Пропорціонально-інтегрально-диференціальний регулятор з додатковою керуючою дією

Реферат: Винахід належить до автоматики і може бути використаний для керування технологічними об'єктами із запізнюванням. Пропорціонально-інтегрально-диференціальний регулятор з додатковою керуючою дією містить блок порівняння, який з'єднаний з функціональними блоками пропорціонального, диференціального та інтегрального перетворювання з відповідними пристроями для їх настройки, а також перший та другий суматори. При цьому вихід блока інтегрального перетворювання з'єднаний з першим входом другого суматора. В нього додатково введений другий блок диференціального перетворювання. При цьому виходи блока пропорціонального перетворювання та першого блока диференціального перетворювання з'єднані з входами першого суматора. Вихід першого суматора підключений до другого входу другого суматора та одночасно з'єднаний з входом другого блока диференціального перетворювання, вихід якого з'єднаний з третім входом другого суматора. Вихід другого суматора є виходом регулятора. Регулятор забезпечує підвищення якості та стійкості автоматичного регулювання, а також розширення діапазону настройок при суттєвому спрощенні його структури. UA 101992 C2 (12) UA 101992 C2 UA 101992 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до автоматичних регуляторів з додатковою керуючою дією, які можуть бути використані для керування технологічними об'єктами із запізнюванням. Область застосування 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 запізнювання та де використовуються стандартні пропорціонально-інтегрально-диференціальні регулятори (ПІД-регулятори). Відомий пропорціонально-інтегрально-диференціальний регулятор детально проаналізований в технічній літературі (Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации // Современные технологии автоматизации. Часть 1. 2006, № 4. - С. 66-74; Часть 2. 2007, № 1. - С. 78-88), в якому величину розбіжності між завданим значенням та регульованим параметром об'єкта обчислюють окремо для пропорціональної, інтегральної та диференціальної складових, при цьому величину завдання на пропорціональну та диференціальну складові перемножують на вагові коефіцієнти, які для кожного об'єкта необхідно підбирати та настроювати індивідуально. Якщо проблему визначення настройок стандартного ПІД-регулятора можна рахувати значною мірою вирішеною, то визначення додатково ще двох вагових коефіцієнтів є проблемою достатньо складною, і це є основним недоліком такого виду ПІД-регуляторів. При значеннях вагових коефіцієнтів близько одиниці позитивний ефект їх застосування зовсім зникає. Неможливість установки оптимальних настройок регулятора не може забезпечити якісний процес регулювання. Відомий ПІД-регулятор, який включає додатково на лініях подачі завдання інерційні (динамічні) блоки замість звичайних пропорціональних блоків, що дає можливість плавно змінювати завдання регулятора, але така заміна не позбавляє вказаних вище їх недоліків (Пат. № 2157558 RU, МПК G05B11/36. Супервизорный пропорционально-интегральнодифференциальный регулятор / Говоров А.А., Кузьмичев Е.В., Говоров С.А.; - № 99125533/09; завл. 06.12.99; опубл. 10.10.00). До загальних недоліків вказаних вище регуляторів належить наявність в їх перехідних процесах автоматичного регулювання суттєвих динамічних відхилень, що не завжди відповідає вимогам з якості регулювання, а також необхідність визначення додаткових параметрів настройок цих регуляторів. Відомий також пропорціонально-інтегрально-диференціальний регулятор (Пат. № 2234116 С1 RU, МПК G05B11/36. Пропорционально-интегрально-дифференциальниьгй регулятор / Лубенцова Е.В.; - № 2002135205/09; завл. 24.12.02; опубл. 10.08.04), який включає блок порівняння, блок задання регулятора, два пропорціональних 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 ефекту, що досягається, до запропонованого ПІДрегулятора з додатковою керуючою дією є ПІД-регулятор, що включає блоки пропорціонального, інтегрального та диференціального перетворювання, 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 підключені до третього входу другого суматора [Пат. 1835215 A3 SU. МПК 6 G05B11/36. Пропорціонально-інтегрально-диференціальний регулятор / Авдєєв І.О., Авдєєв О.Н., Башкіров В.І.; - № 4943229/24; заявл. 05.05.91; опубл. 20.02.96. Бюл. № 5] (прототип). Прототип працює наступним чином. Сигнал розбіжності Y(t) між значеннями регульованого параметра Y(t) та його заданим значенням Yзд подається одночасно на три блоки ПІД-регулятора, 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. 1 UA 101992 C2 Передаточна функція цього регулятора має наступний вигляд:   1 Ws   KP   TД  s     Ti  s   5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 1  e1  2 s Tc  s , (1) де КР, Tі, ТД - параметри настройки ПІД-регулятора; 1 - час запізнювання об'єкта керування; 2 - час запізнювання ланцюга зворотного зв'язку; Тс - стала часу замкнутої системи. В даному найближчому аналогу не з'ясовані питання якості процесу регулювання, тобто максимальне динамічне відхилення та час регулювання, а також не визначено залежності 2 четвертого параметру настройки цього регулятора від сталих характеристик об'єкта керування і, в першу чергу, від 1 - часу запізнювання об'єкта. Задачею винаходу є удосконалення ПІД-регулятора 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 другої похідної, що підвищує якість автоматичного регулювання, а також розширення діапазону його настройок та суттєве спрощення структури регулятора. Поставлена задача вирішується тим, що в пропорціонально-інтегральнодиференціальний регулятор з додатковою керуючою дією, що містить блок порівняння, який з'єднаний з функціональними блоками пропорціонального, диференціального та інтегрального перетворювання з відповідними пристроями для їх настройки, а також перший та другий суматори, при цьому вихід блока інтегрального перетворювання з'єднаний з першим входом другого суматора, згідно з винаходом додатково введений другий блок диференціального перетворювання, при цьому виходи блока пропорціонального перетворювання та першого блока диференціального перетворювання з'єднані з входами першого суматора, вихід якого підключений до другого входу другого суматора та одночасно з'єднаний з входом другого блока диференціального перетворювання, вихід якого з'єднаний з третім входом другого суматора, а вихід другого суматора є виходом регулятора. Функціональна схема пропорціонально-інтегрально-диференціального регулятора з додатковою керуючою дією диференціатора другої похідної представлена на фіг. 1. Регулятор містить блок порівняння 1, який з'єднаний з функціональними блоками пропорціонального 2, першим блоком диференціального 3 та інтегрального перетворювання 4 з відповідними пристроями для їх настройки, а також перший суматор 5 та другий суматор 6, при цьому вихід блока інтегрального перетворювання 4 з'єднано з першим входом другого суматора 6, регулятор у відповідності з винаходом додатково містить другий блок диференціального перетворювання 7, при цьому виходи блока пропорціонального перетворювання 2 та першого блока диференціального перетворювання 3 з'єднані з входами першого суматора 5, вихід якого підключено до другого входу другого суматора 6 та одночасно з'єднано з входом другого блока диференціального перетворювання 7, вихід якого підключено до третього входу другого суматора 6, вихід цього суматора є виходом регулятора. Запропонований ПІД-регулятор працює наступним чином. На вхід блока порівняння 1 подається вимірювальний сигнал регульованого параметра Y(t). До другого входу цього блока підключено сигнал від задатчика Yзд. Блок порівняння фактично виконує операцію віднімання та обчислює сигнал розбіжності Y(t)=Y(t)-Yзд. (2) Входом пропорціонально-інтегрально-диференціального регулятора є сигнал розбіжності Y(t), який подається на входи блоків пропорціонального 2, першого диференціального 3 та інтегрального перетворювання 4, при цьому вихідні сигнали блоків пропорціонального 2 та першого диференціального перетворювання 3 підсумовуються у суматорі 5, вихідний сигнал якого подається на один із входів другого суматора 6 і одночасно на вхід другого блока диференціального перетворювання 7. На інший вхід суматора 6 подається сигнал від блока інтегрального перетворювання 4. Вихідний сигнал другого блока диференціального перетворювання 7, який диференціює вихідний сигнал суматора 5, є пропорціональним другій похідній і подається на третій вхід другого суматора 6. Вихідний сигнал другого суматора 6 є керуючим сигналом U(t) цього регулятора. Передаточна функція такого регулятора має вид: Ws   K P  55 1   1  TД  s  K P  TД  s  K Д  s Ti  s , (3) де КД - час диференціювання другого блока диференціального перетворювання - четвертий параметр настройки цього регулятора. 2 UA 101992 C2 Після проведення нескладного перетворення: Ws   K P  5 10 15 25 30 35 40 45  . (4) Виходячи з закону регулювання, цей регулятор можна назвати «пропорціональноінтегрально-диференціальним з додатковою керуючою дією другої похідної» або скорочено ПІДД2 - 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 КР, Ті, ТД ПІД-Д2-регулятора розраховують аналогічно визначенню настройок стандартного ПІД-регулятора, а значення часу диференціювання другого блока диференціального перетворювання КД повинно дорівнювати половині загального часу запізнювання об'єкту керування 1. Для виявлення позитивних характеристик запропонованого ПІД-регулятора з додатковою керуючою дією другої похідної на ПЕОМ було проведено порівняльні моделювання автоматичних систем регулювання технологічного об'єкта з запізнюванням з використанням різних видів регуляторів. Як об'єкта автоматизації було використано теплообмінний апарат з динамічними характеристиками, які представлені математичною моделлю у вигляді передаточної функції: Ws  20  1  TД  K P  K Д  s  TД  K Д  s2 Ti  s 1.2  e4s 4  s  1  10  s  1 . (5) На ПЕОМ були складені моделі автоматичних систем регулювання з врахуванням передаточних функцій запропонованого ПІД-Д2-регулятора (1) та прототипу (2). На фіг. 2 представлені перехідні процеси регулювання. Час перехідного процесу регулювання обидва регулятори дають практично однаковий, а максимальне динамічне відхилення Y1mах, що є основним показником якості автоматичного регулювання, у випадках використання запропонованого ПІД-регулятора з додатковою керуючою дією другої похідної становить 3,1 %, а при використанні прототипу - 4,7 % при нанесенні на об'єкт з коефіцієнтом передачі К0=1,2 %/% ступеневої збурюючої дії величиною 10 %. Отже, зменшення максимального динамічного відхилення Y1mах при використанні ПІД-Д2регулятора складає 34 % в порівнянні з прототипом. Перехідний процес регулювання при використанні цього регулятора з оптимальними настройками містить меншу кількість коливань, що свідчить про більшу стійкість такої системи регулювання. Відзначимо також, що значення Y1mах ПІД-Д2 регулятор дає на 18,4 % менше, ніж стандартний ПІД-регулятор, та ще на 20 % менше час регулювання. Отже, із проведеного порівняльного моделювання маємо висновок, що найкращу якість автоматичного регулювання дає ПІД-Д2 регулятор, який заявляється, тобто цей регулятор дає найменше максимальне динамічне відхилення Y1 в порівнянні з іншими регуляторами, а також з об'єктами автоматизації складає більш стійкі системи регулювання. Враховуючи вище зазначені позитивні якості запропонованого ПІД-Д2-регулятора, можна з метою покращення якості процесу регулювання у випадках використання ПІД-регулятора замінити цей регулятор 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 запізнювання та де використовуються стандартні ПІДрегулятори. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Пропорціонально-інтегрально-диференціальний регулятор з додатковою керуючою дією, що містить блок порівняння, який з'єднаний з функціональними блоками пропорціонального, диференціального та інтегрального перетворювання з відповідними пристроями для їх настройки, а також перший та другий суматори, при цьому вихід блока інтегрального перетворювання з'єднаний з першим входом другого суматора, який відрізняється тим, що в нього додатково введений другий блок диференціального перетворювання, при цьому виходи блока пропорціонального перетворювання та першого блока диференціального перетворювання з'єднані з входами першого суматора, вихід якого підключений до другого входу другого суматора та одночасно з'єднаний з входом другого блока диференціального 3 UA 101992 C2 перетворювання, вихід якого з'єднаний з третім входом другого суматора, а вихід другого суматора є виходом регулятора. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4