Нелинейный автоматический регулятор

Нелинейный регулятор принадлежит к аналоговым электронным регуляторам релейной структуры, которые используют в системах автоматического регулирования различных технологических процессов на тепловых электростанциях (ТЭС), а также он может быть использован в других отраслях промышленности (металлургической. химической и пр...) и на предприятиях изготавливающих технические средства автоматизации.

Нелинейный регулятор представляет собой электронный регулирующий блок с релейным выходом ±24 В, охваченный сложным контуром гибких обратных связей. Регулятор содержит входные каналы унифицированного сигнала, промежуточные усилительные каскады, выходной трехпозиционный усилитель с которого подается сигнал на пусковое устройство исполнительного механизма-сервомотора.

Регулятор в комплекте с исполнительным механизмом формирует основной пропорционально-интегрально-дифференциальный закон (ПИД-закон) регулирования:

У=К₁Х+К ₂

Регулирующее воздействие состоит из трех составляющих:

K₁X - пропорциональная составляющая

- дифференциальная составляющая («упреждение»)

- интегральная составляющая («память»).

Регулятор простой в обслуживании и имеет обычные параметры настройки, легко стыкуется с комплексом измерительных блоков и исполнительных механизмов, серийно изготавливаемых промышленными предприятиями (аналогично регуляторам системы «Каскад» МЗТА).

Нелинейный регулятор обеспечивает высокое качество регулирования на различных теплоэнергетических объектах при сохранении устойчивости без перенастройки системы в условиях работы энергоблока в широком диапазоне нагрузок. Динамическая погрешность регулирования снижается в среднем на 25-30%. Устойчивость системы при изменении динамических характеристик объекта регулирования в 1,5÷2,5 раза не нарушается.

Известные регуляторы в различных конструктивных исполнениях (РПИБ. КАСКАД, АКЭСР и др...) имеют существенные недостатки связанные с тем, что при использовании их на инерционных объектах с запаздыванием невозможно преодолеть техническое «противоречие» между быстродействием регулятора и устойчивостью системы. Повышая быстродействие регулятора, мы одновременно понижаем устойчивость системы.

Достигнутый «компромисс» при выборе параметров настройки стандартных промышленных регуляторов не гарантирует сохранения устойчивости системы при изменении уровня нагрузки энергоблока.

Нелинейный регулятор не имеет этих недостатков. Усовершенствованная функционая структура нелинейного регулятора решает сложную проблему технического «противоречия» связанную с повышением быстродействия и устойчивостью системы.

Нелинейный регулятор является универсально-эффективной структурой для широкого класса теплоэнергетических объектов, в том числе и с неблагоприятными динамическими характеристиками (т _об>0, T_oб>0).

Нелинейный автоматический регулятор относится к классу МПК G05B Международной патентной классификации. Нелинейный регулятор предназначен для реализации изобретения на «Способ автоматического регулирования параметров инерционных объектов» (Заявка №20040402859 от 20.04.2004 г., Бюл. №11 15.11.2005 г.) и содержит техническое решение этой проблемы.

Нелинейный регулятор относится к аналоговым электронным регуляторам релейной структуры, которые используют в системах автоматического регулирования различных технологических процессов на тепловых электростанциях (ТЭС), а также он может быть использован в других отраслях промышленности (металлургической, химической и др...) и на промышленных предприятиях изготавливающих технические средства автоматизации.

Для автоматизации теплоэнергетических процессов на ТЭС используют ряд известных электронных регуляторов, например, регуляторы Р-21 системы «Каскад», которые серийно изготовляются Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА). Технические сведенья на регулирующий блок системы «Каскад» типа Р-21 содержит каталог «Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации» (том 3, выпуск 4, Москва 1974).

Этот регулятор и принят автором за прототип. Регулятор Р-21 представляет собой электронный регулирующий блок с релейным выходом охваченный контуром простой гибкой обратной связи. Регулятор Р-21 содержит входные каналы унифицированного сигнала, сумматор входных сигналов, операционный усилитель входных сигналов, трехпозиционный релейный усилитель, с выхода которого подаются сигналы в контур гибкой

обратной связи и на пусковое устройство исполнительного механизма -сервомотора.

Известный регулятор Р-21 в комплекте с исполнительным механизмом - сервомотором формирует основной пропорционально-интегральный закон (ПИ - закон) регулирования.

Основным режимом роботы регулятора Р-21 является «пульсирующий» режим, который характеризуется частыми кратковременными включениями исполнительного механизма - сервомотора.

Такая функциональная структура известного регулятора не является совершенной и не отвечает в полной мере требования автоматизации инерционных теплоэнергетических объектов ТЭС.

Основные недостатки известных регуляторов состоят:

1. В несоответствии реальных возможностей регулятора масштабу поставленных задач по достижению высоких показателей качества переходных процессов на теплоэнергетических объектах с неблагоприятными динамическими характеристиками (_об>0, T_об >0).

2. В наличии неразрешимого технического «противоречия» между быстродействием регулятора и устойчивостью системы в переходном процессе, которое не позволяет повысить быстродействие регулятора без одновременной потери устойчивости системы. Это значительно усложняет процесс поиска рационального «компромисса» при выборе параметров настройки регулятора.

Указанные недостатки значительно ограничивают возможность эффективного использования известных регуляторов на теплоэнергетических объектах ТЭС.

Техническая задача изобретения состоит в устранении указанных недостатков, разрешении проблемы технического «противоречия» и усовершенствовании функциональной структуры регулятора, что обеспечит его универсальную эффективность для широкого класса

теплоэнергетических объектов, в том числе и с неблагоприятными динамическими характеристиками.

На фиг.1 показана функциональная структурная схема нелинейного регулятора. Нелинейный регулятор представляет собой транзисторный электронный регулирующий блок с релейным выходом, охваченный двойным контуром отрицательной обратной связи и рассчитан на входные унифицированные сигналы постоянного тока.

Регулятор имеет два токовых входа сигнала 0÷5 mA (вх. 1, вх. 3), один вход сигнала 0÷20 mA (вх. 2), один вход по напряжению 0÷2,5 В (вх. 4) и один вход по напряжению±25 В (вх. 5).

В измерительной электрической цепи (1) входные токовые сигналы преобразуются в сигналы напряжения и последовательно суммируются между собой. На входы (вх. 2, вх. 3, вх. 4) подаются сигналы, которые необходимо демпфировать (Т_дф). Электронный блок содержит сумматор (5), операционный усилитель входных сигналов (7), который представляет собой двухполярный высокоомный транзисторный усилитель постоянного тока. Сформированные в электрической цепи (1) входные сигналы усиливаются операционным усилителем (7) и подаются на трехпозиционный релейный усилитель(4).

На выходе усилителя (4) установлены тиристорные ключи, при помощи которых образуется релейная характеристика регулятора. Выход регулятора рассчитан на подключение активной нагрузки напряжением±24 В.

Длительность импульсов регулируется резистором «Т _им» (10).

Зона нечувствительности регулируется резистором «зона».

Состояние регулятора контролируется визуально по сигнальным

лампам (9).

Питание регулятора осуществляется от сети напряжением 220 В, 50 Гц (6).

Нелинейный регулятор работает в комплекте со стандартным электрическим исполнительным механизмом - сервомотором постоянной скорости.

Для формирования основного закону регулирования электронный блок нелинейного регулятора охвачен быстродействующим (2) и инерционным (3) RC-контуром отрицательной гибкой обратной связи с выхода трехпозиционного релейного усилителя (4) на вход сумматора (5) регулятора.

Первый RC-контур (2) представляет собой электрическую RC-цепь, которая содержит переменный резистор (V), неоновую лампу НЛ1, резистор (Т) и конденсатор С2. Первый RC-контур (2) является контуром быстродействующей обратной связи, сигнал которой подается непосредственно через сумматор (5) на вход операционного усилителя (7). Входными сигналами для RC-контура (2) являются импульсы, которые поступают с выхода трехпозиционного релейного усилителя (4).

В наведенной части описания функциональная структура электронного блока нелинейного регулятора соответствует функциональной структуре известного регулятора Р-21 системы «Каскад» (МЗТА). Отличие состоит в том, что нелинейный регулятор имеет дополнительный инерционный RC-контур гибкой обратной связи.

Второй дополнительный инерционный RC-контур (3) образуется при помощи инерционной электрической RC-цепи, которая содержит переменный резистор (V), неоновую лампу НЛ2, резистор (T), конденсатор СЗ, нелинейный фильтр (8), конденсатор С4.

Нелинейный фильтр (8) представляет собой электрическую цепь из встречно-параллельно включенных полупроводниковых элементов (стабилитронов Д2, Д3, и диодов Д1, Д4), подключенных параллельно резистору (T) инерционного RC-контура (3). Нелинейный фильтр исполняет функцию порогового устройства, предназначенного для задержки (запаздывания) электрического сигнала поступающего с контура (Т-С3),

при помощи которого происходит заряд конденсатора С4, который затем подается на вход сумматора (5). Входным сигналом для RC-контура (3) являются импульсы, которые поступают с выхода трехпозиционного релейного усилителя (4).

При срабатывании регулятора первой вступает в работу быстродействующая обратная связь (2), обеспечивая контролируемое перемещение регулирующего органа пропорционально величине и скорости отклонения регулируемого параметра.

Вторая инерционная обратная связь (3) вступает в работу со временем «предварения» (запаздывания, T) относительно действия первой быстродействующей обратной связи (2).

На фиг.2 показаны переходные процессы в системе авторегулирования с нелинейным регулятором.

При отклонении регулируемого параметра и появлении на входах регулятора (вх. 1÷вх. 4) сигнала _вх, который превышает половину зоны нечувствительности регулятора (), регулятор срабатывает. На выходе релейного усилителя (4) появляется сигнал (±24 В), который приводит в действие пусковой механизм исполнительного механизма-сервомотора.

Одновременно с выхода усилителя (4) сигнал подается на RC-контуры быстродействующей (2) и инерционной (3) обратных связей. Первой вступает в работу быстродействующая обратная связь (2). В связи с тем, что скорость нарастания сигнала обратной связи (2) больше, чем скорость нарастания сигнала от регулируемого параметра ¹_вх, регулятор в начальной фазе переходного процесса (период времени t ₁÷t₈) работает в «пульсирующем» режиме (в режиме кратковременных включений). Быстродействие регулятора на этом этапе переходного процесса обеспечивают параметры настройки RC-контур у (2): скорость связи - V и время изодрома T.

Необходимым условием возникновения «пульсирующего» режима является

где _в - зона возврата релейного элемента (4).

Вторая дополнительная инерционная обратная связь (3) вступает в работу с некоторым временем запаздывания («предварения») относительно первой быстродействующей обратной связи (2). Время запаздывания T, определяется нелинейным фильтром (8). Сигнал ₃, образовавшийся в RC-контуре инерционной обратной связи (3) за время работы регулятора в «пульсирующем» режиме (время t₁÷t ₈), преодолевает пороговый барьер нелинейного фильтра (8) и подается на вход сумматора (5) со временем запаздывания (^-p) относительно первой быстродействующей обратной связи (2).

Суммарный сигнал (₂+₃) обратных связей (2) и (3) подается на вход операционного усилителя (7), где происходит компенсация входного сигнала _вх (период времени t ₈÷t₉).

Параметры настройки инерционного RC-контура (3) - скорость связи V, время изодрома Т и время предварения Т обеспечивают устойчивость системы авторегулирования на заключительном этапе переходного процесса.

Нелинейный регулятор в комплекте с электрическим исполнительным механизмом-сервомотором постоянной скорости при помощи двух внутренних обратных связей формирует основной пропорционально-интегрально-дифференциальный закон (ПИД-закон) регулирования, который имеет следующий аналитический вид

где Х - входной сигнал регулятора

У - выходной сигнал регулятора

d/dt - знак-символ дифференцирования

K₁, K₂, К ₃ - коэффициенты.

Нелинейный регулятор реализует три составляющие регулирующего воздействия:

K ₁X - пропорциональная составляющая

К ₂ - дифференциальная составляющая («упреждение»)

K ₃Xdt - интегральная составляющая («память»).

Нелинейный регулятор с двумя RC-контурами внутренних обратных связей имеет более совершенную функциональную структуру, которая позволяет устранить недостатки известных регуляторов, решить проблему технического «противоречия», снизить на 25-30% динамическую погрешность регулирования за счет повышения быстродействия регулятора та одновременно повысить в 1,5-2,5 раза устойчивость замкнутой системы авторегулирования в переходных процессах.

В сравнении с известными регуляторами нелинейный регулятор имеет значительно высший «уровень техники» по существу. В комплекте с исполнительным механизмом-сервомотором он формирует более совершенный и эффективный ПИД-закон регулирования, в то время как известные регуляторы формируют менее совершенный ПИ-закон регулирования.

Известные регуляторы, невзирая на разнообразие конструктивных форм (РПИБ, РП-2, Р-21 и др...), принципиальных электрических схем и элементной базы по существу имеют идентичную функциональную структуру, представляющую собой фазочувствительный электронный блок с релейным выходом охваченный контуром простой гибкой обратной связи.

Такая структура не является совершенной и имеет существенные недостатки. О необходимости совершенствования функциональной структуры свидетельствуют факты роста количества предложений и заявок направленных, именно, на усовершенствование функциональной структуры регулятора.

Таким образом, суть изобретения состоит в том, что в существующую функциональную структуру известного регулятора Р-21 системы «Каскад» (МЗТА), с одним контуром обратной связи, вводится второй дополнительный контур инерционной обратной связи, содержащей нелинейный фильтр с элементом запаздывания (^-p). Это позволяет по новому организовать взаимодействие обратных связей. Первая из них становится быстродействующей, вторая - инерционной. При помощи двух независимых обратных связей, каждая из которых имеет свои индивидуальные параметры настройки, представилась возможность ликвидировать указанные недостатки известных регуляторов, разделить «несовместимые» функции по быстродействию и устойчивости системы (сначала - быстродействие, потом - устойчивость) и таким образом решить существующую «извечную» ключевую проблему технического «противоречия», свойственную системам с известными регуляторами.

Усовершенствование лишь конструкции (новая форма) без одновременного усовершенствования функциональной структуры (новая суть) является значительным, но недостаточным условием для повышения эффективности регулятора.

Нелинейный регулятор с двумя внутренними обратными связями является универсально-эффективной структурой для широкого класса теплоэнергетических объектов, в том числе и с неблагоприятными динамическими характеристиками (Т_об>0, Т_об>0). В этом состоит новый уровень техники и суть предлагаемого изобретения.

Нелинейный автоматический регулятор, содержащий электронный регулирующий блок с релейным выходом, охваченный RC-контуром гибкой обратной связи для формирования основного закона регулирования, отличающийся тем, что электронный регулирующий блок нелинейного регулятора дополнительно охвачен вторым инерционным RC-контуром гибкой обратной связи, содержащим нелинейный фильтр из полупроводниковых элементов (диодов и стабилитронов), включенных встречно-параллельно резистору инерционного RC-контура, сигнал которого подается на вход регулятора с запаздыванием относительно первой быстродействующей обратной связи.