Струйно-фотокомпенсационный полупостоянно работающий пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор
JET-PHOTOCOMPENSATION SEMI-CONTINUOUSLY OPERATING PROPORTIONAL-INTEGRAL-DIFFERENTIAL (PID) REGULATOR

Изобретение относится к области пневмоэлектрических автоматических регуляторов.
Из уровня техники известен пневматический пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, состоящий из мембранного пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора и дифференцирующего звена, объединенные с помощью сумматора [1]. ПИ-регулятор включает в себя пропорциональное звено, содержащее элемент сравнения, в обратной связи которого расположен делитель, состоящий из переменного и постоянного сопротивлений, изменение соотношения проводимостей которых приводит к изменению коэффициента усиления разности входных давлений. Интегральное и дифференцирующее звенья выполнены на базе апериодических звеньев, состоящих из постоянного объема и переменного сопротивления для изменения постоянной времени.
Недостатками такого регулятора являются низкие динамические свойства, присущие мембранным элементам.
Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в повышении быстродействия регулирования за счет использования принципа полупостоянно работающего регулятора [1] и компенсационной схемы, основанной на равенстве моментов силового действии струи на подвижную преграду и противодействующей магнитоэлектрической силы.
Известен также пропорциональный регулятор, состоящий из подвижной части, включающей в себя пластину, подвешенную на газовой опоре, входной дифференциальной пневматической схемы, считывающего элемента в виде узла типа «сопло-заслонка», пневматического мембранного усилителя мощности, охваченного регенеративной обратной связью [2]. Принципом работы указанного решения, как и настоящего изобретения, является применение измерительной компенсационной схемы, основанной на силовом действии струи на подвижную преграду, однако настоящее изобретение реализует работу регулятора в полупостоянном режиме ПИД-регулятора, что существенно повышает его быстродействие.
Более конкретно, технический результат достигается тем, что струйно-фотокомпенсационный полупостоянно работающий пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор состоит из пропорционально-интегрального ПИ-регулятора и дифференцирующего звена, причем ПИ-регулятор включает входные сопла, нормально расположенные к чувствительному элементу - пластине, угол поворота которой пропорционален силовому воздействию струй и регистрируется оптической частью регулятора, состоящей из источника света, конденсора, диафрагмы и сдвоенного фотосопротивления, входящего в равновесный электрический мост, в обратной связи которого располагается магнитоэлектрический гальванометр, делитель сопротивлений для изменения коэффициента усиления, выходной миллиамперметр для регистрации выходного сигнала и интегральное звено, состоящее из электрических конденсатора и переменного сопротивления для изменения постоянной времени интегрирования, отличающегося тем, что дифференцирующее звено, состоящее из пневматических переменного сопротивления, постоянного объема, одномембранного точного повторителя и сопла, расположенного нормально к пластине другого магнитоэлектрического гальванометра, выход которого объединен сумматором с ПИ-регулятором, на выходе которого расположен узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и ее скорости от задания, выполненный в виде отключающего реле с двумя параллельно расположенными пороговыми элементами, причем первый пороговый элемент связан с выходом регулятора для определения знака ошибки, а второй пороговый элемент соединен с дифференцирующим звеном для определения знака скорости.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
5
13,
I
3
На фиг. 1 представлена схема струйно-фотокомпенсационного полупостоянно работающего пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, состоящего из пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора  и дифференцирующего звена . Для регистрации угла поворота чувствительного элемента - пластины , закрепленной на петле  фотоэлектрического гальванометра  предусмотрена оптическая схема, состоящая из зеркала , на которое падает луч света от источника , конденсора  и диафрагмы . Отраженный от зеркала луч света освещает обе половины сдвоенного фотосопротивления , включенного в равновесный мост , образованный сопротивлениями . Рамка  гальванометра  помещена в поле постоянного магнита  образуя при протекании тока  обратной связи магнитоэлектрический момент направленный встречно механическому моменту от силового действия струй на поверхность пластины .
14
15
16
17
18
α
18
В обратной связи ПИ-регулятора последовательно расположены делитель  для изменения коэффициента усиления пропорционального звена, выходной вторичный прибор миллиамперметр , выходное сопротивление  и электрическое интегральное звено, состоящее из конденсатора  и переменного сопротивления . Изменением проводимости  переменного сопротивления можно менять постоянную времени интегрирования:
(1)
17
,
-
где  - емкость конденсатора , - универсальная газовая постояннаяабсолютная температура.
19
20
Входной канал ПИ-регулятора представлен двумя соплами  и , из которых вытекают струи под давлением, пропорциональным давлению  переменной величины и давлению  задания.
21
22
23
24.
β
22
Звено дифференцирующего преобразователя (использована одна и та же нумерация однотипных компонентов схем) состоит из пневматических емкости  и переменного сопротивления  для изменения постоянной времени  дифференцирования. Для получения расходного сигнала, пропорционального производной входного давления  переменной величины используется точный повторитель , питание которого осуществляется через постоянный дроссель  Изменением проводимости  переменного сопротивления можно менять постоянную времени дифференцирования:
(2)
21
где  - объем емкости .
Выходной сигнал через сопло 25 воздействует на пластину 3 струей под давлением, пропорциональным выражению .
26
Оба выходных канала ПИ-регулятора и дифференцирующего звена поступают на сумматор , выходной сигнал  которого равен:
(3)
где  - разность давлений на входе ПИ-регулятора,  - коэффициент усиления,  - коэффициент преобразования.
Формула (3) отражает закон ПИД-регулирования, реализованный в данном изобретении.
На фиг. 2 представлена схема анализа работы регулятора в полупостоянно работающем режиме. В периодах A и C, когда регулируемая величина удаляется от задания, происходит включение регулятора, а в периодах B и D его отключение.
Сигнал  на отключение регулятора согласно фиг.  2 равен:
, (4)
где , сигнал ошибки, равный разности давлений переменной и задания,  - сигнал разности производной ошибки (знака скорости), принимающие положительное или отрицательное значения в зависимости от направления касательных прямых к синусоиде изменения переменного параметра .
27
При положительном знаке ошибки  ( - пороговое значение сигнала элемента ) выдает сигнал . При отрицательном -  выдается сигнал .
2
Для определения знака скорости используется дифференцирующее звено , определяющее скорость изменения переменного параметра .
2
Выходной сигнал звена  равен при постоянной времени .
28
Положительному знаку скорости, соответствует выходной сигнал порогового элемента , отрицательному - .
30,
Сигнал  служит командой, определяющей условия отключения регулятора с помощью элемента  работающему по функции «Запрет». При , когда знаки ошибки  и ее скорости  не совпадают, то есть , регулируемая величина приближается к заданному значению. При , когда знаки  и  совпадают (), регулируемая величина удаляется от заданного значения.
27
28
29
(4)
30
«Запрет»
I.
Оба дискретных сигнала с двух пороговых элементов  и  и поступают на вход элемента , реализующего функцию неравнозначности по формуле , а выход этого элемента  соединен с элементом , работающим по функции  для отключения сигнала выхода регулятора
Библиографические данные
[1] Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М., «Машиностроение», 1973. С. 197-199.
[2] Патент РФ №2680614 04.05.2018. Струйно-фотокомпенсационный пропорциональный регулятор // Заявка №2018116605, 04.05.2018. / Макаров В.А., Королев Ф.А., Макаров А.В, Тютяев Р.Е.