Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор для объектов с запаздыванием

 

Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования режимов работы динамических объектов с запаздыванием и может быть использовано при создании высокоточных систем управления металлорежущими станками. Изобретение позволяет за счет реализации упреждения по управлению сократить длительность переходного процесса, а также обеспечить апериодический характер переходного процесса. Регулятор содержит активный фильтр 1, два блока дифференцирования 2, 3, два делителя напряжения 4, 5, четыре сумматора 6-9, четыре усилителя 10-13, два выпрямителя 14, 15, нелинейный элемент с насыщением 16, инерционное звено 17 и исполнительный механизм 18. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 0 05 В ) l/01 л

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4456293/24-24 (22) 06.07.88 (46) 30.09,90, Бюл. У 36 (72) И,А.Какузин и В.М.Павлов (53) 62-50 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1389417, кл. С 05 В ll/01, 1986, (54) ПРОПОРЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРАЛЬНО»

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ

ОБЬЕКТОВ С ЗАПАЗДЬБАНИЕМ (57) Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования режимов работы динамических объектов с запаздыванием и может быть испольÄÄSUÄÄ 15963()4 А 1

:2 зовано при создании высокоточных систем управления металлорежущими станками, Изобретение позволяет за счет реализации упреждения по управлению сократить длительность переходного процесса, а также обеспечить апериодический характер переходного процесса. Регулятор содержит активный фильтр 1, два блока дифференцирования 2, 3, два делителя напряжения 4, 5, четыре сумматора 6-9, четыре усилителя 10-13, два выпрямителя

14, 15, нелинейный элемент с насыщением 16, инерционное звено 17 и исполнительный механизм 18. 1 ил.

1596304

Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования динамическими . объектами с запаздыванием и может быть использовано при создании высокоточных систем управления металлорежущими станками, Цель изобретения — повышение качества димнамических характеристик регулятора. 10 На чертеже представлена функциональная схема регулятора, Регулятор содержит активный фильтр 1, первый 2 и второй 3 .блоки дифференцирования, первый 4 и второй

5 делители напряжения, первый 6, второй 7„ третий 8 и четвертый 9 сумматоры, первый 10, второй 11, третий

12 и четвертый 13 усилители, первый

14 и второй 15 выпрямители, нелинейный элемент 16 с насыщением,, инерционное звено 17 и исполнительный механизм 18, прячем второй 11 и четвертый 13 усилители выполнены с переменным коэффициентом усиления. 25

Регулятор работает следующим образом, Входной сигнал поступает на первый вход сумматора 9 и информационный вход активного фильтра 1. На

30 управляющий вход активного фильтра поступает сигнал с выхода второго д лителя 5 напряжения, устанавливая перестраиваемую полосу пропускания фильтра в функций времени запаздывания объекта, С выхода активного фильтра 1 сигнал поступает на вход второго блока дифференцирования 3, с выхода которого поступает на информационный вход усилителя 13, на управляющий 40 вход которого поступает сигнал с выхода второго делителя 5. Вследствие этого в четвертом усилителе 13 устанавливается коэффициент усиления, прямо пропорциональный времени запаздыва-45 ния. С выхода усилителя 13 сигнал поступает на второй вход сумматора 9, на выходе которого формируется сигнал

У = Х ++eX где Х - входной сигнал;

X — производная входного сигналами ь - постоянная времени запаздыва- ния, С выхода четвертого сумматора 9 сигнал поступает на входы усилителя

10, первого блока 2 дифференцирования и первого выпрямителя 14. С выходов усилителя 10 и блока 2 дифференцирования сигналы поступают на входы первого сумматора 6 соответственно, с выхода которого сигнал поступает на информационный вход усилителя 1 1. С выхода выпрямителя 14 сигнал поступает на первый вход второго сумматора

7, на второй вход которого поступает сигнал с выхода делителя напряжения.

С выхода сумматора 7 сигнал поступает через второй выпрямитель 15 на вход нелинейного элемента 16 с насыщением, с выхода которого — на управляющий вход второго усилителя 11. Выход усилителя 11 соединен с первым входом третьего сумматора 8, выход которого подключен к входу усилителя 12, выход которого через инерционное звено 17 соединен с вторым входом сумматора 8.

Выход третьего усилителя 12 соединен также с входом исполнительного механизма 18 °

При первоначальном подключении регулятора к объекту через элементы

14, 4, 7, 15, 16 у второго усилителя

11 устанавливается малый коэффициент усиления, что способствует плавному разгону объекта регулирования вдоль границы области ограничений по управляемой координате и постепенному перехоцу его в режим стабилизации. По мере уменьшения входного сигнала "X коэффициент усиления усилителя 11 увеличивается, а в режиме стабилизации при определенных ошибках с помощью нелинейного элемента 16 с насыщением он устанавливается оптимальным для данного режима стабилизации.

Как известно, усилители с переменным коэффициентом усиления увеличивают коэффициент усиления прямо пропорционально сигналу на управляющем входе, в то же время практика систем автоматического регулирования свидетельствует,о том, что для плавного разгона необходимо менять коэффициент усиления от меньшего к большему.

Поскольку ошибка регулирования при разгоне по координате Х изменяется от максимального значения к минимальному, то с помощью элементов 14, 4, 7; 15, 16 реализуется обратно пропорциональная зависимость от ошибки регулирования. Начальный коэффициент усиления управляемого усилителя можно установить достаточно малым, в

40-"80 раз меньше коэффициента усиления в режиме стабилизации, а в дальнейшем в регуляторе автоматически будет выбираться необходимый коэффи6304 6 того усилителя 13 — Х, второго делителя 5 напряжения - Х,(, четвертого . сумматора 9 — Х, первого .усилителя

10 — Хб, первого блока 2 дифференцирования — Х7, первого выпрямителя

14 — Xs первого сумматора 6 — X> второго сумматора 7 - Х„, первого делителя 4 напряжения — Х««, второго выпрямителя 15 — Х 2, нелинейного элемента 16 с насыщением — Х >, .второго усилителя 11 — Х, третьего сумматора 8 — Х«, третьего усилителя 12 - Х(, инерционного звена 17

X„ исполнительного механизма IS—

X„>, тогда уравнения связи сигналов регулятора будут иметь вид.

Х « = Х«ф + X«7 ю х,= (х,1;

Х«2 — Х«(1, КИ «2 °

Хe Х«24

К<3 «2А :

Х «2 Х «24

+х

Х7 1

+х„; х = х

5 х =х

xÄ=- х. Известно, что передаточная функция пропорционально-интегрально-дифферен- 25 циального регулятора имеет вид:

W (Р ) = К (Х ) (1+Т P+ — ) (2 )

P Р 3 Тир или

w (s ) = к (х ) — — - — — — - - — (3

+ТР+ТиТ Р 30

ТиР где К р (Х) — ко эффициент усиления, Р— оператор Лапласа;

Т вЂ” постоянная времени интегй рирования; 35

Т вЂ” постоянная времени дифференцирования.

Передаточную функцию регулятора можно определить так:

-. . ) = „(Р ),„(Р, „. (Р),.

Р Х(Р )

+ l)((w (p)+w (p ) и„(р )1 — —,-"((Р-) — —-1о; -2 «« )+1,, (Р ) 1,1 (Р )

«W (P ), (4 )

Подставляя выражения передаточных функций элементов, получаем:

Е(Р) 1

W (P) =----= (— — — — KP K+l)«

Р х(Р) т, Р+1 2 з

50 к«6

)((К + К P) К (Х) — — — — — — — (5)

6 7 «4 - !+К«(К «7 ТИР

Т Р+1

55 (6) циент для прохождения допустимой области по ограничению, Обозначим через V, (Р ) передаточную функцию элемента регулятора, Передаточные функции элементов, используемые ниже, имеют следующий вид:

W (Р) — — — W (Р)= К Р

« ТР+1

« (Р ) = К 1 М «о(Р ) = К 1 W2(Р) =К7Р1

W«Ä(P) = К (Х) 1 И«2(Р ) = К«б1 И«7(Р ) =

° W (P ) Т Р+1 "8 Т Р

Обозначим выходные сигналы актив- ного фильтра 1 через Х<, второго блока 3 дифференцирования — X2, четверили

W (Р) = — -- = (— — -- + 1) «

Z (Р) Кг Кзр

P X(P) T„P +1

K«gK«g$Ke, + KgP) (ТдР+1) (Тп Р+1 + К«6 К «7 ) ТИР

Третий усилитель 12 выбирается с достаточно большим коэффициентом усиления, чтобы выполнялось .соотношение

К« К«7)Т Р+ 1 (7)

Кроме того, четвертый усилитель 13 обеспечивает выполнение соотношения:

2 3= (8)

Отсюда получаем:

Е(Р) К 7

W (P) = - - = (- К + 1)х

P х(Р) т Р+1

К«4(к«б+ K7P) )Т«7Р + 1) I

М вЂ”вЂ” (9) К«Т . ТИР

Z(P) c Р К<у (Р) =- - - (— — — + 1) — — )(P Х (P) ТР+1 К7

«(Кб+К6Т«7Р+К7Р+К7Т Р ) ††. (10) 1

7 7 «7 Т Р

Обозначим через Y(P) следующее выражениее:

n„P

Y(P) X(P) ° (— — — - +1) . (11) Т,Р+1

То гда переда точная функция ре гулятора по поординате Y имеет вид

Z(P) . К«ф . Г КсТ«7 +К7

W (P) - - — — К 1+ - — — --Р+

Y(P) к„а ) к

К7Т«Р 1 и л (12)

К ) T P

Из сравнения выражений (3) и (12) получаем

K«4K«g K(;T<7 + Кт — — --к; т„= — --- — —;

К«7 Р

К7Т <7 К7Т <7

Т

3 Кь (I К Т«7 + Кт

1596304

Формула изобретения

Составитель В.Пешков

Редактор М,Бандура Техред Л.Олийнык Корректор И.Муска

Заках 3902 Тираж 665 Подписное

BHHHfIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,301

Таким образом, К +(X) не вносит изменения в значение остальных параметров регулятора, причем по отношению к расчетной координате Y nponop5 ционально-интегрально- дифференциальный закон реализуется.

Вследствие введения в структуру регулятора активного фильтра 1, блока

3 дифференцирования, делителя 5 напря- 0 жения, усилителя 13 с переменным напряжением усиления достигается возможность обеспечить сокращение дли тельности переходного процесса за счет введения упреждения по управлению.

Использование активного фильтра позволяет получить усредненйое значение производной по ошибке и ограничить влияние случайных возмущающих воздействий и шумов измерения, что повышает степень приближения расчетной ошибки регулирования к фактической, Монотонность и небольшие градиенты ошибки регулирования вследствие 25

J апериодического характера переходного процесса обеспечивают достаточную точность аппроксимации расчетной ошибки по сравнению с действительной и сокращение длительности переходных . 30 процессов.

Пропорционально-интегрально-диф35 ференциальный регулятор для объектов с запаздыванием, содержащий первый усилитель и первый блок дифференцирования, выходы которых подключены к соответствующим входам первого 40 сумматора, первый выпрямитель и первый делитель напряжения, выходы которых подключены к входам второго сумматора, выход которого через последовательно соединенные второй выпрямитель и нелинейный элемент типа

"насыщение" подключен к входу настройки коэффициента усиления второго усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, выход которого через третий усилитель соедияен с входами инерционного звена и исполнительного механизма, выход первого сумматора соединен с информационным входом второго усилителя, а выход инерционного звена соединен с вторым входом третьего сумматора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения качества переходных процессов регулятора, в него введены четвертый сумматор, активный фильтр, второй блок дифференцирования, четвертый усилитель, четвертый сумматор и второй делитель напряжения, выход. которого подключен . к входу настройки коэффициента усиления активного фильтра и четвертого усилителя, вход регулятора соединен с информационным входом активного фильтра и с первым входом четвертого сумматора, выход активного фильтра через второй блок дифференцирования соединен с информационным входом четвертого усилителя, выход которого. подключен к второму входу четвертого сумматора, выход которого соединен с входами первого усилителя, первого-,блока дифференцирования и первого выпрямителя.