Регулятор для объектов с запаздыванием

(4) 1 136150Изобретение относится к техникеавтоматического регулирования инерционных объектов со значительным запаздыванием и неконтролируемыми возмущениями.5Цель изобретения - повышение динамической точности регулирования.На фиг.1 представлена. блок-схема регулятора для объектов с запаздыванием и блок-схема второго корректируюМв щего устройства; на фиг.2 - блоксхема третьего корректирующего звена; на фиг.З - логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ); на фиг.4 - характеристики переходных процессов отработки возмущений.Схема содержит (фиг.1) сумматор 1, усилитель 2 рассогласования, первое корректирующее звено 3, усилитель 4 мощности, сумматор 5, объект 6 регулирования, датчик 7 обратной связи, второе корректирующее звено 8, операционный усилитель 9, резисторы 10 и 11, конденсатор 12 и третье 25Гкорректирующее звено 13. Последнее содержит первый двухпороговый компаратор 14, первый элемент 15 совпадения, первый триггер 16, второй элемент 17 совпадения, второй триггер З 0 18, элемент 19 задержки, дифференцирующий блок 20, второй двухпороговый компаратор 21, элемент 22 равнозначности, инвертор 23, первый 24, второй 25, третий 26 и четвертый 27 резисторы, конденсатор 28, операционный усилитель 29, первый 30, второй 31 и третий 32 ключи (фиг.2). Регулятор работает следующим об разом.При малых возмущениях Р и малых задающих воздействиях Х, корректирующее устройство 13 не срабатьвает, воздействие Х 5, отсутствует, работают 45 лишь первое 3 и второе 8 корректирующие устройства. С помощью этих устройств обеспечивается наклон ЛАЧХ скорректированной системы 20 дБ/дек (фиг.З). Характеристика Ь показы вает изломы, которые имели бы место при отсутствии дифференцирующих звеньев, компенсирующих инерцию объекта - излом на частоте И (Т =Т ) и инерцию датчика обратной связи- излом на частоте я(Т =Т). Частота среза выбирается из условий устойчивости ипоказателей качества регулирования с учетом запаздьвания. 3 2По схеме (фиг.1) постоянные времени определяются следующими выражениями: Передаточная функция второго корректирующего звенаТР+ 1Н (Р)ка ТР+1(1)Передаточная функция первого корректирующего звенаН,(Р) =,", , (2)4При этом Т ) ТТ ) ТИзлом р соответствующий Т, выходит за пределы фиг.З, т,е, имеет место при И, ) уЯ, . Передаточная функ" ция разомкнутой системы с учетом корректирующих звеньев 3 и 8 имеет видК(Т Р+1)(ТР+1)е(3)При Т = Т и Т = Т имеют Ке РР") - Тт, + 17 ТТ+Р + 17 Можно трактовать корректирующие звенья 3 и 8 как элементы, реализую- щие обратную модель объекта без запаздывания. Такая линейная САР характеризуется малым быстродействием и большими динамическими ошибками. На фиг.4 приведен пример кривых изменения выходной координаты У, объекта 6 и выходного сигнала Е, датчика 7 Обратной связи при отключенном звене 13 и большом скачке возмущения Р, рассчитанные на ЭЦВМ. Возмущение Р принято таким, чтобы без регулятора оно вызьвало отклонение выхода на 103 от диапазона изменения У. При работе только линейной части регулятора максимальное отклонение выхода У составляет 3,87, а время регулирования, соответствующее уменьшению У ДООуЗХ С =260 с или С = 22 Г,Р РНазначение корректирующего звена 13 - уменьшить максимум отклонения У и сократить время регулирования при значительных рассогласованиях Х Практически для систем стабилизации . важно обеспечить быстрое отрабатывание рассогласований, вызванных возмущающими воздействиями. Величина возмущающего воздействия отражается(10) 3 1361503 4 на величине скорости изменения рассо- У(1) (фиг.4) до начала работы коррекгласования тирующего звена 13 (т, = 0 -) июг от 1, до 1 близки к прямолинейным,е Н.5то можно выбирать К из соотношепри фиксированной величине самого ниярассогласования Х = Я . По известК = 1+- - - - (9) ным передаточным функциям объекта 6 9 1 -1( регулирования и датчика обратнойПо графикам (фиг.4) получают К связи рассчитываются зависимости Х = 10 У - я, (т) для ряда Фиксированных знаВ момент времени 1 необходимо чений Р, а также зависимости Ч =гснизить Х от значения Х = К Р = Г (1) для тех же значений Р, Если р Рдо значения Х = Г и сохранять этот принять коэффициенты усиления объекта рсигнал до тех пор, пока величина 6 регулирования, датчика 7 обратной .15 Ч не снизится ниже уровняЧс г ) связи и усилителя 4 мощности, равнымиРассогласование Х при этом может единице, а коэффициент усиления расбыть и больше величины Я , так как согласования 2 равным К = 100, то длясрабатывание КУЗ происходит по сорассматриваемого примера справедливывпадению трех условий: следующие выражения с учетом того, 20что Х = Е при Х, = 0: 1 Хг/Е1 Ч(-УХ = Г(1 - - ---- - -- ) (5)яоп Х = яоп Ч.е 1 о - е 14Ч ЯТ(6) Таким образом предотвращается поо А вторное срабатывание корректирующегоПо графикам Хг = Г, для Фикси- звена 13, которое привело бы к само.рованного значения Хг = Я делаются раскачиванию регулятора. Отключение выборки значений 1 соответствующих корректирующего звена 13 произво 30каждому из Р, Каждому значению соот- дится по. истечении времени 1дЗаА ветствует по графикам Ч = .г (т,) свое задержки элемента 19 задержки, кото-гзначение Ч, Далее определяется ап- рое выбирается по условии 1 Ч) (,проксимирующая функция Ч = Т (Г). при всех возможных возмущениях всистеме.Для рассматриваемого примера при 35 Сигнал рассогласования Х усилива-г2 с = 22 10 ется усилителем 2, что облегчает по+ 0 41 р),10 г (7) строение последующих узлов. КомпараЕ тор 14 срабатывает при ХгОценка Р по величине Ч.,: что соответствует Х.(Ч,Р = 244(Ч 10 ) . (8) 40 Компаратор 21 выдает единичный сигналР при 1 Ч), что соответствуетПоскольку малые отклонения У уст-ХЧ , Элемент равнозначностиограняются линейной частью регулятора 22 выдает логическую единицу приа корректирующее звено 13 предназна- яп Х = яхдп Х т,е, при яоп Хг=3 4 9чено для быстрого предотвращения 45 = яхдп Ч, При соблюдении условий (1 О) больших отклонений У, вполне прием- триггер 16 устанавливается в единичлема линейнаЯ аппРоксимациЯ. При ное состояние, При этом размыкаетсяцепь ключа 30 и замыкается цепь ключаР = 215 Ч 31Размыкание клича 30 переводит50 операционный усилитель 29 в режимКорректируищее звено 13 срабатыва- хранения имеющегося на его выходенапряжения, пропорционального К Р.Выбор коэффициента форсировкиКлюч 31 передает это напряжениеКХс55 на вход операционного усилителя 9,Р корректирующим звеном осуществляется производится по условию снижения У форсированное снижение отклонения до нуля к моменту времени изменения регулируемого параметра У, вызванного знака Ч. Поскольку участки кривых возмущающим воздействием Р, Когда(15)+17127 5скорость изменения рассогласования изменит свой знак, на выходе инвертора 23 появляется логическая единица и срабатывает триггер 18. Это вызывает замыкание ключа 32 и начало отсчета времени элементом 19 задержа ки. Замыкание ключа 32 обусловливает снижение Хв К разСопротивления резисторов 26 и 27 выбираются из условия 361503 6клонениям параметров. Для точной настройки (кривые У и Е) принят К =з ф=1,8, для кривых У и Е принят К- 1,3, Тем не менее и кривые Усоответствуют вполне удовлетворительной интенсивной обработке возмущения.Сопоставление интегралов от ошибки за время регулирования показывает,что для кривой У эта величина в 11раз меньше, чем для кривой У , т.е.происходит повышение динамическойточности.(16) и составляет 0,988.После отключения корректирующего 45 звена 13 непрерывная часть регулятора обеспечивает устранение остаточного отклонения регулируемой величины.Характеристики Уи Е (фиг,4) получены при этом же возмущении, что и характеристики У, и Е но при работе корректирующего звена 13. При этом максимальиое отклонение У уменьшается до 2,3 Х, а время регулирования до значения т = 33 с или 1 р2,75 , что в 8 раз меньше, чем при отсутствии корректирующего звена 13. Кривые У и Е демонстрируют малую чувствительность системы к отЗначение Х= К У при разомкнутом 16 ключе 32 обеспечивается параметрами усилителя 2 рассогласования дифференцирующего блока 20 и сопротивлениями резисторов 24 и 25. Произведение емкости конденсатора 28 на сопротивле-.ние резистора 25 должно быть значи-.тельно меньше величины Г для получения пренебрежимо малого запаздывания процесса заряда конденсатора 28.В течение времени 1задержки 25 элемента 19 задержки скорость изменения Х должна снизиться ниже величиныи компаратор 21 должен переключиться в исходное состояние с логическим нулем на выходе, По исте- З 0 чении времени1 д выходным сигналом элемента 19 задержки оба триггера возвращаются в исходное состояние,Конденсатор 12 в конце работы имеет заряд и напряжение, соответст 35 вующие величине Р . Делитель, образованный для сигнала Х резисторами 1 и 10, имеет коэффициент передачи, близкий к единице, Для рассматриваемого примера 40 Формула изобретения ф1. Регулятор для объектов с запаздыванием, содержащий сумматор., усилитель рассогласования, два корректирующих звена, датчик обратной связи, вход и выход которого подключены соответственно к первому входу регулятора для объектов с запаздыванием и к первому входу сумматора, и усилитель мощности, выход которого соединен с выходом регулятора для объектов с запаздыванием, второй вход сумматора связан с вторым входом регулятора для объектов с запаздыванием, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения динамической точности регулирования, в него введено третье корректирующее звено, причем выход сумматора через усилитель рассогласования соединен с входами первого и третьего корректирующих звеньев, выход первого корректирующего звена подключен к первому входу второго корректирующего звена, соединенному вторым входом с выходом третьего корректирующего звена, вход усилителя мощности соединен с выходом второго корректирующего звена.2. Регулятор по п,1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что второе корректирующее звено содержит операционный 1усилитель, первый вход второго корректирующего звена через последовательно соединенные два резистора и конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала, второй вход второго корректирующего звена связан с точкой соединения второго резистора и конденсатора, точка соединения первого и второго резисторов связана с входом операционного усилителя, выход которого подключен к его инвертирующему входу и выходу второго корректирующего звена.7 13613, Регулятор по п.1, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что третье корректирующее звено содержит два компаратора, элемент равнозначности, ди 44 еренцирующийблок, два элемента совпадения, два триггера, четыре резистора, три ключа, инвертор, элемент задержки, конденсатор, операционный . усилитель, причем входы первого 10 компаратора и элемента равнозначности и вход диференцирующего блока соединены с входом третьего корректирующего звена, выходы первого и второго компараторови элемента равно значности соединены с входами первого элемента совпадения, выход которого подключен к Я-входу первого триггера, выход диференцирующего блока подключен к входам второго компаратора, элемента равнозначности и через резистор - к входу первого ключа, к . входам второго элемента совпадения подключены выход первого триггера и выход инвертора, вход которого соеди нен с выходом элемента равнозначнос 503 8ти, выход второго элемента совпадения соединен с Я-входом второго триггера, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа и входом элемента задержки, выход которого .соединен с В-входами первого и второго триггеров, выход первого ключа соединен с инвертирующим входом и через конденсатор - с выходом операционного усилителя, управляющий; вход первого ключа соединен с инверсным выходом первого триггера, выход операционного усилителя через второй резиСгор соединен с входом первого ключа, вход второго ключа связан соответственно через третий и четвер-тый резисторы с выходом операционного усилителя и входом третьего ключа, управляющий вход второго ключа соединен с выходом первого триггера, неинвертирующий вход операционного усилителя и выход третьего ключа.связаны .с общей точкой, выход второго ключа подсоединен к выходу третьего корректирующего звена.ф