Пропорційно-інтегрально-диференційний регулятор з додатковою керуючою дією

Пропорційно-інтегрально-диференційний регулятор, який включає блок порівняння, функціональні блоки пропорційного, інтегрального та диференційного перетворювання з відповідними пристроями для їх настройки, при цьому виходи цих функціональних блоків з'єднані з трьома входами першого суматора, вихід якого з'єднано з входом другого суматора, який відрізняється тим, що він додатково містить другий блок диференціювання, вхід якого з'єднаний з виходом блока пропорційного перетворювання, а вихід його з'єднано з другим входом другого суматора, вихід котрого є виходом регулятора. (19) (21) a201007914 (22) 24.06.2010 (24) 11.07.2011 (46) 11.07.2011, Бюл.№ 13, 2011 р. (72) БЛОНСЬКИЙ СТЕПАН ДЕНИСОВИЧ, ПЕТРОВА НАТАЛІЯ СЕРГІЇВНА, ШУТЬ ОЛЕКСАНДР ФЕЛІКСОВИЧ (73) ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД "УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКОТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ" (56) SU 1835215 A3; 20.02.1996 RU 2157558 C1; 10.10.2000 RU 2234116 C1; 10.08.2004 UA 44723 U; 12.10.2009 RU 2047887 C1; 10.11.1995 CN 101436035 A; 20.05.2009 3 95197 Відомий також пропорційно-інтегральнодиференційний регулятор (Пат. №2234116 С1 RU, МПК G05B11/36. Пропорционально-интегральнодифференциальниый регулятор /Лубенцова Е.В.; №2002135205/09; завл. 24.12.02; опубл. 10.08.04), який включає блок порівняння, блок задання регулятора, два пропорційних блоки, інтегратор та диференціатор, а також два блоки множення, три суматори, чотири обмежувачі, блок визначення модуля та нелінійний блок з зоною нечутливості, а також елемент «АБО». В порівнянні зі стандартним ПІД-регулятором цей регулятор відрізняється суттєвою структурною та конструктивною складністю, що знижує надійність його роботи. Суттєвим для цього регулятора є також питання установки оптимальних настройок. Окрім чотирьох настройок основних функціональних блоків, регулятор має інші блоки, які потребують додаткових настройок індивідуально для кожного об'єкта керування. Якщо ж регулятор не забезпечено оптимальними настройками, то якісного процесу регулювання досягнуто не буде. Найбільш близьким за технічною суттю та ефектом, що досягається, до запропонованого ПІД-регулятора з додатковою керуючою дією є ПІД-регулятор, що включає блоки пропорційного, інтегрального та диференційного перетворення, виходи яких з'єднані з входом першого суматора, два інвертори, блок інтегрування, блок затримки, другий суматор, перший вхід якого з'єднаний з виходом першого суматора, а вихід є виходом регулятора та через послідовно з'єднані перший інвертор та блок інтегрування з'єднаний з другим входом другого суматора, вихід другого блока інтегрування через послідовно з'єднані другий інвертор та блок затримки з'єднаний з третім входом другого суматора [Пат. 1835215 A3 SU. МПК 6 G05B11/36. Пропорционально-интегральнодифференциальный регулятор /Авдеев И.О., Авдеев О.Н., Башкиров В.И.; - №4943229/24; заявл. 05.05.91; опубл. 20.02.96. Бюл. №5] (найближчий аналог). Найближчий аналог працює наступним чином. Сигнал розбіжності Δz(f) між значеннями регульованого параметра z(t) та його заданим значенням zзд подається одночасно на три блоки ПІДрегулятора, які і формують основний керуючий сигнал. Далі, завдяки наявності другого суматора, до основного керуючого сигналу додається керуюча дія сигналів зворотного зв'язку, які отримують від другого інтегратора, підключеного до виходу регулятора через інвертор, та блока затримки, підключеного через інвертор до виходу другого інтегратора. Передавальна функція цього регулятора має наступний вигляд:   1 Ws   К Р   Т Д  s    Ті  s   1 1 ,   1   2  s (1) 1 e TC  s де К Р , Ті , Т Д - параметри настройки ПІДрегулятора; 1 - час запізнення об'єкта керування; 4  2 - час запізнення ланцюга зворотного зв'язку; TC - стала часу замкнутої системи. В даному прототипі не з'ясовані питання якості процесу регулювання, тобто максимальне динамічне відхилення та час регулювання, а також не визначено залежності  2 - четвертого параметра настройки цього регулятора від сталих характеристик об'єкта керування і, в першу чергу, від 1 часу запізнення об'єкта. Задачею винаходу є удосконалення ПІДрегулятора з метою зменшення величини максимального динамічного відхилення в перехідних режимах автоматичних систем регулювання та підвищення запасу усталеності цих систем за рахунок додаткової керуючої дії диференціатора, а також суттєве спрощення структури регулятора. Поставлена задача досягається тим, що відомий пропорційно-інтегрально-диференційний регулятор, який включає блок порівняння, вихід якого підключений до входів блока пропорційного перетворення, блока інтегрування та першого блока диференціювання, виходи яких з'єднані з входами першого суматора, вихід якого з'єднано з входом другого суматора, відповідно до винаходу він додатково містить другий блок диференціювання, вихід його з'єднано з другим входом другого суматора, а вхід блока диференціювання підключено до виходу блока пропорційного перетворення, а вихід другого суматора є виходом регулятора. Функціональна схема пропорційноінтегрально-диференційного регулятора з додатковою керуючою дією диференціатора представлена на фіг.1. Він включає блок порівняння 1, вихід якого з'єднано з блоком пропорційного перетворення 2, блоком інтегрування 3 та першим блоком диференціювання 4, виходи котрих підключені відповідно до трьох входів першого суматора 5, а його вихід підключено до одного з входів другого суматора 6. До другого входу суматора 6 підключено вихід другого блока диференціювання 7, вхід якого з'єднано з виходом блока пропорційного перетворення 2, а вихід другого суматора 6 є виходом цього регулятора. Запропонований ПІД-регулятор працює наступним чином. На вхід блока порівняння 1 подається вимірювальний сигнал регульованого параметра z(t). До другого входу цього блока підключено сигнал від задатчика zзд. Блок порівняння фактично виконує операцію віднімання та обчислює сигнал розбіжності z(t) = z(t) - zзд. (2) Входом пропорційно-інтегральнодиференційного регулятора є сигнал розбіжності z(t), який подається на входи блоків 2, 3 та 4; вихідні сигнали цих блоків підсумовуються у суматорі 5, вихід якого є сигналом керування стандартного ПІД-регулятора. Цей вихідний сигнал подається на один із входів другого суматора 6. На інший вхід суматора 6 подається додатковий керуючий сигнал від другого диференціатора 7, який 5 диференціює вихідний сигнал блока пропорційного перетворення 2. Вихідний сигнал другого суматора 6 є керуючим сигналом U(t) цього регулятора. Передавальна функція такого регулятора має вигляд: 1 Ws   К P   TД  К P  К Д  s , (3) Ti  s де К Д - час диференціювання другого диференціатора - четвертий параметр настройки цього регулятора. Виходячи з закону регулювання, цей регулятор можна назвати «пропорційно-інтегральнодиференційно-диференційний» або скорочено ПІД-Д-регулятор, що відповідає назвам чотирьох основних функціональних блоків цього регулятора. Запропонований регулятор може бути побудований з пневматичних елементів та блоків, а також реалізований у вигляді алгоритму керування, який відповідає його закону регулювання у мікропроцесорних контролерах. Оптимальні настройки К Р , Ті , Т Д ПІД-Дрегулятора розраховують аналогічно визначенню настройок стандартного ПІД-регулятора, а значення часу диференціювання другого диференціатора К Д повинно дорівнювати загальному часу запізнення об'єкта керування. Для виявлення позитивних характеристик запропонованого ПІД-Д-регулятора в пакеті прикладних програм MATLAB було проведено порівняльні моделювання автоматичних систем регулювання технологічного об'єкта з запізненням з використанням різних видів регуляторів. Враховуючи, що ПІД-регулятор має найбільш поширене практичне використання, в першу чергу провели порівняння перехідних процесів регулювання ПІД-Д регулятора зі стандартним ПІДрегулятором та прототипом при їх оптимальних параметрах настройки. На фіг.2 представлені перехідні процеси регулювання. Час перехідного процесу регулювання всі регулятори дають практично однаковий, а максимальне динамічне відхилення F1max, що є осно 95197 6 вним показником якості автоматичного регулювання, у випадках використання відповідно стандартного ПІД-регулятора, прототипу та запропонованого ПІД-Д регулятора становить 5,21%; 4,85% та 3,92% при нанесенні на об'єкт ступеневої збурюючої дії величиною 10%. Відзначимо також, що значення Y1max ПІД-Дрегулятор дає на 24,8% менше, ніж стандартний ПІД-регулятор, та на 19,1% менше, ніж значення максимального динамічного відхилення прототипу, що слід вважати суттєвим покращенням якості автоматичного регулювання. Проведено також моделювання процесу регулювання з використанням пропорційноінтегрального регулятора з додатковою керуючою дією диференціатора (ПІД-регулятора). В порівнянні зі стандартним ПІД-регулятором при настройках обох регуляторів на перехідний процес з 20%-вим перерегулюванням ПІД-Д-регулятор дає на 19,5% менше максимальне динамічне відхилення Y1, хоча за конструктивною складністю ці регулятори однакові. Отже, із проведеного порівняльного моделювання маємо висновок, що найкращу якість автоматичного регулювання дає ПІД-Д-регулятор, який заявляється, тобто цей регулятор дає найменше максимальне динамічне відхилення Y1 в порівнянні з іншими різновидами регуляторів. Оскільки запропонований ПІД-Д-регулятор дає мінімальне динамічне відхилення, то з метою покращення якості процесу регулювання можна запропонувати у випадках використання ПІДрегулятора замінити останній запропонованим винаходом. Промислова придатність запропонованого регулятора дуже широка. Він може бути використаним на хімічних та металургійних виробництвах, на виробництвах будівельних матеріалів, а також в багатьох галузях харчового виробництва і на інших виробництвах, де є об'єкти керування зі значним часом запізнення та де використовуються стандартні ПІД-регулятори. 7 95197 8 9 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 95197 Підписне 10 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601