Супервизорный пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор

 

Изобретение относится к автоматическому регулированию, а именно к супервизорным пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) устройствам управления, и может быть использовано при автоматизации различных технологических процессов. Технический результат изобретения заключается в повышении качества регулирования и расширении функциональных возможностей регулятора (реализуется супервизорный режим). Простыми средствами достигается оптимальная отработка задающего воздействия и оптимальное подавление возмущения. Супервизорный ПИД-регулятор содержит параллельно соединенные интегратор и дифференциатор, а также усилитель, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого является выходным каналом регулятора, первое, второе и третье динамические звенья, а также первый, второй и третий элементы сравнения, минусовые входы которых подключены к каналу регулируемого параметра непосредственно, а их плюсовые входы подключены к каналу задания соответственно через первое, второе и третье динамические звенья, выходы первого, второго и третьего элементов сравнения соединены с входами соответственно усилителя, интегратора и дифференциатора. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к автоматическому регулированию, а именно к супервизорным пропорционально- интегрально- дифференциальным (ПИД) регуляторам, позволяющим одновременно с высоким качеством отрабатывать и задающее и возмущающее воздействия, и может быть использовано при автоматизации различных технологических процессов.

Известны системы связи электронно-вычислительной машины (ЭВМ) с пневматическими регуляторами, содержащие, в частности, регуляторы, аналоговые ячейки памяти (динамические звенья) [авт. свид. СССР N 1341617, кл. G 05 В 15/00, Бюл. изобр. N 36, 1987], предназначенные для работы в супервизорном режиме.

Известны устройства регулирования, содержащие, в частности, регулятор и инерционное (динамическое) звено в задающем канале [авт. свид. СССР N 1486986, кл. G 05 В 15/00, Бюл. изобр. N 22, 1989], которые могут работать, в специальных режимах, в том числе и супервизорном режиме.

Однако такие системы и устройства обладают сложной конструкцией и не обеспечивают коррекцию (а следовательно, и высокого качества) работы в супервизорном режиме всех составляющих (в частности, интегральной и дифференциальной) закона регулирования, когда задающее воздействие подается от внешнего задатчика (регулятора, ЭВМ и т.п.) и может изменяться произвольным образом, в том числе и скачкообразно.

Известны также различные структуры ПИД-регуляторов, содержащих интегратор, дифференциатор, а также усилитель (пропорциональная П-часть), выход которых подключен к входам сумматора, выход которого является выходным каналом регулятора [см., например, кн.: Острем К. и Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ - М.: Мир, 1987, с. 207, рис. 8.5].

Однако эти ПИД-регуляторы также не обеспечивают коррекцию работы всех составляющих закона регулирования в супервизорном режиме.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является супервизорный регулятор, содержащий параллельно соединенные интегратор и дифференциатор, а также усилитель, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого является выходным каналом регулятора, вход усилителя подключен к выходу первого элемента сравнения, минусовой вход которого подключен к каналу регулируемого параметра непосредственно, плюсовой вход элемента сравнения через первое динамическое звено соединен с каналом задания [см. кн.: Пневмогидроавтоматика и пневмопривод: Тезисы докладов Всесоюзного совещания, Суздаль, часть 1. - М., 1990, с. 88: Бирман А. И. Пневматический супервизорный регулятор].

Однако в известном супервизорном регуляторе обеспечивается коррекция работы только пропорциональной составляющей закона регулирования в супервизорном режиме. Это не позволяет добиться значительного улучшения качества регулирования.

Настоящее изобретение решает задачу повышения качества регулирования технологических параметров при отработке задающего воздействия путем оптимизации (коррекции) работы всех (и каждой в отдельности) составляющих закона управления. Так как эти составляющие должны быть настроены на оптимальное подавление возмущающего воздействия, то без предлагаемой коррекции они отрабатывают задающее воздействие с очень низкими показателями качества по сравнению с тем случаем, когда эти же составляющие настраиваются на качественную отработку задающего воздействия. Но тогда в этом последнем случае получаем низкое качество подавления возмущающего воздействия. Таким образом, требуется одновременно обеспечить высокое качество работы ACP при подаче (при появлении) задающего и/или возмущающего воздействий.

В предлагаемом супервизорном ПИД-регуляторе, содержащем параллельно соединенные интегратор и дифференциатор, а также усилитель, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого является выходным каналом регулятора, вход усилителя подключен к выходу первого элемента сравнения, минусовой вход которого подключен к каналу регулируемого параметра непосредственно, плюсовой вход элемента сравнения через первое динамическое звено соединен с каналом задания, дополнительно установлены второе и третье динамические звенья, а также второй и третий элементы сравнения, минусовые входы которых подключены к каналу регулируемого параметра непосредственно, а их плюсовые входы подключены к каналу задания соответственно через второе и третье динамические звенья, выходы второго и третьего элементов сравнения соединены с входами соответственно интегратора и дифференциатора.

На фиг. 1 представлена блок-схема регулятора, на фиг. 2 - диаграммы показателей качества отработки скачка по заданию в автоматических системах регулирования (ACP) с различными регуляторами для сравнения с предлагаемым регулятором.

Супервизорный ПИД-регулятор содержит усилитель 1 (пропорциональная часть регулятора), интегратор 2, дифференциатор 3, сумматор 4, первый, второй и третий элементы сравнения (5-7) и первое, второе и третье динамические звенья (8 - 10). Динамические звенья 8 - 10 представляют собой супервизорную часть регулятора и могут быть реализованы, в частности, как простые масштабирующие усилители К₁, К₂, К₃ или как фильтры какого-либо порядка и т.п.

Плюсовой вход элемента сравнения 5 подключен к каналу задания Y_ЗДН через первое динамическое звено 8, минусовой вход - к каналу регулируемого параметра Y непосредственно, а выход ε₁ элемента сравнения 5 соединен с входом усилителя 1. Плюсовой вход элемента сравнения 6 подключен к каналу задания Y_ЗДН через второе динамическое звено 9, минусовой вход - к каналу регулируемого параметра Y непосредственно, а выход ε₂ элемента сравнения 6 соединен с входом интегратора 2. Плюсовой вход элемента сравнения 7 подключен к каналу задания Y_ЗДН соответственно через третье динамическое звено 10, минусовой вход - к каналу регулируемого параметра Y непосредственно, а выход ε₃ элемента сравнения 7 соединен с входом дифференциатора 3. Выходы блоков 1, 2, 3 подключены к входам сумматора 4, выход U которого является выходным каналом регулятора.

Регулятор работает следующим образом.

При подавлении возмущающего воздействия в автоматической системе регулирования задание Y_ЗДН постоянно, и, следовательно, выходные сигналы динамических звеньев 8 - 10 тоже являются постоянными и не влияют на выходной сигнал U регулятора. При этом изменение выходного сигнала U (чтобы скомпенсировать возмущающее воздействие) зависит только от регулируемого параметра (сигнал Y) и блоков 1 - 3 с оптимальными настройками (оптимальными для компенсации только возмущающего воздействия в ACP).

При отработке задающего воздействия Y_ЗДН на плюсовой вход каждого элемента сравнения 5-7 поступает скорректированный сигнал задания с выхода соответствующего динамического звена 8, 9 или 10. Параметры корректирующих динамических звеньев 8- 10 подбираются таким образом, чтобы исходный (блоки 1 - 3) ПИД- регулятор (с неоптимальными настройками для отработки задающего воздействия, но с оптимальными - для подавления возмущающего воздействия) качественно отработал и задающее воздействие.

Исследования предлагаемого супервизорного регулятора совместно с моделью объекта управления показали высокий эффект от применения супервизорной части. Оптимизация параметров регулятора проведена по интегральному квадратичному критерию J₂ = ∫ε² dt ---> min, где ε - ошибка регулирования: ε = Y_ЗДН - Y. Параметры модели объекта управления с самовыравниванием первого порядка с запаздыванием выбраны следующими: τ = 0,25; k₀ = 1; T₀ = 1. Результаты оптимизации для ПИ-регуляторов приведены в таблице.

Для оценки эффективности предлагаемого супервизорного регулятора (при отключенной Д-части с целью упрощения анализа) были проведены исследования следующих автоматических систем регулирования (ACP): 1) ACP1 с обычным ПИ-регулятором (для сравнения) с оптимальными настройками для отработки задающего воздействия; 2) ACP2 с обычным ПИ-регулятором с оптимальными настройками для компенсации возмущения по нагрузке; 3) ACP3 с супервизорным ПИ-регулятором (прототип) с оптимальными настройками для компенсации возмущення по нагрузке и с оптимальной настройкой К_1опт = 0.540608 супервизорной части (блок 8) в канале задания П-части; 4) АСР4 более общего вида с таким же ПИ- регулятором и с оптимальными настройками сложной (предлагаемой) супервизорной части.

Отличие известной супервизорной системы ACP3 от системы ACP2 с обычным ПИ-регулятором заключается только в наличии у ACP3 дополнительного пропорционального звена К₁ в канале отработки задания для П-части. Разность сигналов на выходе звена К₁ и в обратной связи ACP3 подается на пропорциональную составляющую ПИ-регулятора.

Супервизорная часть регулятора (звенья К₁ и К₂) в общем случае может быть представлена динамическими звеньями (система ACP4) с передаточными функциями, например, вида: W₁=(K₁(1+T₁p))/(1+Т₂р), W₂=(К₂(1+T₃p))/(1+T₄p) с оптимальными значениями параметров их настройки: К_1опт = 0.20513, T_1опт = 0.58609, Т_2опт = 0.0147; K_2опт = 1, Т_3опт = 0.9992, Т_4опт = 0.39066 для заданного объекта управления при отработке задания.

Графики переходных процессов и диаграммы показателей качества (см. фиг. 2, где качественные показатели ACP2 приняты за 100%) отработки скачка по заданию в различных ACP (с ПИ-регуляторами) показывают, что ACP2, оптимальным образом компенсирующая возмущающее воздействие, не обеспечивает приемлемого качества регулирования при отработке задания. В частности, первый (x₁) и второй (x₂) максимальные выбросы ошибки регулирования ε в ACP2 почти в 4 раза больше, чем у исходной ACP1, предназначенной для оптимальной отработки задающего воздействия, но плохо отрабатывающей возмущения по нагрузке. На фиг. 2 также обозначено: t_р - время регулирования; J₁ - интегральный абсолютный критерий: где абсолютное значение ошибки регулирования.

Простой супервизорный регулятор (ACP3) существенно повышает качество переходного процесса по сравнению с ACP2, но по большинству показателей качества (исключая незначительное уменьшение первого выброса x₁) все же хуже исходной оптимальной (для сравнения) ACP1. Более сложный предлагаемый супервизорный регулятор (ACP4) обеспечивает наилучшие показатели качества отработки задания. При этом система ACP4 оптимальным образом (так же, как ACP2 и ACP3 и с теми же показателями качества) будет компенсировать и возмущающее воздействие.

На интегральную И-часть регулятора сигнал задания необходимо подавать, конечно, полностью, что подтверждается и результатами оптимизации параметров динамического звена 9 с передаточной функцией W₂ (К_2опт = 1) в канале задания И-части в АСР3. Другими словами, на И-часть регулятора задание необходимо подавать без какого-либо масштабирования в статическом режиме. В противном случае появится статическая ошибка регулирования.

Таким образом, главным отличием супервизорных регуляторов от обычных ПИ- и ПИД-регуляторов является наличие в каналах задания для отдельных (или всех по отдельности) составляющих закона управления дополнительных динамических звеньев с различными передаточными функциями. Если эти дополнительные динамические звенья являются инерционными звеньями, то обеспечивается безударный переход в супервизорный режим. Если эти же дополнительные звенья представляют собой простые масштабирующие усилители с коэффициентами К₁, К₂, К₃, то предлагаемая схема реализует известные типы ПИД-регуляторов: 1) при K₁=K₂=K₃=1 - стандартный "учебный" ПИД-регулятор [см., например, кн.: Острем К. и Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ.- М. Мир, 1987, с. 205]; 2) при K₁= К₂ = 1, а К₃ = 0 - промышленный супервизорный ПИД-регулятор с воздействием по производной только от регулируемого параметра Y (см. например, ПИД-регулятор типа ПР3.35 или ФР0095 пневматической системы СТАРТ, а также регулятор [см. кн.: Острем К. и Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ.- М. Мир, 1987, с. 207, рис. 8.5, б]); 3) если же K₁ = К₃ = 0 и только К₂ = 1 - супервизорный ПИД-регулятор с подачей сигнала задания Y_ЗД только на интегратор [см. кн.: Острем К. и Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ.- М. Мир, 1987, с. 207, рис. 8.5, в]; 4) при K₁ ≠ 1 (как правило, К₁ < 1) и К₂ = К₃ = 1 - простой супервизорный регулятор (прототип).

По сравнению с известными, предлагаемый супервизорный регулятор позволяет обеспечить существенное улучшение динамических характеристик систем регулирования технологических параметров при отработке возмущений по различным каналам, а также расширить функциональные возможности ACP.

Предлагаемый супервизорный ПИД-регулятор можно выполнить на элементах цифровой и микропроцессорной техники, и даже на элементах и модулях промышленной пневмоавтоматики его реализация не вызывает затруднений.

Формула изобретения

Супервизорный пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, содержащий параллельно соединенные интегратор и дифференциатор, а также усилитель, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого является выходным каналом регулятора, вход усилителя подключен к выходу первого элемента сравнения, минусовой вход которого подключен к каналу регулируемого параметра непосредственно, плюсовой вход элемента сравнения через первое динамическое звено соединен с каналом задания, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второе и третье динамические звенья, а также второй и третий элементы сравнения, минусовые входы которых подключены к каналу регулируемого параметра непосредственно, а их плюсовые входы подключены к каналу задания соответственно через второе и третье динамические звенья, выходы второго и третьего элементов сравнения соединены с входами соответственно интегратора и дифференциатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3