Способ автоматической настройки системы регулирования

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЕНТУ омитет Российской Федерации о патентам и товарным знакам(71) Научно-исследовательский и конструкторскийинститут по разработке машин и оборудования дляпереработки пластических масс, резины и искусственной кожи; Киевский политехнический институтим 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции(73) Семенец Валентин Петрович(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИСИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ(57) Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано вадаптивных системах регулирования различныхтехнологических параметров в химической, металлургической энергетической и других отрасляхпромышленности. При выполнении автоматическойнастройки системы регулирования осуществляютперевод ее в режим двухпоэиционного регулирования путем использования релейного элемента вобратной связи, измеряют параметрь 1 автоколебаний, производят по ним расчет оптимальных настроек регулятора с использованием классических фор(19) ЮУ (11) 2002289 С 1(51) 5 005313 00 мул Циглера и Никопьса и переводят систему с оптимальными настройками в рабочий режим, С целью повышения точности регулирования как в рабочем режиме, так и в режиме настройки измерение параметров автоколебаний производят путем интегрирования по времени ошибки регулирования с фиксацией площадей положительных и отрицательных полуволн и моментов времени, соответствующих смене знака ошибки, а в число измеряемых параметров дополнительно включают верхний и нижний уровни регулирующего воздействия релейного элемента причем на втором и последующих циклах настройки регулятора уровни регулирующего воздействия релейного элемента устанавливают заранее исходя из соотношения предельно допустимых параметров автоколебаний и значений этих параметров, полученных в предшествующем цикле настройки. При этом измерение параметров авто- колебаний производят по окончании переходного процесса, определяемому равенством длительностей и площадей соседних положительных и отрицательных полуволн, а моменты смены знака ошиб- . ки определяют по первому положительному (отри- З цательному) значению ошибки после и отрицатель- р ных (положительных) его значений, причем ФФФ.2 зл,ф-лы, 7 ил.5 10 15 20 25 30 40 45 50 Изобретение относится к области автоматического управления и регулирования и может быть использовано в системах регулирования технологических параметров в химической, металлургической, энергетической, нефте- и газоперерабатывающей и других отраслях промышленности,Известен способ коррекции параметров настройки регулятора с идентификатором, включающий идентификацию обьекта управления путем подачи возмущающих воздействий определенного вида, например ступенчатых, с фиксацией реакции объекта на эти возмущения, расчет оптимальных параметров настройки регулятора по полученной динамической модели обьекта и сравнение найденных параметров с уже установленными ранее, причем, если сравниваемые параметры отличаются, то устанавливают вновь найденные параметры настройки и повторно проводят идентификацию обьекта, а если нет, то процесс коррекции параметров прекращают и регулярно переводят в рабочий режим.Недостатком известного метода является длительное вынужденное отклонение технологических параметров обьекта от заданных значений при подаче возмущающих воздействий, что приводит к нарушению технологического процесса и ухудшению качества продукции.Известна также последовательность выполнения операций в самонастраивающемся регуляторе, включающая идентификацию обьекта управления путем непрерывного наблюдения за его входом и выходом и обработки полученных статистических данных, расчет по полученной таким образом математической модели обьекта значений критического коэффициента усиления Ккр и критического периода колебаний Ткр в замкнутой системе с пропорциональными регулятором при условии вывода ее на границу устойчивости и определение оптимальнь 1 х параметров настройки регулятора по классическим формулам Циглера-Никольса. исходя из значений Ккр и Ткр,Недостатком метода является низкая точность идентификации обьекта, обусловленная высоким уровнем помех, что в итоге приводит к снижению точности определения настроек регулятора и ухудшению качества регулировки. К тому же значительный обьем вычислений при реализации метода усложняет систему и повь 1 шает ее стоимость,Наиболее близким к заявляемому техническим решением является способ настройки цифрового регулятора путем перевода замкнутой системы в режим двух- позиционного регулирования за счет включения релейного элемента в обратную связь, разбивки каждого полупериода кривой автоколебаний регулируемого параметра на и интервалов дискретизации, последовательного расчета по ним математической модели объекта и оптимальных настроек регулятора и перевода системы с оптимальными настройками в рабочий реким, причем время транспортного запаздывания объекта определяют по первому максимуму регулируемой величины в течение полупериода, а при расчете настроек используют условие совместимости, т.е. неравенство нулю разности между соседними дискретными значениями выходного сигнала,Недостатком описанного способа является низкая точность регулирования как в режиме настройки, так и в рабочем режиме. В режиме настройки перевод системы на двухпозиционное регулирование приводит к возникновению автоколебаний, параметры которых определяются внутренними свойствами системы, При этом амплитуда колебаний регулируемой величины может превышать допустимые по технологическим соображениям значения, что приводит к браку продукции в режиме настройки регулятора. В рабочем режиме низкая точность регулирования обусловлена невозможностью точного расчета оптимальных настроек регулятора по следующим причинам. Рекомендуемый к использованию набор моделей для идентификации объекта весьма узок и поэтому может оказаться, что среди них нет адекватной процессу. Время транспортного запаздывания определяется по первому максимуму выходного сигнала процесса, однако при неизбежном наличии помех этот максимум может оказаться ложным. Условие совместимости, выражающееся в неравенстве нулю разности двух соседних значений выходного сигнала процесса. не исключает малости модуля знаменателя в формулах для вычисления параметров модели, что при неизбежно низкой точности определения составляющих этой разности сопряжено с резким ухудшением относительной точности определения параметров. Способ повышения точности пути усреднения выходных значений объекта за несколько периодов автоколебаний не гарантирует отсеивание регулярных периодических составляющих, имеющих частоту кратную частоте автоколебаний (подобные составляющие возникают, например, при регулировании температуры с помощью дозатора энергии - широтно-импульсных мо 2002289дуляторов мощности нагревателей), Частота колебаний составляющей, порождаемой дозатором, такова, что не может быть достаточно ослаблена предлагаемыми в прототипе аналоговым и цифровым фильтрам без ущерба для основного сигнала,Целью изобретения является повышение точности регулирования.На фиг, 1 показано изменение во времени выхода релейного элемента р (1) и объекта У 1) при двухпозиционном регулировании; на фиг. 2 - кривая изменения регулируемой величины при несимметричных автоколебаниях; на фиг, 3 и 4 - переходные процессы при переключении замкнутой системы на двух- позиционный закон регулирования, характеризующиеся равенством соответственно площадей и длительностей соседних полуволн; на фиг. 5 - узел 1 на фи. 1; на фиг, 6 - изменение уровней регулирующего воздействия релейного элемента и амплитуды автоколебаний регулируемой величины в первом и втором циклах настройки системы; на фиг. 7 - схема системы терморегулирования эоны червячного экструдера, реализующей заявляемый способ.Рассмотрим основные расчетные соотношения, применяемые при реализации зая вляемого способа.Пусть при наступлении определенных условий, например изменении контролируемых возмущающих воздействий или выходе дисперсии ошибки регулирования за допустимые пределы, возникает необходимость в автоматической настройке регулятора. В этом случае регулятор, реализующий в рабочем режиме, например. ПИД-закон регулирования, отключается и в обратную связь вводится релейный элемент, что переводит замкнутую систему в режим двухпозиционного регулирования. При этом релейный элемент реализует закон (фиг, 1)С - С 2,и = -С з 9 п к, причем С = (1)где С 1 и С 2 - верхний и нижний уровнирегулирующего воздействия релейного элемента;г - ошибка регулирования, г: у - уэлд,где у - регулируемая величина;узад. - заданное значение регулируемойвеличины,Согласно самому принципу работы идеального релейного элемента в качестве регулятора первая гармоника выходарегулятора будет обязательно в противофазе первой гармонике выхода обьекта у, какпоказано на фиг, 1. Этим обеспечивается гообстоятельство. что частота установившихся автоколебаний в системе весть именно та частота, при которой годограф амплитудно-фазовой характеристики линейной части 5 системы (объекта) пересекает отрицательную вещественную полуось комплексной плоскости, Используя метод гармонической линеаризации, по параметрам автоколебаний можно определить расстояние 1 от на чала координат до точки пересечения;(2) 15 где Аа - амплитуда автоколебаний на выходеобъектаВ соответствии с критерием Найквистапропорциональный регулятор, установленный на данном объекте, вывел бы систему 20 на границу устойчивости при коэффициентепередачи регулятора 1 4 С Кгр = --- х-,С лсе 25(3) К = 0,5 Кгр, (4)35 для пропорционально-интегральногорегулятора К = 0.45 Кгр, Ти = Тд/1,2, (5)40 для пропорционально-интегральнодифферен циального регулятора К = 0,6 Кгр, Ти = Та 12 Тд = Та(8, (6)45где период автоколебаний Та связан с всоотношением(7) 2 л То, что Циглер и Никольс в указанной работе предполагали, что Кгр определяется путем вывода физической системы на границу устойчивости путем варьирования коэффициента усиления регулятора, сути не меняет. Способ определения К,р путем перевода системы в режим двухпозиционного регулирования более безопасен, так как при В классической работе Циглера и Никольса (Ъе 91 ег З,б., ЮсЬо 1 з М.В. Ор 11 птцпт.Беп 1 п 9 аког Ац 1 оптат 1 с СоптгоИегз. Тгапз.АЯМЕ, 64, 759, (942) рекомендованы опти мальные настройки типовых линейных регуляторов, выраженные через Кгр, для пропорционального регулятора(12 огд этом уменьшаются отклонения регулируемой величины от заданного значения.Рассмотрим расчетные формулы для определения амплитуды Аа и периода Т, авто- колебаний регулируемой величины в режиме настройки регулятора путем измерения площадей положительных и отрицательных полуволн,Пусть выделяемая первая гармоника имеет вид (фиг. 2) где уо - смещение средней линии колебаний,Формула (8) предполагает общий случай несимметричных колебаний. Для определения параметров автоколебаний целесообразно свести задачу к случаю симметричных колебаний, соответствующих формуле (2), учитывая возможное смещение средней линии колебаний и параллельно пересчитывая смещение средней линии регулирующего воздействия,Вычислительное устройство (ВЧ) регулятора фиксирует моменты смены знака ошибки а иР, что позволяет определить период колебаний Та, и вычисляет площади положительных т 1 и отрицательных 12 полуволн путем накопления сумм ординат с учетом шага дискретизации д, сигнала по времени. В этом случае амплитуда первой гармоники колебаний определяется соотно- шением где11, Та, 1 + 1212 = .11=0,5 ф - а - ); уо =Та Измерение величин И, 12, аиР, используемых в расчетах по формуле (9), производят по окончании переходного процесса, вызванного переключением системы на двухпозиционный закон регулирования, Факт окончания переходного процесса определяют по достижении равенства измеряемых площадей и длительностей нескольких соседних полуволн. При этом следует учитывать, что равенство только площадей, как показано на фиг, 3. или только длительностей (фиг. 4) полуволн еще не говорит об окончании переходного процесса. Необходимым условиемявляется одновременное обеспечение равенства того и другого показателя. Измерение параметров 10 15 20 25 30 35 автоколебаний в установившемся режиме позволяет повысить точность определения настроек регулятора,При определении моментов времени а ир высокий уровень помех приводит к тому, что сигнал е может несколько раз подряд изменять знак вблизи точки перехода через ноль (см,например, точку 18 на фиг, 5), Фиксация этого факта с помощью ВУ приводит к искажению результатов измерения длительностей полуволн первой гармоники выходнОГО сиГнала.Для того, чтобы вызванные помехой ложные переходы через ноль не учитывались, факт перехода фиксируется ВУ при смене знака ошибки только в случае и предшествующих дискретных значений ординаты, имеющих противоположный знак. причем и2, Как видно на фиг. 5, уже при и = 2 факт перехода через ноль был бы зафиксирован только в точке Р, Величину и выбирают тем больше, чем больше отношение периода автоколебаний к периоду дискретизации сигнала д,При реализации описанного способа в число измеряемых параметров включают также верхний С 1 и нижний С 2 уровни регулирующего воздействия релейного элемента, которые используют для расчета новых значений этих уровней, соответственно С 1 И Сгп, уСтаНаВЛИВаЕМЫХ В ПОСЛЕдуЮ- щем цикле настройки регулятора. Благодаря этому в последующем цикле удается получить амплитуду колебаний регулируемого параметра, близкую к допустимой Адоп., и, таким образом, повысить точность регулирования в режиме настройки регулятора.Учитывая, что амплитуда Аа пропорциональна регулирующему воздействию релейного элемента (смнапример, книгу Попова Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных системах. М.: Наука, 1973, имеем-- (С 1 Сг). (11) средний уровень регу- твияПо формуле (12) определяют верхний и нижний уровни регулирующего воздействия в последующем цикле настройки регулятора, что обеспечивает амплитуду. близкую допустимой (фиг. 6).В качестве примера конкретной реализации заявляемого способа рассмотрим систему автоматического регулирования температуры зоны цилиндра червячного экструдера для переработки пластмасс, схема которой представлена на фиг. 7.Система включает объект регулирования в виде зоны цилиндра 1 экструдера с вращающимся в нем червяком 2 и расположенным по наружной поверхности цилиндра электронагревателем 3, термоэлектрический преобразователь 4, соединенный через измерительный преобразователь 5 и фильтр 6 с входами релейного элемента 7, регулятора 8 и ВУ 9, снабженного оперативным 1 О и постоянным 11 запоминающими устройствами, причем на вторые входы блоков 7, 8 и 9 подается параллельно заданное значение температуры зоны узад, а выходы блоков 7 и 8 соединены с входами двухполюсного переключателя 12, управляемого ВУ 9 посредством исполнительного органа 13. Выход переключателя 12 через исполнительный механизм 14 связан с электронагревателем 3 зоны, а релейный элемент 7 и регулятор 8 связаны с ВУ 9.Объект подверженвозмущающим воздействиям непостоянства скорости вращения червяка Мч, теплофизических и реологических свойств пере рабаты ваемо го полимера у, на и ряжения электросети Оа и температуры окружающей среды 1 с, причем при изменении режима работы экструдера, например Мч, существенно изменяются динамические свойства тепловой зоны,При определении ВУ Факта выхода дисперсии ошибки регулирования за заданные пределы или, например, при смене режима работы экструдера, ВУ с помощью переключателя 12 переводит систему в режим настройки, соединяя релейный элемент 7 с исполнительным механизмом 14, Благодаря включению релейного элемента в обратную связь системы возникают автоколебания в режиме двухпозиционного регулирования. ВУ фиксирует моменты смены знака ошибки й ИР и площади положительных и отрицательных полуволн 11 и 12 кривой колебаний регулируемой температуры. причем фиксируются только те моменты перехода ошибки 5 10 15 20 25 30 35 40 регулирования через ноль. при которых смена знака ошибки г 1 роисходит после и дискретных значений ординэ 1 с и редш ест вующим з на ком.По окончании переходного процесса, вызванного переключением системы на двухпозиционное регулирование. что определяется равенством длительностей и площадей нескольких соседних положительных и нескольких соседних отрицательных полуволн, измеренные значения периода колебаний Та и площадей 11 и 12 используются для расчета амплитуды первой гармоники автоколебаний регулируемой температуры по Формуле (9), При этом благодаря использованию площадей полуволн снижается влияние помех и периодических составляющих сигнала на точность определения амплитуды.Дополнительно в. ВУ поступает информация о величине верхнего и нижнего уровней регулирующего воздействия С 1 и С 2 релейного элемента. В первом цикле настройки значение С 1 может быть установлено равным максимальной мощности нагревателя; С 1. - Смас, а Сз - нулю. В этом случае амплитуда колебаний, определяемая свойствами объекта, может выйти за допустимые пределы, что может привести к браку продукции.На следующем этапе по значению Аа и С = 0,5 (С 1 - С 2) производят расчет граничного коэффициента передачи Кр по формуле (3) и определяют оптимальные настройки регулятора по Формулам Циглера и Никольса (4) - (6). После этого расчетные значения настроек устанавливают на регуляторе и ВУ с помощью переключателя 12 соединяет выход регулятора 8 с входом исполнительного механизма 14, переводя систему в рабочий режим с оптимальными настройками.Одновременно производят перерасчет новых значений верхнего и нижнего уровней регулирующего воздействия релейного ЭЛЕМЕНта С 1 И С 2 н ПО ФОрМУЛаМ (12),причем уменьшение амплитуды автоколебаний регулируемого параметра в следующем цикле настройки обеспечено при выполнении Условий С 1"( Смакс, С 20 (фиг, 6),Порядок работы системы в следующем цикле настройки, если таковой понадобится, аналогичен описанному выше, однако амплитуда колебаний регулируемой температуры будет уже близка к допустимой, что на втором и последующих циклах настройки не нарушает нормального ведения технологического процесса.Благодаря точному определению оптимальных настроек система обеспечиваетвысокое качество регулирования.(56) 1. Ротач В.Я., Теория автоматическогоуправления теплоэнергетическими процессами, М,: Энергоатомиздат,1985, с.264,Формула изобретения1, СПОСОБ АВТОМАТИЧ ЕСКОЙ НАСТРОЙКИ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ, основанный на переводе замкнутой системы регулирования в режим двухпозиционного регулирования путем включения релейного элемента в цепь обратной связи, измерении амплитуды и частоты авто- колебаний, возникающих в режиме двухпозиционного регулирования, определении по ним оптимальных параметров настройки регулятора и переводе системы с оптимальными параметрами настройки в рабочий режим, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования, одновременно с измерением амплитуды Ав и частоты автоколебаний измеряют верхний С 1 и нижний С 2 уровни регулирующего воздействия релейного элемента в первом цикле настройки. я в каждом последующем цикле настройки устанавливают новые значения этих уровней С и С 2, определяемые из соотношенийСов С 1 + С 2 Адоп С 1 - С 2Ая 2. В.Бобел и И.Вашек. Самонастраивающийся РЯО-регулятор, Аи 1 оаа 1 гасе (ЧССР), т.ЗО, М 8 - 9, 1987, с. 204 - 207.3, Заявка Швеции М 447608, кл, 6 05 В 5 13/04, опублик, 1986. ов С 1 + С 2 Адоп С 1 - С 22 Ав 210 где Адоп - максимально допустимая амплитуда колебаний регулируемой величины,причем измерения производят после завершения переходного процесса. вызванного переводом системы в режим15 двухпозиционнаго регулирования.2.Способ по п.1, отличающийся тем,что момент завершения переходного процесса фиксируют по достижению равенства сумм дискретных значений ошибкирегулирования, полученных на соседнихинтервалах однозначности, и одновременно по достижению равенства длительностей этих интервалов,З,Способ по пп,1 и 2, отличающийсятем, что границу интервала, соответствующую моменту смены знака ошибки регулирования, определяют по первомуположительному (отрицательному) дискЗ 0 ретному значению ошибки после и отрицательных (положительных) дискретных еезначений, причем и2.2002289 Корректор А.Мотыль Юрчикова Реда Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 13035, Москва, Ж, Раушскаянаб 45