Операции по отработке нового управляющего воздействия, сформированного пропорционально остаточному отклонению, повторяются. Аналогично выполняются операции и в остальные пеpиоды, если > Н в самом конце предыдущего периода.

Если в течение пеpиода отклонение превышает заданную зону ограничений, т.е. _з, то на выходе РИЭ.1 (блок 1) появляется импульсная команда K= 1, которая, пройдя через элементы ИЛИ V. 2,3,4, уже как импульсная команда К_с= 1 обеспечивает запоминание в ЗУ.2 значения выходного сигнала Р_х в данный момент времени и сбрасывает в ноль С_тп, который с началом отсчета следующего периода формирует на выходе Ин (блок 4) команду К_п=1, которая включает в работу Ги. Операции отработки управляющего воздействия , сформированного в самом начале периода и пропорционального остаточному отклонению (в данном случае _з), отрабатываются аналогично.

Если в течение периода изменили задание регулируемого параметра Р_х, то на выходе РИЭ.2 (блок 1) появляется импульсная команда К_з=1, которая, пройдя через элементы ИЛИ V.2,3,4, уже как импульсная команда К_с=1 обеспечивает запоминание в ЗУ.2 значения выходного сигнала Р_х в данный момент времени, сбрасывает в ноль Ст_п и т.д., т.е. операции по отработке управляющего воздействия , сформированного в самом начале данного периода пропорционально остаточному отклонению, отрабатываются аналогично.

Предлагаемый способ управления за счет почти четырехкратного сокращения времени воздействия возмущения и кратковременного возвращения технологического объекта к состоянию равновесия, ограниченного минимальной нейтральной зоной, позволяет примерно двукратно повысить точность, трехкратно сократить время и повысить качество управления объектами с существенно отличающимися динамическими характеристиками, упростить выбор оптимальных параметров настройки, а в целом многократно сократить потери исходных и товарных продуктов, повысить эффективность управления технологическими объектами в различных отраслях промышленности.