Самонастраивающаяся система комбинированного регулирования

СОЮЗ СОВЕТСНИХЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ ЕЕВЕ 3/О 59 4 ПИС ЗОБРЕТЕН ЕЕ1-Е СВИДЕТЕЛЬС АВТОРСК АЮЩАЯСЯ СИСТ ЕГУЛИРОВАНИЯ(54) САМОНАСТР КОМБИНИРОВАННО гулятоСправоч шарско 6При- роавтотвах,го регулировадовникова,9, кн. 3, ч.2,:Вф ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС00 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(21) 3850232/24-24(56) Бесекерский В.А Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М. Наука, 1972.Алексеенко А,Г Коломбет Е.А, Стародуб Г,И, Применение прецизионных аналоговых ИС; - М.: Радио и связь , 1981.Шило В.Л. Линейные интегральные схемы, - М,: Сов. радио, 1979.Государственная система промышпеатиза- аталог ных приборов и средств автомции. - Ч. 1. Номенклатурный кМ., 1984,Автоматические приборы, рры и вычислительные системыное пособие / Под ред, Б,Д,Кго. - Л,: Машиностроение, 19Балакирев В.С., Софиев Аменение средств пневмо- и гидматики в химических производМ.: Химия, 1973,Теория автоматическония / Под ред. В.В.СолоМ.; Машиностроение, 196с. 313-314. ЯО 1254433(57) Наибольшее применение системаможет найти для управления химикотехнологическими процессами, в которых стабилизация входного параметраосуществляется посредством соотношения двух входных параметров. Изобретение позволяет упростить систему,повысить,ее надежность и расширитьобласть применения, т,к, в системерешается большинство сложных задач,наличие которых характерно для систем данного класса. Кроме того система может быть реализована безприменения УВМ, что позволяет испольэовать ее в тех случаях, когда применение УВМ экономически неоправда- Сно. В системе организовано целенаправленное взаимодействие разомкнутого и замкнутого контуров управленияпосредством определения меры качества работы системы и анализа состояния квазистатиКи объекта для наиболее эффективной компенсации поступающих в объект возмущений. 6 ил.1254433 Составитель В.ТитовПчелинская Техред М.Ходанич Корректор С и ктор 4 Проектная, 4 роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Уж аказ 4718/50 Тираж ВНИИПИ Государс по.делам изоб 113035, Москва, 836венного комитетений и открИзобретение атносится к системам автоматического управления и может быть использовано для управления объектами в химической и других отраслях промышленности. 5Цель изобретения - упрощение системы,. повышение ее надежности и расширение области применения.На Фиг 1 представлена блок-схема самонастраивающейся системы комбини рованного регулирования; на фиг. 2 - функциональная схема самонастраивающейся системы комбинированного регулирования; на фиг, 3 - статические характеристики объекта управления, соответствующие разным условиям функционирования системы; на фиг, 4- преобразованная Функциональная схема самонастраивающейся системы комбинированного регулирования; на фиг. 5 - 20 структурные схемы логических блоков; на Фиг, 6 - принципиальная схема пневматического ПИ-регулятора.Предлагаемая система содержит датчик 1 внешнего возмущения, датчик 2 входной координаты объекта, корректирующий фильтр 3, объект 4 управления, датчик 5 выходной координаты объекта, .измеритель 6 рассогласования блок 7 самонастройки , регулятор 8, 30 сумматор 9, исполнительные устройство 10, блок 11 дифференцирования, третий блок 12 выделения модуля,первый 13, второй 14 и третий 15 логические блоки, первый 16 и второй 17 З 5 блоки выделения модулч, блок 18 де ления, управляемый ключ 19, блок 20 памяти, блок 21 умножения, компаратор 22, управляемый ключ 23,компаратор 24,управляемый ключ 25,компаратор 40 26,управляемый ключ 27,элементы 28- 30 сравнения,дроссельный сумматор 3, усилитель 32 мощности, отключающее реле 33, глухую камеру (емкость) 34 запорный клапан 35 и регулируе мый дроссель 36.На третий вход объекта поступает возмущение 1 . На практике подобные возмущения могут представлять собой, например, переменные концентрации компонентов, вступающих в ходе процесса во взаимодействие. Эти возмущения могут бытькак, контролируемые, так и неконтролируемые. Выход объекта У(С ),измеряется датчиком 5, 55 вха,ная координата ХР 1) - датчиком 2, а основное внешнее возмущение Х(1) - датчиком 1. На первый вход измерителя рассогласования поступает сигнал заданияИ), на второй - выходной сигнал датчика 5 собратным знаком, Выходной сигналь УИ) измерителя рассогласования6 через первый блок 16 выделения модуля поступает на второй вход вторжго логического блока 14, а черезблок дифференцирования 11 и третийблок 12 выделения модуля - на второйвход третьего логического блока 15,Выходной сигнал ПрС) регулятора 8через второй блок 17 выделения модуля поступает на второй вход первогологического блока 13, а через первыйвход сумматора 9 - на исполнительное устройство 10, выход которогоХИ) соединен с входом датчика 2входной координаты и вторым объектом4На третьи входы первого 13, второго 14 и третьего 15 логическихблоков поступают сигналы заданий -С С, С з соответственно. управляющийсигнал С проходит через первые входы первого 13, второго 14 и третьего15 логических блоков и с выхода последнего поступает на второй вход регулятора 8 и управляющий вход ключа19. Выход датчика 2 входной координаты ХЙ ) подключен к второму входублока 18 деления. Выход датчика 1основного внешнего возмущения Х, И )соединен с первьщи входами блоковделения 18 и умножения 21. Выходнойсигнал Х И ) блока 21 умножения поступает на второй вход сумматора 9,Система работает следующим образом,Параметр Х, И) является основным внешним возмущением, ХН ) - входной координатой, УИ ) - выходной координатой. Система решает задачу стабилизации выходной координаты ур). Она имеет два основных контура управления: первый - контур компенсации основного внешнего возмущения рразомкнутый), второй - контур обратной связи объекта регулирования.Первый контур образуют датчик 1, корректирующий фильтр 3, сумматор 9 и исполнительноеустройство 10 Рфиг. 2) или датчик 1, блоки 18,20 и 21, управляемый ключ 19, сумматор 9 и исполнительное устройство 10 рфиг, 1). В блоке 18 деления по формуле (1) вычисляется величина 1 Р 1), которая представляет собой отношение выходных сигналов датчиков 2 и 1:.через управляемый ключ 19 поступаетв блок 20 памяти. Запись сигнала1 Й) в блоке 20 памяти производитсятолько в тех случаях, когда блок 7самонасТройки выдает управляющийсигнал С на открытие ключа 19.Выходной сигнал КЯ) блока 20памяти поступает в блок 21 умноженияв котором формируется сигнал поступающий на второй вход сумматора 9.Таким образом, корректирующий фильтр 3 представляет собой пропорциональное звено с переменным коэффициентом передачи. Величина КЯ) имеет кусочно-постоянный характер.Пусть ; - моменты времени, в которые происходит самонастройка корректирующего фильтра 3 (т.е, моменты открытия ключа 19, где 1;1, 2, , и,). Тогда К(С) = )се, ори Ф.;-; Промежуток времени между двумя последовательными актами самонастройки является величиной переменной и 40 зависит от характера изменения харак. теристик канала управления и внешних условий функционирования системы регулирования, которые проявляются в настраиваемом параметре корректиру ющего фильтра.Второй контур образуют блоки 5,6,8,9 и 1 О. Основным элементом второго контура системы является регулятор 8Выходной сигнал регулято ра формируется на основе величины отклонения ьУИ) выхода объекта от заданногоН ) значения. На выходе сумматора 9 формируется сигналХ 1 И), являющийся входом исполнитель - 55 ного устройства 10 и представляющий собой сумму двух сигналов, которые являются результатами работы контуров управления по возмущению и отклонению.Блок 13 в блоке самонастройки служит для определения момента самонастройки корректирующего фильтра 3, В нем проверяется условие, определяемое формулой (4). В блоках 14 и 15 выполняется проверка условий квазистатики объекта управления по формулам (5) и (6): Если модуль выходного сигнала реггулятора 8, получаемый в блоке 17, превышает некоторую заданную величину С, и при этом объект находится в состоянии квазистатики, т.е. выполняются условия (5) и (6), то сигнал С проходит первый 13, второй 14 и третий 15 логические блоки и поступает на управляющий вход ключа 19. В этом случае к И) записывается в блок 20 памяти. Одноврвмвнно сигнал С поступает через второй вход в регулятор 8, где обнуляет интеграль ную составляющую сигнала ПЯ ),Пусть регулятор 8 реализует ПИ- закон регулирования. Тогда Ц = В, ьт(+ ,1 ф й,о где В и В - настраиваемые параметры регулятора,В результате самонастройки корректирующего фильтра 3 величина При этом переход системы управления в результате самонастройки корректирующего фильтра 3 на новое значение его коэффициента передачи не вызывает возмущения входной координаты объекта, т,е. имеет место безударный переход.Расчетная формула для выходного сигнала исполнительного устройства 10 имеет следующий вид: ХЯ-Х,(М+(1 -,К Ь, ь33 ХЦ =1 к,Ю 3.5Функция 1 1 Х(1) аппроксимирована, как это видно иэ (1) и (3), кусочно-линейной функцией;, С; - моменты времени, соответствующие двум последовательным самонастройкамвеличины КИ)Кусочно-линейная аппроксимая зависимости 1 Г.Х,выбрана в связи с тем, что использование ее позволяет,получить систему достаточно точ. - ную, простую и легко реализуемую.Можно для аппроксимации зависимости (22) использовать и более сложные функции, но это значительно усложнит систему регулирования. Таким образом, самонастройка КИ ), являющаяся коэффициентом пропорциональности в формуле (2), позволяет учитывать изменения статической характеристики данного канала управления, вызываемые переменными условиями функционирования объекта. Это позволяет более точно компенсировать на входе объекта последующие контролируемые возмущения, разгрузить обратную связь и уменьшить дисперсию выхода объек,та. Кроме того, практически все вычислительные процедуры, требующие затрат большого количества машин-, ного времени на выполнение, в предлагаемой системе не используется.Поскольку параметры С С и С, блока самонастройки являются настраиваемыми величинами, то для их определения существуют следующие мето- дые Преобразовав структурную схему системы, изображенной на фиг. 2, к более удобному для анализа виду (фиг. 4) используют обозначения: Ч (Р) - передаточная функция объек та по каналу основного внешнего возмущения Х (1); 11, (Р) - передат ч 7 12544Изменение величины выхода регулятора 8 с течением времени свидетельствует об изменении динамических характеристик канала управления и (или) внешних условий финкционирования системы, Величина модуля сигнала БЯ) в состоянии квазистатики объекта 4 характеризует несоответствие величины управляющего воздействия ХИ) величине основного контролируемого возмущения Х(Ф) и текущим условиям функционирования,Константа С, является предельно допустимой мерой этого несоответствия, Практически величина С, и, следова тельно, логический блок 13 нужны для того, чтобы не производить самонастройку корректирующего фильтра 3 в том случае, когда выходной сиг-, нал регулятора 8 равен нулю или на ходится на уровне шумов. Самонастройка фильтра 3 повышает качество компенсации возмущения, и следовательно, всей системы в целом, так как часть возмущений, которая до25 этого проходила через объект, увеличивала дисперсию выходной координаты и нагружала обратную связь, компенсируется на входе его.На фиг. 3 изображены статические 30 характеристики 1, 11 и 111 объекта 1 4 управления, соответствующие разным условиям функционирования системы и снятые по каналуг ХИ)У(1), причем К К35Х (С)К - абсциссы точек пересечения соответствующих статических характеристик с линией заданного(1) значения выходной координаты ТИ ) объек та.Статическая характеристика, снятая, например, для канала- УЙ ) объекта 4 управления, с 45 ХХ,й)течением времени изменяется иэ-эа нестационарности условий его функционирования, В связи с этим изменяется и абсцисса К(1) точки пересечения линии заданного значения выходного 50 параметра и статической характеристики объекта управления по данному каналу, т.е. величина КЯ ), которая представляет собой отношение величин входной координаты ХИ ) и основного 55 внешнего возмущения Х 1(1), является величиной переменной. Поскольку Х,(1) является ведущим, т.е. независимым, параметром, а величина КЯ)величиной переменной, то е хам=к(1; х,(с - при 1, -1;+Уз(Ф/ (4 Сг ск чае можно принять астно(2 аое спект т с где Ба 50 Тогда 9ная функция регулятора 8; Иу(Р) передаточная функция объекта по каналу возмущения й; И (Р) - передаточная функция объекта по каналу ГХ,И) - У35 Ф,(Р) - передаточная функция систе мы па каналу Х,(1) - ЬУ(6) 3 ф(Р), ф(Р) - передаточные функции системы по каналам ЯЕ) - ЬУ(1) и(1) - ьУ(Ь)ДОПри преобразовании системы по фиг. 2 к виду по Фиг. 4 не используются.блок самонастройки и параметрический канал. При этом в качестве коэффициента передачи корректи рующего Фильтра используется математическое ожидание случайной функцииИ) К, - М КИ)20 т.е, учитывается влияние блока самонастройки на величину коэффициента передачи корректирующего фильтра, вследствие чего в дальнейших расчетах используется величина КУ25Методом структурных преобразований или путем составления уравнений связи входов и выходов элементов системы с последующим исключением промежуточных переменных можно ЗО получить выражения для передаточных функций системы по Фиг. 4 по выбранным каналам.Считая, что априорно известны автокорреляционные функции случайных процессов Х,Я), 1 (1),(1), которые обозначаются соответственно через К И), Ки Ки с учетом ил. -5 ы 13 ы,где 0 - дисперсии случайной функциифЯ - спектральная платность,определяют спектральную плотностьошибки ЬУ(1) через спектральныеплотности процессов Х,(1),(с)и(1), принимая во внимание, чтопроцессы между собой не коррелиров8 (У), Яч(ы), - спектральные плотности дисперсий соответ ственно основного внешнего возмуще- ния К,(1) возмущения 1и задания системы(с)., Указанные спектральные плотности получают, используя уравнение (23) и априорно известные автокоррекляционные Функциипроцессов Х (6), 1 (1) и(1). Выражение (24) связывает спектральную плотность ошибки системы со спектральными плотностями дисперсий входов системы и ее параметрами,т.е, параметрами передаточных функций объекта и регулятора.Среднеквадратичное отклонение ошибки системы где Ь Ус- среднеквадратичное отклонение ьу(1);0 - дисперсия величиныьт(+) .Величина ьУс характеризует качество работы системы регулирования и может быть принята в качестве ко" личественной меры динамической точности системы регулирования. Так как величина 6 Ухарактеризует отклонение выходной координаты в среднем за сравнительно большой промежуток времени, то можно положить С 2скопределения оценки параметможно использовать статичесфференцирование и получить альную плотность производной ала ошибки, т.е.,(ю) - спектральная плотностьпроизводной от ошибкисистемыСпектралслучайного персии ьная плотипроцесса 5, (я) стемы. от оши ость дис а У(1)11 125Можно положить СьУ, В частном случае можно принять, например,С = ьУ,Подставляя в формулу (7) величину ьУсполучают оценкуОВ ьск+ 82 ь сквыходного сигнала регулятора 8 в состоянии квазистатики объекта, когдана вход регулятора поступает ошибкасистемы, равная ее среднеквадратичному отклонению.Можнс положить С - П. В частномАслучае С, = П.Параметры блока 7 самонастройкимогут быть получены как аналитически,так и .в результате цифрового моделирования данной системы на ЭВМ сцелью определения оптимальных настроек блока 7 по выбранному критерию.Самонастраивающаяся система комбинированного регулирования можетбыть реализована программно на базелюбого УВК, например М, СМ,агрегатного комплекса "Микро ДАТ"и так далее, если они имеются в составе АСУ ТП.Кроме того, предлагаемую системуавтоматического управления можно реализовать на базе технических средствгосударственной системы приборов исредств автоматизации,Логические блоки 13-15 можно реализовать, используя совокупность ком"параторов и управляемых ключей(фиг. 5).На входы компараторов поступаютсигналы задания , С, Сз и переменные 1 П,ьу, ь У 1.Выходные сигналы компараторов поступают на управляющие входы ключей.На другие входы ключей подается сигнал С . Причем этот сигнал на входыключей 25 и 27 поступает лишь присоблюдении условий, проверяемых соответственно в блоке 22 и в блоках22 и 24 одновременно.В качестве компараторов 22, 24 и26 можно использовать операционные,.усилители (ОУ) а также специальноразработанные компараторы типов521 СА 2, 521 СА 1, 521 САЗ, 597 СА 1. икомпараторы, построенные на базеОУ; в качестве управляемых ключей23,25 и 27 (фиг. 5), а также ключа19 (фиг. 2) - электронные аналоговыеключи в интегральном исполнении1 КТ 901, 1 КТ 902; в качестве блока4433 12 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дифференцирования 11 (фиг, 1) блок динамических преобразований БДП-П, входящий в состав АКЭСР,или субблок дифференцирующий помехозащищенный типа Ф 5170 (БМАД 1), выходящий в состав СУПС. В качестве блоков деления 18 и умножения 21 применяют блоки вычислительных операций типов БВО-П комплекса АКСЭР, БВОкомплекса АКСЭР второй очереди,субблок математический типа Ф 5178 (БМАУ 1) комплекта СУПС.В качестве определителя рассогласования 6 и сумматора 9 можно использовать блоки кондуктивного разделения и суммирования типа БКР 1, вычислительных операций типа БВО комплекса АКСЭР, субблок алгебраического суммирования типа Ф 5178 (БМАСЗ) комплекта СУСП; в качестве регулятора 8 - например, регулирующие устройства типа РБА комплекса АКСЭР, субблок,регулирующий с аналоговым выходом Ф 5179 (БРАА 1) комплекта СУПС. В качестве блока 20 памяти применяют устройство выборки и хранения (УБХ). Кроме того, блок памяти можно реализовать на базе средств комплекса "Микро ДАТ" с использованием элеменТов оперативной памяти КС 54.05; КС 54.07; КС 54.08, КС 5409; КС 54.34. В качестве блоков выделения модуля 12, 16 и 17 используют, например, субблоки вспомогательных функций комплекта СУПС.Сигнал задания(1), а также сигналы С С, С, С могут быть сформированы, например, с помощью задатчиков аналогового сигнала типа Ф 5183 (ПЗРА 1) комплекта СУПС.Исполнительное устройство 10 может быть реализовано, например, совокупностью последовательно соединенных преобразователя электропневматического и регулирующего клапана с мембранным исполнительным механизмом.. В качестве преобразователя электропневматического можно использо- вать ЭПП, а в качестве регулирующего клапана - регулирующий клапан в соответствии с требуемой пропускной способностью регулируемой среды (входная координата ХИ),(фиг. 1 и 2), характеристиками регулируемой среды и условиями эксплуатации, например для агрессивной среды - клапан типа 25 нж 50 нж.На фиг, 6 приведена принципиальная схема пневматического ПИ-регу1254 13лятора, причем Р , Р- сигналы,соответствующие заданному и текущему,значениям регулируемого параметра;Р - командный сигнал,433 4 ти увеличивает ее долговечность и снижает затраты на обслуживание. Формула изобретенияДля реализации операции обнуленияинтегральной составляющей ПИ-регулятора при самонастройке .корректирующего фильтра 7 (фиг. 1) необходимопосредством клапана 35 (фиг. 6) совдинить емкость 34 атмосферой, Клапаном 3 управляет сигнал С (фиг. 1),При самонастройке корректирующегофильтра он поступает .на клапан 35(фиг. 6) и далее через некоторое вре 15мя (определяемое инерционностью участвующих в обработке сигналов элементов системы) сигнал С в результатенарушения условия, проверяемого вблоке 12 (фиг, 1), становится рав:ным нулю и клапан 35 закрывается,В качестве клапана 35 (фиг. 6)можно использовать элемент УСЭППА -клапан одноконтактный ПЗК,1,Таким образом, самонастраивающаяся система комбинированного регулирования, являясь системой автоматического регулирования высокого качества, обладает значительной простотой, повышенной надежностью и более 30широкой областью применения, таккак может быть реализована беэ применения ЭВМ.Поскольку возможно применениепредлагаемой системы автоматического регулирования без использованиясложных технических устройств (ЭВМ),значительно удешевляется система,что позволяет испольэовать ее на таких процессах, где применение ЭВМдля управления процессами экономически неоправдано, Кроме того, упрощение синтеза системы и ее реализации позволяет сократить время наее внедрение, а повышение надежнос-.5 Самонастраивающаяся система комбинированного регулирования, содержащая первый блок выделения модуля,последовательно соединенные блок памяти,блок умножения, сумматор, исполнитель.ное устройство, объект, датчик выходной координаты объекта, измерительрассогласования, регулятор и второйблок выделения модуля, последовательно соединенные датчик внешнего возмущения и блок деления, последовательно соединенные блок дифференцирования и третий блок выделения модуля, причем второй вход объекта соединен с входом датчика внешнего возмущения, выход которого соединен свторым входом блока умножения, выходизмерителя рассогласования соединенс входами первого блока выделениямодуля и блока дифференцирования, выход регулятора соединен с вторымвходом сумматора, о т л и ч а ю щ ая с я тем, что, с целью упрощениясистемы, повышения ее надежностии расширения области применения, внее включены датчик входной коор. -динаты объекта, управляемый ключ ипоследовательно соединенные первый,второй и третий логические блоки,вторые входы которых соединены с выходами соответственно второго, первого и третьего блоков выделения модуля, выход третьего логического блока соединен с вторым входом регулятора и через управляемый ключ - свходом блока памяти, выход исполнительного устройства соединен черездатчик входной координаты объектаи блок деления с вторым входом управляемого ключа,