Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор для объектов с запаздыванием

союз советсниксоциАлистичеснихРЕСПУБЛИН 91 1) 30 5 0 05 В 11/01 ГОсудАРстВенныйПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИпРи Гннт сссР МИТЕТОТНРЫТИЯМ(54) ПРОПОРЦИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬ ОБЬЕКТОВ С ЗАПА (57) Изобрете ствам автомат режимов работ с запаздывани асыщеи исОПИСАНИЕ ИЭОБР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ АЛЬНО-ИНТЕГРАЛЬНОЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯЗДЫВАНИЕМе относится к устройеского регулированиядинамических объектови может быть использовано при создании высокоточныхсистем управления металлорежущимистанками. Изобретение позволяет засчет реализации упреждения по управлению сократить длительность переходного процесса, а также обеспечитьапериодический характер переходногопроцесса. Регулятор содержит активный фильтр 1, два блока дифференцирования 2, 3, два делителя напряжения 4, 5, четыре сумматора 6-9, четыре усилителя 10-13, двавыпрямителя14, 15, нелинейный элемент с ннием 16, инерционное звено 17полнительный механизм 18. 1 ил.Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования динамическими . объектами с запаздыванием и может быть использовано при создании высокоточных систем управления металлорежущими станками,Цель изобретения - повышение качества димнамических характеристикрегулятора. 10На чертеже представлена функциональная схема регулятора,Регулятор содержит активныйфильтр 1, первый 2 и второй 3 .блокидифференцирования, первый 4 и второй5 делители напряжения, первый 6,второй 7 третий 8 и четвертый 9 сумматоры, первый 10, второй 11, третий12 и четвертый 13 усилители, первый14 и второй 15 выпрямители, нелинейный элемент 16 с насыщением инерционное звено 17 и исполнительныймеханизм 18, прячем второй 11 и четвертый 13 усилители выполнены с переменным коэффициентом усиления, 25Регулятор работает следующим образом,Входной сигнал поступает на первый вход сумматора 9 и информационный вход активного фильтра 1. На30управляющий вход активного фильтрапоступает сигнал с выхода второгоделителя 5 напряжения, устанавливаяперестраиваемую полосу пропусканияфильтра в функций времени запаздывания объекта, С выхода активного фильт.ра 1 сигнал поступает на вход второгоблока дифференцирования 3, с выходакоторого поступает на информационныйвход усилителя 13, на управляющий 40вход которого поступает сигнал с выхода второго делителя 5. Вследствиеэтого в четвертом усилителе 13 устанавливается коэффициент усиления, прямо пропорциональный времени запаздываф 45ния, С выхода усилителя 13 сигналпоступает на второй вход сумматора 9,на выходе которого Формируется сигналУ: Х+ФХ,где Х - входной сигнал;504Х - производная входного сигналаС - постоянная времени запаздыва- вния,С выхода четвертого сумматора 9сигнал поступает на входы усилителя5510 первого блока 2 дифференцированияи первого выпрямителя 14. С выходовусилителя 10 и блока 2 дифференцирования сигналы поступают на входы первого сумматора 6 соответственно, с выхода которого сигнал поступает на информационный вход усилителя 11. С выхода выпрямителя 14 сигнал поступает на первый вход второго сумматора 7, на второй вход которого поступает сигнал с выхода делителя напряжения. С выхода сумматора 7 сигнал поступает через второй выпрямитель 15 на вход нелинейного элемента 16 с насыщением, с выхода которого - на управляющийвход второго усилителя 11. Выход усилителя 11 соединен с первым входом третьего сумматора 8, выход которого подключен к входу усилителя 12, выход которого через инерционное звено 17 соединен с вторым входом сумматора 8, Выход третьего усилителя 12 соединен также с входом исполнительного механизма 18При первоначальном подключении регулятора к объекту через элементы 14, 4, 7, 15, 16 у второго усилителя 11 устанавливается малый коэффициент усиления, что способствует плавному разгону объекта регулирования вдоль границы области ограничений по управляемой координате и постепенному перехоцу его в режим стабилизации, По мере уменьшения входного сигнала Х коэффициент усиления усилителя 11 увеличивается, а в режиме стабилизации при определенных ошибках с помощью нелинейного элемента 16 с насыщением он устанавливается оптимальным для данного режима стабилизации.Как известно, усилители с переменным коэффициентом усиления увеличивают коэффициент усиления прямо пропорционально сигналу на управляющем входе, в то же время практика систем автоматического регулирования свидетельствует,о том, что для плавного разгона необходимо менять коэффициент усиления от меньшего к большему. Поскольку ошибка регулирования при разгоне по координате Х изменяется от максимального значения к минимальному, то с помощью элементов 14, 4, 7; 15, 16 реализуется обратно пропорциональная зависимость от ошибки регулирования. Начальный коэффициент усиления управляемого усилителя можно установить достаточно малым, в 40."80 раз меньше коэффициента усиления в режиме стабилизации, а в дальнейшем в регуляторе автоматически будет выбираться необходимый коэффи.второго усилителя 11 - Х , третьегосумматора 8 - Х 1, третьего усилителя 12 - Х 16, инерционного звена 17Х , исполнительного механизма 18 -Хо, тогда уравнения связи сигналоврегулятора будут иметь вид: Х 6= Х 1 ф + Х 17 юх,= (х,;х, =х 1; Кд К 2,приХЦ( Хг,)К 1312 А ф,.Х 2 Х 15Х Известно, что передаточная функцияпропорционально-интегрально-дифференциального регулятора имеет вид:У (Р ) = К (Х ) (1+Т Р+ в - ) (2 )1Р Р 3 Тир или 2а -Л- - (Э1+ТР+ТИТ Р 30Р Р Т Ргде К(Х) - ко эффициент усиления,Р - оператор Лапласа;Т - постоянная времени интегйрирования; 35Т - постоянная времени дифференцирования.Передаточную функцию регулятораможно определить так:40(6) циент для прохождения допустимой области по ограничению,Обозначим через У,(Р ) передаточную функцию элемента регулятора, Передаточные функции элементов, используемые ниже, имеют следующий вид:17 (Р ) ---И (Р ) = К РТР+1 И, (Р ) - К; Ы (Р ) - К 72 (Р) -К,р;171 (Р )К 7 (Х)1"712(Р ) К 16 Р 7 (Р )-- Ы (Р)= --ТР+ "8 Т Р Обозначим выходные сигналы актив-ного фильтра 1 через Х 1, второго блока 3 дифференцирования - Х 2, четверили(Тп Р+1 + К 6 К , ) Т Р Третий усилитель 12 выбирается с достаточно большим коэффициентом усиления, чтобы выполнялось .соотношениеК 16 К 7) Т Р + 1 (7) Кроме того, четвертый усилитель 13 обеспечивает выполнение соотношения:2 3 "ф (8)Отсюда получаем:ЕГР) К 17(9)К 17 ТИРЕГР) с Р К 147 (Р) = -( -- - + 1)Р Х (Р) Т Р+1 К(К +К 6 Т 7 Р+К Р+К Т Р ) (10)ТРОбозначим через У(Р) следующее выражение:Л Рт(Р) - Х(Р)( --- - +). ( ) То гда переда точная функция ре гулятора по поординате У имеет видЕ ГР) КИ . Г КсТ 7 +К 77 (Р)---- К 1+ --- Р+У(Р) К 6 КК 7 Т Р17. (12)К 6ТИРИз сравнения выражений (3) и (12)получаемК 14 К 16 К 6 Т 7 + Кт,-- К; Т= --- ;К 17 Р " К 6 К 7 Т 7 К,Т,7ТТ.=-7 - ; Т Кв 3 К 6 Т 17Кт159 б 304 Формулаиз об ре тенин Составитель В,Пешков Редактор М,Бандура Техред Л.Олийнык Корректор И,Муска Заках 3902 Тираж 665 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 Таким образом, К (Х) не вноситизменения в значение остальных параметров регулятора, причем по отношению к расчетной координате У пропор 5ционально-интегрально- дифференциальный закон реализуется,Вследствие введения в структурурегулятора активного фильтра 1, блока3 дифференцирования, делителя 5 напря жения, усилителя 13 с переменным напряжением усиления достигается возможность обеспечить сокращение длятельности переходного процесса за счетвведения упреждения по управлению,Использование активного фильтрапозволяет получить усредненйое значение производной по ошибке и ограничить влияние случайных возмущающихвоздействий и шумов измерения, чтоповышает степень приближения расчетной ошибки регулирования к фактической,Монотонность и небольшие градиенты ошибки регулирования вследствие 25апериодического характера переходного процесса обеспечивают достаточную точность аппроксимации расчетнойошибки по сравнению с действительнойи сокращение длительности переходных . 30процессов,Пропорционально-интегрально-диф 35 ференциальный регулятор для объектов с запаздыванием, содержащий первый усилитель и первый блок дифференцирования, выходы которых подключены к соответствующим входам первого 40 сумматора, первый выпрямитель и первый делитель напряжения, выходы которых подключены к входам второгосумматора, выход которого через последовательно соединенные второй выпрямитель и нелинейный элемент типа"насыщение" подключен к входу настройки коэффициента усиления второго усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, выход которого через третийусилитель соедияен с входами инерционного звена и исполнительногомеханизма, выход первого сумматорасоединен с информационным входом второго усилителя, а выход инерционногозвена соединен с вторым входом третьего сумматора, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения качества переходных процессоврегулятора, в него введены четвертыйсумматор, активный фильтр, второйблок дифференцирования, четвертыйусилитель, четвертый сумматор и второй делитель напряжения, выход. которого подключен . к входу настройкикоэффициента усиления активного фильтра и четвертого усилителя, вход регулятора соединен с информационнымвходом активного фильтра и с первымвходом четвертого сумматора, выходактивного фильтра через второй блокдифференцирования соединен с информационным входом четвертого усилителя, выход которого, подключен к второму входу четвертого сумматора, выход которого соединен с входами первого усилителя, первого.,блока дифференцирования и первого выпрямителя.