регулятор с переменной структурой
Классы МПК: | G05B11/36 с возможностью получения отдельных характеристик, например пропорциональной (линейной), интегральной, дифференциальной |
Автор(ы): | Говоров А.А., Кузьмичев Е.В., Лавров А.А. |
Патентообладатель(и): | Тульский государственный университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-03-27 публикация патента:
27.12.2000 |
Изобретение относится к технике автоматического регулирования, а именно к устройствам с переменной структурой, и может быть использовано при автоматизации различных технологических процессов. Технический результат изобретения заключается в повышении качества регулирования и расширении функциональных возможностей регуляторов. Регулятор обладает достаточной помехозащищенностью, устойчивостью и точностью работы при управлении объектами с переменными параметрами и запаздыванием, изменяющимися в широких пределах и при действии значительных возмущений технологического процесса. Регулятор может быть выполнен на элементах цифровой и микропроцессорной техники, а также на элементах и модулях пневмоавтоматики. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. Регулятор с переменной структурой, содержащий элемент сравнения, связанный с ним регулирующий блок и подключенный к нему выходными, задающими параметры закона управления, блок переключения настроек, первый и второй блоки предварения, входы которых соединены с выходом элемента сравнения, а выходы подключены соответственно к входам первого и второго блоков релейной сигнализации, каждый из которых содержит сигнализаторы верхнего и нижнего отклонений, и логический блок, состоящий из первого, второго, третьего элементов ИЛИ, первого, второго элементов И, первого, второго элементов "Запрет" и элемента ИЛИ-НЕ, входы первого и второго элементов ИЛИ подключены соответственно к выходам первого и второго блоков релейной сигнализации, а их выходы - к входам элемента ИЛИ-НЕ, прямые входы первого и второго элементов "Запрет" соединены с выходами соответственно первого и второго элементов ИЛИ, а их запрещающие входы - с выходами соответственно второго и первого элементов ИЛИ, входы первого и второго элементов И подключены к выходам сигнализаторов соответственно верхнего и нижнего отклонений первого и второго блоков релейной сигнализации, а их выходы соединены с входами третьего элемента ИЛИ, отличающийся тем, что в нем логический блок дополнительно содержит третий и четвертый элементы И, четвертый элемент ИЛИ, а также третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой элементы "Запрет", первые входы третьего и четвертого элементов И соединены с сигнализаторами верхнего отклонения соответственно первого и второго блоков релейной сигнализации, а вторые - с сигнализаторами нижнего отклонения соответственно второго и первого блоков релейной сигнализации, выходы третьего и четвертого элементов И подключены к входам четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с прямым входом третьего элемента "Запрет", прямой вход четвертого элемента "Запрет" соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, прямые входы пятого и шестого элементов "Запрет" подключены к выходам соответственно второго и первого элементов "Запрет", прямой вход седьмого элемента "Запрет" соединен с выходами элемента ИЛИ-НЕ, первый, второй, третий, четвертый и пятый основные входы блока переключения настроек соединены соответственно с выходами седьмого, шестого, пятого, четвертого и третьего элементов "Запрет" в логическом блоке, дополнительный вход блока переключения настроек соединен непосредственно с задающим логическим каналом, который также подключен к запрещающим входам третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого элементов "Запрет", соответствующие выходы блока переключения настроек соединены с параметрическими входами первого и второго блоков предварения, а также первого и второго блоков релейной сигнализации. 2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что блок переключения настроек содержит семь динамических блоков и семь переключателей шести аналоговых параметров настройки каждый, шесть задающих логических входов каждого переключателя соединены с соответствующими шестью задающими логическими входами других переключателей и шестью входами блока переключения настроек, выходы переключателей через соответствующие динамические блоки подключены к соответствующим семи выходам блока переключения настроек.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технике автоматического регулирования, а именно к устройствам с переменной структурой, и может быть использовано при автоматизации различных технологических процессов. Известны регуляторы с переменной структурой (РПС), содержащие блок переключения, блок предварения, регулирующий блок, логический блок и блок сигнализации с зоной нечувствительности, например, пневматический регулятор с переменной структурой (авт. свид. СССР N 718834, М. Кл2 G 05 B 11/58 и G 05 B 13/00, Бюл. изобр. N 8, 1980), в котором изменяются лишь постоянная времени блока предварения и величина зоны нечувствительности блока сигнализации. Однако поэтому известный регулятор не обладает достаточной помехозащищенностью, устойчивостью и точностью работы при управлении объектами с переменными параметрами и запаздыванием, изменяющимися в широких пределах и при действии значительных возмущений технологического процесса. Кроме того, известны регуляторы с переменной структурой, содержащие элемент сравнения, регулирующий блок, блок переключения и блок логики, состоящий из двух блоков предварения и двух блоков релейной сигнализации, например, пневматический регулятор с переменной структурой (авт. свид. СССР N 851337, М. Кл3 G 05 B 11/58, Бюл. изобр. N 28, 1981), в котором переключаются лишь параметры дифференциальной составляющей закона регулирования. Поэтому этот известный регулятор также не обеспечивает достаточного качества (помехозащищенности, устойчивости и точности работы) при управлении объектами с переменными параметрами и запаздыванием, изменяющимися в широких пределах и при действии значительных возмущений технологического процесса. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор с переменной структурой, содержащий блок переключения, первый и второй блоки релейной сигнализации, каждый из которых содержит сигнализаторы верхнего и нижнего отклонений, логический блок, состоящий из логических элементов: первого, второго и третьего элементов ИЛИ, первого и второго элементов И, элемента ИЛИ-НЕ, первого и второго элементов "Запрет", а также регулирующий блок, вход которого подключен к выходу элемента сравнения и входам первого и второго блоков предварения, выходы которых подключены соответственно к входам первого и второго блоков релейной сигнализации, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго элементов ИЛИ, выходы которых подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ, вход первого элемента "Запрет" соединен с выходом первого элемента ИЛИ, запрещающий вход - с выходом второго элемента ИЛИ, вход второго элемента "Запрет" соединен с выходом второго элемента ИЛИ, запрещающий вход - с выходом первого элемента ИЛИ, входы первого элемента И соединены с выходами сигнализаторов верхнего отклонения, входы второго элемента И соединены с выходами сигнализаторов нижнего отклонения, выходы первого и второго элементов И подключены к входам третьего элемента ИЛИ (авт. свид. СССР N 748345, М. Кл2. G 05 B 11/58 и G 05 B 13/00, Бюл. изобр. N 26, 1980). Однако в этом известном регуляторе изменяются только параметры регулирующего блока (закона регулирования) и остаются постоянными (без изменения) постоянные времени блоков предварения и величины зон нечувствительности в блоках релейной сигнализации, что не позволяет изменять наклон линий переключения параметров и ширину соответствующих зон нечувствительности на фазовой плоскости автоматической системы регулирования (АСР), то есть нет возможности изменять закон переключения параметров регулирующего блока в соответствии с изменяющимися условиями работы объекта управления. Это снижает качество регулирования технологических параметров, а также сужает функциональные возможности регулятора. В предлагаемом регуляторе с переменной структурой, содержащем элемент сравнения, связанный с ним регулирующий блок и подключенный к нему задающими параметры закона управления выходами блок переключения настроек, первый и второй блоки предварения, входы которых соединены с выходом элемента сравнения, а выходы подключены соответственно к входам первого и второго блоков релейной сигнализации, каждый из которых содержит сигнализаторы верхнего и нижнего отклонений, и логический блок, состоящий из первого, второго, третьего, четвертого элементов ИЛИ, первого, второго, третьего, четвертого элементов И, элемента ИЛИ-НЕ и первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого элементов "Запрет", входы первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с выходами первого и второго блоков релейной сигнализации, а их выходы подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к прямому входу седьмого элемента "Запрет", прямые входы первого и второго элементов "Запрет" соединены соответственно с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а их запрещающие входы - с выходами соответственно второго и первого элементов ИЛИ, выходы первого и второго элементов "Запрет" подключены к прямым входам соответственно шестого и пятого одноименных элементов, входы первого и второго элементов И подключены к выходам сигнализаторов соответственно верхнего и нижнего отклонений первого и второго блоков релейной сигнализации, а их выходы соединены с входами третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к прямому входу четвертого элемента "Запрет", первые входы третьего и четвертого элементов И соединены с сигнализаторами верхнего отклонения соответственно первого и второго блоков релейной сигнализации, а вторые - с сигнализаторами нижнего отклонения соответственно второго и первого блоков релейной сигнализации, выходы третьего и четвертого элементов И подключены к входам четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с прямым входом третьего элемента "Запрет", первый, второй, третий, четвертый и пятый основные входы блока переключения настроек соединены соответственно с выходами седьмого, шестого, пятого, четвертого и третьего элементов "Запрет" в логическом блоке, дополнительный вход блока переключения настроек соединен непосредственно с задающим логическим каналом, который также подключен к запрещающим входам третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого элементов "Запрет", соответствующие выходы блока переключения настроек соединены с параметрическими входами первого и второго блоков предварения, а также первого и второго блоков релейной сигнализации, блок переключения настроек содержит семь динамических блоков и семь переключателей шести аналоговых параметров настройки каждый, шесть задающих логических входов каждого переключателя соединены с соответствующими шестью задающими логическими входами других переключателей и шестью входами блока переключения настроек, выходы переключателей через соответствующие динамические блоки подключены к соответствующим семи выходам блока переключения настроек. На фиг. 1 представлена блок-схема регулятора с переменной структурой; на фиг. 2 представлена схема блока переключения настроек; на фиг. 3 - разбиение фазовой плоскости АСР на области логическим устройством регулятора. Предлагаемый регулятор содержит элемент сравнения 1, регулирующий блок (РБ) 2 для реализации стандартного ПИД-закона, блок переключения настроек (БПН) 3, два блока предварения 4, 5 (БП1 и БП2), два блока релейной сигнализации 6, 7 (БРС1 и БРС2) и логическое устройство 8, которое, в свою очередь, содержит логические элементы ИЛИ 9-12, элементы И 13 - 16, элемент ИЛИ-НЕ 17 и элементы "Запрет" 18 - 24, кроме того, БПН содержит семь переключателей шести аналоговых параметров настройки каждый 25-31, а также семь динамических блоков 32-38 (ДБ1 - ДБ7). Каждый из двух блоков релейной сигнализации 6 и 7 содержит сигнализаторы нижнего и верхнего отклонений выходного сигнала, подключенного к нему блока предварения 4 или 5 за нижнюю и соответственно верхнюю границы зон нечувствительности (![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161299/697.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/698.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161044/949.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161044/949.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161299/697.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/698.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161044/949.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-2t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-3t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-4t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-5t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-6t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-7t.gif)
где обычно
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/698.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161299/697.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161299/697.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/698.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161044/949.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-8t.gif)
C1 = "1" при
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-9t.gif)
C2 = "1" при
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-10t.gif)
C3 = "1" при
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-11t.gif)
C4 = "1" при
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-12t.gif)
C5 ="1" при
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-13t.gif)
C0 = "1" при P0=1, что соответствует принудительной установке параметров настройки K0, TИ0, TД0, T"0, T""0,
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-14t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-15t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-16t.gif)
где K1, TИ1, (TД1 = 0) - настройки ПИ-регулятора с малыми коэффициентами передачи для нормального режима (область I);
K2, TИ2, TД3 - умеренные настройки ПИД-закона регулирования, соответственно пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих;
K4, TИ4, TД4 - форсированные настройки ПИД-закона регулирования;
K0, TИ0, TД0 - принудительно устанавливаемые сигналом C0 настройки регулятора;
p - оператор Лапласа;
K4 > K2 > K1, TИ4 < TИ2 < TИ1, TД4 > TД3;
в скобках указаны номера областей на фиг. 3. В табл. 2 по сути приведен алгоритм работы БПН и всего регулятора, причем условия переключения БПН полностью соответствуют табл. 1. Параметры блоков предварения БП и релейной сигнализации БРС переключаются только на двух уровнях. Если текущие значения рассогласования и его производной малы по абсолютной величине, то есть сигналы на выходах блоков предварения 4, 5 находятся внутри установленных зон нечувствительности в блоках релейной сигнализации 6, 7, что соответствует области I на фиг. 3, то на первом выходе C1 логического блока 8 сигнал равен логической "1", который поступает на первый вход блока переключения настроек БПН 3, отключающего в регулирующем блоке РБ 2 дифференциальную составляющую закона регулирования (TД1 = 0). Оставшиеся пропорциональная (K1) и интегральная (TИ1) составляющие с малыми коэффициентами передачи (время интегрирования TИ1 велико, поэтому коэффициент передачи интегратора KИ1 мал) обеспечивают высокую степень помехозащищенности и устойчивости работы системы регулирования АСР. Блок переключения настроек БПН 3 устанавливает также малые постоянные времени T"1 и T""1 в блоках предварения 4, 5 и малые величины зон нечувствительности
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-17t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-18t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161121/8594.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/8734.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-19t.gif)
Если регулируемая величина
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161044/949.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-20t.gif)
Если регулируемая величина
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161044/949.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161078/8800.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161121/8594.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/8734.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-21t.gif)
Независимо от того, в какой из областей фазовой плоскости АСР (фиг. 3) находится рабочая точка, при подаче управляющего логического сигнала P0 = "1", а следовательно, и C0 = "1", блок переключения настроек 3 устанавливает следующие параметры настройки регулятора: K0, TИ0, TД0, T"0, T""0,
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-22t.gif)
По сравнению с известными, предлагаемый регулятор обладает лучшей помехозащищенностью автоматической системы регулирования (так как при малых значениях
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-23t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-24t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/2161326-25t.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/698.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161299/697.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/698.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161078/8800.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161299/697.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/698.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161078/8800.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161299/697.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161076/916.gif)
![регулятор с переменной структурой, патент № 2161326](/images/patents/310/2161326/698.gif)
Класс G05B11/36 с возможностью получения отдельных характеристик, например пропорциональной (линейной), интегральной, дифференциальной