АДАПТИВНЫЙ РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР
ADAPTIVE LINEAR CONTROL

Изобретение относится к области средств автоматического управления и может быть использовано для управления динамическими объектами в химической промышленности, теплотехнике, энергетике.
Регуляторы с релейной характеристикой (релейные регуляторы) широко распространены в технике (см., например, Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. - М.: Наука, 1974. с.44-77). Известны также регуляторы с релейными характеристиками, работающие по принципу «включено-выключено» и имеющие положительный или отрицательный гистерезис (см., например, а.с. СССР и патенты РФ №№631864, 1418648 №1585778, 2369893).
Особенностью автоматических систем, содержащих подобные регуляторы, является наличие автоколебаний регулируемой координаты возле некоторой постоянной величины.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является патент на адаптивный релейный регулятор №2369893 (Опубл. 2009, Бюл. №28). Регулятор-прототип содержит индикатор экстремумов, нуль-орган, релейный блок, сумматор, интегратор, блок вычисления среднего значения регулируемой координаты, источники уровней выходного сигнала, переключатели и усилитель.
Регулятор-прототип является релейным двухпозиционным регулятором с отрицательным переменным гистерезисом, величина зоны гистерезиса в котором поставлена в линейную зависимость от амплитуды автоколебаний. Особенность его заключается в том, что переключения регулятора происходят с опережением (с «недоходом») по отношению к сигналу, определяющему заданное конечное состояние регулируемой координаты с обеспечением симметричности автоколебаний относительно сигнала задания.
Уравнение регулятора (закон управления, реализованный в регуляторе-прототипе) имеет вид
где
0
0
max
min
0
есть смещение управляющего сигнала ±В относительно некоторого произвольно заданного значения В1 до величины, обеспечивающей симметричные автоколебания выходного и входного сигналов регулятора относительно B(t) и х соответственно. Здесь k1 - постоянный коэффициент, x, x - экстремальные значения сигнала регулируемой координаты.  - среднее значение сигнала регулируемой координаты, которое в установившемся режиме работы системы с данным регулятором должно равняться величине сигнала х.
,
k - постоянный коэффициент (0≤k<1),
э
х- экстремальные значения регулируемой координаты, равные ее максимуму или минимуму,
0
x - сигнал задания (заданное конечное значение регулируемой координаты x(t) (переменной)),
Sign - знаковая функция, равная +1 или -1 в зависимости от знака функции M(t),
В - величина управляющего воздействия («полка» реле).
0
Недостаток регулятора заключается в следующем. Регулятор (1) при его использовании требует в системе автоматического управления наличия следящего исполнительного механизма высокой точности. Это достаточно сложное устройство, работа которого в релейном режиме нежелательна, поскольку снижает его надежность за счет знакопеременных воздействий. Между тем, существенным преимуществом релейного управления является значительное упрощение исполнительного механизма системы за счет снижения требований к его характеристикам и высокая его надежность, возможность получения заданных динамических свойств системы при малых весах и габаритах исполнительных управляющих устройств, которые работают по принципу «открыто-закрыто» или «включено-выключено». Однако его использование в релейной системе приводит к появлению статической ошибки в системе, понимаемой как разность между сигналом задания и средним значением регулируемой переменной в установившемся режиме работы управляемого объекта. Возникающие в системе несимметричные относительно х автоколебания и статическая ошибка требуют их устранения тем или иным образом.
Техническим результатом изобретения является упрощение устройства и повышение точности управления в условиях действия несимметричности релейного управляющего сигнала на объект путем автоматического воздействия на входные сигналы.
Для этого в регуляторе-прототипе удалены три источника уровней выходного постоянного сигнала, переключатель и усилитель. А вместо них введено суммирующее устройство, первый вход которого соединен с выходом интегратора, второй вход - со вторым входом регулятора, а выход - со вторым входом сумматора, выход нуль-органа подключен к выходу регулятора.
Регулятор изображен на фиг.1, где представлена его блок-схема, фиг.2, которая иллюстрирует пример конкретного выполнения регулятора на пневматических элементах УСЭППА, и фиг.3, где представлены результаты исследования процессов в релейной системе с предложенным регулятором методом цифрового моделирования.
0
Регулятор содержит (фиг.1) индикатор экстремумов 1, нуль-орган 2, релейный блок 3, сумматор 4, суммирующее устройство 5, блок вычисления среднего значения сигнала 6, интегратор 7, х - первый вход регулятора (переменная), x - второй вход регулятора (сигнал задания), U - выходной сигнал регулятора.
0
Первый вход регулятора (переменная - х) соединен со входами индикатора экстремумов 1 и вторым входом (инверсным) нуль-органа 2, информационные выходы индикатора экстремумов соединены с информаионными входами релейного блока 3 и блока вычисления среднего значения сигнала 6, а управляющий выход индикатора экстремумов связан с управляющими входами релейного блока 3 и блока вычисления среднего значения сигнала 6, второй вход регулятора x связан первым входом суммирующего устройства 5 и с первым входом интегратора 7, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления среднего значения сигнала 6, выход интегратора 7 подключен к второму входу суммиующего устройства 5, выход которого соединен со вторым входом сумматора 4, первый вход которого связан с выходом релейного блока 3, а выход нуль-органа 2 подключен к выходу регулятора U.
Подобное соединение элементов позволяет модифицировать закон управления (1) и реализовать его следующим образом:
где
,
В - постоянная величина,
,
0
0
есть смещение сигнала х, обеспечивающее смещение и выходного сигнала объекта, (регулируемой координаты x(t)) относительно х до тех пор, пока среднее значение регулируемой координаты, определяемое как ,
0
max
min
не станет равным х. В результате автоматически устраняется статическая ошибка, чем и достигается цель изобретения. Здесь k, k1 и k2 - постоянные коэффициенты, x, x - экстремальные значения сигнала регулируемой координаты. Sign - знаковая функция, принимающая значение «+1», если сигнал функции переключения (3) больше нуля, и «0», если этот сигнал меньше или равен нулю.
0
Таким образом, данный регулятор решает задачу обеспечения равенства среднего значения регулируемой координаты в установившемся режиме работы его заданному значению путем автоматического смещения сигнала х в сторону увеличения или уменьшения на заранее неизвестную величину. При этом нет необходимости усложнять регулятор и систему управления в целом.
max
max
min
max
min
a
а
Рассмотрим работу отдельных элементов регулятора и устройства в целом. Индикатор 1 экстремумов (А.С. 482757. БИ 1975, №32) работает следующим образом. При изменении регулируемой координаты, например, в сторону уменьшения на выходе элемента 17 запоминается сигнал х при x<(х+), где  - величина сдвига, настраиваемая в элементе 17 запоминания, элемент 16 срабатывает и отключает элемент запоминания 13, закрыв верхний контакт реле 14, а выход элемента запоминания 18 через другой контакт реле 14 соединяется с вторым входом элемента 16 сравнения. При дальнейшем уменьшении сигнала выходной сигнал элемента 16 сравнения не изменяется. С увеличением входного сигнала на выходе элемента 18 запоминания запоминается х, элемент 16 сравнения принимает исходное положение, а второй вход элемента 16 сравнения вновь соединяется с выходом элемента 17 запоминания максимума. Повторители 12 и 13 обеспечивают гальваническую развязку сигналов х, х. Пневмоемкость 15 обеспечивает сохранение сигналов при переключениях реле 14.
max
min
э
э
Релейный блок 3 (двухконтактное реле) обеспечивает коммутацию х, х по команде с выхода элемента 16 сравнения на вход сумматора 4. Последний выполнен по схеме дроссельного сумматора. Его выход равен (1-k)·A(t)+k·х, где k=d/(d+b), d и b - проводимости дросселей сумматора, A(t) и х - сигналы, действующие на входах сумматора 4.
э
э
Нуль-орган 2 формирует на своем выходе сигнал управления U, равный «0» или «1» в зависимости от того, меньше или больше нуля сумма сигналов A(t)+k·(х-A(t))-x(t)=(1-k)·A(t)+k·х-x(t), действующая на его входах.
max
min
max
min
min
min
max
max
min
min
max
min
мах
Блок вычисления среднего значения 6 имеет три входа и может быть реализован, например, так, как показано на фиг.2. Он содержит дроссельный сумматор 21, работающий по принципу сумматора 4 (1-k3)·x+k3·x(t), повторители-усилители мощности 22 и 23, два клапана 19 и 20, с помощью которых запоминаются сигналы х и x с выхода индикатора экстремумов 1 по команде с управляющего выхода индикатора экстремумов 1 таким образом, что на выходе повторителя 22 выделяется сигнал минораты входного сигнала, а на выходе повторителя 23 - максоранты. Эти сигналы суммируются в дроссельном сумматоре по формуле , то есть находится среднее значение входного сигнала на каждом полупериоде колебаний сигнала x(t). Действительно, если сигнал x(t) изменяется от нуля в сторону увеличения X=0, выходной управляющий сигнал индикатора экстремумов 1 равен «1». Поэтому сигнал x=0 запоминается в индикаторе экстремумов 1 и проходит через открытый контакт клапана 19, через повторитель 22 и сумматор 24 на вход интегратора 7. Сигнал x также равен нулю, и он тоже запоминается с помощью клапана 20 и повторителя 23. Когда появляется x≠0, выходной сигнал индикатора экстремумов принимает значение «0». В результате клапан 19 закрывается и сохраняет x=0 на выходе повторителя 22, до появления следующего сигнала x. Сигнал x появляется на выходе клапана 20. Затем при очередном появлении сигнала x сигнал х запомнится на полпериода автоколебаний сигнала х. Далее цикл повторяется.
0
Интегратор 7 содержит усилитель 8, пневмоемкость 9, дроссель 10 и повторитель 11. Входами его являются выходной сигнал блока вычисления среднего значения 6 и сигнала х. Это типовое устройство, построенное на усилителе, охваченном инерционной положительной обратной связью и формирующее на своем выходе нарастающий или убывающий сигнал а(t), пропорциональный разности двух сигналов, действующих на его входах.
a
0
Суммирующее устройство 5 содержит дроссельный сумматор 25, работающий по принципу сумматора 4, выходной сигнал которого равен A(t)=(1-k2)·(t)+k2·x, и повторитель-усилитель мощности 24.
min
Работу регулятора в целом рассмотрим с привлечением фиг.1 и 2. Пусть сигнал x(t) нарастает от нуля в сторону увеличения, тогда экстремальные значения этого сигнала в момент включения регулятора равны нулю. Один из этих сигналов x проходит через релейный блок 3 и сумматор 4 на вход нуль-органа 2. Таким образом, на входе нуль-органа 2 в момент включения регулятора действует сигнал (1-k)A(t)>0 и на его выходе формируется сигнал управления «1».
э
max
min
max
Одновременно в момент включения регулятора выходной управляющий сигнал индикатора экстремумов 1 воздействует на элементы блока 6, открывая клапан 19 и закрывая клапан 20. В результате на выходе сумматора 21 сохраняется нулевой выходной сигнал. Как только входной сигнал x(t) достигнет величины (1-k)A(t) нуль-орган 2 принимает исходное состояние. В результате выходной сигнал регулятора становится равным U=0. Далее при появлении экстремального значения входного сигнала регулятора х=x выходной управляющий сигнал индикатора экстремумов 1 вновь становится равным «0». В результате клапан 19 закрывается, X запоминается в повторителе 22, а клапан 20 открывается, обеспечивая прохождение сигнала x через повторитель 23 и сумматор 21 на вход интегратора 7. Далее цикл повторяется.
Работа регулятора (2) в динамике иллюстрируется фиг.3, где представлены процессы изменения сигналов регулятора при его использовании в системе управления объектом, который описывается дифференциальным уравнением третьего порядка вида
x'''+2·x''+1.75·x'+0.5·x=1.4·U
0
max
Коэффициенты и выходные сигналы источников сигналов были следующими х=0.4, k=0.75, k1=0.002, k2=0.5, k3=0.5, B=0.5. Из фиг.3 видно, что в момент включения A (t)=0.2, и этот сигнал достаточно быстро нарастает, поскольку входной сигнал интегратора велик, до момента появления первого x.
Первое переключение управления происходит с «недоходом» регулируемой координаты х до величины A(t). Затем скорость нарастания выходного сигнала интегратора уменьшается. Изменение сигнала A(t) будет продолжаться до тех пор, пока статическая ошибка не станет равной нулю.
Настройка регулятора связана с установкой коэффициента k таким образом, чтобы амплитуда автоколебаний в системе была бы не больше заданной (Следует отметить, что изменением коэффициента k в функции переключения (3) в диапазоне от 0 до 1 амплитуду автоколебаний в системе при прочих равных условиях можно менять в десятки раз в установившемся режиме работы). Интегратор настраивается таким образом, чтобы процессы в системе были сходящимися.
Регулятор в релейных системах управления технологическими процессами при автоматическом изменении входного задающего сигнала обеспечивает необходимую точность в установившемся режиме работы при существенном упрощении управляющего устройства и системы в целом. В этом проявляются адаптивные свойства заявляемого устройства и его новизна.