РЕГУЛЯТОР
CONTROL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в системах управления технологическим процессами в промышленности, теплотехнике.
Уровень техники
Известен пропорционально-дифференциальный (ПД) регулятор, который представляет собой параллельное соединение усилительного (пропорционального) и дифференцирующего звеньев [Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие / Под ред. А.С.Клюева. - 2е изд., - М.: Энергоатомиздат, 1989. С.79]. Пример построения системы управления на базе такого регулятора приведен на фиг.1, где показан ПД-регулятор, состоящий из первого сумматора, на первый положительный вход которого подается заданное значение Хз управляемой величины, а второй отрицательный вход первого сумматора соединен со входом обратной связи Хо ПД-регулятора. Выход первого сумматора соединен со входом первого усилителя и со входом дифференцирующего звена. Выход первого усилителя соединен с первым положительным входом второго сумматора. Выход дифференцирующего звена соединен со входом второго усилителя. Выход второго усилителя соединен со вторым положительным входом второго сумматора. Выход второго сумматора соединен с выходом регулятора Y.
В системе управления выход ПД-регулятора Y соединен со входом исполнительного элемента. Исполнительный элемент воздействует на объект управления, изменяя значение управляемой величины.
Значение этой управляемой величины измеряется измерителем, выход которого соединен со входом обратной связи ПД-регулятора Хо.
В качестве недостатка известного устройства можно указать на тот общеизвестный факт, что в ПД-регуляторе всегда присутствует статическая ошибка регулирования, присущая пропорциональным регуляторам [Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие / Под ред. А.С.Клюева. - 2-е изд., - М.: Энергоатомиздат, 1989. С.75].
Раскрытие изобретения
Техническим результатом предлагаемого в изобретении регулятора является уменьшение статической ошибки регулирования.
Технический результат изобретения достигается тем, что в предлагаемом регуляторе в пропорциональное звено последовательно с усилителем включен релейный элемент, а вход дифференцирующего звена подключен непосредственно ко входу обратной связи регулятора Хо, при этом выход второго усилителя подключен к отрицательному входу второго сумматора. Суть изобретения представлена на фиг.2.
Регулятор содержит первый сумматор 1, первый положительный вход которого соединен со входом заданного значения управляемой величины регулятора Хз, второй отрицательный вход соединен со входом обратной связи регулятора Хо, а выход соединен со входом релейного элемента 2. Выход релейного элемента 2 соединен со входом первого усилителя 3, выход которого соединен с первым положительным входом второго сумматора 4. Вход дифференцирующего звена 5 непосредственно соединен со входом обратной связи регулятора Хо, выход дифференцирующего звена 5 соединен со входом второго усилителя 6, выход которого соединен со вторым отрицательным входом второго сумматора 4. Выход второго сумматора 4 соединен с выходом управляющего воздействия Y регулятора. В системе управления выход регулятора Y соединен со входом исполнительного элемента 9, выход которого воздействует на объект управления 8 и изменяет состояние управляемой величины объекта управления, которая измеряется измерителем 7, выход которого соединен со входом обратной связи регулятора Хо.
В качестве релейного элемента 2 используется трехпозиционный релейный элемент с гистерезисом, зависимость выхода Z от входа X(t) описывается следующими уравнениями:
где А1, А2, A3, А4 - пороги срабатывания, которые могут принимать как положительные, так и отрицательные значения;
B1, B2, В3 - уровни позиций выходного сигнала, которые могут принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Графически характеристика трехпозиционного релейного элемента 2 показана на фиг.3.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - структурная схема пропорционально-дифференциального регулятора (ПД-регулятора), который является прототипом предлагаемого изобретения, и системы управления на его основе.
Фиг.2 - структурная схема предлагаемого регулятора, и система управления на его основе.
Фиг.3 - характеристика релейного элемента.
Осуществление изобретения
Предположим, что во время работы регулятора произошло увеличение заданного значения Хз, и оно стало больше действительного значения управляемой величины Хо. В этом случае на выходе первого сумматора 1 сформируется значение, большее 0, оно превысит порог срабатывания релейного элемента 2, на выходе которого появится управляющее воздействие, которое через усилитель 3 и сумматор 4 достигнет исполнительного элемента 9 и будет воздействовать на объект управления 8, увеличивая значение управляемой величины.
Измеренное с помощью измерителя 8 увеличивающееся значение управляемой величины поступит на вход Хо регулятора и вызовет появление положительного значения производной на выходе дифференцирующего звена 5, которое через усилитель 6 поступит на отрицательный вход второго сумматора 4, вызывая уменьшение управляющего воздействия для недопущения большой скорости нарастания управляемой величины и тем самым негативных последствий в виде значительного перерегулирования. При увеличении измеренного значения управляемой величины Хо, значение на выходе первого сумматора 1 будет уменьшаться, и когда оно достигнет порога срабатывания релейного элемента, то на выходе релейного элемента установится другое значение выходного сигнала, например 0, которое не будет приводить к дальнейшему воздействию на изменение управляемой величины. Обычно объект управления является инерционным, в результате чего после снятия управляющего воздействия какое-то время будет продолжаться рост действительного значения управляемой величины на входе Хо, при этом значение производной на выходе дифференцирующего звена 5 будет большим 0, и усиливаясь усилителем 6, это значение через второй отрицательный вход второго сумматора 4 вызовет появление отрицательного управляющего воздействия на выходе регулятора Y, которое через исполнительный элемент 9 будет вызывать уменьшение управляемой величины объекта управления 8 с тем, чтобы уменьшить перерегулирование и привести значение Хо к заданному Хз.
При достижении управляемой величиной некоторого максимального значения перерегулирования она начнет уменьшаться. В этом случае уменьшающееся действительное значение управляемой величины на входе регулятора Хо приведет к появлению отрицательного значения на выходе дифференцирующего звена 5, которое через усилитель 6 и второй отрицательный вход второго сумматора 4 вызовет появление положительной управляющей величины на выходе регулятора Y, которое будет воздействовать через исполнительный элемент 9 на объект управления 8, вызывая замедление снижения управляемой величины для предупреждения колебаний.
При снижении действительного значения управляемой величины Хо на входе регулятора ниже, чем заданное значение Хз, на выходе первого сумматора 1 вновь появится положительное значение, которое приведет к срабатыванию релейного элемента и повторению вышеописанного процесса регулирования.
Тем самым за счет включения релейного элемента достигается технический результат изобретения - снижение статической ошибки регулирования, поскольку действительное значение Хо в процессе регулирования достигает заданного значения Хз.
Известно, что, увеличение коэффициента усиления пропорционального звена в прототипе снижает статическую ошибку регулирования [Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие / Под ред. А.С.Клюева. - 2-е изд., - М.: Энергоатомиздат, 1989. С.75], а применение релейного элемента в предлагаемом регуляторе за счет нелинейности создает очень большой (для практических расчетов стремящийся к бесконечности) коэффициент усиления с ограничением по выходу, которым, например, обладают компараторы, что снижает в предлагаемом регуляторе статическую ошибку.