Устройство для настройки регуляторов
Патент 938256
Авторы
Классы МПК
Устройство для настройки регуляторов
Иллюстрации
Реферат
ОПИСДНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик и>938256 (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву (22)Заявлено 04.08.80 (21) 2967611/18-2ч с присоединением заявки,% (23) Приоритет (51)М. Кл .
С 05 В 11/26
1Ъоудоротвепаб комитет
СССР
N волом изобротеиий и открытия (53) УДК 62 50 (088. 8) Опубликовано 23.06.82. бюллетень М 23
Дата опубликования описания 25.06.82 (72) Автор изобретения
Л.А. Иванов
Специальное конструкторское бюро систем промышленной автоматики Чебоксарского:производственного объединения
"Промприбор" (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ -НАСТРОЙКИ РЕГУЛЯТОРОВ
Изобретение относится к технике автоматического регулирования и может быть использовано в устройствах, предназначенных для настройки промышленных автоматических регуляторов г5 с электрическими входными и выходными сигналами.
Известны устройства для настройки регуляторов (УНР), содержащие возбу- дитель колебаний, выполненный в виде последовательно соединенных релейного элемента и апериодического звена, и анализатор колебаний (1 3.
Известны также устройства, процедура настройки регуляторов которых ig с помощью УНР является итерационной 1.23
Недостатками известного УНР являются низкая точность, узкий диапазон возможных значений параметров наст-. ройки и низкий уровень эргономических покааателей, в частности, низкий показатель удобства обслуживания УНР оператором.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является уст.ройство для настройки регуляторов, содержащее первый задатчик, второй
:задатчик, блок управления, индикатор и последовательно соединенные третий задатчик, первый сумматор, релейный элемент, второй сумматор, первый преобразователь напряжения в частоту„ первый делитель частоты, первый счетчик, цифро-аналоговый преобразователь и усилитель, последовательно соединенные генератор опорной частоты, второй делитель частоты, второй счетчик, блок усреднения, первый регистр и первый цифровой отсчетный блок и последовательно соединенные второй регистр и второй цифровой отсчетный блок, выход первого сумматора подключен к входу индикатора, первый вход выходного усилителя соединен с вторым, входом второго сумматора, а второй вход - с первым выходом второго задатчика, первый выход
3 938256 блока управления подключен к второму входу второго счетчика, второй выход — к второму входу блока усреднения, второй выход которого соединен с входом второго регистра, выход первого задатчика подключен к второму входу первого делителя частоты, второй выход первого преобразователя напряжения в частоту подключен к второму входу первого счетчика f3). 16
Недостатками известного устройства являются неудовлетворительные точность, надежность и эргономические показатели удобства обслуживания оператором, обусловленные слабой по- 15 мехозащищенностью устройства и необходимостью выполнения оператором вычислительных операций на каждом шаге итерационной процедуры настройки регулятора. 20
Цель изобретения - повышение точности и надежности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит последовательно соединенные второй преобраэо- $5 ватель напряжения в частоту, третий делитель частоты и третий счетчик, подключенный вторым входом к первому выходу блока управления, а выходом— к третьему входу блока усреднения, вход второго преобразователя напряжения в частоту соединен с выходом первого сумматора, второй вход третьего делителя частоты соединен с вторым выходом второго задатчика, а тре- тий вход - с выходом первого задатчика и вторым входом второГо делителя частоты.
На чертеже изображена блок-схема устройства для настройки регуляторов.
Устройство содержит релейный элемент 1, второй сумматор 2, первый преобразователь 3 напряжения в частоту (ПНЧ), первый делитель 4 частоты, первый счетчик 5, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 6, усилитель 7, первый задатчик 8, второй задатчик 9, генератор 10 опорной частоты, второй делитель 11 частоты, второй счетчик 12, блок 13 управле50 ния, второй преобразователь 14 напряжения в частоту, третий .делитель 15 частоты, .третий счетчик 16, первый сумматор 17, третий эадатчик
18, индикатор 19, блок 20 усреднения, первый регистр 21, второй ре55 гистр 22, первый цифровой отсчетный блок (ЦОБ) 23, второй цифровой отсчетный блок 24.
Релейный элемент 1 имеет раэнополярные симметричные относительно нуля напряжения уровни ограничения выходного сигнала.
Сумматоры 2 и 17; ЦАП 6 и выходной усилитель 7 имеют двухполярные выходные сигналы. Вторые входы сумматоров 2 и 17 являются вычитающими по отношению к первым входам.
ПНЧ 3 и 14 - интегрирующего типа, например, каждый из них- содержит входной интегратор и пороговые элементы, соединенные с выходом интегратора, а также цепь сброса интегратора, управляемую пороговыми элементами, и выполнены так, что преобразуют знакопеременное входное напряжение в частоту следования. импульсов на выходе, которая прямо прогорциональна абсолютной величине соответствующего входного напряжения. ПНЧ 3 дополнительно формирует на втором выходе логический сигнал знака входного напряжения. В частности ПНЧ 3 и
14 могут быть выполнены, как ПНЧ в известном УНР.
Делители 4 и 11 частоты выполне" ны так, что их коэффициенты деления устанавливаются равными числовым эквивалентам параллельных кодов, подаваемых на их входы. Например, десятичный четырехразрядный код обеспечивает установку их коэффициентов деления в пределах от 1 до 9999.
Делитель 15 частоты выполнен так, что его коэффициент деления равен произведению числовых эквивалентов параллельных кодов, поданных на второй и третий входы. Например, îí содержит два последовательно соединенных делителя частоты, один из которых управляется по третьему входу делителя 15 и выполнен точно так, как делители 4 и 11 частоты, а второй— по второму входу делителя 15, например, восьмиразрядным единичным нормальным позиционным кодом.
Задатчики 8 и 9 выполнены в виде эадатчиков параллельного кода, например задатчик 8 — в виде переключателя на восемь положений, снабженных обозначениями "0", "1", "2", "4", "8", "16", "32", "64", "4", выдающего в каждом положении различные значения единичного нормального позиционного кода.
Счетчик 5 — двоичный реверсивный, причем направление счета определяет40
5 9382 ся логическим сигналом на втором входе.
ЦАП 6 имеет вход параллельного двоичного кода и настроен так, что его выходное напряжение достаточно точно равно нулю при входном коде, содержащем "единицу" только в старшем разряде.
Усилитель 7 выполнен в виде линейного усилителя, коэффициент уси- 10 ления которого может быть достаточно точно установлен равным любому иэ некоторого набора значений, содержащего нулевое значение, например из набора значений 3; 0,01; 0,02;1ь
0,08; 0,16; 0,32; 0,64. В частном случае усилитель 7 может представлять собой усилитель с единичным коэффициентом усиления и с высоким, входным сопротивлением, например д операционный усилитель, включенный по схеме повторителя, на входе которого установлен двоичный резистивный делитель напряжения, управляемый позиционным кодом второго задат- 2s чика 9.
Блок 20 усреднения выполнен так, что при поступлении импульса на второй вход блок записывает в свои входные регистры цифровые сигналы, З0 имеющиеся к этому времени на первом и третьем входах, затем производит вычисление среднего значения .всех данных, принятых по первому входу, и всех данных, принятых по третьему входу, за несколько предыдущих периодов поступления импульсов на второй вход и выдает результаты этих вычислений на первый. и второй выходы соответственно вместе с командами разрешения их записи во внешние регистры. В частном случае блок 20 усреднения представляет собой два ,независимых блока усреднения с общим входом управления, в которых обработ-4> ка и выдача данных производится параллельно во времени, как в извест ном УНР.
Блок 13 управления выполнен так, что при каждом переходе в одну опре- 0 деленную сторону входного цифрового сигнала через значение, соответствующее нулевому напряжению на выходе ЦАП 6, он формирует одиночный импульс сначала на втором выходе, а затем - на первом выходе, кроме этого, в зависимости от конкретного выполнения блока 20 усреднения блок 13 управления может быть снабжен дополни56 6 тельными цепями, соединяющими его выходы с соответствующими входами блока 20 усреднения и регистров 21 и 22.
Задатчик 18 выполнен в виде регулируемого источника напряжения с диапазоном изменения не меньшим, чем диапазон изменения напряжения на втором входе первого сумматора 17.
УНР работает следующим образом.
Соединенные между собой сумматор
2, ПНЧ .3, делитель 4 частоты, счетчик 5, ЦАП 6 и выходной усилитель 7 совместно с задатчиками 8 и 9 действуют, как апериодическое звено, по" стоянная времени и коэффициент усиления которого устанавливаются задатчиками 8 и 9 соответственно. Со" единенные между собой сумматор 17, задатчик 18 и релейный элемент 1 действуют, как релейный элемент, порог срабатывания которого устанавливается задатчиком 19, так что электрическая цепь между вторым входом первого сумматора 17 и выходом усилителя 7 представляет собой последовательно соединенные релейные элемент с регулируемым порогом срабатывания и с фиксированными по абсолютной величине разнополярными симметричными относительно нуля уровнями напряжения ограничения выходного сигнала и апериодическое звено с регулируемыми постоянной времени и коэффициентом усиления.
После каждого изменения выходного состояния релейного элемента апериодическое звено "отрабатывает" возникший на его входе скачок от уровня ограничения прежней полярности до уровня ограничения новой полярности выходного напряжения релейного элемента таким образом, что напряжение на выходе усилителя 7 стремится по экспоненциальному закону с постоянной времени апериодического звена к ново" му установившемуся значению, равному новому;уровню ограничения выходного напряжения релейного элемента, умноженному на значение коэффициента усиления апериодического звена, установленное задатчиком 9.
Подключение УНР с задатчиком 9, установленным в "нулевое" положение, которому соответствует нулевое значение коэффициента усиления апериодического звена, к замкнутой системе автоматического регулирования (САР) выходом усилителя 7 к свободному вхо"
938256
7 ду регулятора, а вторым входом первого сумматора 17 - к выходу датчика регулируемого параметра САР, очевидно, не изменяет состояния САР. После указанного подключения напряжение на входе релейного элемента 1 равно разности между напряжением, создаваемым на сумматоре 17 выходным сигналом датчика регулируемого параметра, и выходным напряжением задатчика 18. щ
Далее будем предполагать, что до пере вода задатчика 9 в какое-либо "нену.левое" положение постоянная составляющая напряжения на входе релейного элемента с помощью задатчика 18 ском- ig пенсирована настолько точно, что ее некомпенсированная часть мала по сравнению с верхним пределом изменения входного сигнала УНР .и не превышает (в процентном отношении) допус- щ тимого для данной САР изменения среднего значения регулируемого параметра во время настройки регулятора с помощью УНР. Указанная компенсация может быть выполнена либо вручную опер ратором, либо каким-либо известным образом автоматически, для чего УНР может содержать дополнительные узлы, не изображенные на чертеже -и не упоминаемые далее, так как способ компенсации не имеет значения для существа изобретения.
Дальнейшая процедура настройки регулятора осуществляется итерационным способом, основанным на зависи..мостях оптимальных параметров регулятора от параметров настройки УНР
;и параметров автоколебаний в системе
УНР - регулятор. Последние определяются по показаниям ЦОБ 23 и 24. В частности, для САР с llN-регулятором настройка регулятора может считаться . оптимальной, если удовлетворяются слеудющие соотношения (критерии оптимальности) (2 3.
Т = То 3,5 Ти (1)
А 0,32d (2)
I где Т, А - период и амплитуда колебаний на втором входе пер- вого сумматора 17 соответ» ственно;
Т - постоянная времени апе4 риодического звена УНР;
d - приведенная к выходу,УНР.
5S через коэффициент усиления апериодического звена половина разностей уровней ограничения выходной ха8 рактеристики релейного элемента;
Ти - постоянная времени интегрирования регулятора.
Задатчик 9 будет являться задатчиком величины д и может быть снабжен обозначением 4, если сумматор 2 выполнить так, что отношение коэффициента передачи по его первому входу к коэффициенту передачи по его второму входу равно отношению номинального верхнего предела изменения напряжения на выходе усилителя 7 к уров ню ограничения выходного напряжения релейного элемента 1, а задатчик 9 выполнить так, чтобы каждому его положению номинально соответствовало указанное его оцифровкой значение коэффициента передачи выходного усилителя 7;
После установки задатчиком 9 отличного от нуля значения величины 4 . при правильной фазировке подключения, УНР к CAP и при достаточно большом установленном значении величины el, которое во всяком случае должно превышать минимальное значение напряжения, подача которого на вход регулятора в соответствующей полярности приводит s конечном счете к такому;. изменению регулируемого параметра, что напряжение на входе релейного элемента 1 изменит знак, в замкнутой системе САР-УНР возникают автоколебания.
При этом в установившемся режиме колебания входного сигнала УНР по форме близки к синусоидальным колебаниям и совершаются относительно такого среднего значения, которому соответствуют симметричные относительно нуля напряжения колебания напряжения на входе релейного элемента 1.
Вследствие симметричности относительно нуля напряжения выходной ха.рактеристики релейного элемента 1 и линейности статических характеристик сумматора 2, первого ПНЧ 3, первого делителя ч частоты, первого счетчика 5, ЦАП 7 и усилителя 7 колебания выходного напряжения ЦАП 6 происходят симметрично относительно нуля напряжения, а моменты возникновения "единицы" в старшем разряде выходного. кода первого счетчика 5 почти точно совпадают с моментами начальной фазы колебаний выходного сигнала УНР, так что интервалы времени между следующими друг за другом моментами воз56
М = 100 — tt
Т
Т (4) ц при этом четырехразрядный десятичный отсчетный блок 23 с запятой после двух старших разрядов будет отображать усредненный результат измерения величины Т/Тд, который может быть использован оператором для определения более оптимальных значений парамет" ров настройки регулятора для осуществления следующего шага итерационной процедуры настройки регулятора, с помощью номограммы, аналогичной номограмме, приведенной в .работе (21, но построенной не для параметра
3,5 †", т.е. прямо пропорциональ: ного в1зличйн Т,„/Т, а для параметра и т (4). Величина 7 /Тд может быть также использована для оценки степени близости параметров настройки регулятора к их оптимальным значениям, поскольку, как следует из соотноше", ния (1), при оптимальной настройке регулятора Т/Ти = 3,5.
Число импульсов NA накопленное за время Т в третьем счетчике 16, соответствует величине, определяемой формулой
Т 0 (5)
К где X(t) - напряжение на входе второго ПНЧ 14;
KA " коэффициент передачи второго ПНЧ 1й;
- текущее время.
Хотя колебания выходного сигнала
УНР отличаются от синусоидальных колебания сигнала на втором входе первого сумматора 17 и, следователь.но, колебания напряжения на входе второго ПНЧ 14, но вследствие свойства инерциии промышленных объектов, которое способствует сильной фильт-. рации высших гармоник вводимого в САР сигнала, можно считать укаэанные сигналы синусоидальными, т.е.
X(t) = ASIll (6)
Тогда из формулы (5) имеем
2 Т А (7)
А T„d
Так как, величина йА является функцией величин Т/Ти и A/d, как и коэффициент g {.2), она может быть
-использована для определения более оптимальных значений параметров настройки регулятора для следующего
9 9382 никновения "единицы" в старшем разряде выходного кода первого счетчика 5 равны периоду колебаний Т.
Параметры колебаний сигнала на втором входе первого сумматора 17 (амплитуда и период) зависят как от параметров настройки регулятора (постоянная времени интегрированияТ>, коэффициент усиления - Кр, так от параметров настройки УНР (постоян- 16 ная времени апериодического звенаTd приведенный к выходу УНР через коэффициент усиления апериодического звена уровень ограничения выходной характеристики релейного эле" и мента - Й ) . Как отмечалось, задатчик
9 является эадатчиком величины Д .
Коэффициент преобразования первого
ПНЧ 3 выбран таким, что каждому значению оцифровки положений задатчи- що ка 8, выполненной в единицах времени, соответствует постоянная времени апериодического звена, которая в
3,5 раза больше установленного по оцифровке этого задатчика значения 2ц времени. Задатчик 8 снабжен обозначением Ти, так что этим эадатчиком обеспечивается установка постоянной времени апериодического звена, удовлетворяющей соотношению (1). зв
Каждый раз при возникновении "единицы" в старшем разряде выходного кода первого счетчика 5, т.е. в моменты начальной фазы колебаний выходного сигнала УНР, блок 13 управления формирует на его первом выходе одиночный импульс, обнуляющий второй счетчик 12, и третий счетчик 16 (некоторая задержка в формировании этих импульсов пренебрежимо мала по сравнению с величиной периода колебаний), так что к моменту, очередного обнуления счетчиков 12 и 16, их выходные цифровые сигналы отображают числа импульсов, наклонные ими за закончив- шийся предыдущий период колебаний.
Число импульсов Кт, накопленное за время Т во втором счетчике 12, соответствует величине, определяемой следующей формулой (3)
И где У - выходная частота генератора 10;
Т - период колебаний на втором
S5 входе первого сумматора 17;
Т - введенное в УНР задатчиком 8 и значение постоянной времени интегрирования регулятора.
При выборе f < — 100 Гц иэ (3) получаем
11 9382 шага итерационной процедуры настрой-. ки регулятора, например с помощью номограммы, аналогичной номограмме, приведенной в работе (2g, но построенной не для параметра, а для параметра Й (7).
Из изложенного видно, что измерение функций параметров колебаний производится путем синхронного инте" грирования входного сигнала (со ском-)O пенсированной постоянной составляющей) интегратором, (последовательное соединение второго ПН4 !4, третьего делителя 15 частоты и третьего счетчика 16) и интегрирования опорной частоты интегратором, каковым является последовательное соединение второго делителя 11 частоты и второго счетчика 12, за интервалы времени, автоматически определяемые блоком 13 управления, вход которого соединен с входом УНР через интегратор, каковым является последовательное соединение первого ПНЧ 3, первого делителя 4 частоты и первого счетчика 5. 1
Интеграторы эффективно подавляют импульсные и высшие гармонические составляющие входных сигналов, по" этому результаты измерений -функций параметров колебаний предлагаемым
УНР значительно меньше зависят от указанных составляющих его входного сигнала, чем результаты измерений величин А, Т известными УНР. Правиль" ное действие блока 13 управления не
Э5 нарушается при наличии дополнительных переходов через нуль входного напряжения нуль-органа, вызванных импульсными и высшими гамоническими составляющими входного сигнала, так что отпадает необходимость в демпфировании входного сигнала, которое в известных УНР вносит дополнительную погрешность измерения.
Таким образом, предлагаемое УНР точнее и надежнее в работе, чем известные аналогичные устройства. Наряду с этим предлагамое УНР проще известных аналогичных устройств, что также способствует его более надежной работе. Кроме того предлагаемое
УНР не требует от оператора выполнения в процессе настройки регулятора многократных промежуточных вычислений, следовательно имеет более высокие эргономическйе показатели удоб-55 ства в работе °
Предлагаемое УНР может найти применение для оптимизации настройки
56 12 регуляторов при вводе в эксплуатацию или периодически во время эксплуатации промышленных САР без нарушения их функционирования. формула изобретения
Устройство для настройки регуляторов, содержащее первый задатчик, второй задатчик, блок управления, индикатор и последовательно соединенные третий задатчик, первый сумматор, релейный элемент, второй сумматор, первый преобразователь напряжения в частоту, первый делитель частоты, первый счетчик, цифра-аналоговый преобразователь и усилитель, последовательно соединенные генератор .опорной частоты, второй делитель, частоты, второй счетчик, блок усреднения, первый регистр и первый цифровой отсчетный блок и последовательно соединенные второй регистр и второй цифровой отсчетный блок, выход первого сумматора подключен к входу индикатора, первый вход усилителя соединен со вторым входом второго сумматора, а второй вход - с первым выходом второго задатчика, первый выход блока управления подключен к второму входу второго счетчика, второй выход - к второму входу блока усреднения, второй выход которого соединен с входом второго регистра, выход первого задатчика подключен к второму входу первого делителя частоты, второй выход первого преобразователя напряжения в частоту подключен к второму входу первого счетчика, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности, надежности и эргономических показателей устройства, оно содержит последовательно соединенные второй преобразователь напряжения s частоту, третий делитель частоты и третий счетчик, подключенный вторым входом к первому выходу блока управления, а выходом - к третьему входу блока усреднения, вход второго преобразователя напряжения в частоту соединен с выходом первого сумматора, второй вход третьего делителя частоты соединен с вторым выходом второго задатчика, а третий вход - с выходом первого задатчика и вторым входом второго делителя частоты.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР
И 253207, кл. 6. 05 В 13/02, 1968.
938256
Составитель A. Лащев
Редактор А. Шандор Техред Л. Пекарь
Корректор В. Бутяга
3 4-Тираж 914 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Эакаэ 4464/72
Филиал OllA "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
13
2. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования.. М., "Энергия", 1973.
14
3. Устройство для настройки регуляторов (УНР), Техническое описание и инструкция по эксплуатации
ЗЯа. 679.503 TO (прототип).