Устройство для настройки регуляторов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик и 938256(22)Заявлено Оч. 08.80 (2 ) 2967611/18-2 Йс присоединением заявки ЭЬ(5)М. Кл. с 05 В 11/26 ЪвударетювыИ канитет СССР зю Аевавю изобретений н открытий(72) Автор изобретения Л.А. Иванов Специальное конструкторское бюро систем промышленнойавтоматики Чебоксарского:производственного объединения(5 М) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСТРОЙКИ РЕГУЛЯТОРОВ 1Изобретение относится к техникеавтоматического регулирования и может быть использовано в устройствах,предназначенных для настройки промышленных автоматических регуляторовг 5с электрическими входными и выходнымисигналами,Известны устройства для настройкирегуляторов (УНР), содержащие возбу-дитель колебаний, выполненный в видепоследовательно соединенных релейного элемента и апериодического звена, ифанализатор колебаний 1 3.Известны также устройства, процедура настройки регуляторов которых 15с помощью УНР является итерационной 23Недостатками известного УНР являются низкая точность, узкий диапазонвозможных значений параметров наст- оройки и низкий уровень эргономическихпокааателей, в частности, низкий показатель удобства обслуживания УНРоператором. 2Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является уст.ройство для настройки регуляторов, содержащее первый задатчик, второй :задатчик, блок управления, индикатор. и последовательно соединенные третий задатчик, первый сумматор, релейный элемент, второй сумматор, первый преобразователь напряжения в частоту первый делитель частоты, первый счетчик, цифро-аналоговый преобразователь и усилитель, последовательно соединенные генератор опорной частоты, второй делитель частоты, второй счетчик, блок усреднения, первый регистр и первый цифровой отсчетный блок и последовательно соединенные второй регистр и второй цифровой отсчетный блок, выход первого сумматора подключен к входу индикатора, первый вход выходного усилителя соединен с вторым, входом второго сумматора, а второй вход - с первым выходом второго задатчика, первый выход3 938256блока управления подключен к второмувходу второго счетчика, второй выход - к второму входу блока усреднения, второй выход которого соединен с входом второго регистра, выходпервого задатчика подключен к второму входу первого делителя частоты,второй выход первого преобразователянапряжения в частоту подключен к второму входу первого счетчика 316Недостатками известного устройства являются неудовлетворительные точность, надежность и эргономическиепоказатели удобства обслуживанияоператором, обусловленные слабой помехозащищенностью устройства и необходимостью выполнения операторомвычислительных операций на каждомшаге итерационной процедуры настройки регулятора. 20Цель изобретения - повышение точности и надежности устройства.Поставленная цель достигается тем,что устройство содержит последовательно соединенные второй преобраэователь напряжения в частоту, третийделитель частоты и третий счетчик,подключенный вторым входом к первомувыходу блока управления, а выходом -к третьему входу блока усреднения,вход второго преобразователя напряжения в частоту соединен с выходомпервого сумматора, второй вход третьего делителя частоты соединен с вторым выходом второго задатчика, а тре-,тий вход - с выходом первого задатчика и вторым входом второГо делителячастоты,На чертеже изображена блок-схемаустройства для настройки регуляторов,Устройство содержит релейный элемент 1, второй сумматор 2, первыйпреобразователь 3 напряжения в частоту (ПНЧ), первый делитель 4 частоты, первый счетчик 5, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 6, усилитель 7, первый задатчик 8, второйзадатчик 9, генератор 10 опорнойчастоты, второй делитель 11 частоты,второй счетчик 12, блок 13 управле 50ния, второй преобразователь 14 напряжения в частоту, третий делитель 15 частоты, .третий счетчик 16,первый сумматор 17, третий эадатчик18, индикатор 19, блок 20 усреднения, первый регистр 21, второй ре 55гистр 22, первый цифровой отсчетныйблок (ЦОБ) 23, второй цифровой отсчетный блок 24. 4Релейный элемент 1 имеет раэнополярные симметричные относительно нуля напряжения уровни ограничения выходного сигнала.Сумматоры 2 и 17; ЦАП 6 и выходной усилитель 7 имеют двухполярные выходные сигналы. Вторые входы сумматоров 2 и 17 являются вычитающими по отношению к первым входам.ПНЧ 3 и 14 - интегрирующего типа, например, каждый из них- содержит входной интегратор и пороговые элементы, соединенные с выходом интегратора, а также цепь сброса интеграто" ра, управляемую пороговыми элементами, и выполнены так, что преобразуют знакопеременное входное напряжение в частоту следования. импульсов на выходе, которая прямо прогорциональна абсолютной величине соответствующего входного напряжения. ПНЧ 3 дополнительно формирует на втором выходе логический сигнал знака входного напряжения. В частности ПНЧ 3 и 14 могут быть выполнены, как ПНЧ в известном УНР.Делители 4 и 11 частоты выполне" ны так, что их коэффициенты деления устанавливаются равными числовым эквивалентам параллельных кодов, подаваемых на их входы, Например, десятичный четырехразрядный код обеспечивает установку их коэффициентов деления в пределах от 1 до 9999.Делитель 15 частоты выполнен так, что его коэффициент деления равен произведению числовых эквивалентов параллельных кодов, поданных на второй и третий входы. Например, он содержит два последовательно соединенных делителя частоты, один из которых управляется по третьему входу делителя 15 и выполнен точно так, как делители 4 и 11 частоты, а второй - по второму входу делителя 15, например, восьмиразрядным единичным нормальным позиционным кодом.Задатчики 8 и 9 выполнены в виде эадатчиков параллельного кода, например задатчик 8 - в виде переключателя на восемь положений, снабженных обозначениями "0", "1", "2" "4" "8" "16", "32", "64", "4", выдающего в каждом положении различные значения единичного нормального позиционного кодаСчетчик 5 - двоичный реверсивный, причем направление счета определяет40 5 9382ся логическим сигналом на втором входе.ЦАП 6 имеет вход параллельногодвоичного кода и настроен так, чтоего выходное напряжение достаточноточно равно нулю при входном коде,содержащем "единицу" только в старшем разряде.Усилитель 7 выполнен в виде линейного усилителя, коэффициент уси- Оления которого может быть достаточно точно установлен равным любомуиэ некоторого набора значений, содержащего нулевое значение, например из набора значений 3; 0,01; 0,02;ь0,08; 0,16; 0,32; 0,64, В частномслучае усилитель 7 может представлять собой усилитель с единичнымкоэффициентом усиления и с высоким,входным сопротивлением, например доперационный усилитель, включенныйпо схеме повторителя, на входе которого установлен двоичный резистивный делитель напряжения, управляемый позиционным кодом второго задат Бчика 9,Блок 20 усреднения выполнен так,что при поступлении импульса на второй вход блок записывает в своивходные регистры циФровые сигналы, звимеющиеся к этому времени на первоми третьем входах, затем производитвычисление среднего значения .всехданных, принятых по первому входу,и всех данных, принятых по третьемувходу, за несколько предыдущих периодов поступления импульсов на второй вход и выдает результаты этих вычислений на первый. и второй выходысоответственно вместе с командамиразрешения их записи во внешние регистры. В частном случае блок 20усреднения представляет собой два,независимых блока усреднения с общимвходом управления, в которых обработ ка и выдача данных производится параллельно во времени, как в известном УНР.Блок 13 управления выполнен так,что при каждом переходе в одну опре- оделенную сторону входного цифровогосигнала через значение, соответствующее нулевому напряжению на выходе ЦАП 6, он Формирует одиночный импульс сначала на втором выходе, а затем - на первом выходе, кроме этого,в зависимости от конкретного выполнения блока 20 усреднения блок 13 управления может быть снабжен дополни 6 6тельными цепями, соединяющими его выходы с соответствующими входами блока 20 усреднения и регистров 21 и 22.Задатчик 18 выполнен в виде регулируемого источника напряжения с диапазоном изменения не меньшим, чем диапазон изменения напряжения на втором входе первого сумматора 17.УНР работает следующим образом.Соединенные между собой сумматор 2, ПНЧ .3, делитель 4 частоты, счетчик 5, ЦАП 6 и выходной усилитель 7 совместно с задатчиками 8 и 9 действуют, как апериодическое звено, по" стоянная времени и коэффициент усиления которого устанавливаются задатчиками 8 и 9 соответственно. Со" единенные между собой сумматор 17, задатчик 18 и релейный элемент 1 действуют, как релейный элемент, порог срабатывания которого устанавливается задатчиком 19, так что электрическая цепь между вторым входом первого сумматора 17 и выходом усилителя 7 представляет собой последовательно соединенные релейные элемент с регулируемым порогом срабатывания и с Фиксированными по абсолютной величине разнополярными симметричными относительно нуля уровнями напряжения ограничения выходного сигнала и апериодическое звено с регулируемыми постоянной времени и коэффициентом усиления.После каждого изменения выходного состояния релейного элемента апериодическое звено "отрабатывает" возникший на его входе скачок от уровня ограничения прежней полярности до уровня ограничения новой полярности выходного напряжения релейного элемента таким образом, что напряжение на выходе усилителя 7 стремится по экспоненциальному закону с постоянной времени апериодического звена к ново" му установившемуся значению, равному новому;уровню ограничения выходного напряжения релейного элемента, умноженному на значение коэффициента усиления апериодического звена, установленное задатчиком 9.Подключение УНР с задатчиком 9, установленным в "нулевое" положение, которому соответствует нулевое значение коэффициента усиления апериодического звена, к замкнутой системе автоматического регулирования (САР) выходом усилителя 7 к свободному вхо"938256 7ду регулятора, а вторым входом первого сумматора 17 - к выходу датчикарегулируемого параметра САР, очевидно, не изменяетсостояния САР, Послеуказанного подключения напряжениена входе релейного элемента 1 равноразности между напряжением, создаваемым на сумматоре 17 выходным сигналом датчика регулируемого параметра,и выходным напряжением задатчика 18, 10Далее будем предполагать, что до перевода задатчика 9 в какое-либо "нену.левое" положение постоянная составляющая напряжения на входе релейногоэлемента с помощью задатчика 18 аком зпенсирована настолько точно, что еенекомпенсированная часть мала посравнению с верхним пределом изменения входного сигнала УНР и не превышает (в процентном отношении) допус- щтимого для данной САР изменения среднего значения регулируемого параметра во время настройки регулятора спомощью УНР, Указанная компенсацияможет быть выполнена либо вручную оперратором, либо каким-либо известнымобразом автоматически, для чего УНРможет содержать дополнительные узлы,не изображенные на чертеже .и не упо"минаемые далее, так как способ компенсации не имеет значения для су"щества изобретения.Дальнейшая процедура настройкирегулятора осуществляется итерационным способом, основанным на зависимостях оптимальных параметров регулятора от параметров настройки УНР,и параметров автоколебаний в системеУНР - регулятор. Последние определяются по показаниям ЦОБ 23 и 21, Вчастности, для САР с ПИ-регуляторомнастройка регулятора может считатьсяоптимальной, если удовлетворяютсяслеудющие соотношения (критерии оптимальности) 123,Т Т 3,5 Т (1)А 0,320 (2)1где Т, А - период и амплитуда колебаний на втором входе первого сумматора 17 соответ.ственно;Т - постоянная времени апе 4риодического звена УНР;д - приведенная к выходу,УНР.Ичерез коэффициент усиленияапериодического звена половина разностей уровнейограничения выходной ха 8рактеристики релейного элемента;Ти - постоянная времени интегрирования регулятора,Задатчик 9 будет являться задатчиком величины д и может быть снабжен обозначением д, если сумматор 2 выполнить так, что отношение коэффициента передачи по его первому входу к коэффициенту передачи по его второму входу равно отношению номинального верхнего предела изменения напряжения на выходе усилителя 7 к уров ню ограничения выходного напряжения релейного элемента 1, а задатчик 9 выполнить так, чтобы каждому его положению номинально соответствовало указанное его оцифровкой значение коэффициента передачи выходного усилителя 7;После установки задатчиком 9 отличного от нуля значения величины д . при правильной фазировке подключения, УНР к САР и при достаточно большом установленном значении величины д, которое ао всяком случае должно превышать минимальное значение напряжения, подача которого на вход регулятора в соответствующей полярности приводит в конечном счете к такому;, изменению регулируемого параметра, что напряжение на входе релейного элемента 1 изменит знак, в замкнутой системе САР-УНР возникают авто- колебания.При этом в установившемся режиме колебания входного сигнала УНР по форме близки к синусоидальным колебаниям и совершаются относительно такого среднего значения, которому соответствуют симметричные относительно нуля напряжения колебания напряжения на входе релейного элемента Вследствие симметричности относительно нуля напряжения выходной характеристики релейного элемента 1 и линейности статических характеристик сумматора 2, первого ПНЧ 3, первого делителя ч частоты,первого счетчика 5, ЦАП 7 и усилителя 7 колебания выходного напряжения ЦАП 6 происходят симметрично относительно нуля напряжения, а моменты возникновения "единицы" в старшем разряде выходного. кода первого счетчика 5 почти точно совпадают с моментами начальной фазы колебаний выходного сигнала УНР, так что интервалы времени между следующими друг за другом моментами воз9 9382 никновения "единицы" в старшем разряде выходного кода первого счетчика 5 равны периоду колебаний Т.Параметры колебаний сигнала на втором входе первого сумматора 17 (амплитуда и период) зависят как от параметров настройки регулятора (постоянная времени интегрированияТ, коэффициент усиления " Кр, так от параметров настройки УНР (постоян в ная времени апериодического звенаТс 1, приведенный к выходу УНР через коэффициент усиления апериодичес" кого звена уровень ограничения выходной характеристики релейного эле" и мента - д ) . Как отмечалось, задатчик 9 является эадатчиком величины Д . Коэффициент преобразования первого ПНЧ 3 выбран таким, что каждому значению оцифровки положений задатчи- що ка 8, выполненной в единицах времени, соответствует постоянная времени апериодического звена, которая в 3,5 раза больше установленного по оцифровке этого задатчика значения Ь времени, Задатчик 8 снабжен обозначением Ти, так что этим эадатчиком обеспечивается установка постоянной времени апериодического звена, удовлетворяющей соотношению (1). звКаждый раз при возникновении "единицы" в старшем разряде выходного кода первого счетчика 5, т.е. в моменты начальной фазы колебаний выходного сигнала УНР, блок 13 управления Формирует на его первом выходе одиночный импульс, обнуляющий второй счетчик 12, и третий счетчик 16 (некоторая задержка в формировании этих импульсов пренебрежимо мала по сравнению с величиной периода колебаний), так что к моменту, очередного обнуления счетчиков 12 и 16, их выходные цифровые сигналы отображают числа импульсов, наклонные ими за закончившийся предыдущий период колебаний.Число импульсов К , накопленное за время Т во втором счетчике 12, соответствует величине, определяемой следующей формулой(3)Игде Г - выходная частота генератора 10;Т - период колебаний на втором5входе первого сумматора 17;Т - введенное в УНР задатчиком 8изначение постоянной времениинтегрирования регулятора. 6 10При выборе Г= 100 Гц иэ (3) получаемот = 100 - УТТИ)йпри этом четырехразрядный десятичныйотсчетный блок 23 с запятой последвух старших разрядов будет отображать усредненный результат измерениявеличины Т/Ты, который может быть использован оператором для определенияболее оптимальных значений парамет"ров настройки регулятора для осуществления следующего шага итерационной процедуры настройки регулятора,с помощью номограммы, аналогичнойномограмме, приведенной в .работе 21,но построенной не для параметра3,5, т,е. прямо пропорциональ: ного в 1 ьличйн Т,/Т, а для параметра й т (Ч . Величина 7 /Ти может бытьтакже использована для оценки степени близости параметров настройки регулятора к их оптимальным значениям,поскольку, как следует из соотноше",ния (1), приоптимальной настройкерегулятора Т/Ти = 3,5.Число импульсов МА, накопленноеза время Т в третьем счетчике 16,соответствует величине, определяемойформулойИА:Х(С) д,Кгде Х(й) - напряжение на входе второго ПНЧ 14;Кд " коэффициент передачи второго ПНЧ 1 М;й - текущее время.Хотя колебания выходного сигналаУНР отличаются от синусоидальныхколебания сигнала на втором входепервого сумматора 17 и, следователь.но, колебания напряжения на входевторого ПНЧ 14, но вследствие свойства инерциии промышленных объектов,которое способствует сильной Фильтрации высших гармоник вводимого вСАР сигнала, можно считать укаэанныесигналы синусоидальными, т.е.Х(Й) = Ази (6)Тогда из формулы (5) имеем2 Т А(7)А Я ТдТак как, величина . НА являетсяфункцией величин Т/Ти и А/д, как икоэффициент(.21, она может бытьиспользована для определения болееоптимальных значений параметров настройки регулятора для следующего11 9382 шага итерационной процедуры настройки регулятора, например с помощью номограммы, аналогичной номограмме, приведенной в работе 21, но построенной не для параметра, а для параметра ЙА (7)Из изложенного видно, что измерение функций параметров колебаний производится путем синхронного инте" грирования входного сигнала (со ском О пенсированной постоянной составляющей) интегратором, (последовательное соединение второго ПНЧ 4, третьего делителя 15 частоты и третьего счетчика 16) и интегрирования опорной частоты интегратором, каковым является последовательное соединение второго делителя 11 частоты и второго счетчика 12, за интервалы времени, автоматически определяемые блоком 13 управления, вход которого соединен с входом УНР через интегратор, каковым является последовательное соединение первого ПНЧ 3 первого делителя 4 частоты и первого счетчика 5. 1Интеграторы эффективно подавляют импульсные и высшие гармонические составляющие входных сигналов, по" этому результаты измерений .функций параметров колебаний предлагаемым УНР значительно меньше зависят от указанных составляющих его входного сигнала, чем результаты измерений величин А, Т известными УНР, Правиль" ное действие блока 13 управления не3 нарушается при наличии дополнительных переходов через нуль входного напряжения нуль-органа, вызванных импульсными и высшими гамоническими составляющими входного сигнала, так что отпадает необходимость в демпфировании входного сигнала, которое в известных УНР вносит дополнительную погрешность измерения.Таким образом, предлагаемое УНР точнее и надежнее в работе, чем известные аналогичные устройства. Наряду с этим предлагамое УНР проще известных аналогичных устройств, что также способствует его более надежной работе. Кроме того предлагаемое0 УНР не требует от оператора выполнения в процессе настройки регулятора многократных промежуточных вычислений, следовательно имеет более высокие эргономическйе показатели удобства в работеПредлагаемое УНР может найти применение для оптимизации настройки 56 12регуляторов при вводе в эксплуатацию или периодически во время эксплуатации промышленных САР без нарушения их функционирования.формула изобретенияУстройство для настройки регуляторов, содержащее первый задатчик,второй задатчик, блок управления, индикатор и последовательно соединенные третий задатчик, первый сумматор,релейный элемент, второй сумматор,первый преобразователь напряжения вчастоту, первый делитель частоты,первый счетчик, цифра-аналоговый преобразователь и усилитель, последовательно соединенные генератор .опорнойчастоты, второй делитель, частоты, второй счетчик, блок усреднения, первыйрегистр и первый цифровой отсчетныйблок и последовательно соединенныевторой регистр и второй цифровой отсчетный блок, выход первого сумматора подключен к входу индикатора,первый вход усилителя соединен совторым входом второго сумматора, авторой вход - с первым выходом второго задатчика, первый выход блока управления подключен к второму входувторого счетчика, второй выход - квторому входу блока усреднения, второй выход которого соединен с входомвторого регистра, выход первого задатчика подключен к второму входу первого делителя частоты, второй выходпервого преобразователя напряжения вчастоту подключен к второму входупервого счетчика, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с. целью повышения точности, надежности и эргономических показателей устройства, оносодержит последовательно соединенныевторой преобразователь напряжения вчастоту, третий делитель частоты итретий счетчик, подключенный вторымвходом к первому выходу блока управления, а выходом - к третьему входублока усреднения, вход второго преобразователя напряжения в частотусоединен с выходом первого сумматора,второй вход третьего делителя частоты соединен с вторым выходом второгозадатчика, а третий вход - с выходомпервого задатчика и вторым входомвторого делителя частоты.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРИ 253207, кл. 6. 05 В 13/02, 1968,Редактор А. Ша каэ 4464/72 венногоетений35, Раув Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 132. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования М., "Энергия", 1973. Тираж 914 ВНИИПИ Госуд по делам и 3035, Москва143. Устройство для настройки регуляторов (УНР), Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3 Яа. 679.503 ТО (прототип). Подписное комитета СССР открытий ская наб., д. 4/