7. Регулятор с переменной структурой

На рис. 18 приведена простейшая структура регулятора с переменной структурой. П – пропорциональный регулятор; И – интегральный регулятор; Д – дифференциальная составляющая регулятора; К – коммутатор или переключатель. Используя переключатель, можно сформировать любой закон регулирования из этих трёх.

Рис. 18

7.1. Комбинированный регулятор с переменной структурой

На рис. 19 представлена структура комбинированного регулятора. Суть этого регулирования заключается в том, что закон регулирования включает два принципа регулирования: по отклонению и по возмущению. Синтез систем с компенсацией возмущения рассматривается в различных монографиях [15, 16, 35 (с. 223-229), 19 (с. 326-339), 94, 97, 98]. Автор обращает внимание читателей на безударные переключения режимов работы комбинированного регулятора.

Рис. 19. Структура комбинированного регулятора

F – возмущение; Fi – текущее значение контролируемого возмущения; Fo – начальное (базовое) значение возмущения, которое формируется в момент включения регулятора или перехода из ручного режима в автоматический; Ux – выход регулятора по отклонению; U_F – выход регулятора по возмущению; U1 – выход регулятора по отклонению; F – зона нечувствительности по каналу возмущения; К_F – коэффициент компенсации возмущения F; Fо – начальное (базовое) значение контролируемого возмущения перед переключением регулятора в автоматический режим; Х – регулируемая величина; Хздн – значение задания регулятору; Wp (P) – передаточная функция регулятора; Wоу (Р) – передаточная функция объекта управления.

Базовое значение формируется в момент включения регулятора в автоматический режим. Выражение формируемого возмущения будет иметь вид , а не К_F, как обычно приводят в литературе. Fi – величина контролируемого возмущения. Кроме того, автор считает, что в регуляторе может использовать косвенный параметр. Например, при регулировании температуры воды на выходе теплообменника Х возмущение может вызвать не столько расход холодной воды перед теплообменником, сколько теплота, которую несёт возмущение F. То есть в качестве F может выступать произведение расхода на температуру и на теплоёмкость.

Если применяется комбинированный закон регулирования: по отклонению и по контролируемому возмущению [22], то необходимо обеспечить безударность перехода с ручного режима управления на автоматический как по каналу отклонения, так и по каналу контролируемого возмущающего воздействия. В этом случае базовое значение Fо, формируемое в момент включения регулятора в автоматический режим, равно текущему значению возмущения Fо = Fi. Значение управления по возмущению будет определяться по формуле . В ручном режиме работы включается режим слежения по обоим каналам: по каналу отклонения Хздн = Xi и по каналу возмущения F0 = Fi. По каналу отклонения и возмущения устанавливается своя зона нечувствительности (X и F). Величина зоны нечувствительности зависит от погрешности измерительного канала и может быть оценена по формуле

X  3_x; F  3_F,

где _x – погрешность измерительного канала; _F – погрешность канала возмущения.

Рассмотрим ситуацию, которая может привести к возникновению удара. Это ступенчатое изменение задания регулятору. Например, при регулировании расхода жидкости недопустимо резкое прикрытие отверстия между седлом и затвором исполнительного механизма. При ступенчатом уменьшении задания ПИ-регулятору исполнительный механизм начнёт сразу отрабатывать пропорциональную и интегральную составляющие. Резкое перекрытие потока жидкости может вызвать гидравлический удар. Рассмотрим другой случай: регулирование соотношения газ/воздух перед горелкой газовой печи. Резкое увеличение расхода воздуха может привести к срыву пламени после горелки. С целью исключения таких моментов следует предусмотреть в алгоритме возможность плавного изменения задания регулятору. При этом оператор может вводить задание ступенчато. Для реализации плавного перехода с одного задания на другое в алгоритм регулятора вводят признак плавного перехода с одного значения задания на другое. В контроллере Р-130 этот признак назвали «динамической балансировкой». Статическая и динамическая балансировки устанавливаются в алгоритме ЗДН (рис. 7).

На рис. 20 представлена программа (COMBR-2.REM) на языке FBD комбинированного регулятора с переменной структурой; алгоритмы, с помощью которых реализован комбинированный регулятор. Регулятор по отклонению реализован в следующих алгоблоках: 7, 8, 9 и 10. Регулятор по возмущению реализован включает алгоблоки: 14, 15, 16 и 17. В алгоблоках 11, 13, 20, 21 и 22 реализуется алгоритм безударного подключения или отключения регулятора по возмущению. Под переменной структурой в этом регуляторе понимается следующее. В процессе работы возможно изменение структуры регулятора. Можно к регулятору по отклонению и подключить регулятор по возмущению, тогда получим комбинированный регулятор. Следует отметить, что эти переключения происходят безударно.

В обоих регуляторах предусмотрена зона нечувствительности. С помощью алгоритма слежения СЛЗ, алгоблок 14, осуществляется первоначальное безударное подключение регулятора по возмущению. Хотя, как было указано в работе [27, с. 80-82], одного одновибратора (ОДВ) не достаточно для реализации безударного подключения регулятора по возмущению.

Программу, представленную на рис. 20, можно упростить. Кроме того, в программе имеется техническая ошибка, суть которой была раскрыта в пособии [27, с. 82]. Автор предлагает упростить программу и устранить ошибку. Эти небольшие ошибки должны исключить слепое копирование программ.

Рис. 20. Программа комбинированного регулятора

В табл. 5 приведена расшифровка алгоритмов, использованных в программе (рис. 20).

Таблица 5

Номер алгоблока	Шифр алгоритма	Комментарии
01	ОКО	Алгоритм оперативного контроля позволяет контролировать все параметры регулятора по отклонению.
02	ОКО	Контроль параметров регулятора по отклонению.
05	ВАА	Ввод аналоговых сигналов по группе А (X и F).
06	МСШ	Алгоритм масштабирования. Используется в качестве промежуточного клеммника.
07	ЗДН	Алгоритм формирования задания регулятору по отклонению.
08	ОГР	Алгоритм ограничения вводимого задания.
09	РАН	Регулятор аналоговый стандартный (ПИ-регулятор по отклонению). На выходе регулятора имеем сигнал Ux.

Окончание таблицы 5

10	РУЧ	Алгоритм ручного управления. Служит для отключения регулятора по отклонению и перехода на ручной16 режим регулирования.
11	ОДВ	Одновибратор предназначен для формирования единичного импульса после загрузки программы в память контроллера.
12	ИЛИ	Объединяет признаки выхода сигнала регулирования Ux за границы, установленные в РАН.
13	МИЛ	Многовходовое ИЛИ.
14	СЛЗ	Алгоритм слежения предназначен для безударного перехода с ручного режима в автоматический по каналу возмущения.
15	РАН	П-регулятор по каналу возмущения. На выходе регулятора формируется сигнал UF.
16	РУЧ	Алгоритм РУЧ для отключения регулятора по возмущению.
17	СЛЗ	Алгоритм слежения предназначен для безударного отключения или включения регулятора по каналу возмущения.
18	СМА	Сумматор предназначен для суммирования сигналов регулирования, поступающих с регулятора по отклонению и с регулятора по возмущению. (U∑ = Ux + UF)
19	АВА	Алгоритм выдачи сигнала регулирования U∑ на исполнительный механизм.
20	ВДБ	Алгоритм ввода дискретных сигналов по группе Б. По первому каналу вводится команда подключить регулятор по возмущению («1») или отключить («0»).
21	ИЛИ	Объединяет команду подключения регулятора по возмущению, поступающую через УСО (например, с имитатора), с такой же командой, но подаваемой с ПЭВМ (с АРМа оператора).
22	ТРИ	Триггер. Запоминается команда подключения регулятора по возмущению.

Имя программы: COMBR-2.rem

Дата создания отчета: 06/06/2009 (С.А.В.).

СИСТЕМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ:

Системный номер контроллера: 2.

Модель контроллера: Регулирующая.

Временной диапазон контроллера: Младший (Cек/Мин).

Время цикла: 0,2 сек.

АЛГОРИТМЫ И КОНФИГУРАЦИЯ:

Таблица 6

Ал. б.	Алгоритм	Мод	МВ	Вход	Тип	Значение	Источник
				N Имя			Ал. б. / Выход
01	ОКО (01)	03	–
				1 Xздн	8		7/1 (Хздн)
				2 Xi	8		6/1 (X)
Продолжение таблицы 6
				3 W0	9	0
				4 W100	9	100
				5 Ex	8		9/2 (Ex)
				6 Xруч	8		10/1 (Ux)
				7 Xвр	8		10/1 (Ux)
				8 Z	0		18/1 (Usum)
				9 Nz	9	8
				10 Nок	9		12/1 (D1)
02	ОКО (01)	03	–
				1 Xздн	8		14/2 (F0)
				2 Xвх	8		6/2 (F)
				3 W0	9	0
				4 W100	9	100
				5 EF	8		15/2 (EF)
				6 Xруч	8		16/1 (UF)
				7 Xвр	8		17/2 (UF)
				8 Z	0		18/1 (Usum)
				9 Nz	9	8
				10 Nок	9	0
05	ВАА (07)	03	–
				1 Xc1	8	0
				2 Km1	6	1
				3 Xc2	8	0
				4 Km2	6	1
06	МСШ (55)	03	–
				1 X	8		5/1 (X)
				2 Kм1	6	1
				3 F	8		5/2 (F)
				4 Kм2	6	1
07	ЗДН (24)	00	М
				1 Сб = 1	0	1
				2 Сдб	0	0
				3 V = 10	3	10
				4 Xвн	8	0
08	ОГР (48)	–	–
				1 X	8		7/1 (Xздн)
				2 100	8	100
				3 Xн = 0	8	0
09	РАН (20)	–	М			ПИ-регулятор
				1 X1	8		8/1 (Xздн)
				2 X2	8		6/1 (Xi)
				3 Kм	6	1
				4 Tф = 3	1	3
				5 X	8	4
				6 Kп = 2	7	2
				7 T = 10	1	10
				8 Кд	6	0
Продолжение таблицы 6
				9 Xmax	8	100
				10 Xmin	8	0
10	РУЧ (26)	–	–
				1 Сруч	0	0
				2 Ux	8		9/1 (Ux)
				3 Xдст	8	0
11	ОДВ (83)	–	М
				1 Cп = 1	0	1
				2 Ссбр	0	0
				3 T = 2	1	2
12	ИЛИ (72)	01	–
				1 C11	0		9/3 (Dmax)
				2 С21	0		9/4 (Dmin)
13	МИЛ (73)	03	–
				1 C1	0		11/1 (D)
				2 C2	0		10/2 (Dруч)
				3 C3	0		16/2 (Dруч)
14	СЛЗ (64)	02	–
				1 Ccл	0		13/1 (D)
				2 F	8		6/2 (F)
				3 X2	8	0	Резерв
15	РАН (20)	–	М			П-регулятор
				1 F	8		6/2 (F)
				2 F0	8		14/2(F0)
				3 Kм	6	1
				4 Tф	1	2
				5 F	8	4
				6 Kп = 1	7	1
				7 Tи	1	INF 9999
				8 Кд = 0	6	0
				9 Xmax	8	100
				10 Xmin	8	0
16	РУЧ (26)	–	–
				1 Сруч	0	0
				2 UF	8		15/1(UF)
				3 Xдст	8	0
17	СЛЗ (64)	02	–
				1 Ccл	0		22/1 (D1)
				2 UF	8		16/1 (UF)
				3 X2	8	0	Резерв
18	СМА (43)	02	–
				1 Xo	8	0
				2 X1	8		10/1 (Ux)
				3 Kм1	6	1
				4 X2	8		17/2 (UF)
				5 Kм2	6	1
19	АВА (11)	02	–

Окончание таблицы 6

				1 X1	8		18/1 (Usum)
				2 Xc1	8	0
				3 Km1	6	1
20	ВДБ (10)	02	–
21	ИЛИ (72)	02		1 C11	0		20/1 (D1)
				2 С21	0	0
				3 C12	0	инверсия	20/1 (D1)
				4 С22	0	0
22	ТРИ (76)	01	–
				1 Cs1	0		21/1 (D1)
				2 Cr1	0		21/2 (D2)