АДАПТИВНЫЙ РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР
ADAPTIVE RELAY REGULATOR

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для управления динамическими объектами в химической промышленности, теплотехнике, приборостроении, а также для генерации сигналов различной амплитуды.
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 №631864, 1418648, 1585778).
Особенностью автоматических систем, содержащих подобные регуляторы, является наличие автоколебаний регулируемой координаты возле некоторой постоянной величины.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является регулятор с релейной характеристикой по авт.св. СССР №631864. Опубл. Б.И. 1978, №31. Регулятор-прототип содержит индикатор экстремумов, нуль-орган, релейный блок, и сумматор.
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.
Управление регулятора (закон управления, реализованный в регуляторе-прототипе) имеет вид
0
э
0
где M(t)=x+k·(x(t)-x)-x(t),
k - постоянный коэффициент, меньший единицы, (0≤k<1)
э
х - экстремальные значения регулируемой координаты, равные ее максимуму или минимуму,
0
х - 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
Регулятор (1) обеспечивает всегда устойчивые симметричные относительно х автоколебания в релейных системах, содержащих астатический линейный динамический объект высокого порядка (п>2, где п - порядок систем дифференциальных уравнений, описывающих объект) при условии, что управление u также симметрично.
0
Недостаток регулятора заключается в следующем. В практике конструирования и применения релейных систем управления динамическими объектами без астатизма, а также в тех случаях, когда выходной сигнал регулятора воздействует на исполнительный механизм, управляющий клапаном, работающим по принципу «открыто/закрыто», в системе возникают несимметричные относительно х автоколебания и статическая ошибка, устранить которую можно смещением управления на некоторую заранее неизвестную величину, которую находят методом последовательных приближений на работающем объекте. При изменении параметров объекта по тем или иным причинам требуется повторная настройка регулятора. Все это снижает точность управления..
Техническим результатом изобретения является повышение точности управления. Достигается это путем автоматического устранения статической ошибки, создаваемой регулятором при его использовании для управления динамическими объектами. Для этого в регулятор-прототип дополнительно введены интегратор, блок вычисления среднего значения сигнала, три источника уровней выходного постоянного сигнала, переключатель и усилитель, информационные входы блока вычисления среднего значения сигнала связаны с информационными выходами индикатора экстремумов, управляющий выход которого соединен с управляющим входом блока вычисления среднего значения сигнала, а выход последнего связан с первым инверсным входом интегратора, второй вход которого соединен со вторым входом регулятора, выход интегратора подключен к первому входу усилителя, второй его вход соединен с третьим источником уровня выходного сигнала, третий и четвертый входы усилителя соединены с первым и вторым выходами переключателя, информационные входы которого связаны с первым и вторым источниками выходного постоянного сигнала, а управляющий вход - с выходом нуль-органа, выход усилителя 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, усилитель 5, блок вычисления среднего значения сигнала 6, интегратор 7, первый 8, второй 10 и третий 11 источники постоянных сигналов, переключатель 9, х - первый вход регулятора (переменная), х - 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 информационными 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 х связан с первым входом нуль-органа 2 и первым входом интегратора 7, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления среднего значения сигнала 6, выход интегратора 7 подключен к первому входу усилителя 5, второй его вход соединен с первым источником уровня выходного сигнала, третий и четвертый входы усилителя соединены с первым и вторым выходами переключателя, информационные входы которого связаны со вторым и третьим источниками выходного постоянного сигнала, а управляющий вход - с выходом нуль-органа 2, выход усилителя 5 подключен к выходу регулятора U.
Подобное соединение элементов позволяет модифицировать закон управления (1) и реализовать его следующим образом:
где
,
0
0
mах
min
0
есть смещение управляющего сигнала ±В относительно некоторого произвольно заданного значения В1 до величины, обеспечивающей симметричные автоколебания входного и выходного сигналов регулятора относительно B(t) и х соответственно. В результате автоматически устраняется статическая ошибка, чем и достигается цель изобретения. Здесь k1 - постоянный коэффициент, х, х - экстремальные значения сигнала регулируемой координаты;  - среднее значение сигнала регулируемой координаты, которое в установившемся режиме работы системы с данным регулятором должно равняться величине сигнала x.
макс
макс
мин
макс
мин
Рассмотрим работу отдельных элементов регулятора и устройства в целом. Индикатор 1 экстремумов (авт.св. 482757. Б.И. №32, 1975) работает следующим образом. При изменении регулируемой координаты, например в сторону уменьшения, на выходе элемента 17 запоминается сигнал х при х<(х+а), где а - 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.
макс
мин
0
э
0
э
Релейный блок 3 (двухконтактное реле) обеспечивает коммутацию x х по команде с выхода элемента 16 сравнения на вход сумматора 4. Последний выполнен по схеме дроссельного сумматора. Его выход равен (1-k)·х+k·x, где k=d/(d+b), d и b - проводимости дросселей сумматора, x и х - сигналы, действующие на входах сумматора 4.
0
э
0
0
э
Нуль-орган 2 формирует на своем выходе сигнал «0» или «1» в зависимости от того больше или меньше нуля сумма сигналов х+k·(х-х)-х=(1-k)·х+k·х+х, действующая на его входах.
Усилитель 5 обеспечивает формирование сигнала управления в соответствии с соотношением (2). На его первом входе действует сумма сигналов с выхода интегратора 7 и третьего источника постоянного сигнала 11, а на втором и третьем входах соответственно выходные сигналы первого 8 и второго 9 источников постоянных сигналов, коммутируемых через переключатель 10 - двухконтактное реле, переключения которого осуществляются выходным сигналом нуль-органа 2.
max
min
Блок вычисления среднего значения 6 имеет три входа и может быть реализован, например, так, как показано на фиг.2. Он содержит дроссельный сумматор 24, работающий по принципу сумматора 4 (1-k2)·x+k2·x(t), повторители-усилители мощности 22 и 23, два клапана 20 и 21, с помощью которых запоминаются сигналы
мах
min
min
min
мах
мах
min
min
мах
min
мах
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 х. Действительно, если сигнал х изменяется от нуля в сторону увеличения х=0. Выходной управляющий сигнал индикатора экстремумов 1 равен «1». Поэтому сигнал x=0 запоминается в индикаторе экстремумов 1 и проходит через открытый контакт клапана 20, через повторитель 22 и сумматор 24 на вход интегратора 7. Сигнал х также равен нулю, и он тоже запоминается с помощью клапана 21 и повторителя 23. Когда появляется х≠0, выходной сигнал индикатора экстремумов принимает значение «0». В результате клапан 20 закрывается и сохраняет x=0 на выходе повторителя 22, до появления следующего сигнала х. Сигнал х появляется на выходе клапана 21. Затем при очередном появлении сигнала х сигнал х запомнится на полпериода автоколебаний сигнала х. Далее цикл повторяется.
0
Интегратор 7 содержит повторитель 25, усилитель 26, дроссель 27 и пневмоемкость 28. 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 линейно нарастающий сигнал, пропорциональный разности двух сигналов, действующих на его входах.
Усилитель 5 помимо элемента 29 содержит дроссельный сумматор 19, работающий также по принципу сумматора 2, входами которого являются сигналы с выхода интегратора 7 и третьего источника постоянного сигнала 11 и два постоянных дросселя 30 и 31, необходимых для сброса давления из камер элемента 29 после срабатывания переключателя 10. На входы усилителя 5 также поступают два сигнала с источников сигналов 8 и 10, которые коммутируются через переключатель 9 (трехконтактное реле), управляемый выходным сигналом нуль-органа 2. В результате на выходе усилителя формируется сигнал в соответствии с уравнением (2).
min
0
Работу регулятора в целом рассмотрим с привлечением фиг.1 и 2. Пусть сигнал х 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)х>0 и на его выходе «1». Этот сигнал открывает верхний контакт переключателя 10, чем обеспечивается коммутация сигнала источника постоянного сигнала 9 на вход элемента 29. Этот сигнал суммируется с сигналом, действующим на выходе сумматора 19, который равен сумме сигналов
,
0
э
мах
min
мах
где В2 - сигнал, формируемый источником 11, а В3 - выходной сигнал интегратора 7, умноженный на коэффициент k3. В результате выходной сигнал усилителя 5 равен U=В1+В3+В4, где В4 - выходной сигнал источника 9. Одновременно в момент включения регулятора выходной управляющий сигнал индикатора экстремумов 1 воздействует на элементы блока 6, открывая клапан 20 и закрывая клапан 21. В результате на выходе сумматора 24 сохраняется нулевой выходной сигнал. Как только входной сигнал х достигнет величины (1-k)х, нуль-орган 2 принимает исходное состояние, переключатель 10 также принимает исходное состояние и на вход элемента 2 коммутируется сигнал с источника 8. В результате выходной сигнал регулятора становится равным U=B1+B3-B5, где В5 - выходной сигнал источника 8, который в частном случае может быть равен выходному сигналу источника 9. Далее при появлении экстремального значения входного сигнала регулятора х=x выходной управляющий сигнал индикатора экстремумов 1 вновь становится равным «0». В результате клапан 20 закрывается, x запоминается в повторителе 22, а клапан 21 открывается, обеспечивая прохождение сигнала х через повторитель 23 и сумматор 24 на вход интегратора 7. Далее цикл повторяется.
Работа регулятора 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·х′+0.5·х=U.
0
mах
0
Коэффициенты и выходные сигналы источников сигналов были следующими х=0.8, k=0.2, k1=0.001, k2=0.5, k3=0.5, B1=0.6, B2=0.2, B3=0.2. На фиг.3 видно, что в момент включения, поскольку входной сигнал интегратора велик (он равен 0.4, так как экстремальные значения входной координаты равны нулю), его выходной сигнал быстро нарастает до момента появления первого х. Одновременно происходит смещение управляющего воздействия U в соответствии с уравнением (2). Первое переключение управления происходит с «недоходом» регулируемой координаты х до величины х=0.8 (переключение происходит, когда сигнал х=0.64). 3атем скорость нарастания выходного сигнала интегратора уменьшается. Автоколебания в системе становятся симметричными, и статическая ошибка исчезает.
Настройка регулятора связана с установками коэффициента k и выходных сигналов источников 8, 9 таким образом, чтобы амплитуда автоколебаний в системе была бы не больше заданной. Выходной сигнал источника 11 устанавливается произвольно, но не больше предельного значения, при котором среднее значение оказывается больше задания. Интегратор настраивается так, чтобы процессы в системе были сходящимися.
Регулятор может использоваться для генерации симметричных автоколебаний, а также в релейных системах управления технологическими процессами, автоматически обеспечивая необходимую точность в установившемся режиме работы. В этом и проявляются адаптивные свойства заявляемого устройства.