Позиционный регулятор для систем с запаздыванием

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК А 1 С 05 В 11/18 43В.Макаров льство СССР 11/18, 1984 ство СССР 11/18, 1985 ГОСУДАРСТНЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЧ 1 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетеУ 1200238, кл. С 05 ВАвторское свидетель9 1283709, кл. С 05 В 54) ПОЗИЦИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ СИСЕМ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ57) Изобретение относится к химичесой и теплоэнергетической технике может быть применено, например, дл егулирования температуры водонагреательных котлов, Цель изобретения -801439530 повышение точности регулятора. Регулятор содержат задатчик 1, блок 2сравнения, релейный блок 3 с несимметричнойхарактеристикой, релейныйэлемент 4, обмотку управления промежуточного реле 5, замыкающие и размыкающие контакты блока 3, обмоткиреле времени 8-11, замыкающие контакты 12 второго реле времени, размыкающие контакты 13 первого реле времени, второй 14 и первый 15 замыкающиеи размыкающие 16 третьего реле времени, первые замыкающие 17, первыеразмыкающие 18, вторые размыкающие19 и вторые замыкающие 20 контактычетвертого реле времени, исполнительный механизм 21, датчик 22. 3 ил.Изобретение относится к областихимической и теплоэнергетическойтехники и может бытЬ применено например для регулирования температуры водонагревательных котлов.Целью изобретения является повышение точности регулятора,На фиг. 1 приведена принципиальная схема регулятора; на фиг. 2 и 3- 1 Оэпюрьв сигналов, иллюстрирующие работу регулятора в установившемся режиме,Регулятор содержит задатчик 1,блок 2 сравнения, релейный блок 3 с 15несимметричной характеристикой, релейный элемент 4, обмотку управления промежуточного реле 5, замыкающие 6 и размыкающиеконтакты блока 3, обмотки управления первого 8, второго 9, третьего 10 и четвертого 11 реле времени, замыкающие контакты 12 второго реле времени, размьвкаю-. щие контакты 13 первого реле времени вторые 14 и первые 15 замьвкавощие 25-контакты и размыкающие контакты 16 третьего реле времени, первые замыкающие 17, первые размыкающие 18,вторые замыкавдщие 19 и вторые размы" кающие 20 контакты четвертого реле времени, исполнительный механизм 2; датчик 22, первый 23 и второй 24 входы пввталие регулятора,Обозначения, принчтые на Фиг. 1"3:Пт - напряжение питания; КТХ-элемеввтьв, входящие в состав первого реле8 времени; КТ 3-злеьвевты, входящие всостав второго реле 9 времени; КТ 2 элементы входящие в состав третьегореле 10 времени; КТ 4-:элементы, вхо"дящие в состав четвертого реле 11времени; , - б, - времена задержек на срабатьввание контактов 17-20,15 и 16; 01 - сигнал задания; 1,времена задержек на отпускание 45вв 0и на срабатывание контакта 12;- времека задержек на отпускау в 4ние контактов 17 - 20, 15 и 16;вб -времена задержек на отпускание и на срабатывание контактов;Б - сигнал заданий," 0 -. выходнойсигнал датчика 22; О, - сигнал рассогласования; Б 1 - напряжение напервом выводе контактов 14; П - найряжение на исполнительном механизме21; Б - напряжение на втором гыводеконтактов 6; Б - напряжение наперьом выводе контактов 15; ц - напряжение на обмотке 8 управления первого р еле вр емени; Б - напряжение на втором выводе контактов 7;0 - напряжение на первом выводе контактов 17; Б - напряжение на обмотке 9 управления второго реле времени; Б - напряжение на втором вьг воде контактов 19; Т - постоянная времени объекта управления К - коо 6 эффициент передачи объекта управления;- запаздывание в объекте; Вв и В - величины управляющего воздействия на объект при включенном и выключенном исполнительном механизме 21; 8- величина локальных экстремальных значений параметра.В качестве первого, второго, третьего и четвертого реле времени стандартные реле использованы быть не могут в связи с отсутствием стандар - та на конструктивное исполнение реле времени. В качестве третьего и четвер того репе времени могут быть использованы обвцепромышлепные реле времени, например реле времени ВС. Кроме того, могут быть использованы реле времени ЭВ, ВЛ, Еи т.д.В качестве первого и второго реле времени могут быть использованы, например, реле времени ВЛ 40-42.Особенностью реле ВЛ 40-42 является то, что при подаче напряжения на реле происходит формирование в зависимости от модификации или паузы задержка на включение, задержка на отпускание). Графики на фиг. 2 и 3 построены в предположении, что при подаче напряжения на реле происходит процесс, начинающийся с формирования импульса, т.е. мгновенное срабатывание контакта с последующим формированием первой выдержки времени на отпускание для контакта 12 и контакга 13, При иной моцицикации реле процессы проходят аналогично, но соответственно несколько корректируетсяметодика расчета настроя контактов,В качестве исполнительного механизма21 используется например электронагреватель,Работа регулятора осуществляется следующим образом.Предположим, что в исходный момент времени, соответствующий началу рас-. смотрения работы регулятора, значение регулируемого параметра незначительно меньше заданного значения и до момента достижения параметром заданного значения проходит время боль 14395304510 15 20 К ше, чем время настроек реле времени. В этом случае конечный этап переходного процесса в регуляторе имеет вид, представлениьп на фиг. 2 при условии, что запаздывание в системе включено между входом регулятора и выходом объекта, который может быть описан последовательным соединением апериодического звена первого порядка и звена запаздывания, т.,е. передаточной функцией видаОБ -с 5Ы = -- е (1)Б 1+ТЯ где К - коэффициент усиления объек-овта;Т - постоянная времени объекта;Г - чистое запаздывание объекта;Б - оператор Лапласа.Пунктиром на Фиг. 2 показано изменение параметра на выходе объекта, а сплошной линией - на входе регулятора. В исходный момент времени сигнал Б,1 на выходе датчика 22 меньше сигнала Бэ на вьходе задатчика 1. На выходе блока 9 сравнения сигнал. имеет положительное значение, на выходе релейного блока 3 имеется напряжение и промежуточное реле 5 находится во включенном состоянии. Соответственно контакт 6 замкнут, а контакт 7 разомкнут.Обмотка 10 управления третьего реле времени находится во включенном состоянии и питающее напряжение через замыкающий контакт 14, выполненный без выдержки времени, и контакт 13 поступает на исполнительный механизм 21. Происходит увеличение параметра. В момент времени , когда параметр на входе регулятора достигает заданного значения, отключается репейный блок 3, значение параметра на выходе объекта из-за запаздывания в системеопределяется величиной К В, (1 - е ), (2) коэффициент передачи объекта управления;величина управляющего воздействия регулятора привключении исполнительногомеханизма 21;постоянная времени объектауправления;основание натурального логарифма. 25 30 35 40 45 50 55 При превьппении сигналом Ьзаданного значения Б происходит пропадание сигнала на выходе релейного блока 4 и отключение промежуточного реле 5, Контакт 6 размыкается, а контакт 7 замыкается. При реализации регулятора укаэанная совокупность задатчика, элемента сравнения, релейного элемента, промежуточного реле и его контактов может быть реализована при использовании серийных промьппленных двухпозиционных регуляторов, например при применении вторичных приборов КСИс позиционными регулирующимиустройствами, Происходит отключениеобмотки 10 управления третьего релевремени от гитающего напряжения,размыкание контакта 14 и отключениеисполнительного механизма 21 от питающего напряжения, Через контакт 7к питающему напряжению подключаетсяобмотка управления 11 четвертого реле времени,По истечении выдержки времениконтакта 17 последний замыкается и череэ контакт 18 питающее напряжение поступает на обмотку 9 управления второго реле времени (момент временина фиг. 2). Поскольку контакт 12 второго реле 9 времени имеет задержку времени как на замыкание, так и на размыкание, происходит периодическое подключение исполнительного механизма 21 к питающему напряжению до истечения вь 1 цержки времени контакта 18(момент времени Сна фиг2). В этот момент контакт 18 размыкается, обмотка 9 управления второго реле времени отключается от питающего напряжения и соответственно происходит размыкание контакта 12, что приводит к отключению исполнительного механизма 21, Происходит дальнейшее уменьшение регулируемого параметраПо истечении выдержки времени контакта 19 1 происходит его замыкание (момент времени 4 на фиг. 2) и указанный процесс вновь повторяется, но при состоянии системы, когда параметр .на выходе объекта управления ниже заданного значения.В момент времениуменьшение параметра ниже заданного значения фиксируется регулятором, сигнал рассогласования Уо на выходе блока 2 сравнения становится положительным, происходит срабатывание блока 4 и включение промежуточного реле 5 (мо 1439530мент времени с на Фиг.2;. Происходит замыкание контакта 6 и размьисание контакта 7. Для обеспечения стабильной работы схемы выдержки времениконтакта 20 выбирается незначительно превышающей интервал времени между моментамивремени С, и; ., При э",.ом в случае изменения характера работы, например под влиянием внешнего воздействия, отключепие обмотки 9 управления второго реле времени осуществляется не за счет размьпсания контакта 7 промежуточного реле 5 а при размыкании контакта 20, что сохраняет работоспособность регулятора,При срабатывании контактов б и 7 происходит подклточение к питающему напряжению обмотки 10 у)травления третьего реле времени и исполнительнсго механизмта 21 поскольку происходит замыкание контакта 14, выполненного без выдержки вр емепи, Пр оисхсдит увстпичение параметра. на выходе. объекта, а на. выхоце регулятора. про.,дслжается его уменьшение до величины В, определяющей максимальную вели - чину отрицательного отклонения в системе регулирования. При обычном двухпозициопном регулировании величина данного отклонтевия определяется как8 =К В (1 - е ) (3)об 7.где В - величина управляющего воздействия на объект управления при отключенном электронагевателе 21.По истечении выдержки времени Б контакта 15 относительно момента переключения регулятора происходит замыкание контакта 15 и к питающему напряженито подключается обмотка 8 управления первого реле вреьени фор" мирующего пульсирующий режим работы электронагревателя при положительном отклонении паруметра от заданного значения (момент времени 6 на Фиг. 2), В момент времени т 7 происходит вновть изменение полярности сигнала рассогла"ования П и переключение промежуточного реле 5 и его контактов 6 и 7, Обмотка 8 управления первого реле времени отключается от питающего нацряжения, исполнительный механизм 21 полностью отключается от питающего напряжения и происходит снижение параметра на выходе объекта. Выдер;кка времениконтакта 16 выбирается не 6значительно превышающей интервалвремени между моментамии с , чтообеспечивает отключение обмотки 8управления первого реле времени вслучае изменения условий работы регулятора, В дальнейшем указанный процесс повторяется и в системе устанавливается устойчивый автоколебатель 10 ный процесс с существенно уменьшенными относительно обычного двухпозиционного регулирования отклонениями ре-гулируемого параметра от заданногозначения,15 Выбор задержек времени на срабать.вание и отпускание т контактовреле времени может быть осуществлентеоретически. При этом производитсятеоретическое построение характера20 установившегося процесса (фиг,3) вследующей последовательности,Сначала задаются допустимьтМи отклонения параметра тяже Ои выше заданного значения ОБ,Определяется время задержки ф поформулеттп 1. т 4)об г.ЗО Затем задается допустимым значение8 - максимально допустимое отклонение параметра ниже заданного значения в процессе коррекции, Выбор ВБопределяется по следующим соображениям. Минимально,цопустимая величина Й равна нулю и при этом обеспечивается .минимальное переключениеконтактов в периоц коррекции, максимальное разно 9 и число переключений4 С при этом максимально. При приближении к нулю значения О повышаетсявероятность сбоев в работе регулятора при случайных изменениях параметров объекта или наличии возмущений,45 Для ориентировочного расчета рекомендуется принимать 6 0,5 д с последующим уточнением на объекте.Определяется время задержки рпо Формуле5 ООпредрмуле яется время задержки по8 К В оБ 1(12) гично время задержки , (длительность неполного цикла коррекции) и время задержки(длительность последней неполной выдержки второго реле времени),Определяется последняя амплитуда нижней полуволны 9 по формуле3 е т,8,= к, в + йб -кове, . И) о С учетом полученных значений строится нижняя полуволна процесса на выходе объекта без учета запаздывания (пунктирный процесс на Фиг. 3 до мо мента времени) и соответственно нижняя полуволна процесса на входе релейного блока 3 регулятора переносом данного процесса вправо на время (сплошной процесс). 20 Задается допустимым значение 9 - максимально допустимое отклонение параметра выше заданного значения в установившемся режиме и значение 0 аналогично значениям 9 и 9 для нижней полуволны.Определяется время задержкипо Формуле оь97= Т 1 п 1 К В - 9065 Определяется время задержки и по формуле Аналогично определяются времена задержекпо формуламКьь Вт + 9 р КовВ + 9106Определяется значение параметра 6 в момент переключения регуляторатак же, как и амплитуды 9 для нижней полуволны. Для этого так же, как и для нижней полуволны, определяется время неполнбго корректирующего воздействия , исходя из известности времен задержек э, 6 и известности длительности нижнего полупериода, равного о + л+ ХиПри известности величины 8 определяется время задержки , по формуле и время , по формулеКоь Б +9,= Т 1 пФ С учетом полученных значений строится установившийся процесс в регуляторе. Аналогично, при известности ,задавшись значением у строится процесс регулирования на начальном участке с целью определения в,о (фиг. 2) .Значениеустанавливается несколько большим значения ю + примерно равным длительности нижнего полупер иода.После определения 0 щ определяется время , по формулеОБ 2 9 ю "= Т 1 п (14)К,вв,-9,а затем время = + л +юдлительность задержкиприн- ется несколько большей значения длительности нижнего полупериода и несколько меньшей значения верхнего иолупериода.Кроме того, выбор параметров настройки регулятора можно осуществлять графически в следующей последовательности. Осуществляется запись процесса .регулирования при обычном двухпозиционном управлении, т.е, при отключении обмоток 8 и 9 управления первого и второго реле времени от питания, Затем фиксируется точка на графике, соответствующая моменту времени на Фиг. 2. Задаваясь допустимыми значениями отклонений 8 и 8, строится кривая шп, По положению точки и определяется задержка времени, Предварительно определив запаздываниев системе управления, находится положе" ние точки на графике, соответствующее моменту времени с, смещением на величину запаздывания точки пересечения кривой шп с линией, характеризующей заданное значение параметра, Задавшись допустимой величиной 9 опре. деляется положение точки К, настройка первого реле времени и выдержка времениконтакта 16. Задавшись допустимым значением отклонения 9, строится кривая К 1. По положению точки 1 определяется выдержка времениЭа затем при аналогичном постро 1ении дальнейшего. установившегося про 1439530 10цесса, выдержка времени ". Производится перестроение точки 1 в положение 1. По положению точки Копределяются времена выдержек У ипЗс учетом того, что данные интервалы времени равны интервалам времени, определенным,по соответствующим точкам записи графика при обычном двухпозиционном регулированиис цобавлением величины- , . Полученные параметры проверяются на всемдиапазоне регулирования и при необходимости уточняются,Процесс отработки управляющего или 15возмущающего воздействия при исхоцном состоянии, когда значение регулируемого параметра выше заданногозначения, происходит аналогично,тем отличием, что при этом происходит 2 Онезначительное увеличение длительности переходного процесса, увеличениедлительности переходного процессапри этом происходит Вследствие того,что заданное состояние регулятора 25обеспечивается контактами 19 и 20 четПозиционный регулятор для систем с запаздыванием содержащий датчик и эадатчик, соединенные Выходами с соответствующими входами блока сравнения, подключенного выходом к входу релейного блока с несимметричной характеристикой, обмотки управления первого, второго, третьего и четвертого реле времени, соединенные первыми выводами с первым выводом исполнительного механизма и первым входом "Питание" регулятора, второй вывод обмотки управления третьего реле Времени через замыкающие контакты релейного блока с несимметричной характеристикой соединен с вторым входом "Питание" регулятора, второй вход обмотки управления четвертого реле вре" мени через размыкающий контакт релейного блока с несимметричной характеристикой соединен с вторым входом "Питание" регулятора, размыкающие и первые замыкающие контакты третьего 1 реле времени соединены между собой первьп 5 и выводами, первые размыкающие и первые замыкающие контакты четвертого реле времени соединены между собой первыми выводами, о т л и ч аю ш, и й с я тем что, с целью повывертого реле времени при переходе "игнала. рассогласования с положительиого на отрицательное значение, Поэто - му при первом переходе значения па- Зо раметра ниже заданного значения прэ-. исходит снижение параметра до величины рассогласования, определяемой выра. жением 2), срабатывание контактов 35 и 16,что приводит к растягиванию нк.:,"ней полуводны колебаний, а затем повторение процесса, представленного на фиг, 2.Поскольку при управлении объектами с самовыра.вниванием при изменении заданного значения и при постоянстве параметров настройки реле времени происходит изменение величины прира,щения регулируемого параметра за Одно и то же число импульсов управления, настройкой параметров первого, Й Второго реле времени обеспечиваются режимы работы, позволяюшие осуществить устойчивую работу системы регулирования во:всем интервале работы.На Фиг. 2 приведен процесс регулирсвания, близкий к предельному дляустойчивой работы, когда переключение регулятора на отрицательном Отклонении момент времени 1; ) проис" ходит при минимальном значении откло-нения,В случае если в системе регулирования управление происходит при незначительном изменении задающеговоздействия при выполнении примерного равенства реакции объекта на одинаковые по длительности импульсыуправления и паузы между импульсами,точность работы систем с применениемпредложенного регулятора теоретически и практически может быть обеспечена сколь угодно высокой, т.е. абсолютной, Одинаковая настройка первогои второго реле времени может бытьосуществлена также и при управлениив системах без, самовыравнивания, когдаинерционностью системы можно пренебречь, например при регулированиитемпературы в установках, основанныхпа смешении двух компонентов с различной температурой при управлении с помощью исполнительного механизма постоянной скорости В аналогичных системах при регулировании концентрации и состава и В других случаях.Таким образом, предложенное иэобре тение позволяет обеспечить сколь угодно зысокую т.е. абсолютную) точность регулирования,Формула из о брет ения11 1439530 12пения точности регулятора, в нем управления первого и третьего реле второй вывод исполнительного механиэ- времени, вторые выводы первых размыма через раэмыкающие контакты перво- кающих и первых замыкающих контактов го реле времени соединен с первыми5четвертого реле времени соединены со" выводами замыкающих контактов второ- ответственно с вторыми выводами обмого реле времени и вторых за- ток управления второго и четвертого мыкающих контактов третьего ре-; реле времени, второй вывод размыкаюле времени, вторые выводы которых щих контактов позиционного блока чеподключены к второму входу "Питание" 10 рез последовательно соединенные вторегулятора, вторые выводы размыкающих . рые замыкающие и вторые размыкающие и первых замыкающих контактов третье- контакты четвертого реле времени го реле времени соединены соответ- подключены к второму. выводу обмотки ственно с вторыми выводами обмоток управления третьего реле времени.439530 оставитель Г,Нефедоваехред д.Олийнык Корректор С,Черни актор В,Ланко каз 6072/4 твенно-полиграфическое предприятие, г, Ужгорс д, уз. рП ектная,Тираж 866 ВПИИПИ Государственного па делам изобретений 3035, Москеза Ж 15 РаувПодписноекомитета СССРи открытийкая наб., д. 4/