Адаптивный регулятор с регулируемой обратной связью

 

Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано рд автоматического регулирования промышленных объектов, с запаздыванием и существенно изменяющимися параметрами, С целью повышения степени устойчиво-. сти и качества переходного процесса САУ объектами с запаздыванием, регулятор содержит основной контур, реализующий ШД закон регулирования, контур адаптации, формируннций автоматически изменяемую (адаптируемую) часть коэффициента усиления на основе сигналов ощибки регулирования и ее реальной производной, и вновь введенный контур обратной связи, регулируемой по выходному сигналу регулятора , а также первый, второй и третий переключатели, последовательно соединенные три линейных фильтра, второй блок умножения, блок запаздывания и восьмой сумматор, седьмой сумматор, фильтр с переменной структурой , второй блок деления, шестой сумматор, второй усилитель, и усилитель с переменной структурой. 1 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5j) 4 G 05 В 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОГ1ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ",ц

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) АДАПТИВНЫЙ РЕГУЛЯТОР С РЕГУЛИРУЕМОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ (57) Изобретение относится к системам автоматического управления и мо" жет быть использовано для автоматического регулирования промьппленных объектов, с запаздыванием и существенно изменяющимися параметрами, С целью повышения степени устойчиво(21) 3921207/24-24 (22) 28.06.85 (46) 30.01,87. Бюл, У 4 (71) Азербайджанский институт нефти и химии им. М. Азизбекова (72) P. А. Алиев, С, М. Джафаров и М, Д. Бабаев (53) 62-50(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 736046, кл. G 05 В 13/00, 1980.

„„Я0„„1287104 А1 сти и качества переходного процесса

САУ объектами с запаздыванием, регулятор содержит основной контур, реализующий ПИД закон регулирования, контур адаптации, формирующий автоматически изменяемую (адаптируемую) часть коэффициента усиления на основе сигналов ошибки регулирования и ее реальной производной, и вновь введенный контур обратной связи, регулируемой по выходному сигналу регулятора, а также первый, второй и третий переключатели, последовательно соединенные три линейных фильтра, второй блок умножения, блок запаздывания и восьмой сумматор, седьмой сумматор, фильтр с переменной структурой, второй блок деления, шестой сумматор, второй усилитель, и усилитель с переменной структурой. 1 ил.

1287104 2

Регулятор реализует следующий закон управления:

U(t)=(K.+K,(t)) f . ()+Т 6 (t)j+

+ — I (K„+K,Ñe)Å <В)+т, E СВ))аа, 1 (1) з((2)

x (t) =у () -у (t- ), (3)

10 и

К (t) f у() П (Т g 9+1)=U(t), Й =1

Р dtь (4) где K(t) 15 x(t) и х (t) з

20 и и К

Требуемое качество работы системы регулирования, заключающееся в обеспечении оптимальной (предельной) степени устойчивости и интегрально-квадратической ошибки, в условиях изменения параметра К, достигается за счет оптимальной ком- 35 и Т

x() Т„ „ь (3 -1 ь й; п=1,2, 3) К (t) 50

Изобретение отно си тся к си стемам автоматического управления и может быть использовано для автоматического регулирования промышленных, в частности нефтеперерабатывающих и нефтехимических, объектов с запаздыванием, переходные процессы которых описываются передаточными функциями вида:

-iS ь1

W., (р)=К,, е /(1+ à S ), i=1 где К> коэффициент передачи объекта; а, (i=1 ьй) — параметры, характеризующие динамику объекта„ постоянная времени запаздывания; и — порядок объекта, являющийся конечным числом, которое практическии в большинстве случаев не превышает 3, В процессе регулирования параметра К коэффициент передачи объекта изменяется в широком диапазоне: пенсации влияния запаздывания и автоматической адаптации параметров регулятора к изменяющимся параметрам объекта и внешним возмущающим воздействиям, Цель изобретения — повышение устойчивости и точности, улу ппающие качество переходного процесса регулирования объектов с запаздыванием, Н а чер т еже из о бр аже н а бло к- схема регулятор а.

Устройство содержит сумматоры

1-8, дифференциатор 9, первый 10 и второй 11 усилители, первый 12 и второй 13 блоки умножения, интегратор 14, первый 15 и второй 16 блоки выделения модуля, первый 17 и второй

18 фильтры с переменной структурой, первый 19 и второй 20 блоки деления, блок 21 изменения структуры, усилитель 22, первый 23, второй 24 и третий 25 линейные фильтры, переключатели 26-28 и блок 29 запаздывания, ошибка регулирования; соответственно регулируемая выходная координата объекта и задание; время; переменная интегрироваНИЯ ь соответственно постоянная и автоматически изменяемая (адаптируемая) части коэффициента усиления основного контура регулятора; соответственно постоянная времени дифференцирования и интегрирования; сигнал обратной связи по выходному сигналу регулятора U(t); постоянная времени блока запаздывания; количество последовательно соединенных фильтров, изменяемое с помощью фильтров в пределах от 1 до 3; соответствующие постоянные времени линейных фильтров; автоматически регулируемый коэффициент усиления в цепи обратной связи регулятора, Регулятор работает следующим образом.

Регулируемый выходной сигнал объекта x(t) и задание х (t) поступают на первый ("минусовой") и второй (плюсовой") входы сумматора 1выходной сигнал Е (t) которого поступает на вход дифференциатора 9 и на вторые входы сумматоров 2 и 5.

Т„, при If i+LE I (7) Tn„=

Т при (c l(lE I т - — I I +I l = Й!

d п2 dt

Т с<т

° 11 12

Т „при IE I >, IE. (8) пг

Т,м((Тм, постоянные вре18 с переменной

40 (5) 45

3 128

Одновременно .на третий ("минусовой") вход сумматора 1 пост-:пает выходной сигнал контура обратной связи регулятора, На выходе дифференциатора 9 ! формируется реальная производная сигнала Е (t), которая поступает на первые входы второго 2 и пятого 5 сумматор ов. Выходной си гнал Е +Т Е

9 второго сумматора 2, поступая на вход первого усилителя 10 и на первый вход первого блока 12 умножения, умножается соответственно на постоянную К„и автоматически изменяемую часть коэффициента усиления K„(t).

Одновременно на второй вход первого блока 12 умножения поступает сигнал

r(t) с выхода первого блока 19 деления контура адаптации.

Выходные сигналы первого усилителя 10 и первого блока 12 умножения суммируются в третьем сумматоре 3.

Выходной сигнал третьего сумматора

3, равный (К„+К (t))(E()+Т Е.(t)), поступает на вход интегратора 14 и на первый вход четвертого сумматора

4, на второй вход которого подается выходной сигнал интегратора. На выходе четвертого сумматора 4 формируется выходной сигнал регулятора u(t), который одновременно поступает на входы объекта регулирования и контура обратной связи.

В контуре адаптации на основе сигналов ошибки регулирования и ее реальной производной формируется автоматически изменяемая часть коэффициента усиления регулятора: . (t) = — — — — — Ч (Е, E. ), lEI а 1г.1 +d. малая постоянная величина, определяемая из условия физической реализуемости;

Ч (Е,C) - переменный масштабный коэффициент, определяемый в виде логической функции:

Ч,пРи f g

Q(E C.),= y (6)

0 2 при g >p, f =- тр С которая реализуется с помощью пятого сумматора 5, блока 21 изменения структуры и усилителя 22 с переменной структурой;

Ill u IFI - соответственно максимальные значения модуля ошибки и ее реальной производной, формируе7104 4 мые в блоках 15 и 16 выделения модуля и фильтрах 17 и 18 с переменной структурой по алгоритмам:

Т вЂ” )е(+ IEI = 1е!

Т,, при IC.I i IE I где Т;„, (i=j=1,2) мени фильтров 17 и структурой.

Контур адаптации, содержащий сумматоры 5 и 6, блоки 15 и 16 выделения модуля, фильтры 17 и 18 с переменной структурой, блок 19 деления, блок 21 изменения структуры и усилитель 22 с переменной структурой, работает следующим образом.

Выходной сигнал первого сумматора 1 поступает на первый вход пятого сумматора 5, на второй вход которого подается сигнал с выхода диф" ференциатора 9, В пятом сумматоре 5 формируется сигнал f=T E -Е, Этот

Я сигнал поступает на первый вход блока 21 изменения структуры, на второй вход ко тор о го подается си гнал

g=T f + Е с выхода второго сумма1 тора 2. В блоке изменения структуры 21 производится логическое умножение сигналов f u g. Одновременно входные сигналы первого сумматора 1 и дифференциатора 9 поступают на входы первого 15 и второго 16 блоков выделения модуля, на выходе которых формируются. соответственно сигналы

f8f u IEI Выходные сигналы блоков

15 и 16 поступают на входы первого 17 и второго 18 фильтров с переменной структурой. При выбранном соотношении постоянных времени Т;, и

T„. (i=1 2) фильтры 17 и 18 оценивают максимальное значение модуля ошибки ICI и ее реальной производной

f Å(в соответствии с алгоритмами

55 (7) и (8). Выходные сигналы фильтров

17 и 18 поступают на первые входы первого блока 19 деления и шестого сумматора 6, на второй вход которого подается постоянная величинаac.

35

45

5 128710

Полученный на выходе шестого сумматор а 6 си гнал, р авный l Г I +Ы, поступает на второй вход блока 19 деления, на выходе которого формируется сигнал, равный (ц /(.Ы I +oC) . Этот сигнал поступает на первый вход усилителя 22 с переменной структурой.

На основе выходного сигнала

sign (f g) блока изменения структуры, поступающего на второй вход 10 усилителя 22 с переменной структурой, на усилителе 22 устанавливается коэффициент усиления, равный

Ц (при f g 0) или "0" при f g > 0.

На выходе усилителя с переменной структурой 22 формируется автоматически изменяемая часть коэффициента усиления регулятора К (t), равная

V (e, ) iai /(Ы! +< ), которая поступает на второй вход первого блока 20

12 умножения основного контура.

В контуре обратной связи на основе выходного сигнала прямой цепи регулятора U(t) и сигналов контура адаптации IE1 и I b формируются сиг- 25 налы x(t), y(t), y(t-1.) в соответствии с (3), (4), оценки состояния упр авляемого объекта и автоматически регулируемый коэффициент усилия обратной связи по алгоритму: 30

К ()-К (к+ « )/(p+ К1), f3 0 (9) где К вЂ” постоянный масштабный коэффициент;

p — постоянный коэффициент, причем 0 < p < I . 1Е! и 1Е(— выходные сигналы фильтров

17 и 18 с переменной структурой, определяемые по (7) и (8), Контур обратной связи регулятора, содержащий сумматоры 7 и 8, второй усилитель 11, второй блок 13 умножения, второй блок 20 деления, линейные фильтры 23-25, переключатели 2628 и блок 29 запаздывания, работает следующим образом, Выходной сигнал U(t) четвертого сумматора 4 поступает на вход последовательно соединенных линейных фильтров 23-25, на выходах которых формируются сигналы по алгоритмам: т„„у,(е)+у„. (с)=у„., (t), j=1,2,3, (10) где у и у., (j=1,2,3) — соответ4 6 ственно входные и выходные сигналы фильтров 23-25, причем у (t) =U(t) у, (t)=y(t);

Т, — соответственно настроечй. ные параметры фильтров 23-25, Все выходные сигналы фильтров

23-25 через переключатели 26-28 поступают на первый вход блока 13 умножения. В з ависимо сти от порядка объекта п, (n=l,2,3) один из переключателей 23-25 находится во включенном положении и замыкает выход соответствующего фильтра с входом блока 13 умножения, а остальные переключатели находятся в разомкнутом положении. Поэтому между входом U(t) и выходом y(t) фильтров имеется следующая зависимость: и

П (Т . р+1) y (t) =U (t), d

n=123 р и Ф dt

Выходной сигнал фильтров y(t) в блоке 13 умножения умножается на автоматически регулируемый коэффициент усиления обратной связи К (t), На основе выходного сигнала первого

17 фильтра с переменной структурой поступающего на первый вход седьмого сумматора 7, на второй вход которого подается постоянный сигнал р, в сумматоре 7 формируется сигнал, равный (P+ 1р ).

Сигналы с выходов сумматоров 6 и 7 поступают на соответствующие входы второго блока 20 деления, на выходе которого формируется сигнал, равный (А+ Ki )/(p,+

11, в котором формируется автоматически регулируемый коэффициент усиления обратной связи К > (t) и поступает на второй вход блока 13 умножения. Выходной сигнал блока 13 умножения поступает на входы блока

29 запаздывания и первый вход восьмого сумматора 8, на второй ("минусовой") вход которого подается сигнал с выхода блока запаздывания. На выходе сумматора 8 формируется сигнал обратной связи Х (й), который поступает на третий ("минусовой") вход сумматора 1 основного контура р егулятор а, Предложенный регулятор в системе автоматического регулирования парирует изменения параметров коэффициента передачи объекта следующим образом, 1287104

В апериодических переходных процессах при увеличении (уменьшении) коэффициента передачи объекта система становится более "быстрой" ("медленной ), вследствие чего (согласно выражению (5)) значение автоматически изменяемой части коэффициента усиления регулятора уменьшается (увеличивается) по уровню-, так как в течение всего времени переходного процесса выполняется усло.вие f g 6 О. Причем одновременно в контуре обратной связи осуществляется оценка изменения— увеличения (уменьшения) коэффициента передачи объекта, вследствие чего увеличивается значение К,(t) автоматически регулируемой обратной связи, На начальном этапе переходного процесса значение управления поддерживается повышенным (по сравнению с прототипом), так как фильтры 17 и 18 с переменной структурой переключаются с постоянной времени Т, на а сигнал обратной связи регулятора оказывается пока несущественным в связи с инерционностью линейных фильтров этого контура, С некоторого момента времени t „, соответствующего окончанию начального этапа переходного процесса, увеличивается сигнал обратной связи, что уменьшает управление по уровню и на определенное время как бы поджидает реакцию объекта на предыдущее управление. Тем самым регулятор обеспечивает максимальную степень устойчивости системы автоматического управления в целом. В результате такой адаптации автоматически регулируемой обратной связи и коэффициента усиления регулятора также повышается качество переходного процесса, в частности точность и быстродействие системы.

При колебательных переходных процессах автоматически изменяемая часть коэффициента усиления регуля-. тора К,(t) адаптируется как от изменения оценки его фазовых переменных

1Е1 и 1f.1, так и от состояния системы, определяечой с помощью функции

sing (f g). Производя логическое умножение сигналов f=T E -Е и

8 я=Т С +Е, блок изменения структуры

3 определяет необходимые моменты переключения коэффициента усилителя чения. Поэтому даже при f g О управляющий выходной сигнал Б() регулятора уменьшается по уровню на отрезках времени t,+ а< переходного процесса системы. Таким образом, на отрезках времени t + Ъ„регулятор как бы ожидает реакцию объекта на предыдущие значения управления. Таким образом, в целом система становится менее колебательной, т.е. обеспечивается увеличение степени устойчивости.

Формула изобретения

Адаптивный регулятор с регулируемой обратной связью, содержащей последовательно соединенные первый сумматор, дифференциатор, второй сумматор, к второму входу которого подсоединен вход дифференциатора, первый блок умножения, третий сумматор, второй вход которого подсоединен через первый усилитель с выходом второго сумматора, интегратор

55 с переменной структурой 4 при с О, на "О" при f ° g i Q. Поэтому в колебательном переходном процессе на промежутке времени (t =О) значение автоматически измеа няемой части коэффициента усиления равно соответствующей максимальной величине (так как в начале переходного процесса существенно больше

10 lEI ) . Тем самым на интервале времени t, -t, переходного процесса регулятор быстро сводит ошибку к нулю, вследствие чего уменьшается время регулирования.

Одновременно на начальном этапе переходного процесса системы регулируемый коэффициент обратной связи находится в окрестности минимального значения (так как оценка 1 1 существенно больше 1р1 ). На данном интервале времени + Ь переходного о процесса выходной сигнал линейных фильтров также имеет низкий уровень (около "О"). Поэтому на начальном интервале времени регулятор быстро уменьшает ошибку, так как

Ж(г.) E (0, 4Ж,J, при f. g <сО, Но в последующем регулируемый коэффициент обр атной связи К (t) находится на оаэи номинальном уровне, Одновременно выходной сигнал линейных фильтров становится отличным от нуля и тем самым сигнал X(t) обратной связи возрастает до соответствующего зна9

1287104

Составитель А. Лащев

Редактор К, Волошук Техред Л. Сердюкова Корректор И ° Иуска

Заказ 77! 5/50 Тираж 862 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 и четвертыи сумматор, ко второму входу которого подсоединен вход интегратор а, последовательно соединенные первый блок выделения модуля, вход которого подсоединен с выходом первого сумматора, первый фильтр с переменной структурой и первый блок деления, последовательно соединенные второй блок выделения модуля, вход которого подсоединен с выходом дифференциатора, второй фильтр с переменной структурой и шестой сумматор, выход которого подсоединен со вторым входом первогоблока деления, и последовательно . соединенные пятый сумматор, первый и второй входы которого подсоединены соответственно с. выходами первого сумматора и дифференциатора, и блок изменения структуры, второй вход которого подсоединен с выходом второго сумматора, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с цельш повышения устойчивости и качества переходного процесса, он содержит первый, второй н третий переключатели, последовательно соединенные три линейных фильтра, второй блок умножения, вход которого подсоединен через со5 ответствуюшие переключатели с выходами линейных фильтров, блока запаздывания и восьмого сумматора, второй вход которого подсоединен с выходом вtopoFo блока умножения, а выход - с третьим входом первого сумматора, последовательно соединен:ные седьмой сумматор, вход которого соединен с выходом первого фильтра с переменной структурой, второй блок деления, первый вход которого подсоединен с выходом шестого сумматора, второй усилитель, выход кото рого подсоединен со вторым входом второго блока умножения, и усили20 тель с переменной структурой, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом первого блока деления и с выходом блока изменения структуры, а выход — со вторым входом первого блока умножения.