Система автоматического управления

 

Изобретение относиться к системам автоматического управления инерционными обьектами и используется в автоматизированных электроприводах. Целью является повышение быстродействия системы при одновременном устранении перерегулирования и колебательности переходного процесса . Система автоматического управления содержит элемент сравнения

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (й1)ю G 05 В 11/42

ГОСУДАРСТВЕН.ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

I»

l (21) 4941766/24 (22) 03.06.91 (46) 23,08.93. Бюл. М 31 (71) Сумский физико-технологический институт (72) Ю.Ф.Самедов (73) Ю.Ф.Самедов (56) Авторское свидетельство СССР . М 637781, кл. G 05 В 11/00, 1978.

Авторское свидетельство СССР

hh 1361501, кл. G 05 В 11/42, 1987. (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относиться к системам asтоматического управления инерционными

I. .Ж 1836659 А3 объектами и используется в автоматизированных электроприводах, Целью является повышение быстродействия системы при одновременном устранении перерегулирования и колебательности переходного процесса. Система автоматического управления содержит элемент сравнения (1), три усилителя (2, 3, 4), интегратор (5), дифференциатор (6), суммирующий усилитель (7), два однопороговых компаратора (8, 9), сумматор по модулю два (10), инвертор (11), два ключа (12. 13), сумматор (14), объект (15). 4 ил, 1836659

Изобретение относится к системам автоматического управления инерционными объектами и может быть использовано в автоматизированных электроприводах, в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Цель изобретения — повышен Ие качества управления путем повышения быстродействия при одновременном устранении перерегулирования и колебательности переходного процесса.

Эта цель достигается тем, что в систему автоматического управления, содержащую элемент сравнения, соединенный с входом системы и выходом объекта управления, со единенные с выходом элемента сравнения первый и второй усилители и дифференциатор, выход первого усилителя соединен с первым входом сумматора, выход второго усилителя через интегратор соединен с вторым входом сумматора, выход сумматора соединен с входом объекта управления, треий усилитель, вход которого соединен с

ыходом дифференциатора, согласно изобретению в нее введены суммирующший усилитель, первый и второй однопороговые компараторы, полусумматор, инвертор, . первйй и второй ключи, информационные входы которых соединены соответственно с выходами третьего усилителя и суммирующего усилителя, а выходы, соответственно, с третьим и четвертым входами сумматора, первый и второй входы суммирующего усилителя соединены, соответственно, с выходами дифференциатора и элемента сравнения, два входа полусумматора через первый и второй однопороговые компараторы соединены с выходами элемента сравнения и суммирующего усилителя, выход полусумматора соединен с управляющим входом первого ключа и через инвертор — с управляющим входом второго ключа.

Суммирующий усилитель формирует выходные напряжения пропорционально выражению (е+ k е ), где c — ошибка рассогласования на выходе элемента сравнения, я — ee производная на выходе дифференциатора, k — постоянный коэффициент. Однопороговые компараторы преобразуют аналоговые входные сигналы B логический сигнал; если входной сигнал меньше или равен нулю, то на выходе однопорогового компаратора имеет место сигнал логического "0". а при положительном входном сигнале — сигнал логической "1", Эти сигналы поступают на входы полусумматора, выхОд которого, как известно, равен "0" при одинаковых входных сигналах (оба логические

"0", либо логические "1") и "1" — при разных значениях входных сигналов ("0" и "1" или

"1" и "0"), Функция полусумматора состоит в анализе состояния системы автоматиче40

55 значение благодаря а, следовательно, корректирующий сигнал не уменьшается. Это способствуует скорейшему возвращению выходной величины к заданному значению, Этим предлагаемая система автоматического управления выгодно отличается от известных, в которых при данной ситуации корректирующий сигнал равнялся бы нулю иэ-за того, что производные при этом равны нулю.

В процессе возвращения выходной величины к заданному значению ошибка я уменьшается и производная я меняет знак.

Соответственно постепенно уменьшается и сумма (е + k d). Перед достижением выходной величиной заданного значения сумма (e+ k е) переходит через ноль и становится отрицательной. Полусумматор меняет значение выхода с "0" на "1", второй ключ закрывается, а первый открывается и на сумматор в качестве корректирующего сигского управления. Полусумматор определяет, каждая ситуация имеет место: отклоняется выходная величина от заданного значения или возвращается к нему, При

5 этом, благодаря выходному напряжению суммирующего усилителя, учитывающему, как значение е, так и ее производную я полусумматор получает возможность определить две важные ситуации системы автоматического управления . первая — выходная величина отклоняется от заданного значения или возвращается к нему, но ошибка я имеет еще большое значение — в этом случае на выходе полусумматора имеется сигнал

15 логического "0"; вторая — выходная величина возвращается к заданному значению и ошибка рассогласования достаточно мала— соответствует значению логической "1" на выходе полусумматора. Так как выходной

-сигнал полусумматора управляет работой обоих ключей, то в зависимости от ситуации в системе автоматического управления на входы сумматора, как корректирующий сигнал, поступает либо производная е, либо сумма (е+ k я), что соответствует достижению цели.

При приложении нагрузки на объект управления ошибка рассогласования с возрастает, сумма (e+ k c ) имеет положительное значение, и выход полусумматора равен ло30 гическому "0". В этой ситуации открывается второй ключ и суммй (E + k E ), имеющая большое значение благодаря производной F,, как упреждающий корректирующий сигнал, поступает на вход сумматора, 35 что способствует уменьшениюи отклонения выходной величины объекта управления.

Далее, когда выходная величина отклоняется на максимальное значение, то я = О, однако сумма (е + k е ) сохраняет большое

1836659 нала теперь поступает сигнал производной я, имеющий теперь отрицательное значение, Объект управления получает торможение. Следует подчеркнуть, что момент торможения обязательно наступает перед достижением выходной величиной заданного значения, так как в этой ситуации я > О, а е < О. Такое торможение эффективно приводит систему автоматического управления в новое установившееся и исключает перерегулирование и колебательность, При набросе задающего сигнала происходит разгон

10 объекта управления к новому заданному

На фиг.1- приведена функциональная схема системы автоматического управления; фиг. 2 — схема полусумматора; фиг. 3 и

4 — кривые переходных процессов и корректирующих сигналов.

Система автоматического управления содержит элемент 1 сравнения, первый 2, -второй 3 и третий 4 усилители, интегратор

5, дифференциатор 6, суммирующий усилитель 7, первый 8 и второй 9 однопороговые компараторы, полусумматор 10, инвертор

",1, первый 12 и второй 13 ключи, сумматор

14, объект управления 15. На чертеже фиг. 1 приняты следующие обозначения: х д — задающий сигнал, х — выходная величина объекта управления 15, к — ошибка

55 значению. На этом участке ошибка рассог- ласования 8 имеет положительное значение и по ходу разгона уменьшается, следовательно, ее производная я отрицательна. В начале данного участка сумм а (8 + k 8 ) имеет положительное значение благодаря большому значению е и малому а . На выходе полусумматора сигнал равен "0", и через открытый второй ключ положительная сумма (е + k F.) поступает на вход сумматора. способствуя более быстрому разгону. По мере увеличения выход- 25 ной величины объекта управления е уменьшается, а е получает все большие отрицательные значения, Поэтому, перед достижением выходной величиной нового заданного значения сумма (е + k я) меняет знак, становится отрицательной величиной, причем тем раньше, чем резче происходит увеличение выходной величины объекта управления. Полусумматор вновь меняет выходной сигнал с "0" на "1", второй ключ закрывается, а тормозящий сигнал, пропор- 35 циональный производной е через открывшийся первый ключ поступает на вход сумматора. Происходит эффективное торможение обьекта управления, исключающее перерегулирование и колебательность, 40 при достижении объектом управления нового установившегося состояния. рассогласования, e — производная ошибки рассогласованиия, 0 . U>, 0д — соответственно пропорциональная, интегральная и дифференциальная составляющие управляющего воздействия, 0 — выходное напряжение суммирующего усилителя 7. Первый вход элемента сравнения 1 соединен с входом системы автоматического управления, второй вход — с выходом объекта управления 15, а выход — с входами первого 2, второго 3 усилителей, дифференциатора 6, первого однопорогового компаратора 8, Выход первого усилителя 2 соединен с первым входом сумматора 14, выход второго усилителя 3 через интегратор 5 соединен со вторым входом сумматора 14. Выход рифференциатора 6 через третий усилитель 4 соединен с информационным входом первого ключа 12 и непосредственно — с первым входом суммирующего усилителя 7. выход которого соединен с информационным входом второго ключа 13 и с входом второго однопорогового компаратора 9. Второй вход суммирующего усилителя 7 соединен с выходом элемента сравнения 1. Выходы однопороговых компараторов 8 и 9 соединены соответственно с первым и вторым водами полусумматора 10, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа

12 и через инвертор 11 — с управляющим входом второго ключа 13. Выходы первого

12 и второго 13 ключей соединены соответственно с третьим и четвертым входами сумматора 14, выход последнего — с входом объекта управления 15.

Система автоматического управления работает следующим образом.

Элемент 1 сравнения, первый усилитель 2, интегратор 5 совместно со вторым усилителем 3, сумматор 14 и объект управления 15, охваченные главной обратной связью, образуют систему автоматического управления с пропорционально-интегральным регулятором. Посредством элемента 1 сравнения формируется сигнал ошибки рассогласования

Е= хэад х, С помощью первого усилителя 2 формируется сигнал пропорциональной составляющей управляющего воздействия

Un kn- e

С помощью второго усилителя 3 и интегратора 5 формируется сигнал интегральной составляющей управляющего воздействия с

Ои =kw . еда о

1836659

С помощью дифференциатора 6 формируется сигнал производной ошибки рассогласования:

dc

Я =

clt

С помощью третьего усилителя 4 формируется первая, дифференциальная составляющая корректирующего воздействия:

Од= кд с

С помощью суммирующего усилителя 7 формируется сигнал суммы ошибки рассогласования с и ее производной я, как вторая составляющая корректирующего воздействия

Ис--е + k ° е

Коэффициенты кл, k>, kz, k являются настроечными.

С помощью сумматора 14 формируется управляющее воздействие, которое выдается на объект 15 управления. При этом пропорциональная и интегральная составляющие управляющего воздействия постоянно поступают на первый и второй входы сумматора 14, а составляющие корректирующего воздействия поступают на третий или четвертый входы сумматора 14 в зависимости от состояния системы автоматического управления.

Состояние системы автоматического управления определяется анализом ошибки рассогласования я и суммы (c + k c )..При достаточно быстром изменении задающего сигнала хлад, или приложении нагрузки на объект управления 15 при неизменном сиг. нале хлад выходная величина х в первой половине переходного процесса отклоняется от заданного значения и во второй половине возвращается к заданному значению, В предлагаемой системе автоматического управления определяются следующие два состояния: первое — выходная величина х отклоняется от заданного значения или возвращается к заданному значению, но ошибка рассогласования к еще имеет большое значение; второе — выходная величина х возвращается к заданному значению при малом значении ошибки рассогласования, Для этой цели аналоговые сигналы E и (c +

k 1) однопороговыми компараторами 8 и 9 преобразуются в дискретные величины; при отрицательных значениях сигналов на sxoдах однопороговых компараторов 8 и 9 их выходной сигнал имеет значение логического "0", а при положительных значениях— логической "1", При отклонении выходной

55 вает срабатывание второго ключа 13, так как на выходе инвертора 11 сигнал равен "1".

Благодаря этому на вход сумматора 14 поступает корректирующий сигнал U< = c+ k c, имеющий тот же знак, что и ошибка рассогласования c . Это способствует уменьшению отклонения выходной величины от заданного значения и более быстрому ее возвращению к заданному значению.

После изменения выходного сигнала полусумматора 10 с "0" на "1" наступает второе состояние системы, при этом срабатывает первый ключ 12, а второй ключ 13 закрывается. Теперь корректирующий сигнал, пропорциональный производной с, которая имеет противоположный знак, чем значение ошибки рассогласования е, является тормозящим. Это способствует эффективному успокоению системы автоматического управления в новом установившемся режиме. Своевременное начавеличины х от заданного значения знаки сигналов с и (c + k c ) в первой половине переходного процесса совпадают, поэтому на выходах nepeoro 8 и второго 9 однопоро5 говых компаратов имеются одинаковые сигналы — "0" или "1 Поэтому в первой половине переходного процесса входные сигналы полусуммэтора 10 одинаковые и

его выходной сигнал равен логическому "0".

10 Далее, отклонение выходной величины х достигает наибольшего значения и затем она начинает возвращаться к заданному значению, При этом производная я пересекает нулевое значение и ее величина очень мала, поэтому значение суммы (c+ k -е) сохраняет тот же знак, что и в первой половине переходного процесса, Вследствие этого выходной сигнал полусумматора 10 не меняется, По мере приближения выходной величины х к заданному значению я уменьшается, а о, имея знак, противоположный е принимает все большие значения. Поэтому сумма (c + k - c ) перед достижением выходной величиной х заданного значения переходит через нулевое значение и меняет свой знак, При этом выход второго однопорогового компаратора 9 меняется с "0" на "1", а первого однопорогового компаратора 8 остается неизменным, На входах полусуммэ30 тора 10 теперь сигналы имеют разные значения и его выходной сигнал меняется с

"0" на "1"

Часть переходного процесса от начала отклонения выходной величины от заданно35 го значения до момента равенства нулю суммы (я + k° - c ) в предлагаемой системе автоматического управления является пер- вым состоянием. Нулевой сигнал на выходе полусумматора 10 в это г период обуславли1836659

10 ло торможения перед достижением выходной величиной х заданного значения исключает перерегулирование и колебательность переходного процесса.

Важное значение для формирования суммы (е + k E ) и определения состояния предлагаемой системы имеет коэффициент

k. Прежде всего он имеет размерность времени, что необходимо для приведения в соответствие обоих составляющих: о и k e.

По мнению автора, величина коэффициента

k должна определяться длительностью времени переключения объекта управления 15 с одного движения на другое. Смысл такого определения k состоит в том, что после изменения выходного сигнала полусумматора

10 с "0" на "1" имеется достаточное время для эффективного торможения объекта управления 15 перед достижением нового установившегося состояния. Ориентировочно, значение коэффициента k может равняться отрезку времени, втечение которого выходная величина х объекта управления 15 достигает 10 $ установившегося значения по кривой разгона при скачкообразном изменении сигнала на его входе.

Формирование корректирующих сигналов поясняется графовременными зависимостями переходного процесса. На фиг. 3 приведены кривые переходного процесса выходной величины х, ошибки рассогласования с, ее производной е, суммы (а + k е ), при условно k = 1 и корректирующего сигнала U». При приложении нагрузки на объект управления 15 выходная величина х уменьшается, отклоняясь от заданного значения в меньшую сторону, а а растет— участок от 0 до момента времени t<. При этом сумма (я + е ) положительна. Вследствие того, что я > 0 и (f + f: ) > 0 выходной сигнал полусумматора 10 равен логическому "0", открывается второй ключ 13 и сумма (е + e), как упреждающий корректирующий сигнал поступает на вход сумматора 14. В момент времени t> е принимает максимальное значение, а Г = О, далее с, уменьшаясь по величине, остается положительной величиной. а е принимает все большие отрицательные значения, Однако, до момента tg сумма(с + я) сохраняет положительное значение и является корректирующим сигналом, способствующим ус- коренному возвращению выходной величины х к заданному значению, В момент т2 сумма (e + с ) становится равной нулю и далее становится отрицательной величиной. Теперь на входах полусумматора 10 имеются разные логические сигналы "0" и "1", поэтому его выходной сигнал принимает значение "1", что влечет за собой закрытие второго 13 и открытие первого 12 ключей, При этом корректирующий сигнал 0» становится пропорциональным производной к и оказывает тормозящее действие перед достижением

5 выходной величиной х заданного значения, исключая перерегулирование.

Если перерегулирование все же возникает (например, из-за колебаний нагрузки на объект управления 15 около момента вре10 мени тз), то на участке от тз до t4 выходная величина х отклоняется от заданного значения в верхнюю сторону. При этом я становится отрицательной, а сумма (я + e ), имевшая до того отрицательное значение, возрастает по величине. В результате на выходах обоих однопороговых компараторов 8 и 9 сигнал отсутствует, а выход полусумматора 10 меняется с логической "1" на

"0", что соответствует первому состоянию системы автоматического управления — от-. клонению выходной величины от заданного значения. Корректирующий сигнал через открытый второй ключ 13 определяется суммой (е + е ), отрицательное значение которой способствует уменьшению выходной величины х, тем самым уменьшая перерегулирование.

Сумма (е+ E) остается отрицательной до момента t6, что способствует более быстрому возвращению выходной величины х к

30 заданному значению. В момент времени tg сумма (е+ е ) меняет знак, полусумматор

10 меняет выходной сигнал с "0" на "1", второй ключ 13 закрывается, первый ключ

12 открывается, и корректирующий сигнал, 35 U», пропорциональный положительному значению производной, оказывает тормозящее действие на объект управления 15 перед достижением выходной величиной х заданного значения.

40 При уменьшении нагрузки объекта управления 15 выходная величина х отклоняется от заданного значения в верхнюю сторону. Это схоже с участком переходного процесса от з до тв (фиг. 3). Характер действия корректирующего сигнала 0» при этом также остается неизменным: сначала корректирующий сигнал с упреждением препятствует отклонению выходной величины х от заданного значения, затем способствует ускоренному ее возвращению к заданному значению и перед достижением заданного значения производят эффективное торможение, При резком изменении задающего сигнала х д характер действия корректирующего сигнала U» не изменяется, что представлено кривыми переходного процесса на фиг; 4. Здесь ошибка рассогласования я с самого начала имеет большое значение, а ее производная к, начинаясь с

1836659 нуля, получает затем отрицательные значения. Поэтому, корректирующий сигнал, основанный на положительных значениях суммы (я + е ), как форсирующий сигнал способствует ускорению разгона объекта управления 15 на участке от 0 до t1. Далее сумма (8+ о ) становится отрицательной величиной и в момент времени t1 корректирующий сигнал переключается на тормозящее действие пропорционально производной e . Следует подчеркнуть, что, чем быстрее происходит разгон, тем больше значение я и тем раньше начнется формирование тормозящего корректирующего сигнала, пропорционального величине е

Этим достигается своевременное успокоение объекта управления 15 и исключается перерегулирование и колебательность переходного процесса.

Если перерегулирование все же возникнет, то на участке от tz до 14 имеет место первое состояние и корректирующий сигнал на основе отрицательного значения суммы (е+ ) препятствует перерегулированию, способствует ускоренному возвращению выходной величины х к новому заданному значению. А перед достижением этого значения. с момента времени t5 корректирующий сигнал оказывает тормозящее действие. Участок от t2 до ts (фиг. 4) аналогичен участку от тз до тв(фиг. 3), и далее участок от tg до тз (фиг. 4) аналогичен участку от 0 до з (фиг, 3).

Таким образом, в предлагаемой системе автоматического управления с упреждением формируется корректирующий сигнал для уменьшения динамического отклонения выходной величины объекта управления, ускоряется переходной процесс и эффективным торможением перед достижением выходной величиной заданного значения исключается перерегулирование и колебател ьность.

Формула изобретения

Система автоматического управления, содержащая элемент сравнения, первый вход которого является входом системы, второй вход соединен с выходом объекта, 10 выход — с первым усилителем, последовательно соединенными вторым усилителем и интегратором, последовательно соединенными дифференциатором и третьим усилителем, первый и второй выходы сумматора соединены с выходами первого усилителя и интегратора, а выход — с входом объекта, отличающаяся тем, что, с цел..с повышения быстродействия системы при одновременном устранении перерегулирования и колебательности переходного про20 цесса, в нее введены суммирующий усилитель, два однопороговых компаратора, последовательно соединенные сумматор по модулю два и инвертор, два ключа, выходы которых соединены с третьим и чет25 вертым входами сумматора, информационные входы — соответственно с выходами третьего усилителя и суммирующего усилителя, управляющие входы — соответственно с выходом сумматора по модулю и инверто30 ра, вход первого однополярного компаратора и первый вход суммирующего усилителя— с выходом элемента сравнения, второй вход . суммирующего усилителя соединен с выходом дифференциатора, выход — с входом

35 второго однопорогового. компаратора, выход которого соединен с первым входом сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом первого однопорогового компаратора, 1836659

Х,Я

1836659

Составитель 10.Самедов

Техред М.Моргентал Корректор С. Лисина

Редактор

Заказ 3019 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета ho изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент"; r. Ужгород, ул, Гагарина, 101