СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ ДВУХПОЗИЦИОННОГО РЕГУЛЯТОРА
IMPLEMENTATION METHOD OF TWO-POSITION CONTROLLER

Изобретение относится к автоматическому управлению, а именно к реализации двухпозиционных регуляторов с адаптивными позициями, и может быть использовано как при автоматизации промышленных объектов, так и объектов бытовой техники для автоматического регулирования в них тех или иных технологических величин.
Известен способ (см., например, А.А.Кампе-Немм. Автоматическое двухпозиционное регулирование. М.: Наука, 1967. - 160 с.) реализации двухпозиционного регулятора, основанный на фиксированном задании его зоны неоднозначности и регулирующих сигналов, соответствующих его двум позициям. Такой способ, хотя и прост при технической реализации, однако не обеспечивает в системе регулирования требуемого качества, особенно при возмущениях, например по нагрузке на объект.
Для улучшения качества регулирования прибегают к различным способам. Так, при больших запаздываниях в объекте регулирования используют двухпозиционные статические системы регулирования (см., например, В.Г.Матвейкин, С.В.Фролов, И.А.Елизаров. Расчет двухпозиционных систем регулирования. // Приборы и системы управления. 1997, №6, С.37-39). При таком регулировании, однако, приходится решать компромиссную задачу между уменьшением амплитуды установившихся колебаний переходного процесса и увеличением их частоты.
Одновременного уменьшения как амплитуды колебаний, так и их частоты можно добиться путем использования так называемого способа регулирования с неполным притоком и оттоком, в котором добиваются максимального приближения значений регулирующих сигналов к нагрузке, с которой работает объект (способ описан, например, в той же монографии А.А.Кампе-Немм. Автоматическое двухпозиционное регулирование. М.: Наука, 1967. - С.27, 28).
Способ дает удовлетворительные результаты лишь при постоянной нагрузке, меняющейся в пределах регулирующих сигналов, соответствующих двум позициям регулятора, значения которых должны быть заданы вручную.
Если же нагрузка выходит за пределы этих сигналов, то объект становится неуправляемым и регулируемая технологическая величина не достигает требуемых (задаваемых) значений. В этом случае необходима новая ручная перенастройка значений регулирующих сигналов с тем, чтобы нагрузка оказалась внутри их пределов.
Автоматическая перенастройка сигнала средней позиции под нагрузку, с которой работает объект, реализована, например, в трехпозиционном регуляторе по способу, описанному в патенте №2220432 (G05В 13/02, G05В 11/18 МКИ 7). Однако в этом способе подстраивается сигнал лишь одной средней позиции регулятора, в то время как в двухпозиционном регуляторе подстраивать под нагрузку, с которой работает объект, следует регулирующие сигналы двух позиций регулятора, что требует иного подхода к адаптации сигналов позиций.
Автоматическая перенастройка двух значений регулирующих сигналов под нагрузку, с которой работает объект, реализована, например, в способе-прототипе по патенту №2129726, МКИ 6 G05В 11/16, G05В 11/54. Реализация способа требует создания специального адаптивного двухпозиционного регулятора с шестью элементами сравнения с пороговыми элементами, формирующими дискретные управляющие командные сигналы, и релейного (с нулевой зоной неоднозначности) элемента с изменяющимися значениями верхней и нижней позиций.
Большое число переключающихся (пороговых) элементов естественно снижает надежность работы такого регулятора.
Кроме того, большое число промышленных и бытовых объектов уже содержат двухпозиционные регуляторы (по некоторым оценкам позиционные системы регулирования составляют 15-20% всего парка промышленных систем регулирования и 70-80% парка систем регулирования бытовой техники), управляющие их работой по поддержанию в них той или иной технологической величины на заданном значении, то есть по ее регулированию.
В этом плане целесообразно создание способа, позволяющего преобразовывать существующие действующие двухпозиционные регуляторы, а соответственно, и действующие двухпозиционные системы регулирования, в адаптивные, например, путем подключения к действующим регуляторам устройства-приставки, придающей этим регуляторам новое свойство - свойство адаптации их позиций к нагрузке, с которой работает объект, для улучшения качества регулирования технологических величин. Если к тому же такое устройство-приставку реализовать с минимальным использованием контактных (пороговых) элементов, то повышается надежность работы систем адаптивного двухпозиционного регулирования.
Ниже предлагается способ, позволяющий реализовать адаптацию позиций имеющихся двухпозиционных регуляторов с минимальным использованием дополнительных контактных устройств. Способ позволяет улучшить качество регулирования технологических величин в сравнении с традиционным двухпозиционным регулированием и повысить надежность адаптивного двухпозиционного регулирования в сравнении с существующим способом-прототипом, а также упростить создание систем адаптивного двухпозиционного регулирования.
Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ, показана на фиг.1. Блок-схема устройства заключена в пунктирный прямоугольник. На фиг.1 цифрами обозначены: 1 - традиционный двухпозиционный регулятор с фиксированной зоной неоднозначности ΔY=Y2-Y1 и фиксированными позициями, 2 - входной канал регулируемой технологической величины Y, 3 - элемент сравнения ЭС регулятора 1, 4 - пороговые элементы переключения позиций регулятора, 5 - выходной канал регулятора 1, 6 - входной канал устройства-приставки 7, придающего регулятору 1 новое свойство - свойство адаптации его позиций к нагрузке, с которой работает технологический объект управления (ТОУ), 8 - алгебраический сумматор АС, 9, 10 - звенья типа насыщения - нелинейные элементы, соответственно первый НЭ1-9 и третий НЭ3-10; 11, 12 - функциональные звенья перенастройки, соответственно первое ФЗП1 - 11 и второе ФЗП2 - 12; 13, 14 - звенья памяти, соответственно первое П1 - 13 и второе П2 - 14; 15, 16 - сумматоры сигналов, соответственно первый С1 - 15 и второй С2 - 16; 17, 18 - звенья типа насыщения - нелинейные элементы, соответственно второй НЭ2 - 17 и четвертый НЭ4 - 18, 19 - нормально замкнутый (размыкающийся) контакт К1, 20 - нормально разомкнутый (замыкающийся) контакт К2, 21 - выходной сумматор С3, 22 - выходной канал устройства-приставки 7; 23, 24 - входные каналы задания в регуляторе 1 зоны возврата (реадаптации) путем подачи в них сигналов соответственно  в канал 23 и в канал 24.
Элемент сравнения 3 регулятора 1 предназначен для сравнения сигналов задания Y1 и Y2 (Y1<Y2) зоны неоднозначности ΔY с сигналом регулируемой технологической величины Y, подаваемой во входной канал 2 регулятора 1. Пороговые устройства 4 обеспечивают пороговые (скачкообразные) изменения сигналов, соответствующих позициям регулятора 1, соответственно крайней верхней - ВП и крайней нижней - НП. Переключение сигнала с крайней нижней позиции (НП) на верхнюю (ВП) происходит при достижении регулируемой технологической величиной Y значения сигнала Y2, то есть при выходе величины Y из зоны неоднозначности ΔY за Y2, а переключение с крайней верхней (ВП) позиции на нижнюю (НП) - при уменьшении величины Y до значения Y1, то есть при выходе величины Y из зоны ΔY за Y1. Выходной сигнал U регулятора 1, соответствующий ВП или НП, поступает в его выходной канал 5, соединенный с входным каналом 6 устройства-приставки 7, обеспечивающего адаптивные свойства регулятору 1.
Таким образом, элемент сравнения 3 совместно с пороговыми устройствами 4 образует традиционный двухпозиционный регулятор 1 с фиксированной зоной неоднозначности ΔY и фиксированными регулирующими сигналами, соответствующими крайним позициям - верхней (ВП) и нижней (НП), которые формируют выходной сигнал U регулятора при соответствующем выходе регулируемой технологической величины Y из зоны неоднозначности, то есть:
Внутри зоны неоднозначности удерживается сигнал соответствующей позиции исходя из условий:
Соотношения (1), (2) справедливы для двухпозиционного регулятора с "прямой" статической характеристикой, показанной на фиг.1, рассматриваемого ниже.
Аналогичные зависимости и аналогичное рассмотрение способа можно провести и для двухпозиционного регулятора с "обратной" статической характеристикой.
1
1
1
1
1
Сформированный в соответствии с (1), (2) выходной сигнал регулятора 1 U подают во входной канал 6 устройства-приставки 7, с которого он попадает на алгебраический сумматор 8, на котором из него вычитают опорный сигнал Ucp, равный среднему значению сигналов крайних верхней (ВП) и нижней (НП) позиций, то есть сигнал Ucp=(ВП+НП)/2. Выходной сигнал алгебраического сумматора U подают одновременно на первое и третье звенья насыщения 9 и 10. Первое звено насыщения 9 (первый нелинейный элемент НЭ1) является повторителем положительного входного сигнала U с ограничениями: нижним, равным нулю, и верхним В - не меньше, чем значение (ВП-НП)/2 регулятора 1. Третье звено насыщения 10 (третий нелинейный элемент НЭ3) является повторителем отрицательного входного сигнала U с ограничениями: верхним, равным нулю, и нижним Н - не больше, чем отрицательное значение (ВП-НП)/2. При таких значениях насыщений звеньев 9 и 10, если в регуляторе 1 установилось значение сигнала крайней верхней позиции ВП, то положительный сигнал U, равный (ВП-НП)/2, проходит через звено 9 и подается одновременно на первый сумматор С1 (15) для суммирования с выходным сигналом первого звена памяти П1 (13) и на второе функциональное звено перенастройки ФЗП2 (12), а если установилось значение сигнала крайней нижней позиции НП, то отрицательный сигнал U, равный - (ВП-НП)/2, проходит через звено 10 и подается одновременно на второй сумматор С2 (16) для суммирования с выходным сигналом второго звена памяти П2 (14) и на первое функциональное звено перенастройки ФЗП1 (11).
Функциональные звенья перенастройки ФЗП1 и ФЗП2, как и в патенте-аналоге №2220432, выбираются в зависимости от желаемого вида реализации адаптации позиций регулятора 1: дискретного или аналогового.
Так как при аналоговой реализации ФЗП в качестве него берется, например, интегрирующее звено с передаточной функцией
и
1
2
где Т - время интегрирования - параметр настройки ФЗП, р - оператор Лапласа, реализующее линейное изменение сигнала адаптивной верхней (g) или нижней (g) позиции в соответствии с уравнением
или апериодическое первого порядка с
a
1
2
где T - постоянная времени звена - также параметр настройки ФЗП, реализующего экспоненциальное изменение сигнала адаптивной верхней (g) или нижней (g) позиции в соответствии с уравнением
где в (4), (6) ν - время нахождения (выбега) регулируемой технологической величины вне (из) зоны неоднозначности ΔY, а Δ=±(ВП-НП)/2 - значение скачкообразного сигнала, поступающего на вход ФЗП1 (со знаком минус) - Δ1 и на вход ФЗП2 (со знаком плюс) - Δ2 соответственно со звеньев насыщения 10 и 9.
1
2
При дискретном выборе реализации адаптации сигналов позиций сигнал g на выходе ФЗП1 и сигнал g на выходе ФЗП2 изменяются скачком на какую-то величину Δg.
1
2
В случае реализации ФЗП1, 2 в виде апериодического звена (5) последовательно с ними включается звено памяти, соответственно первое П1 (13) и второе П2 (14) для запоминания сигналов соответственно g и g на выходе ФЗП1 и ФЗП2 в момент переключения входного сигнала Δ1 или Δ2 на соответствующее ФЗП на нуль.
i
i
1
2
Такое звено памяти удерживает значение сигнала ФЗП, соответствующего значению вновь сформированного в нем сигнала, для соответствующего сигнала адаптивной верхней ВП (на первом сумматоре С1) и нижней НП (на втором сумматоре С2) позиций. При этом на первом сумматоре С1 от сигнала (ВП-НП)/2 будет вычитаться соответствующее значение сигнала g, а на втором сумматоре С2 к сигналу - (ВП-НП)/2 будет прибавляться соответствующее значение сигнала g.
1
2
При реализации ФЗП 1, 2 в виде интегрирующего звена (3) необходимость в звеньях памяти П1 (13) и П2 (14) отпадает, так как при переключении с НП на ВП сигнал Δ1, идущий на ФЗП1, становится нулевым и, соответственно, в соответствии с (4) сигнал g перестает изменяться, а при переключении с ВП на НП становится нулевым сигнал Δ2, идущий на ФЗП2, и, соответственно, не изменяется сигнал g.
1
2
То же происходит и при дискретных изменениях сигналов в ФЗП 1, 2, при которых происходит запоминание сигнала g (соответственно, g) в силу конструктивного выполнения ФЗП.
i
cp
Сигнал, сформированный после первого сумматора С1 (15), подают на второе звено насыщения 17 (второй нелинейный элементы НЭ2), которое является повторителем положительного сигнала верхней адаптивной позиции ВП с ограничениями: верхним В - не меньше, чем значение сигнала (ВП-НП)/2 регулятора 1, и нижним Н1, равным значению сигнала N, эквивалентного нагрузке , с которой работает объект, за вычетом сигнала U и увеличением на дополнительный сигнал δ, например, равный 0,05 N.
1
cp
i
cp
Сигнал с НЭ2 (17) приходит через контакт K (19) на выходной сумматор С3 (21), где суммируется с сигналом U и подается в выходной канал 22 устройства-приставки 7 и далее на технологический объект управления (ТОУ). При этом этот сигнал будет равен ВП+U с учетом ограничений звена 17. Верхнее значение сигнала в выходном канале 22 может достигать значения сигнала крайней верхней позиции регулятора 1, то есть ВП, а нижнее
ср
ср
N+δ-U+U=N+δ,
то есть превышать значение сигнала N, соответствующего нагрузке , на величину сигнала δ.
1
При этом контакт К (19) замкнут одновременно с включением крайней верхней позиции ВП регулятора 1.
i
cp
Сигнал, сформированный после второго сумматора С2 (16), подают на четвертое звено насыщения 18 (четвертый нелинейный элемент НЭ4), которое является повторителем отрицательного сигнала нижней адаптивной позиции НП с ограничениями: нижним Н - не больше, чем отрицательное значение сигнала (ВП-НП)/2 регулятора 1, и верхним В1, равным значению сигнала N, эквивалентного нагрузке , с которой работает объект, за вычетом сигнала U и дополнительного сигнала δ.
2
cp
i
cp
Сигнал с НЭ4 (18) проходит через контакт К (20), который замкнут одновременно с включением крайней нижней позиции НП регулятора 1, на выходной сумматор С3 (21), где суммируется с сигналом U и подается далее в выходной канал 22 устройства-приставки 7 и далее на технологический объект управления (ТОУ). При этом сигнал будет равен НП+U с учетом ограничений звена 18. Нижнее значение сигнала в выходном канале 22 может достигать значения сигнала крайней нижней позиции регулятора 1, то есть НП, а верхнее
ср
ср
N-δ-U+U=N-δ,
то есть быть меньше на величину сигнала δ значения сигнала N, соответствующего нагрузке .
Сигнал N, соответствующий нагрузке , с которой работает объект, может быть определен, например, путем идентификации нагрузки  в процессе эксплуатации системы позиционного регулирования по характеру переходного процесса в системе. Примеры такой идентификации изложены, например, в работах:
1. Войтенко В.В., Магергут В.З., Вент Д.П. Определение параметров объектов по характеристикам работы их позиционных систем регулирования. Сб. трудов XV Междун. научн. конф. "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-15). Т.9. Тамбов, Изд-во ТГТУ, 2002. С.175-177.
2. Соболев А.В., Магергут В.З. К определению характеристик систем с адаптивным позиционным регулятором при возникновении колебаний. Сб. трудов XIX Междун. научн. конф. "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-19). Т.2. Воронеж, Изд-во ВГТА, 2006. С.123-125.
3. Кирин Ю.П., Затонский А.В., Беккер В.Ф., Бильфельд Н.В. Опыт идентификации объектов по автоколебательным режимам позиционных систем регулирования. Сб. трудов XVI Междун. научн. конф. "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-16). Т. 6. Ростов-на-Дону, Изд-во РГАСХМ, 2003. С.131-134.
4. Кирин Ю.П., Затонский А.В., Беккер В.Ф., Бильфельд Н.В. Адаптивное позиционное регулирование с идентификатором. Сб. трудов XVI Междун. научн. конф. "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-16). Т.2. СПб, Изд-во СПГТИ (ТУ), 2003. С.85-88.
5. Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами. Справочное пособие. Под ред. А.С.Клюева. М.: Энергия, 1987. С.352-373.
Блок-схема системы адаптивного двухпозиционного регулирования с идентификатором нагрузки  технологического объекта управления (ТОУ) показана на фиг.2. На схеме цифрами обозначены: 1 - традиционный двухпозиционный регулятор с фиксированной зоной неоднозначности и фиксированными позициями, 5 - выходной канал устройства 1, 6 - входной канал устройства-приставки 7, придающего регулятору 1 новое свойство - свойство адаптации его позиций к нагрузке , с которой работает технологический объект управления (ТОУ) 25; 22 - выходной канал устройства-приставки 7; 23 и 24 - входные каналы задания зоны возврата (реадаптации) регулятору 1; 26 - идентификатор нагрузки объекта (ИНО). Устройства 1, 5, 6 и 7, а также 22, 23 и 24 на фиг.2 соответствуют устройствам, обозначенным этими же цифрами на фиг.1.
2
Идентификатор 26 нагрузки  ТОУ 25 работает по сигналам U и Y в соответствии с одним из алгоритмов, описанным в литературе [1-5] на стр.8 описания, и выдает сигнал , соответствующий нагрузке , с которой работает ТОУ 25, что показано на фиг.2 знаком ~. Значение сигнала N в звеньях типа насыщения - нелинейных элементах, соответственно втором НЭ2 - 17 и четвертом НЭ4 - 18, устанавливается равным сигналу , то есть N=~.
При отсутствии идентификатора (ИНО) нагрузки объекта 26 значение сигнала N в устройстве-приставке 7 задается вручную исходя из примерного знания нагрузки  ТОУ, то есть в этом случае
N≈~
Например, значение сигнала N может быть задано исходя из выражения:
,
об
где К - коэффициент передачи технологического объекта управления.
При этом в системе без ИНО 26 имеет место тот же недостаток, что и в системе с неполным притоком и оттоком (см. стр.2 описания), а именно, если сигнал , соответствующий нагрузке , выходит за пределы сигналов N-δ или N+δ, то есть если <N-δ или >N+δ, то регулируемая технологическая величина Y становится неуправляемой и выходит за пределы допустимых отклонений.
В этом случае предусматривается режим реадаптации системы к исходному состоянию и повтор процедуры адаптации позиций регулятора, описанный выше, но с предварительной коррекцией значения сигнала N в элементах 17 и 18 фиг.1 по результатам выбега регулируемой величины Y за пределы допустимых отклонений.
i
i
i
Так, если регулируемая величина Y отклонилась за допустимые пределы от значения Y2 при работающей текущей верхней позиции ВП, в том числе при ВП=N+δ, то есть превысила, например, значение , то это означает, что сигнал , соответствующий нагрузке , превысил значение сигнала N+δ в устройстве-приставке 7 и значение сигнала N в 7 необходимо увеличить, то есть сделать  При такой ситуации достаточно реадаптировать лишь ВП до значения ВП.
i
i
i
Если же регулируемая величина Y отклонилась за допустимые пределы от значения Y1 при работающей текущей нижней позиции НП, в том числе при НП=N-δ, то есть стала, например, меньше Y1<Y1, то это означает, что сигнал  соответствующий нагрузке  стал ниже значения сигнала N-δ в устройстве-приставке 7 и значение сигнала N в 7 необходимо уменьшить, то есть сделать  При такой ситуации достаточно реадаптировать лишь НП до значения НП.
Таким образом, предлагаемый способ реализации двухпозиционного регулятора позволяет повторить работу адаптивного двухпозиционного регулятора, реализованного в соответствии со способом прототипа, однако имеет большие функциональные возможности (помимо дискретной адаптации возможна и аналоговая) и проще реализуется, так как имеет меньшее число контактных и пороговых элементов, что повышает надежность работы регулятора по предлагаемому способу. Кроме того, способ реализуется при помощи устройства-приставки 7 к традиционным двухпозиционным регуляторам, делая их адаптивными. Это существенно проще, чем создавать новый адаптивный регулятор по способу-прототипу, а кроме того, требует минимальной переделки существующих двухпозиционных АСР для их преобразования в адаптивные путем подключения устройства-приставки 7, реализованной по предлагаемому способу.
Наконец, если в способе использовать идентификатор нагрузки объекта (ИНО) 26, то при кажущемся усложнении способа отпадает необходимость в реадаптации сигналов позиций, что в целом упрощает способ в сравнении со способом-прототипом.
cp
Отметим также, что в случае двухпозиционного регулятора 1 с симметричной статической характеристикой, то есть когда сигнал НП=-ВП, a U=0, необходимость в алгебраическом сумматоре АС (8) и выходном сумматоре С3 (21) отпадает, что упрощает устройство-приставку 7.
В настоящее время разрабатываются различные варианты устройства-приставки, работающей в соответствии с предлагаемым способом.