СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ С РЕВЕРСИВНЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ МЕХАНИЗМОМ
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL WITH REVERSIBLE ACTUATING MECHANISM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области управления непрерывными инерционными технологическими объектами с реверсивными электроприводными исполнительными механизмами, с использованием широтно-импульсной модуляции, в частности с помощью вычислительных технических средств (контроллеров), и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики.
Уровень техники
Известен способ автоматического управления с широтно-импульсным регулированием, заключающийся в том, что формируют скоростной сигнал ошибки регулирования, формируют широтно-импульсный сигнал из управляющего сигнала и периодического хронирующего сигнала, а управляющий сигнал формируют прямо пропорциональным отношению скоростного сигнала и сигнала ошибки (RU 2050575 С1, 20.12.1995, G05В 13/02).
Известный способ применительно к инерционным объектам не обеспечивает требуемое качество регулирования и надежность, так как не предусматривает возможность использования эффективных для таких объектов алгоритмов регулирования, например ПИД-закона.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ автоматического регулирования с широтно-импульсным модулятором и позиционным исполнительным механизмом путем преобразования регулятором ошибки регулирования в соответствии с заданным законом регулирования в управляющее воздействие, дальнейшего формирования широтно-импульсным модулятором серии импульсов, перемещающих исполнительный механизм в сторону «больше» или «меньше», воздействуя на объект регулирования, а также изменения минимальной длительности импульса с учетом модуля сигнала скорости изменения ошибки регулирования (RU 2325682 C1, 20.02.2007, G05В 11/28) (прототип).
Недостатком известного способа является низкое качество регулирования инерционных объектов из-за того, что не учитываются особенности конкретного закона регулирования, а также недостаточная надежность системы регулирования в связи с использованием алгоритма модуляции, предусматривающего избыточно частые включения двигателя исполнительного механизма.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения - повышение качества регулирования инерционных объектов и надежности.
Указанная цель достигается тем, что, в отличие от известного технического решения, в предлагаемом способе в каждом периоде модуляции рассчитывают в соответствии с законом регулирования приращение дискретного управляющего воздействия по значениям ошибки регулирования на границах предыдущих периодов модуляции и формируют один управляющий импульс с шириной, пропорциональной полученному приращению, величину периода модуляции выбирают в зависимости от инерционности объекта, а постоянную времени интегральной составляющей закона регулирования задают пропорционально выбранному периоду модуляции.
Описание чертежей
Реализация и особенности предлагаемого способа иллюстрируются чертежами.
Фиг. 1. Схема регулирования с РИМ.
Фиг. 2. Циклограмма управления РИМ.
Фиг. 3. Кривые разгона объекта и аппроксимирующей модели.
Фиг. 4. Переходные процессы при различных интервалах модуляции.
М
М
М
а) T=1 с; б) T=4 с; в) T=10 с.
И
М
Фиг. 5. Влияние выбора Т на переходные процессы при Т=30 с.
И
а) Т=15,3 с - оптимальная для непрерывного регулирования;
И
б) Т=46,5 с - рассчитана по формуле (4).
Осуществление изобретения
Применение систем регулирования с использованием реверсивных исполнительных механизмов (РИМ) получило широкое распространение в промышленности. Схема регулирования с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для РИМ, реализующая предлагаемый способ, представлена на фиг. 1.
В начале каждого периода модуляции осуществляется расчет приращения управляющего воздействия U, например по дискретному алгоритму ПИД-регулирования, который запишем в следующем виде:
зад
где Е=Х-X - ошибка регулирования (в % шкалы переменной);
i - номер периода модуляции;
М
Т - период ШИМ, с;
П
К - коэффициент пропорциональной составляющей закона регулирования;
И
Д
Т, Т - постоянные времени интегральной и дифференциальной составляющих закона регулирования, с.
i+1
i+1
По полученному значению приращения ΔU рассчитывается ширина импульса S:
РИМ
где T - время полного хода исполнительного механизма, с.
i+1
Импульс выдается на соответствующий вход РИМ: «прямо» или «обратно» - в зависимости от знака величины ΔU (см. фиг. 2).
Основными факторами и параметрами, определяющими эффективность регулирования в рассматриваемых системах, являются:
- динамические характеристики объекта управления;
- период модуляции;
- разрешающая способность, определяемая быстродействием системы (временем выдачи дискретных воздействий на электропривод и их срабатывания) и временем полного хода РИМ;
- настройки алгоритма регулирования.
В основу способа положены результаты проведенного исследования на основе цифрового моделирования и оптимизации по интегральному критерию с использованием в качестве аппроксимирующей модели объекта управления апериодического звена 1-го порядка с запаздыванием, имеющего следующую передаточную функцию:
ОБ
где К - коэффициент усиления;
ЭКВ
Т - постоянная времени;
ЭКВ
τ - время «чистого» запаздывания.
ЭКВ
ЭКВ
Такая аппроксимация позволяет описывать широкий круг инерционных объектов, когда запаздывание τ и постоянная времени Т являются не фактическими, а эквивалентными. На фиг. 3 показан переходный процесс на скачкообразное воздействие по входу для сложного инерционного объекта (линия 1) и его аппроксимирующей модели (линия 2).
М
М
М
М
В рассматриваемых системах важнейшей задачей является выбор периода модуляции Т. Уменьшение Т до определенного уровня повышает качество регулирования (статическая и динамическая точность), но снижает надежность системы из-за увеличения частоты включения двигателя РИМ. Дальнейшее уменьшение Т, когда начинает сказываться разрешающая способность, вызывает увеличение статической ошибки. Выбору малого значения Т препятствуют также погрешности измерений и помехи.
М
ЭКВ
ЭКВ
РИМ
М
ЭКВ
М
ЭКВ
М
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,5</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Влияние периода модуляции Т на качество регулирования иллюстрируется примерами переходных процессов на скачкообразное изменение задания для Т=20 с, τ=10 с, Т=30 с (фиг. 4). Настройки регулирования здесь заданы равными значениям, оптимальным по интегральному критерию для непрерывного регулирования с аналоговым исполнительным механизмом. При значении отношения запаздывания к постоянной времени объекта
существенное ухудшение качества регулирования наступает, когда значение Т приближается к Т. Выбор оптимального Т предлагается осуществлять в зависимости от инерционности объекта: чем медленнее процесс (большие Т и отношение
), тем Т может иметь большее значение.
М
И
М
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,5</mn></mrow>
Установлено, что при реализации предлагаемого алгоритма (1) действие интегральной составляющей (в отличие от других составляющих) в значительной степени зависит от выбранного периода Т. Рекомендуется выбирать коэффициент Т пропорциональным Т: например, для объекта (3) с отношением
постоянная времени интегральной составляющей может быть определена так:
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>И</mi><mi>О</mi></msubsup></mrow>
где
- оптимальная настройка для непрерывного регулирования.
М
Особенно эффективно это для больших периодов модуляции. На фиг. 5 показаны переходные процессы для Т=30 с:
И
а) при настройке, оптимальной для непрерывного регулятора (Т=15,3 с);
И
б) при уточненной по формуле (4) настройке (Т=46,5 с).
Предлагаемый способ обеспечивает эффективное регулирование с использованием РИМ при достаточно большом периоде модуляции. Выбирая приемлемое качество регулирования, можно добиться существенного повышения надежности.
Проведенные контрольные расчеты для инерционных объектов более высокого порядка с запаздыванием показали, что полученные для 1-го порядка результаты подтверждаются и для более сложных объектов.
Для реализации способа может использоваться, например, регулирующий контроллер БАЗИС-21.2РР или другой из серии БАЗИС производства ЗАО «Экоресурс». Внедрение предлагаемого способа в серийно выпускаемых контроллерах серии БАЗИС намечено на 2014-2015 годы.