СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ ДИАПАЗОНА УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ АСР
METHOD OF WIDENING RANGE FOR STABLE OPERATION OF AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS

Изобретение относится к области автоматических систем регулирования (АСР), более конкретно к регуляторам для стабилизации параметров технологических процессов.
Подавляющее большинство выпускаемых и эксплуатируемых регуляторов в АСР реализуют в своей программе ПИД-закон регулирования. Регуляторы с ПИД-законом регулирования являются по существу единственными регуляторами, используемыми на практике в системах автоматического управления технологическими процессами. Широкое применение ПИД-закона обусловлено тем, что алгоритм их функционирования удачно имитирует работу опытного человека-оператора.
У регуляторов, выполненных на микропроцессорной основе, широко применяется ПИД-закон регулирования (МЕТАКОН - 515 - изготовитель НПФ «КонтрАвт»; UP350 - изготовитель «Эталон прибор», Челябинск). В таких регуляторах предусматривается такая сервисная функция, как автоматическая настройка параметров по команде оператора с последующей ручной подстройкой.
Оптимизацию настроек регуляторов производят в основном тремя наиболее распространенными методами поиска минимума:
- среднеквадратического отклонения (СКО);
- интегрально-модульного (IAE);
- интеграла произведения модуля на время (ITAE).
Регуляторы, настроенные по этим методам, имеют сходные характеристики переходных процессов.
Оптимизированные этими методами настройки регуляторы обеспечивают заданные показатели качества регулирования в определенных границах режима работы объекта регулирования и при ограниченных по величине возмущающих воздействиях.
Показатели качества переходного процесса ухудшаются, если свойства объекта регулирования и возмущающие воздействия в ходе эксплуатации выходят за эти пределы.
Недостатком данных регуляторов является неизменность настроек как при больших, так и при незначительных возмущениях, что обуславливает ограниченность области устойчивой работы АСР. Наиболее значительное ухудшение качества регулирования проявляется при изменении параметров объекта регулирования.
При изменении свойств объекта регулирования и при появлении значительных возмущений как по нагрузке, так и по каналу регулирования, коэффициенты настройки системы должны изменяться, однако формирование управляющего воздействия регулятором остается неизменным как в установившемся, так и в переходном режимах, что приводит к увеличению колебательности, перерегулирования и времени регулирования.
В малоинерционных объектах (относительно скорости перемещения регулирующего органа) при больших возмущениях, близких к ступенчатым, регулируемая величина изменяется достаточно быстро. Возникает ситуация, когда интегральная составляющая управляющего воздействия копится быстрее, чем регулирующий орган успевает отработать. В результате в системе возникают колебания или даже потеря устойчивости.
Известен Пропорционально-Интегрально-Дифференциальный регулятор (Патент RU 2234116 С1), в котором для расширения области устойчивости введен нелинейный блок с зоной нечувствительности, включенный параллельно блоку, формирующему пропорциональную часть управляющего воздействия. Причем в пределах зоны нечувствительности нелинейного блока пропорциональная составляющая управляющего воздействия остается небольшой (ослабленной) (с.3, абзац 35). В данном регуляторе не устраняется ситуация, характерная для малоинерционных объектов (относительно скорости перемещения регулирующего органа), когда интегральная составляющая управляющего воздействия копится быстрее, чем регулирующий орган успевает отработать.
Известен способ коррекции систем автоматического регулирования (Патент RU 2234116 С1), в котором, при уменьшении текущей ошибки регулирования до значения, равного или меньше заданного, происходит изменение сигнала в цепи обратной связи, который формируется как произведение скорости изменения выходного параметра объекта на уменьшенный фиксированный коэффициент, что переводит переходный процесс в монотонный. Данный прием увеличивает устойчивость системы в установленных пределах отклонения стабилизируемого параметра объекта от заданного и ускоряет устранение отклонения в случае превышения им заданного значения, но ослабляет пропорциональную и дифференциальную составляющую сигнала управления, увеличивая погрешность стабилизации регулируемого параметра в установившемся состоянии.
Известен способ расширения границ устойчивой работы АСР, реализуемый при настройке регулятора по минимальному времени регулирования (Промышленные АСУ и контроллеры. 2005 г., №5, стр.56).
Переходные процессы регулирования регуляторов, настроенных методом минимального времени регулирования, приобретают апериодический характер. При возмущении по «нагрузке» он характеризуется большей устойчивостью АСР. Время действия единственной полуволны (при возмущении по «нагрузке») существенно больше времени действия первой полуволны при других методах настройки. Для переходных процессов апериодического вида характерно увеличение погрешности стабилизации регулируемого параметра в установившемся состоянии.
Известен способ расширения границ устойчивой работы АСР "ослаблением" настроек ПИ-регулятора (Варламов И.Г. «В каких случаях "ослабление" регулятора оправдано?». Промышленные АСУ и контроллеры. 2005 г., №9).
Прием "ослабления" настроек регулятора позволяет расширить границы устойчивой работы АСР, но при этом ухудшаются основные показатели качества регулирования, расширяется диапазон отклонения регулируемого параметра в установившемся состоянии.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении границ устойчивой работы АСР и сохранении допустимых показателей качества регулирования автоматической системы при изменении характеристик объекта, а также при появлении увеличенных возмущающих воздействиях на систему стабилизации регулируемой величины как при переходных процессах, так и в установившемся режиме.
Для достижения технического результата производят не общее «ослабление» настроек регулятора (уменьшение коэффициентов составляющих ПИД-закона регулирования), а корректировку пропорциональной и интегральной составляющих сигнала управления как функции текущей ошибки регулирования в выбранной области значений от заданного до нулевого значения.
Отличительный признак предлагаемого способа от наиболее близкого к нему указанного выше известного способа заключается не общим ослаблением настроек регулятора, а коррекцией пропорциональной и интегральной составляющих сигнала управления в зависимости от текущей ошибки регулирования в выбранном диапазоне значений текущей ошибки регулирования при сохранении неизменными коэффициентов регулятора.
Для реализации этого способа в структуру регулятора между блоком сравнения и каждым из блоков, формирующих пропорциональную и интегральную составляющие управляющего сигнала, введены два блока коррекции пропорциональной и интегральной составляющих. В одном выполняют операцию возведения значения текущей ошибки регулирования в степень, равную или меньше единицы, а во втором в степень, равную или больше единицы.
Предлагаемый способ характеризуется тем, что управляющий сигнал формируют, преобразуя сигнал текущей ошибки регулирования в нелинейную функцию перед каждым из блоков формирующих пропорциональную и интегральную составляющие управляющего сигнала регулятора. Преобразование текущей ошибки регулирования выполняется таким образом, что в выбранной области значений от заданного до нулевого значения выполняется ослабление ее перед пропорциональным блоком и усиление перед блоком интегрирования. При этом коэффициенты настройки регулятора в процессе работы регулятора после выполненной настройки остаются неизменными.
Предложенный способ поясняется блок-схемой АСР, реализующей ПИ-закон регулирования с коррекцией текущей ошибки регулирования по предлагаемому способу. Система содержит элемент сравнения 1, входы которого подключены к задатчику 2 стабилизируемого параметра и к выходу объекта управления 3. Выход элемента сравнения 1 соединен с входом блока 4 коррекции текущей ошибки регулирования канала, формирующего пропорциональную составляющую сигнала управления, и соединен с входом блока 5 коррекции текущей ошибки регулирования канала, формирующего интегральную составляющую сигнала управления.
Выход с блока 4 соединен с входом блока умножения 6, формирующего пропорциональную составляющую сигнала управления, а выход с блока 5 соединен с входом интегратора 7, формирующего интегральную составляющую сигнала управления.
Выходы с блоков 6 и 7 соединены с входами сумматора 8. Выход с сумматора 8 соединен с входом объекта управления 3.
Автоматическая система по предлагаемому способу работает следующим образом.
На вход элемента сравнения 1 поступает сигнал от задатчика 2 стабилизируемого параметра и текущее значение параметра с выхода объекта управления 3.
Сигнал текущей ошибки регулирования ε, снимаемый с элемента сравнения 1, поступает на блок 4 и блок 5.
n
n
В блоке 4 текущая ошибка регулирования ε корректируется (ослабляется) в пределах выбранного диапазона. Выходной сигнал ε блока 4 является функцией переменной величины ε в выбранном диапазоне значений ε, начиная с нулевого значения. За пределами выбранного диапазона сигнал ε передается на выход блока 4 без коррекции. В блоке 6 сигнал ε умножается на коэффициент пропорциональности, установленный при настройке регулятора АСР, оставаясь оптимальным при увеличенных значениях ошибки регулирования, что позволяет быстрее устранить отклонение стабилизируемого параметра от задания при значениях ε больше верхней границы диапазона ослабления и уменьшить колебательность переходного процесса по мере уменьшения текущей ошибки регулирования в пределах диапазона ослабления.
u
В блоке 5 текущая ошибка регулирования ε корректируется (усиливается) в пределах выбранного диапазона для интегральной составляющей сигнала управления. Выходной сигнал ε блока 5 является функцией переменной величины ε, в выбранном диапазоне значений ε, начиная с нулевого значения.
u
За пределами выбранного диапазона сигнал ε передается на выход блока 5 без коррекции. В интеграторе 7 сигнал ε интегрируется.
Коэффициент интеграла при настройке регулятора АСР устанавливается несколько уменьшенным (ослабленным), оставаясь неизменным при увеличенных значениях ошибки регулирования.
Уменьшение скорости воздействия интегральной составляющей при больших отклонениях стабилизируемого параметра от заданного позволяет избежать ситуации, когда интегральная составляющая управляющего сигнала копится быстрее, чем регулирующий орган успевает отреагировать.
В то же время с уменьшением ошибки регулирования после заданного ее значения, интегральная составляющая усиливается, что обеспечивает большую точность поддержания заданного значения стабилизируемого параметра в установившемся режиме.
Более подробно действие блоков коррекции текущей ошибки регулирования пояснены следующими примерами.
1. Например, в блоке 4 коррекции пропорциональной составляющей сигнала управления реализуется следующая функция коррекции
где
N - верхняя граница диапазона коррекции пропорциональной составляющей сигнала управления, примем диапазон ослабления от нуля до 1,5% диапазона измерения стабилизируемого параметра;
a
a - коэффициент ослабления, примем =1,2.
Тогда:
n
- при ε=0,7% на входе блока, на выходе сигнал текущей ошибки регулирования будет ε=0,6%,
n
- при ε=0,2% на входе блока, на выходе будет ε=0,13%.
С уменьшением текущей ошибки регулирования на входе блока 4 ослабление сигнала усиливается. Так, в первом случае сигнал уменьшился в 1,17 раза, а во втором в 1,5 раза.
При превышении входным сигналом установленной границы (в данном случае 1,5%) коэффициент ослабления устанавливается равным единице, блокируя усиление выходного сигнала.
2. Например, в блоке 5 коррекции интегральной составляющей сигнала управления реализуется следующая функция коррекции
где
N - верхняя граница диапазона коррекции интегральной составляющей сигнала управления, примем диапазон усиления от нуля до 1,5% диапазона измерения стабилизируемого параметра;
в - коэффициент усиления, примем в=0,8.
Тогда:
u
- при ε=0,7% на входе блока, на выходе сигнал текущей ошибки регулирования будет ε=0,81%,
u
- при ε=0,2% на входе блока, на выходе будет ε=0,3%.
С уменьшением текущей ошибки регулирования на входе блока 4 усиление сигнала возрастает. Так, в первом случае сигнал увеличился в 1,16 раза, а во втором в 1,5 раза.
При превышении входным сигналом установленной границы (в данном примере 1,5%) коэффициент усиления устанавливается равным единице, блокируя усиление выходного сигнала.
a
Первоначальная настройка регулятора осуществляется с применением одного из общепринятых способов, при этом степенные показатели и в должны быть равны единице.
a
При увеличении возмущающих воздействий для улучшения показателей переходного процесса степенной показатель, например (), в блоке коррекции пропорциональной составляющей закона устанавливают больше единицы, что приводит к «ослаблению» управляющего воздействия в диапазоне от нулевого значения до выбранной границы и снижению колебательности, а степенной показатель, например (в), в блоке коррекции интегральной составляющей закона устанавливают меньше единицы при одновременном уменьшении коэффициента интегратора, что приводит к «усилению» управляющего воздействия в диапазоне от нулевого значения до выбранной границы и ослаблению управляющего воздействия за пределами выбранной границы. Такой способ коррекции интегральной составляющей закона регулирования позволяет уменьшить скорость накопления интегральной за пределами выбранного диапазона коррекции, и в то же время с уменьшением ошибки регулирования в пределах диапазона коррекции интегральная составляющая усиливается, что обеспечивает большую точность поддержания заданного значения стабилизируемого параметра в установившемся режиме.
Таким образом, использование предлагаемого способа расширения границ устойчивости АСР снижает вероятность потери устойчивости при сохранении допустимых показателей качества регулирования автоматической системы в случае изменения характеристик объекта, а также при появлении увеличенных возмущающих воздействий на систему стабилизации регулируемого параметра как при переходных процессах, так и в установившемся режиме.