способ формирования пи-закона регулирования

Формула изобретения

Способ формирования ПИ-закона регулирования, при котором входной сигнал, пропорциональный ошибке регулирования, интегрируют, получаемый при этом сигнал суммируют с входным сигналом, а сумму масштабируют, отличающийся тем, что дополнительно определяют абсолютное значение входного сигнала, сравнивают его с пороговым значением и при превышении абсолютным значением входного сигнала порогового уровня интегрируют разность входного сигнала и сигнала, пропорционального результату интегрирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматическому регулированию и предназначено для использования в различных системах автоматики.

Известны способы формирования ПИ-закона регулирования, при которых входной сигнал, пропорциональный ошибке регулирования, интегрируют, результат суммируют с входным сигналом, а суммарный сигнал масштабируют (Ялышев А. У. и Разоренов О.И. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики. М.: Машиностроение, 1981, с. 76-77; авт. св. N 475602 (СССР) Электронный аналоговый пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор. А.У. Ялышев и др. Опублик. в БИ, 1975, N 24, МКИ G 05 B 11/36).

Известные способы обеспечивают формирование регулирующего воздействия для объекта, пропорциональное сумме входного сигнала рассогласования системы и интеграла от него:



где k_п - коэффициент пропорциональности;

T_и - постоянная времени.

При таком способе обеспечивается быстрая реакция системы на изменения рассогласования за счет постоянной составляющей и высокая точность регулирования в установившихся режимах, обеспечиваемая интегральной составляющей. Однако при управлении инерционными объектами известные способы не обеспечивают высокое качество регулирования в переходных режимах, что проявляется в повышенной длительности колебательных процессов отработки рассогласования. Это обеспечивается инерционным действием интегратора. Особенно сильное проявление колебательности наблюдается в системах управления при ограниченной мощности исполнительного устройства, т. е. при наличии нелинейности типа "ограничение". В этом случае замедление отработки рассогласования приводит к увеличению выходного сигнала интегратора и его насыщению. В момент достижения ошибкой системы 0 на выходе интегратора оказывается большое напряжение, снижение которого возможно только при изменении знака рассогласования. В результате в системе возникают длительные колебания.

Таким образом, недостаток известных способов формирования ПИ-закона регулирования - низкое качество регулирования в переходных режимах.

Из известных, наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ формирования ПИ-закона регулирования, при котором входной сигнал, пропорциональный ошибке регулирования, интегрируют, получаемый при этом сигнал суммируют с входным сигналом, а сумму масштабируют, измеряют выходной сигнал и при достижении им порогового значения прекращают интегрирование входного сигнала (Гельднер К. и Кубик С. Нелинейные системы управления. М.: Мир, 1987, с. 265-266, рис. 164).

В соответствии с известным способом производится отключение интегрирующей части регулирующего устройства при достижении выходным сигналом порогового значения, благодаря чему снижается нежелательное перерегулирование.

Однако, при известном способе формирования ПИ-закона регулирования качество переходных процессов остается низким. Это объясняется тем, что, во-первых, при отключении интегратора на его выходе хранится напряжение, величина которого может быть большой и вызвать колебания в системе при его включении, и, во-вторых, возможным снижением точности регулирования при действии возмущений, т.к. при отключенном интеграторе возможно появление статической ошибки регулирования.

Таким образом, недостаток известного способа - низкое качество регулирования.

Цель предлагаемого изобретения - повышение качества регулирования путем уменьшения перерегулирования и колебательности переходных процессов при высокой статической точности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования ПИ-закона регулирования, при котором входной сигнал, пропорциональный ошибке регулирования, интегрируют, получаемый при этом сигнал суммируют с входными сигналом, а сумму масштабируют, дополнительно определяют абсолютное значение входного сигнала, сравнивают его с пороговым значением и при превышении абсолютным значением входного сигнала порогового уровня интегрируют разность входного сигнала и сигнала, пропорционального результату интегрирования.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки (новые операции):

- определяют абсолютное значение входного сигнала;

- сравнивают абсолютное значение входного сигнала с пороговым уровнем;

- интегрируют разность входного сигнала и сигнала, пропорционального результату интегрирования, при превышении абсолютным значением входного сигнала порогового уровня.

Следовательно, заявляемый способ формирования ПИ-закона регулирования соответствует требованию "новизна".

По каждому отличительному существенному признаку проведен поиск известных технических решений в области автоматического управления.

Операции, состоящие в том, что определяют абсолютное значение входного сигнала, сравнивают абсолютное значение входного сигнала с пороговым уровнем и интегрируют разность входного сигнала и сигнала, пропорционального результату интегрирования, в известных технических решениях не обнаружены.

Следовательно, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию "существенные отличия".

Сущность предлагаемого способа формирования ПИ-закона регулирования заключается в следующем. В установившемся режиме при малой ошибке системы регулирующее воздействие формируют как промасштабированную сумму входного сигнала и интеграла от него, т.е. как при обычном ПИ-законе регулирования. При большом рассогласовании в системе, например, при изменении сигнала задания или возмущения регулирующее воздействие формируют как сумму входного сигнала и выходного сигнала интегратора, охваченного отрицательной обратной связью, т. е. как при интегро-дифференцирующем корректирующем устройстве. В результате обеспечивается высокая точность автоматической системы в установившихся режимах и высокое качество регулирования при переходных процессах.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует требованию "положительный эффект".

Предлагаемый способ формирования ПИ-закона регулирования может быть реализован как программно, так и аппаратно. На фиг. 1 приведена функциональная схема аналогового регулирующего устройства, реализующего предлагаемый способ, поясняющая сущность изобретения, обозначено: 1 - блок выделения модуля, формирующий сигнал u₁= , где x - входной сигнал, пропорциональный ошибке регулирования; 2 - пороговый элемент с характеристикой:



где U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы; x₀ - пороговый уровень; 3 - интегратор; 4 - управляемый ключ; S - сумматор; 6 - масштабирующий усилитель с коэффициентом передачи k.

Входной сигнал x(t), пропорциональный ошибке регулирования, поступает одновременно на входы блока выделения модуля 1, интегратора 3 и сумматора 5. Выходной сигнал интегратора 3 поступает на один из входов сумматора 5 и через нормально-разомкнутый ключ 4 - на вычитающий вход интегратора 3. Выходной сигнал сумматора 5 поступает на вход масштабирующего усилителя, выход которого служит выходом устройства. Управление ключом 4 осуществляется выходным сигналом порогового элемента 2.

При малой ошибке регулирования <x выходной сигнал порогового элемента 2 имеет значение U₂=0, при этом ключ 4 - разомкнут. Устройство в этом случае представляет собой обычный ПИ-регулятор с передаточной функцией:

H(s)=k(1+1/Ts),

где k - коэффициент передачи масштабирующего усилителя 6, Т - постоянная времени интегратора 3.

Так как ПИ-регулятор - астатический, то в установившемся режиме ошибка регулирования стремится к 0. Регулирующее воздействие при этом формируется на выходе интегратора (напряжение U₃ уст). В случае превышения абсолютным значением ошибки регулирования порогового уровня x₀, например, при изменении сигнала задания или возмущения выходной сигнал порогового элемента 2 принимает значение U₂= U_e . В результате этого замыкается ключ 4. При этом регулирующее воздействие формируется как сумма двух слагаемых: пропорционального ошибке регулирования kx и выходного сигнала интегратора, охваченного обратной связью. Передаточная функция устройства при этом имеет вид:



где - коэффициент обратной связи; т.е. соответствует интегро-дифференциальному звену.

Таким образом, при предлагаемом способе осуществляется быстрая отработка большой ошибки регулирования, а при достижении ошибкой уровня x₀ происходит безударное включение астатической составляющей (пропорциональной интегралу от ошибки регулирования), благодаря чему обеспечивается высокая точность регулирования.

Значение x₀ выбирается из условия обязательного переключения закона регулирования на астатический при малых ошибках, т.е. оно должно быть не менее максимально возможной ошибки системы при статическом регулировании, т.е.

где g_макс - максимальное входное управляющее воздействие;

f_в.м. - максимальное возмущающее воздействие;

k₀ - коэффициент передачи разомкнутой системы при статическом регулировании;

k_в - коэффициент передачи системы по возмущению.

С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого с помощью предлагаемого технического решения, было проведено математическое моделирование процессов в автоматической системе с регулятором, реализующим рассмотренный способ формирования ПИ-закона регулирования. Функциональная схема системы показана на фиг. 2, где обозначено: 1 - элемент сравнения, 2 - ПИ-регулятор, 3 - исполнительное устройство с коэффициентом передачи k_y и ограничением выходного воздействия на уровне U₀, 4 - объект управления с передаточной функцией:



При моделировании были приняты следующие параметры объекта: k₀=1; T₀=0,2 с; ₀ = 0,05 c. .

На фиг. 3 приведены диаграммы процессов в системе для ошибки x, выходного сигнала y и выходного сигнала интегратора U_инт для случая классической настройки ПИ-регулятора (Кулаков Г. Т. Инженерные экспресс-методы расчета промышленных систем регулирования. Минск: Вышэйшая школа, 1984, с. 73-86). При этом параметры регулятора были установлены следующими: k_p=2; T_p=0,2 с, ограничение воздействия на объект не учитывалось. На фиг. 4 показаны аналогичные графики процессов в системе при предлагаемом способе формирования ПИ-закона регулирования, x₀=2,5; = 0,9. .

На фиг. 5 приведены графики переходных процессов в системе с традиционным ПИ-регулятором при ограничении U₀=12,5, а на фиг. 6 - процессы в системе при использовании предлагаемого способа регулирования.

Важным достоинством предлагаемого способа формирования ПИ-закона регулирования является то, что он может быть легко реализован как аппаратным, так и программным способом.

Использование предлагаемого способа формирования ПИ-закона регулирования в различных системах автоматики позволит повысить качество процессов управления.