Система автоматичного управління

Система автоматичного управління, яка містить елемент порівняння, перший вхід якого є входом системи, а другий вхід з'єднаний з виходом об'єкта управління, вхід якого підключений до виходу суматора, два підсилювача, де вихід першого підсилювача з'єднаний з першим входом суматора, інтегратор, диференціатор, до виходу якого першим входом підключений підсумуючий підсилювач, а його другий вхід зв'язаний з виходом елемента порівняння і входом диференціатора, два ключа, де інформаційний вхід першого ключа через другий підсилювач зв'язаний з виходом диференціатора, а інформаційний вхід другого ключа 29261 нопорогових компаратора, послідовно з'єднані суматор за модулем два і інвертор, два ключі, виходи яких з'єднані з третім та четвертим входами суматора, інформаційні входи - відповідно з виходами третього підсилювача і підсумуючого підсилювача, правлючі входи - відповідно з виходами суматора за модулем два і інвертора, вхід першого однопорогового компаратора і перший вхід підсумуючого підсилювача - з виходом елемента порівняння, другий вхід підсумуючого підсилювача з'єднаний з виходом диференціатора, вихід - з входом другого однопорогового компаратора, вихід якого з'єднаний з першим входом суматора за модулем два, другий вхід якого з'єднаний з виходом першого однопорогового компаратора (див. ав. св. СРСР № 1836659, М. кл. G05B11/42, 1993). Коригувальний сигнал в цій системі виробляється на основі аналіза її стану, де виділяються дві ситуації: перша - вихідна величина об'єкта управління відхиляється від заданого значення чи повертається до нього, але помилка непогодження ще має велике значення; друга - вихідна величина повертається до заданого значення при малому значенні помилки непогодження. В першій ситуації на основі суми помилки непогодження і її похідної формується коригувальний сигнал як попереджуючий, форсуючий перехідний процес в системі. В другій ситуації на основі похідної помилки непогодження формується коригувальний сигнал, який своєчасно гальмує та сприяє заспокоєнню системи в момент досягнення вихідною величиною об'єкта управління заданого значення. Описаний пристрій виявляється найбільш близьким пристроєм того же призначення до запропонованого винаходу за сукупністю ознак, внаслідок чого прийнятий за прототип. Недоліком даної системи автоматичного управління є те, що при зменшенні відхилення вихідної величини об'єкта управління від заданого значення і початку її прискореного повернення до заданого значення, інтегральна складова правлючого діяння регулятора виходить менше чим потрібно системі в стані рівноваги. В результаті чого друга ситуація перехідного процеса триває довго, доки інтегральна складова не досягне необхідного значення, що негативно впливає на якість управління. В основу винаходу поставлена задача створення системи автоматичного управління, в якій досягається підвищення якості управління шляхом збільшення швидкодії при одночасному усуненні перерегулювання і коливальності перехідного процесу. Поставлена задача вирішується тим, що в систему автоматичного управління, яка містить елемент порівняння, перший вхід якого є входом системи, а другий вхід з'єднаний з виходом об'єкта управління, вхід якого підключений до виходу суматору, два підсилювача, де вихід першого підсилювача з'єднаний з першим входом суматора, інтегратор, диференціатор, до вихода якого першим входом підключений підсумуючий підсилювач, а його другий вхід зв'язаний з виходом елемента порівняння і входом диференціатора, два ключа, де інформаційний вхід першого ключа через другий підсилювач зв'язаний з виходом диференціатора, а інформаційний вхід другого ключа підключений до вихода підсумуючого підсилювача, два однопорогових компаратора, входами зв'язані: перший - з виходом елемента порівняння, а другий - з виходом підсумуючого підсилювача, причому до виходів однопорогових компараторів підключені входи суматора за модулем два, вихід якого з'єднаний з правлючим входом першого і через послідовно з'єднаний інвертор - другого ключів, згідно з винаходом, в неї додатково уведені другий елемент порівняння і послідовно з'єднані другий підсумуючий підсилювач і другий інтегратор, вихід якого з'єднаний з третім входом суматора, другий вхід якого підключений до виходу другого підсумуючого підсилювача, першим і другим входами з'єднаний з виходами першого і другого ключів відповідно і до виходу першого елемента порівняння підключені послідовно з'єднані перший інтегратор і другий елемент порівняння, другий вхід якого зв'язаний з виходом об'єкта управління, а вихід - з входом першого підсилювача. Сукупність усіх істотних ознак пропонуємої системи автоматичного управління, включаючи відмінні, забезпечить підвищення якості управління об'єктом при одночасному усуненні перерегулювання і коливальності перехідного процесу. Суть складається у наступному. Перший підсумуючий підсилювач формує вихідну напругу & пропорційно виразу ( e + k × e ) де e - помилка непогодження на виході першого елемента порівняння, & e - її перша похідна на виході диференціатора, k – постійний коефіцієнт. Однопорогові компаратори перетворюють аналогові вхідні сигнали в логічний сигнал: якщо вхідний сигнал менший чи рівний нулю, то на виході однопорогового компаратора має місце сигнал логічного "0", а при позитивному вхідному сигналі - сигнал логічної "1". Ці сигнали надходять до входів суматора за модулем два, вихід котрого, як відомо, рівний "О" при однакових вхідних сигналах (обидва логічні "0", чи логічні "1") і "1" - при різних значеннях вхідних сигналів ("0" і "1" чи "1" і "0"). Функція суматора за модулем два полягає в аналізі стану системи автоматичного управління. Суматор за модулем два визначає, яка ситуація має місце: відхиляється вихідна величина від заданого значення чи повертається до нього. При цьому, завдяки вихідній напрузі першого підсумуючого підсилювача, ураховуючи, як значення & e, так і її похідної e , суматор за модулем два одержує можливість визначити дві важливі ситуації системи автоматичного управління: перша – вихідна величина відхиляється від заданого значення чи повертається до нього, але помилка непогодження e має ще велике значення - в цьому випадку на виході суматора за модулем два існує сигнал логічного "0"; друга - вихідна величина повертається до заданого значення і помилка непогодження достатньо мала - на виході суматора за модулем два існує сигнал логічної "1". Оскільки вихідний сигнал суматора за модулем два управляє роботою обох ключів, то в залежності від ситуації в системі автоматичного управління на вході суматора, як коригувальний сигнал, надходить чи похі& дна e, чи сума ( e + k × e ), що підвищує якість перехідного процесу в системі автоматичного управління. 2 29261 скорене повернення до заданого значення зменшує значення помилки непогодження в плину часу перехідного процеса і, відповідно, зменшується значення інтегральної складової правлючого діяння ланцюжкового регулятора. В результаті процес точного наближення вихідної величини об'єкта управління затягується до тих пір, поки інтегральна складова не досягає значення, при якому вихідна величина буде рівна заданому значенню. Для усунення такого затягування перехідного процесу формуємий коригувальний сигнал одночасно з подачею на другий вхід суматора подається також на вхід другого інтегратора. Вихідний сигнал останнього, який поданий на третій вхід суматора, доповнює зменшене значення інтегральної складової правлючого діяння ланцюжкового регулятора до необхідного значення, при якому вихідна величина об'єкта управління точно рівна заданому значенню. Такий характер формування коригувального сигналу і її інтегрування в плині перехідного процесу сприяє рішенню поставленої задачі. Проведений автором аналіз рівня техніки дозволив встановити, що аналог, який містить ознаки, тотожні усім суттєвим ознакам запропонованої системи автоматичного управління, відсутній. Таким чином, запропонована система автоматичного управління відповідає критерію "новизна". Результати пошуку відомих рішень у даній та суміжних областях техніки для виявлення ознак, що співпадають з відмінними від прототипу ознаками запропонованої системи автоматичного управління, показали, що вони не слідують явним чином з рівня техніки. З виявленого автором рівня техніки не виявлена відомість впливу передбачених суттєвими ознаками запропонованого винаходу, переутворень на досягнення указаного технічного результату. Слідовно, запропонована система автоматичного управління відповідає умові "винахідницький рівень". На фіг. 1 приведена функціональна схема системи автоматичного управління; фіг. 2 - схема суматора за модулем два, де а – принципова схема, б - зображення на функціональній схемі, в – таблиця стану; фіг. 3 і 4 - криві перехідних процесів і коригувальних сигналів. Система автоматичного управління містить перший елемент 1 порівняння, перший інтегратор 2, другий елемент 3 порівняння, перший підсилювач 4, диференціатор 5, другий підсилювач 6, перший підсумуючий підсилювач7, перший і другий однопорогові компаратори 8 і 9, суматор 10 за модулем два, інвертор 11, перший ключ 12, другий ключ 13, другий підсумуючий підсилювач 14, другий інтегратор 15, суматор 16 і об'єкт управління 17. На фіг. 1 прийняти наступні позначки: Хзад задавальний сигнал; X - вихідна величина об'єкта & управління 17; e - помилка непогодження; e - похідна помилки непогодження; Uі - інтегральна складова правлючого діяння; Up - правлюче діяння ланцюжкового регулятора; Uд - диференційна складова коригувального сигнала; Uc - вихідна напруга першого гадсумуючого підсилювача 7; Uк – коригувальний сигнал; Uкі - додаткова інтегральна складова. Перший вхід першого елемента 1 порівняння з'єднаний з входом системи автоматичного управ При прикладанні навантаження на об'єкт управління помилка непогодження e зростає, сума & ( e + k × e ) має позитивне значення, і вихід суматора за модулем два рівний логічному "0". В цій ситуації & відкривається другий ключ і сума ( e + k × e ), яка & має велике значення завдяки похідній e , як попереджуючий користувальний сигнал надходить на вхід першого підсумуючого підсилювача, а з нього на вхід суматора, що сприяє зменшенню відхилення вихідної величини об'єкта управління. Далі, коли вихідна величина відхиляється на максима& & льне значення, то e =0, але сума ( e + k × e ) зберігає велике значення завдяки e, слідовно, коригувальний сигнал не зменшується, це сприяє прискореному поверненню вихідної величини до заданого значення. В процесі повернення вихідної величини до заданого значення, помилка e починає зменшува& тись і похідна e міняє знак. Відповідно, поступово & зменшується і сума ( e + k × e ). Перед досягненням вихідною величиною заданого значення сума & ( e + k × e ) переходить через нуль і стає негативною. Суматор за модулем два міняє значення вихода з "0" на "1", другий ключ закривається, а перший відкривається і на вхід першого підсукуючого підсилювача, а з нього на вхід суматора, як коррігува& льний сигнал тепер надходить похідна e , яка має вже негативне значення. Об'єкт управління гальмується. Слід підкреслити, що момент гальмування обов'язково наступає перед досягненням вихідною величиною заданого значення, оскільки в цій & ситуації e>0, а e 0 і ( e + e )>0 вихідний сигнал суматора 10 за модулем два рівний логічному "0", відкри& вається другий ключ 13 і сума ( e + e ), як попереджуючий коригувальний сигнал, надходить на вхід суматора 16. В момент часу t1 e приймає максима& льне значення, а e =0, далі e, яка зменшується по величині, залишається позитивною величиною, а e приймає все більш негативні значення. Але, до мо& мента t2 сума ( e + e ) зберігає позитивне значення і є коригувальним сигналом, який сприяє прискореному поверненню вихідної величини X до заданого значення. & В момент часу t2 сума ( e + e ) дорівнює нулю і далі стає негативною величиною. Тепер на входах суматора 10 за модулем два маються різні логічні сигнали "0" і "1", тому його вихідний сигнал приймає значення "1", що тягне за собою закриття другого ключа 13 і відкриття першого ключа 12. При цьому коригувальний сигналUк стає пропор& ційним похідний e і спричиняє гальмуючу дію перед досягненням вихідною величиною X заданого значення, що виключає перерегулювання. Якщо перерегулювання усе ж таки з'являється (наприклад, із-за коливань навантаження на об'єкт управління 17 коло момента часу t3), то на ділянці від t3 до t4 вихідна величина X відхиляється від заданого значення в верхню сторону. При цьому e & стає негативною, а сума ( e + e ), яка мала до того негативне значення, зростає за величиною. В результаті на виходах обох однопорогових компараторів 8 і 9 сигнал відсутній, а вихід суматора 10 за модулем два змінюється з логічної "1" на "0", що відповідає першому стану системи автоматичного управління - відхиленню вихідної величини X від заданого значення, Коригувальний сигнал через & відкритий ключ 13 визначається сумою ( e + e ), негативне значення якої сприяє зменшенню вихідної величини X, тим самим зменшує перерегулювання. & Сума ( e + e ) залишається негативною до момента t5, що сприяє більш швидкому поверненню вихідної величріни X до заданого значення. В мо& мент часу t5 сума ( e + e ) змінює знак, суматор 10 за модулем два змінює вихідний сигнал з "0" на "1", другий ключ 13 закривається, перший ключ 12 відкривається, і коригувальний сигнал Uк, пропор& ційний позитивному значенню e , спричиняє гальмуючу дію на об'єкт управління 17 перед досягненням вихідною величиною X заданого значення. При зменшенні навантаження на об'єкт управління 17 вихідна величина X відхиляється від заданого значення в верхню сторону. Це схоже з ділянкою перехідного процеса від t3 до t6 (фіг. 3). Характер дії коригувального сигналу при цьому залишається незмінним: спочатку коригувальний сигнал Uк з попередженням перешкоджує відхилен ході суматора 10 за модулем два в цей період обумовлює відкриття другого ключа 13, оскільки на виході інвертора 11 сигнал рівний "1". Завдяки цьому на вхід другого підсумуючого підсилюва& ча 14 надходить сигнал Uc=( e + k × e ), який і формує коригувальний сигнал Uk=Uc, який має той же знак, що і помилка непогодження e. Це сприяє зменшенню відхилення вихідної величини X від заданого значення і більш швидкому її поверненню до заданого значення. Після змінення вихідного сигнала суматора 10 за модулем два з "0" на "1" настає другий стан системи, при цьому відкривається перший ключ 12, а другий ключ 13 закривається. Внаслідок цього на вхід другого під сумуючого підсилювача 14 надхо& дить сигнал Uд=kд× e і формує коригувальний сигнал Uк=Uд, який має знак, протилежний знаку помилки непогодження e. Тому коригувальний сигнал Uк тепер виявляється гальмуючим. Це сприяє ефективному заспокоєнню системи автоматичного управління у новому усталеному стані. Своєчасне гальмування перед досягненням вихідної величини X заданого значення виключає перерегулювання і коливальність перехідного процесу. Зменшення відхилення вихідної величини X від заданого значення і її прискорене повернення до заданого значення в динамічних режимах перехідних процесів зменшує значення помилки непогодження e і відповідно зменшується значення інтегральної складової Ui правлючого діяння Up ланцюжкового регулятору. В результаті процес точного наближення вихідної величини X до заданого значення затягується до тих пір, поки інтегральна складова Ui не досягає значення, при якому вихідна величина X буде точно дорівнювати заданому значенню. Для усунення цього коригувальний сигнал Uк одночасно з подачею на другий вхід суматора 16 подається також на вхід другого інтегратора 15. Вихідний сигнал Uкi останнього, як доповнена інтегральна складова, подається на третій вхід суматора 16 і доповнює зменшене значення інтегральної складової Ui правлючого діяння Up ланцюжкового регулятора до необхідного значення, при якому вихідна величина X точно дорівнює заданому значенню. Тобто доповнена інтегральна складова Uкі діє і в статичному режимі при усталеному стані. Важливе значення для формування суми & ( e + k × e ) і визначення стану пропонуємої системи має коефіцієнт k. Перш усього він має розмірність часу, що необхідно для приведення в відповідність & обох складових: e і k e . Величина коефіцієнта k повинна визначатися тривалістю часу перемикання об'єкта управління 17 з одного руху на другий. Сенс такого визначення k складається в тому, що після змінення вихідного сигнала суматора 10 за модулем два з "0" на "1" достатньо часу для ефективного гальмування об'єкта управління 17 перед досягненням нового усталеного стану. Орієнтовно, значення коефіцієнта k може равнятися відрізку часу, протягом якого вихідна величина X об'єкта управління 17 досягає 10% усталеного значення по кривій розгона при стрибкообразному зміненні сигнала на його вході. Формування коригувальних сигналів пояснюється графочасовими залежностями перехідних 5 29261 ці від t3 до t6 (фіг. 3) і далі ділянка від t5 до t8 (фіг. 4) аналогічна ділянці від 0 до t3 (фіг. 3). Таким чином, в пропонуємій системі автоматичного управління поряд з формуванням ефективного коригувального сигналу в динамічних режимах перехідних процесів, формується сигнал доповнюючої інтегральної складової, чим досягається підвищення якості управління шляхом збільшення швидкодії при одночасному усуненні перерегулювання і коливальності перехідних процесів. Це дозволяє використовувати дану систему для автоматизації виробничих процесів та електропривода в хімічній, нафтохімічній, металургійній та інших галузях промисловості. Слідовно, запропонована система автоматичного управління є промислово придатною. Найменування елементів пристрою 1 - перший елемент порівняння 2 - перший інтегратор 3 - другий елемент порівняння 4 - перший підсилювач 5 - диференціатор 6 - другий підсилювач 7 - перший підсумуючий підсилювач 8 - перший однопороговий компаратор 9 - другий однопороговий компаратор 10 - суматор за модулем два 11 - інвертор 12 - перший ключ 13 - другий ключ 14 - другий підсумуючий підсилювач 15 - другий інтегратор 16 - суматор 17 - об'єкт управління ню вихідної величини X від заданого значення, потім сприяє прискореному її поверненню до заданого значення і перед досягненням заданого значення робить ефективне гальмування. При різкій зміні задавального сигналу Хзад характер дії коригувального сигналу Uк не змінюється, що зображено кривими перехідного процеса на фіг. 4. Тут помилка непогодження e з самого поча& тку має велике значення, а її похідна e , яка починається з нуля, потім одержує негативні значення, тому, коригувальний сигнал, заснований на пози& тивних значеннях суми ( e + e ) як форсуючий сигнал сприяє прискоренню розгона об'єкта управлін& ня 17 на ділянці від 0 до t1. Далі сума ( e + e ) стає негативною величиною і в момент часу t1 коригувальний сигнал Uк перемикається на гальмуючу & дію пропорційно похідній e . Слід підкреслити, що чим швидше відбувається розгон, тим більше зна& чення похідної e і тим раніше почнеться формування гальмуючого коригувального сигналу, про& порційного величині e . При цьому досягається своєчасне заспокоєння об'єкта управління 17 і виключається перерегулювання і коливальність перехідного процеса. Якщо перерегулювання усеж таки виникає, то на ділянці від t2 до t3 має місце перший стан системи і коригувальний сигнал Uк на основі негатив& ного значення суми ( e + e ) перешкоджує перерегулювання, сприяє прикореному поверненню вихідної величини X до нового заданого значення. А перед досягненням цього значення, з момента часу t4 коригувальний сигнал Uк спричиняє гальмуючу дію. Ділянка від t2 до t5 (фіг. 4) аналогічна ділян Фіг. 1 6 29261 Фіг. 2 Фіг. 3 7 29261 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 8