Устройство управления с регулируемой управляемостью

Изобретение относится к управлению техническим процессом. Устройство управления техническим процессом оснащено устройствами обнаружения входящего сигнала, устройством вывода регулируемой переменной и внутренней системой обработки сигналов. Также имеются два фильтрующих устройства, усилительный элемент и И-элемент. Первое фильтрующее устройство взаимодействует с процессом так, чтобы на временное поведение контура управления можно было повлиять за счет изменения свойства первого фильтрующего устройства. Усилительный элемент взаимодействует с процессом так, чтобы на демпфирующие свойства контура управления можно было влиять за счет изменения коэффициента усиления усилительного элемента. Второе фильтрующее устройство и И-элемент могут быть задействованы отдельно друг от друга. Упрощается настройка устройства. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к устройству управления (1) для управления техническим процессом (2) как минимум с двумя устройствами для обнаружения соответствующего входящего сигнала и как минимум одним устройством для вывода регулируемой переменной (u). Это устройство на внутреннем уровне формирует разность между исходной переменной (w) в виде первого входящего сигнала и управляющей переменной (у) - в виде второго и определяет регулируемую переменную (u) по ней. Устройство дополнительно оснащено как минимум одной внутренней системой обработки сигналов для воздействия на временное поведение контура управления и демпфирующих свойств, совместно формируемых регулирующим устройством (1) и техническим процессом (2).

Для управления техническими процессами существуют ПИД-контроллеры, формирующие сигнал регулируемой переменной путем определения исходной и управляющей переменных. Назначение такого ПИД-контроллера - учет поведения при внутренней передаче во время генерирования регулируемой переменной для каждого технического процесса. В отдельных случаях предполагается учитывать дальнейшее внедрение регулируемой переменной путем измерения регулируемой переменной, уже внедренной в технический процесс, и ее воздействия на управляющую переменную. Сначала посредством П-составляющей (П - «пропорциональная») ПИД-контроллер генерирует пропорциональное отношение своей регулируемой переменной к ошибке управления (разность между исходной и управляющей переменными), посредством И-составляющей (И - «интегральная») прибавляет к этому пропорциональное отношение регулируемой переменной путем интеграции ошибки управления и, тем самым, осуществляет учет воздействия предыдущей ошибки управления; а также посредством Д-составляющей (Д - «дифференциальная») прибавляет к этому пропорциональное отношение регулируемой переменной, в котором учитывается текущая скорость изменения ошибки управления. Регулируемые переменные могут быть представлены энергоемкостью технического процесса, соотношением компонентов, установкой количества вещества и многими другими возможными переменными. ПИД-контроллер может управлять техническим процессом с помощью логики работы с задержкой высокого порядка так, чтобы управляющая переменная как можно более соответствовала исходной переменной даже при воздействии искажающих переменных.

ПИД-контроллер следует приспособить к временному поведению технического процесса на основании его параметров. Таким образом, для оптимизации параметров управления требуется очень хорошее понимание управляемого технического процесса. При отсутствии точного понимания процесса необходимо выполнить оценку его модели с помощью ответного поведения технического процесса, в частности, изменения управляющей переменной при принудительном изменении регулируемой переменной для выполнения, в свою очередь, оценки отдельных параметров управления ПИД-контроллера по этим данным. В зависимости от свойств управляемого технического процесса незначительные изменения параметров управления могут спровоцировать большое отклонение в операциях по управлению. Для оценки параметров управления были разработаны различные стратегии, позволяющие выполнять оценку параметров управления с удовлетворительной точностью и приемлемыми времязатратами. При этом для применения такой стратегии управления необходимы высокий профессионализм, а также определенный опыт. Таким образом, оптимизация параметризации контроллера также требует высокого уровня специализированных знаний. Предполагается, что на настоящем этапе известна концепция контроллера, в частности, ПИД-контроллера в сочетании с известными стратегиями параметризации.

Как правило, промышленные установки оснащаются относительно большим количеством контроллеров. При вводе промышленной установки в эксплуатацию значительные усилия тратятся на оптимизацию параметров. После ввода промышленной установки в строй специалисты, которым доверен промышленный технологический процесс, берут управление промышленной установкой на себя. Поскольку в течение долгого периода промышленные установки подвергаются определенным изменениям (будь это смена сырья, мощностей механического оборудования или постоянная оптимизация процессов производства и изготовления), параметры управления ими со временем также меняются. Опять же, обновление параметризации требует долгого времени и профессионализма. Причиной необходимости специальных знаний и времязатрат является то, что параметры управления необходимо приспособить к измененным технологическим операциям. При этом отсутствует прямая связь настраиваемых параметров с операциями контроллера по управлению, такими как демпфирующие свойства и временное поведение процедуры управления.

Таким образом, изобретение основано на задаче предложения регулирующего устройства, сохраняющего преимущества ПИД-контроллера и устраняющего его недостатки в виде сложности настройки.

Задача по настоящему изобретению решается за счет того, что для обработки сигналов имеются как минимум два фильтрующих устройства (4) и (7), усилительный элемент (5) и И-элемент (6); при этом первое фильтрующее устройство (4) взаимодействует с процессом так, чтобы на временное поведение контура управления, совместно образуемого регулирующим устройством (1) и техническим процессом (2), можно было повлиять за счет изменения свойства первого фильтрующего устройства (4); а также за счет того, что имеется как минимум один усилительный элемент (5), взаимодействующий с процессом так, чтобы на демпфирующие свойства контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и процессом (2), можно было влиять за счет изменения коэффициента усиления усилительного элемента (5); и за счет того, что второе фильтрующее устройство (7) и И-элемент (6) можно задействовать отдельно друг от друга. Положительные варианты осуществления контроллера приведены в зависимом пункте 1.

Согласно настоящему изобретению предполагается, что для обработки сигналов имеются как минимум два фильтрующих устройства, причем первое устройство (4) взаимодействует с техническим процессом (2) так, чтобы при регулировке на временное поведение контура управления, совместно образуемого регулирующим устройством (1) и техническим процессом (2), можно было влиять за счет изменения свойства первого фильтрующего устройства (4); а также имеется как минимум один усилительный элемент (5), взаимодействующий с управляемым техническим процессом (2) так, чтобы на демпфирующие свойства контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и управляемым техническим процессом (2), можно было влиять за счет изменения коэффициента усиления усилительного элемента (5), и чтобы второе фильтрующее устройство (7) и И-элемент (6) можно было задействовать отдельно и независимо друг от друга. В отличие от ПИД-контроллеров обобщенного типа в случае с регулирующим устройством по настоящему изобретению отдельные линейные коэффициенты трех разных элементов, а именно: П-элемент (для оценки ошибки управления), И-элемент (для оценки временной интегральной суммы ошибки управления) и Д-элемент (для оценки скорости изменения ошибки управления) не параметризуются, а вместо этого внедряются и параметризуются первое фильтрующее устройство (4) и коэффициент усиления (5), приведенные в пункте 1, в результате чего на контур управления можно влиять целевым способом в плане необходимого временного поведения и демпфирующих свойств. В зависимости от типа и характера технического процесса в регулирующее устройство по настоящему изобретению можно устанавливать интегратор (И-элемент) (6), а также фильтр (7) или демонтировать их из него. Таким образом, идея, на которой основано настоящее изобретение, заключается в конфигурации различных фильтров (4, 7), усилительного элемента (5) и задействования И-элемента (6) для разных технических процессов так, чтобы легче выполнялась их параметризация в сочетании, характерном техническому процессу. Таким образом, в настоящем изобретении учитывается то, что универсальный контроллер не пригоден для всех процессов, но имеется возможность упрощения последующей оптимизации настроечных параметров за счет сочетания разных компонентов. Это возможно потому, что параметризация регулирующего устройства по настоящему изобретению осуществляется целевым способом в сторону параметризации временного поведения и демпфирующих свойств контура управления. Так, параметризация выполняется в два этапа. Первичный подбор сочетания фильтров необходимо выполнить лишь единожды, поскольку обычно тип технического процесса более изменяться не будет. Последующая параметризация выполняется только после определения сочетания типов процессов, параметризацию которых также можно выполнить при эксплуатации промышленной установки силами работников, обладающих меньшими знаниями о контроллерах.

В случае с управляемым процессом (2), находящимся в переходном режиме с компенсацией, то есть, таким, чей отклик на ступенчатое воздействие переходит на новый устоявшийся режим, вторым деактивируемым фильтрующим устройством (7) и активируемым И-элементом (6) обеспечивается решение, при котором на временное поведение контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и процессом (2), оказывается влияние за счет первого фильтрующего устройства (4), на демпфирующие свойства оказывается влияние усилительного элемента (5), а И-элементом обуславливается постепенное изменение управляющего отклонения (6).

В случае с управляемым процессом (2) в переходном режиме без компенсации и при необходимости обеспечения следящего регулирования положения обеспечивается эффективное решение задействования второго фильтрующего устройства (7) и И-элемента (6), также подлежащего задействованию, при котором первое фильтрующее устройство (4), усилительный элемент (5) и И-элемент (6) поддерживаются вторым фильтрующим устройством (7), и при котором также стабилизируется контур управления, образуемый регулирующим устройством (1) и процессом (2).

В завершение в случае с управляемым процессом (2) в переходном режиме без компенсации и при отсутствии необходимости обеспечения следящего регулирования положения обеспечивается эффективное решение деактивации как второго фильтрующего устройства (7), так и И-элемента (6), при котором только первое фильтрующее устройство (4) определяет временное поведение, а усилительный элемент (5) - демпфирующие свойства контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и процессом (2).

В первом частном варианте осуществления регулирующего устройства по настоящему изобретению обеспечивается возможность наличия у первого фильтрующего устройства (4) функции перехода первого, второго или третьего порядка, определяемой следующим образом:

где T_D1, T_D2 и T_D3 - дифференцирующие постоянные времени фильтра > нуля, T_R1, T_R2 и T_R3 - постоянные времени задержки фильтра > нуля, a s - оператор Лапласа, причем сумма всех дифференцирующих постоянных времени T_D1, T_D2 и T_D3 первого фильтрующего устройства (4) определяется как T_{D_overall}, а именно:

причем важно, чтобы T_{D_overall} могло как можно больше соответствовать сумме всех постоянных времени задержки T_S1, T_S2, включая половину определенного времени запаздывания управляемого технического процесса (2), а именно:

где T_{S_overall} - сумма всех постоянных времени задержки T_S1, T_S2, … > нуля управляемого технического процесса (2), а именно:

и, следовательно, ее необходимо задать равной определенной постоянной времени задержки (T_S) модели РТ1, зависимой от времени запаздывания (T_t); при этом (T_t) - определенное время запаздывания ≥ нулю управляемого технического процесса (2), а параметр (C_W) определяется в виде динамического коэффициента регулирующего устройства (1) от 0 до 1 и определяет дифференцирующие постоянные времени фильтра и, таким образом, влияет на временное поведение контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и техническим процессом (2), а именно:

Во втором частном варианте осуществления регулирующего устройства по настоящему изобретению обеспечивается возможность наличия у второго фильтрующего устройства (7) функции перехода, определяемой следующим образом:

где T_DI - дифференцирующая постоянная времени фильтра > нуля, определяемая как

а T_RI - постоянная времени задержки фильтра > нуля, s - оператор Лапласа, причем α - коэффициент от 2 до 4, а - полученная совокупная постоянная времени управляемого технического процесса (2), которая, в свою очередь, определяется как:

где T_{S_overall} - сумма всех постоянных времени задержки T_S1, T_S2, … > нуля управляемого технического процесса (2), а именно T_{S_overall}=T_S1+T_S2+…=T_S и, следовательно, должна быть задана равной определенной постоянной времени задержки (T_S) модели РТ1, зависимой от времени запаздывания, причем (T_R) - дополнительно внедренная постоянная времени задержки регулирующего устройства, равная сумме постоянных времени задержки > нуля двух фильтрующих устройств (4) и (7), а именно: T_R=T_R1+T_R2+…+T_RI; и (T_t) - определенное время запаздывания управляемого технического процесса (2) ≥ нулю, a T_{D_overall} - сумма всех дифференцирующих постоянных времени T_D1, T_D2, … первого фильтрующего устройства (4), а именно: T_{D_overall}=T_D1+T_D2+….

В третьем частном варианте осуществления настоящего изобретения обеспечивается возможность вычисления коэффициента усиления (K_C) усилительного элемента (5) в виде

a) в случае управляемого процесса (2) в переходном режиме с компенсацией, а именно:

b) в случае управляемого процесса (2) в переходном режиме без компенсации и с необходимостью обеспечения следящего регулирования положения

c) в случае управляемого процесса (2) в переходном режиме без компенсации и без необходимости обеспечения следящего регулирования положения

где (D_W) - предопределяемый коэффициент затухания ≥ нулю, характеризующий демпфирующие свойства общего контура управления, (K_S) - определенный коэффициент передачи управляемого технического процесса с компенсацией, (K_IS) - определенный коэффициент интеграции управляемого технического процесса без компенсации, а - полученная совокупная постоянная управляемого технического процесса (2), определяемая как

где T_{S_overall} - сумма всех постоянных времени задержки T_S1, T_S2, … > нуля управляемого технического процесса (2), а именно: T_{S_overall}=T_S1+T_S2+…=T_S; и, следовательно, она должна быть задана равной определенной постоянной времени задержки (T_S) модели РТ1, зависимой от времени запаздывания, причем (T_R) - дополнительно внедренная постоянная времени задержки регулирующего устройства, равная сумме постоянных времени задержки > нуля двух фильтрующих устройств, а именно: T_R=T_R1+T_R2+…+T_RI; и (T_t) - определенное время запаздывания управляемого технического процесса ≥ нуля, a T_{D_overall} - сумма всех дифференцирующих постоянных времени T_D1, T_D2, … > нулю первого фильтрующего устройства (4), а именно: T_{D_overall}=T_D1+T_D2+….

Настоящее изобретение, а также примеры осуществления более подробно объясняются ниже со ссылкой на указанный чертеж.

Чертежи:

на фиг. 1 представлен замкнутый контур управления с регулирующим устройством по настоящему изобретению,

на фиг. 2 представлены временные диаграммы откликов на ступенчатое воздействие разных контуров управления.

Как представлено на эскизе на фиг. 1, регулирующее устройство (1) по настоящему изобретению может быть встроено в отдельный модуль или компонент. Этот модуль включает устройство сопоставления составляющих (3), первое (4) и второе (7) фильтрующие устройства, усилительный элемент (5), И-элемент (6) и переключатель (8). Регулирующее устройство (1) по настоящему изобретению подключается способом, аналогичным регулирующему устройству с ПИД в контуре управления, то есть, в регулирующее устройство (1) поступает исходная переменная (w) и управляющая переменная (у), по которым регулирующее устройство генерирует регулируемую переменную (u) для влияния на процесс (2). В процессе (2) управляющая переменная (у), в свою очередь, распределяется в виде исходящего сигнала процесса (2).

Регулирующее устройство (1) по настоящему изобретению параметризуется по предопределяемому коэффициенту затухания (D_w), который влияет на демпфирующие свойства контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и процессом (2). Также в нем предварительно определяется динамический коэффициент (C_w), влияющий на временное поведение контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и процессом (2). Кроме того, характеристики дополнительно внедряемых постоянных времени задержки (T_R) должны предварительно определяться регулирующим устройством (1), за счет чего регулируемую переменную этого устройства можно приспособить к элементу настройки.

Таким образом, все параметры регулирующего устройства (1) по настоящему изобретению целевым способом присваиваются соответствующим свойствам этого устройства в замкнутом контуре управления.

Кроме того, для регулирующего устройства (1) по настоящему изобретению требуется указать характеристические переменные процесса.

При управлении процессом (2) в переходном режиме с компенсацией, то есть, таким, чей отклик на ступенчатое воздействие переходит на новый устоявшийся режим, необходимо указать коэффициент передачи (K_S), определенное время запаздывания (T_t) и характеристику определенных постоянных времени задержки (T_S) модели РТ1, соответствующую поведению процесса при задержке.

С этой целью параметр типа управления (P_Type) следует задать равным 1 на регулирующем устройстве (1) посредством блока инициализации (9).

Посредством этого включается И-элемент (6) в регулирующем устройстве (1), и его обход снова устраняется. Дополнительно деактивируется фильтрующее устройство (7) регулирующего устройства.

При проектировании регулирующего устройства (1) по настоящему изобретению в расчет принимается общая функция перехода G_S(s) процесса (2) в области, известной как область Лапласа, или частотная область:

Для управляющего раздела, зависимого от времени запаздывания, с компенсацией по задержке высокого порядка обеспечивается следующая функция перехода:

С целью упрощения такой управляющий раздел также можно приблизительно определить посредством модели РТ1, зависимой от времени запаздывания, которая определяется по характеристическим переменным процесса, коэффициенту передачи (K_S), определенному времени запаздывания (T_t) и характеристике определенной постоянной времени задержки (T_S)

Посредством блока инициализации (9) к фильтрующему устройству (4) в регулирующем устройстве (1) могут быть применены разные типы фильтров, а конкретно -посредством параметра выбора фильтра (F_Type).

При (F_Type) = 1 фильтрующее устройство (4) инициализируется с помощью функции перехода дифференцирующего фильтра первого порядка, а именно:

где

T_D1>0 - дифференцирующая постоянная времени,

T_R1>0 - постоянная времени задержки.

При (F_Type) = 2 фильтрующее устройство (4) инициализируется с помощью функции перехода дифференцирующего фильтра второго порядка

где

T_D1 и T_D2 > 0 - дифференцирующие постоянные времени,

T_R1 и T_R2 > 0 - постоянные времени задержки.

При (F_Type) = 3 фильтрующее устройство (4) инициализируется с помощью функции перехода дифференцирующего фильтра третьего порядка

где

значения от T_D1 до T_D3 > 0 - дифференцирующие постоянные времени,

значения от T_R1 до T_R3 > 0 - постоянные времени задержки.

При учете переходной функции контура управления с компенсацией и возможностью выбора фильтрующего устройства (4) посредством блока инициализации (9), как правило, получают следующее:

Как видно, существует возможность частичной или полной компенсации постоянных времени задержки T_S1, T_S2, …, отвечающих за поведение управляющего раздела с компенсацией при задержке, при помощи дифференцирующих постоянных времени выражения числителя фильтрующего устройства (4) T_D1 и T_D2, …

Когда сумма всех постоянных времени задержки T_{S_overall} контура управления с компенсацией выражается как

и, следовательно, ее следует установить равной определенной постоянной времени задержки (T_S) модели РТ1, зависимой от времени запаздывания, а также когда сумма всех дифференцирующих постоянных времени задержки T_{S_overall} фильтрующего устройства (3) на входе выражается как

остается полученная постоянная времени с частичной компенсацией (T_D1+T_D1+ … < T_S1+T_S2+ …) контура управления с компенсацией, где

В результате сумма времени задержки T_{S_overall} контура управления уменьшается за счет пропорции компенсирующих постоянных времени T_{D_overall} первого фильтрующего устройства (4), что ведет к улучшению динамической характеристики всей цепи фильтрующего устройства (4) и контура управления.

Связанный с этим динамический коэффициент (C_W), который может смещаться между значениями 0 и 1, рассчитывается так:

Следовательно, достигнутая степень компенсации в процентном отношении от 0 до 100% вычисляется так:

После изменения формулы вычисление компенсирующих постоянных времени T_{D_overall} фильтрующего устройства (4) определяется в зависимости от предопределяемого динамического коэффициента C_W

Предопределяемый динамический коэффициент C_W, таким образом, является единственным внешним связанным параметром, влияющим на временное поведение системы, формируемой фильтрующим устройством (4) и управляющим разделом (2).

С точки зрения управления совокупное время задержки T_{S_overall} контура управления также может быть увеличено за счет пропорции времени запаздывания (T_t).

С этой целью выражение, связанное с управляющим разделом функции перехода времени запаздывания , приблизительно определяется посредством разложения в ряд Тейлора, а именно:

где и

тем самым, при соблюдении требования регулировки по значениям частотной характеристики максимальное пропорциональное отношение можно компенсировать исключительно путем вычислений, например, следующим полученным отношением:

При выборе предопределяемого динамического коэффициента (C_W) так же, как и при затяжке винта, следует увеличивать значение, начиная с нуля, и останавливаться по достижении демпфирующих свойств замкнутого контура управления, более не соответствующих необходимому коэффициенту затухания (D_w).

В таком случае регулирующее устройство по настоящему изобретению предоставляет пользователю полезную возможность, так как по поведению замкнутого контура управления можно составить заключение о качестве моделируемого процесса.

Например, замедленное поведение профиля управления указывает на то, что значения примененных демпфирующих свойств опустились ниже установленных, а также на то, что выбранная постоянная времени моделируемого процесса слишком велика. В таком случае следует уменьшить значение постоянной времени при моделировании. После этого регулирующее устройство можно будет настроить в соответствии с необходимыми параметрами.

Таким образом, дополнительно также получают более точное отображение соответствующей модели РТ1.

Порядок первого фильтрующего устройства (4) также следует выбирать в зависимости от порядка действующего управляющего раздела, поскольку таким образом можно достичь большей степени компенсации.

Известно, что сумма постоянных времени T_∑ в управляющем разделе выражается как сумма всех постоянных времени задержки контура управления T_S1, T_S2, … плюс время запаздывания контура T_t управляющего раздела и минус все его дифференцирующие постоянные времени T_DS1, T_DS2, … :

В случае частичной компенсации постоянных времени раздела полученная сумма постоянных времени выдается для всей цепи фильтрующего устройства (4) и контура управления с компенсацией. Сюда также включены постоянные времени задержки T_R, внедряемые самим регулирующим устройством, служащие для получения регулируемой переменной этого устройства, и сумма дифференцирующих постоянных времени регулирующего устройства T_{D_overall}, где

Коэффициент усиления (K_C) усилительного элемента (5), поддерживаемый И-элементом (6) в управляющих разделах с компенсацией, вычисляется в соответствии с подстройкой к значениям частотной характеристики:

где

D_W≥0 - предопределяемый коэффициент затухания, характеризующий демпфирующие свойства замкнутого контура управления,

K_S - определяемый коэффициент передачи управляемого технического процесса (2) с компенсацией и

- полученная совокупная постоянная времени.

Соответственно, параметры регулирующего устройства (1) по настоящему изобретению четко определяются, во-первых, за счет характеристических переменных (K_S), (T_S) и (T_t) процесса, определяемых по моделям, а во-вторых, за счет предварительного определения демпфирующих свойств замкнутого контура управления, коэффициента затухания (D_w), а также за счет предварительного определения временного поведения контура управления, динамического коэффициента (C_w) и путем указания постоянных времени задержки (T_R), дополнительно вносимых регулирующим устройством.

В случае с управляющим разделом без компенсации и без необходимости обеспечения следящего регулирования параметр типа управления (P_Type) в регулирующем устройстве (1) устанавливается на значение 2 посредством блока инициализации (9) и в нем.

В результате выполняется обход И-элемента (6) в регулирующем устройстве (1).

Для управляющего раздела, зависимого от времени запаздывания, без компенсации по задержке высокого порядка, обеспечивается следующая функция перехода:

С целью упрощения такой управляющий раздел также можно приблизительно определить посредством модели IT1, зависимой от времени запаздывания, которая определяется по коэффициенту интеграции характеристических переменных процесса, коэффициенту передачи (K_IS), определенному времени запаздывания (T_t) и определенной постоянной времени задержки (T_S), где

В этом случае коэффициент усиления (K_C) усилительного элемента (5) вычисляется в соответствии с подстройкой под значения частотной характеристики:

где

D_W ≥ 0 - предопределяемый коэффициент затухания, характеризующий демпфирующие свойства замкнутого контура управления,

K_IS - определяемый коэффициент интеграции управляемого технического процесса (2) без компенсации,

- полученная совокупная постоянная времени управляемого технического процесса (2),

вычисляемая как

Все прочие описания предварительного определения временного поведения контура управления по динамическому коэффициенту (C_w) соответствуют вышеприведенным описаниям регулировки управляющих разделов, зависимых от времени запаздывания, с компенсацией.

Соответственно, в этом случае параметры регулирующего устройства (1) по настоящему изобретению также четко определяются: во-первых, за счет характеристических переменных процесса (K_IS), (T_S) и (T_t), определяемых по моделям; во-вторых, за счет предварительного определения демпфирующих свойств замкнутого контура управления, коэффициента затухания (D_w), а также за счет предварительного определения временного поведения контура управления, динамического коэффициента, (C_w) и путем указания постоянных времени задержки (T_R), дополнительно вносимых регулирующим устройством.

В случае с управляющим разделом без компенсации и необходимостью обеспечения следящего регулирования параметр типа управления (P_Type) в регулирующем устройстве (1) устанавливается на значение 3 посредством блока инициализации (9) и в нем.

Посредством этого снова включается И-элемент (6) в регулирующем устройстве (1), и его обход снова устраняется. В дополнение к этому включается фильтрующее устройство (7) регулирующего устройства, и его дополнительная дифференцирующая постоянная времени оптимизируется в соответствии с подстройкой под значения частотной характеристики.

Функция перехода дополнительного фильтрующего устройства (7) представлена следующим образом:

где

T_DI>0 - дифференцирующая постоянная времени, определяемая как

где

α=2-4 - коэффициент, определяемый в регулирующем устройстве,

- полученная совокупная постоянная времени управляемого технического процесса (2), вычисляемая посредством

T_RI - постоянная времени задержки > нуля

В этом случае коэффициент усиления K_C усилительного элемента (5) вычисляется в соответствии с подстройкой под значения частотной характеристики:

где

D_W≥0 - предопределяемый коэффициент затухания, характеризующий демпфирующие свойства замкнутого контура управления,

K_IS - определяемый коэффициент интеграции управляемого технического процесса (2) без компенсации,

- полученная совокупная постоянная времени управляемого технического процесса (2), вычисляемая посредством

Все прочие описания предварительного определения временного поведения контура управления по динамическому коэффициенту (C_w) соответствуют вышеприведенным описаниям регулировки управляющих разделов, зависимых от времени запаздывания, с компенсацией.

Соответственно, в этом случае параметры регулирующего устройства (1) по настоящему изобретению также четко определяются: во-первых, за счет характеристических переменных процесса (K_IS), (T_S) и (T_t), определяемых по моделям; во-вторых, за счет предварительного определения демпфирующих свойств замкнутого контура управления, коэффициента затухания (D_w), а также за счет предварительного определения временного поведения контура управления, динамического коэффициента, (C_w) и путем указания постоянных времени задержки (T_R), дополнительно вносимых регулирующим устройством.

На фиг. 2 представлено стандартное поведение различных контроллеров в управляющем разделе 4-го порядка исключительно под влиянием задержки (кривые 9, 10, 11) и в управляющем разделе 2-го порядка под влиянием времени запаздывания (кривые 12, 13, 14) в виде временных диаграмм с осью абсцисс в качестве временной оси и осью ординат в качестве стандартизированной управляющей переменной.

Кривая (9) была выстроена с помощью ПИД-контроллера с непериодическим стандартным поведением в соответствии с правилом настройки по Чьеню, Хронсу и Резвику. В этом случае можно наблюдать несоответствующую настройку, в результате которой контроллер лишь сможет плохо подстраиваться под основное время запаздывания контура управления. Для генерирования двух кривых (10) и (11) было использовано регулирующее устройство по настоящему изобретению с фильтрующим устройством 2-го порядка, и различия между двумя кривыми обосновываются разными настройками контроллера. Обе кривые были получены с одинаковым коэффициентом затухания (D_W), равным 0,7. Для кривой (10) был выбран динамический коэффициент (C_W), равный 0,5 (50%), а для кривой (11) - коэффициент (C_W), равный 0,6 (60%). Для стандартного поведения чрезвычайно важны два фактора: во-первых, процесс подстройки под регулирующее устройство по настоящему изобретению происходит быстрее и плавнее, чем при использовании стандартно настраиваемого ПИД-контроллера. Во-вторых, временное поведение регулирующего устройства по настоящему изобретению в процессе подстройки можно изменять посредством динамического коэффициента (C_W), и его избыточный отклик на ступенчатое воздействие можно изменять посредством коэффициента затухания (D_W) отдельно друг от друга в рамках диапазонов так, чтобы можно было подобрать необходимую настройку в соответствии с личными предпочтениями.

Преимуществом регулирующего устройства по настоящему изобретению является факт того, что параметры воздействуют на свойства замкнутого контура управления целевым способом, и посредством коэффициента затухания (D_w) можно отрегулировать изменение демпфирующих свойств целевым способом, в то время как изменения временного поведения контура управления можно отрегулировать целевым способом посредством динамического коэффициента (C_w).

Несмотря на то, что на фиг. 2 приведены только эти две кривые (10) и (11) регулирующего устройства по настоящему изобретению в настоящем управляющем разделе, разумеется, между ними возможен непрерывный переход с постоянными демпфирующими свойствами. Аналогичным образом возможно изменение избыточно высокого или низкого отклика на ступенчатое воздействие.

Кривая (12) управляющего раздела 2-го порядка, зависимого от времени запаздывания, также была выстроена с помощью ПИД-контроллера с непериодическим стандартным поведением в соответствии с правилом настройки по Чьеню, Хронсу и Резвику. В этом случае также можно наблюдать несоответствующую настройку, в результате которой контроллер плохо регулирует управляющий раздел. Для генерирования двух кривых (13) и (14) было использовано регулирующее устройство по настоящему изобретению с фильтрующим устройством 2-го порядка, и различия между двумя кривыми обосновываются разными настройками контроллера. Обе кривые были получены с одинаковым коэффициентом затухания (D_W), равным 0,7. Для кривой (13) был выбран динамический коэффициент (C_W), равный 0,5 (50%), а для кривой (14) - коэффициент (C_W), равный 0,6 (60%).

Преимуществом регулирующего устройства по настоящему изобретению в этом случае также является факт того, что параметры воздействуют на свойства замкнутого контура управления целевым способом, и посредством коэффициента затухания (D_w) можно отрегулировать изменение демпфирующих свойств целевым способом, в то время как изменения временного поведения контура управления можно отрегулировать целевым способом посредством динамического коэффициента (C_w).

Дополнительного улучшения качества управления в сравнении с ПИД-контроллером можно добиться за счет задействования фильтрующего устройства 3-го порядка, что сильно влияет, в частности, на контуры управления высокого порядка.

На представленных кривых с (9) по (14) приняты идеальные условия, и на них изображается теоритически возможный результат, достижимый с помощью регулирующего устройства по настоящему изобретению. В реальных условиях, например, при неточной модели процесса или воздействии ограничений реальное поведение может отклоняться от идеального.

При этом регулирующее устройство по настоящему изобретению также предоставляет пользователю возможность составить заключение о качестве моделируемого процесса по поведению замкнутого контура управления.

Например, замедленное поведение профиля управления при избыточном отклике на ступенчатое воздействие значительно ниже установленных показателей демпфирующих свойств указывает на то, что выбранная постоянная времени моделируемого процесса слишком велика. В таком случае следует задать меньшее значение постоянной времени при моделировании. Регулирующее устройство по настоящему изобретению также можно настроить в соответствии с необходимыми параметрами, поскольку оно работает с более точной моделью управляющего раздела.

При выборе динамического коэффициента (C_W) так же, как и при затяжке винта, можно увеличивать значение, начиная с нуля, и останавливаться по достижении демпфирующих свойств замкнутого контура управления, более не соответствующих необходимому предопределенному коэффициенту затухания (D_w). Дополнительного улучшения динамических свойств замкнутого контура управления можно достичь только за счет повышения порядка первого фильтрующего устройства (4).

Регулирующее устройство по настоящему изобретению также демонстрирует устойчивость при воздействии помех на регулируемую переменную (и) или управляющую переменную (у).

1. Устройство управления (1) техническим процессом (2),

оснащенное

- как минимум двумя устройствами для обнаружения соответствующего входящего сигнала и

- как минимум одним устройством для вывода регулируемой переменной (u);

настоящее устройство на внутреннем уровне формирует разность между

- исходной переменной (w) в виде первого входящего сигнала и

- управляющей переменной (у) в виде второго входящего сигнала,

и

- определяет регулируемую переменную (u) по ней;

при этом устройство дополнительно оснащено

- как минимум одной внутренней системой обработки сигналов для воздействия на временное поведение контура управления и демпфирующих свойств, совместно формируемых регулирующим устройством (1) и техническим процессом (2),

отличающееся тем, что

для обработки сигналов имеются как минимум два фильтрующих устройства (4) и (7), усилительный элемент (5) и И-элемент (6);

при этом

первое фильтрующее устройство (4) взаимодействует с процессом (2) так, чтобы на временное поведение контура управления, совместно образуемого регулирующим устройством (1) и техническим процессом (2), можно было повлиять за счет изменения свойства первого фильтрующего устройства (4);

оно содержит как минимум один усилительный элемент (5), взаимодействующий с процессом (2) так, чтобы на демпфирующие свойства контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и процессом (2), можно было влиять за счет изменения коэффициента усиления усилительного элемента (5);

при этом второе фильтрующее устройство (7) и И-элемент (6) могут быть задействованы отдельно друг от друга.

2. Устройство по п. 1,

отличающееся тем, что

в случае с управляемым процессом (2), находящимся в переходном режиме с компенсацией, то есть, таким, чей отклик на ступенчатое воздействие переходит на новый устоявшийся режим,

- деактивируется второе фильтрующее устройство (7) и

- задействуется И-элемент (6),

в результате чего

на временное поведение контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и процессом (2), оказывается влияние за счет первого фильтрующего устройства (4), а на демпфирующие свойства оказывается влияние усилительного элемента (5), а И-элементом (6) обуславливается постепенное отклонение при управлении.

3. Устройство по п. 1,

отличающееся тем, что

b) в случае управляемого процесса (2) в переходном режиме без компенсации и с необходимостью обеспечения следящего регулирования положения

- задействуется второе фильтрующее устройство (7), а также

- задействуется И-элемент (6),

в результате чего

первое фильтрующее устройство (4), усилительный элемент (5) и И-элемент (6) поддерживаются вторым фильтрующим устройством (7), а также стабилизируется контур управления, образуемый регулирующим устройством (1) и процессом (2).

4. Устройство по п. 1,

отличающееся тем, что

в случае управляемого процесса (2) в переходном режиме без компенсации и без необходимости обеспечения следящего регулирования положения

- деактивируются и первое фильтрующее устройство (7), и

- И-элемент (6),

в результате чего

только первое фильтрующее устройство (4) определяет временное поведение, а усилительный элемент (5) - демпфирующие свойства контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и процессом (2).

5. Устройство по любому из пп. 1-4,

отличающееся тем, что

первое фильтрующее устройство (4) имеет функцию перехода первого, второго или третьего порядка, определяемую следующим образом

причем

T_D1, T_D2 и T_D3 - дифференцирующие постоянные времени фильтра > нуля,

T_R1, T_R2 и T_R3 - постоянные времени задержки фильтра > нуля,

и

s - оператор Лапласа,

а

сумма всех дифференцирующих постоянных времени T_D1, T_D2 и T_D3 первого фильтрующего устройства (4) определяется как T_{D_overall}, а именно:

T_{D_overall}=T_D1+T_D2+ …,

причем существенным является то,

чтобы T_{D_overall} могло как можно больше соответствовать сумме всех постоянных времени задержки T_S1, T_S2, …, включая половину определенного времени запаздывания управляемого технического процесса (2), а именно:

где

T_{S_overall} - сумма всех постоянных времени задержки T_S1, T_S2, … > нуля управляемого технического процесса (2), а именно:

T_{S_overall}=T_S1+T_S2+ …=T_S

_{и, следовательно, ее следует установить равной определенной постоянной времени задержки (TS) модели РТ1, зависимой от времени запаздывания, а также}

T_t - полученная постоянная времени запаздывания управляемого технического процесса (2) ≥ нулю,

и

параметр (C_W) определяется в виде предопределяемого динамического коэффициента регулирующего устройства (1) от 0 до 1 и определяет дифференцирующие постоянные времени фильтра и, таким образом, влияет на временное поведение контура управления, образуемого регулирующим устройством (1) и техническим процессом (2), а именно:

6. Устройство по любому из пп. 1-4,

отличающееся тем, что

второе фильтрующее устройство (7) имеет функцию перехода, определяемую как

причем

T_DI - дифференцирующая постоянная времени фильтра > нуля,

определяемая как

и

T_RI - постоянная времени задержки фильтра > нуля,

и

s - оператор Лапласа,

при этом

α - коэффициент от 2 до 4 и

- полученная совокупная постоянная времени управляемого технического процесса (2), определяемая посредством

где

T_{S_overall} - сумма всех постоянных времени задержки T_S1, T_S2, … > нуля управляемого технического процесса (2), а именно:

T_{S_overall}=T_S1+T_S2+ …=T_S

и, следовательно, ее следует установить равной определенной постоянной времени задержки (T_S) модели РТ1, зависимой от времени запаздывания, а также

T_R - дополнительно внедренная постоянная времени задержки регулирующего устройства, равная сумме постоянных времени задержки > нуля двух фильтрующих устройств (4) и (7), а именно:

T_R=T_R1+T_R2+ … +T_RI

и

T_t - определяемая постоянная времени запаздывания управляемого технического процесса (2) ≥ нулю, и

T_{D_overall} - сумма всех дифференцирующих постоянных времени T_D1, T_D2, … > нуля первого фильтрующего устройства (4), а именно:

T_{D_overall}=T_D1+T_D2+ ….

7. Устройство по любому из пп. 1-4,

отличающееся тем, что

коэффициент усиления K_C усилительного элемента (5) вычисляется

а) в случае управляемого процесса (2) в переходном режиме с компенсацией, а именно:

b) в случае управляемого процесса (2) в переходном режиме без компенсации и с необходимостью обеспечения следящего регулирования положения

c) в случае управляемого процесса (2) в переходном режиме без компенсации и без необходимости обеспечения следящего регулирования положения

причем

D_W - предопределяемый коэффициент затухания ≥ нулю, характеризующий демпфирующие свойства общего контура управления,

K_S - определяемый коэффициент передачи управляемого технического процесса (2) с компенсацией,

K_IS - определяемый коэффициент интеграции управляемого технического процесса (2) без компенсации,

- полученная совокупная постоянная времени управляемого технического процесса (2), определяемая посредством

где

T_{S_overall} - сумма всех постоянных времени задержки T_S1, T_S2, … > нуля управляемого технического процесса (2), а именно:

T_{S_overall}=T_S1+T_S2+ …=T_S

и, следовательно, ее следует установить равной определенной постоянной времени задержки (T_S) модели РТ1, зависимой от времени запаздывания, а также

T_R - дополнительно внедренная постоянная времени задержки регулирующего устройства, равная сумме постоянных времени задержки > нуля двух фильтрующих устройств (4) и (7), а именно:

T_R=T_R1+T_R2+ … +T_RI

и

T_t - определяемая постоянная времени запаздывания управляемого технического процесса (2) ≥ нулю, и

T_{D_overall} - сумма всех дифференцирующих постоянных времени T_D1, T_D2, … > нуля первого фильтрующего устройства (4), а именно:

T_{D_overall}=T_D1+T_SD2+ ….