CS259348B1 - Přírůstkový číslicový predikční proporcionálně -integračníregulátor s přepínáním funkci - Google Patents

Abstract

Predikční regulátor sestává z paralelně zapojených větví proporcionálního a integračního charakteru, v nichž jsou přepínací bloky, na jejichž první vstupy je zavedena okamžitá hodnota regulované veličiny, na druhé vstupy predikovaná hodnota regulované veličiny a na třetí vstupy dvouhodnotové přepínací veličiny, kterými je na první vstupy přepnuta buď okamžitá nebo predikovaná hodnota regulované veličiny. V proporcionální větvi je dvojitý přepínač na jehož pátý vstup je zavedena rovněž okamžitá hodnota regulované veličiny a na jeho čtvrtý vstup je zavedena její zpožděná minulá hodnota. Výstup přepínacího bloku v integrační větvi je zapojen na první vstup součtového bloku, na jehož druhý vstup je zavedena žádaná hodnota regulované veličiny a jeho výstup je zapojen se vstupem bloku pro změnu zesílení, jehož výstup je zapojen na první vstup součtového bloku obou větví. První výstup dvojitého přepínacího bloku v proporcionální větvi je zapojen na první vstup součtového bloku v proporcionální větvi a druhý výstup přepínacího bloku je zapojen na druhý vstup součtového bloku, jehož výstup je spojen se vstupem bloku pro změnu zesílení proporcionální větve, jehož výstup je zapojen na druhý vstup součtového bloku obou větví, který je opatřen výstupem pro přírůstek akční veličiny. Využití je obecné pro technologické procesy, zejména však pro regulaci tepelně-technických procesů v energetice.

Description

Vynález se týká přírůstkového číslicového predikčního proporcionálně-integračního regulátoru s přepínačem funkcí.

Klasický číslicový proporcionálně-integrační regulátor přírůstkového typu využívá jako vstupní veličinu okamžitou hodnotu regulované veličiny naměřenou v časovém okamžiku ”k. Tento regulátor se vyznačuje velkou robustností ve smyslu malé citlivosti na Sum superponovaný na užitném signálu, přičemž se tento Sum dá účinně filtrovat bez naruSení funkce regulátoru. Optimálním nastavením regulátoru lze dosáhnout určité kvality regulace, dalSímu zlepžení však brání fyzikální a dynamické vlastnosti regulovaných soustav, které se v praxi vždy vyznačují dynamickým zpožděním a mají omezenou rychlost změny vnitřních i výstupních veličin. v

Eliminovat tyto nepříznivé dynamické vlastnosti můžeme pouze v případě, ře realizujeme predikční systém, který dokáže predikovat. hodnotu regulované veličiny o jeden interval vzorkování do budoucnosti tzn. pro časový okamžik k+1. Pro realizaci predikčních systémů byly dříve používány různé fyzikální i matematické způsoby, např. rozvoj v Taylorovu řádu.

Pro použití v přímém číslicovém řízení však nebyly k dispozici vhodné metody.

Teprve s rozvojem aplikované matematiky a výpočetní techniky byly vyvinuty vhodné metody pro průběžnou číslicovou predikci, často realizované na mikropočítačových systémech. Vyvinuté predikční systémy pracují spolehlivě v případech, kdy provozní šum je stacionární a ergodický, blížící se svými vlastnostmi bílému šumu. V provozu se však vyskytují okamžiky, kdy dochází k amplitudově extrémně velkým jednorázovým poruchám nebo kdy provozní šum má v krátkém časovém úseku statisticky zcela nevhodný charakter. V těchto okamžicích se chyba predikce zvyšuje až nad mezní hodnotu, kdy ještě může použití predikované hodnoty regulované veličiny mít pozitivní vliv na jakost regulace.

Tuto nevýhodu podstatně zmírňuje přírůstkový číslicový predikační proporcionálně-integrač ní regulátor s přepínáním funkcí podle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že okamžitá hodnota regulované veličiny naměřená v časovém okamžiku k je připojena na první vstup a pátý vstup dvojitého přepínacího bloku proporcionální větve a na vstup zpoždovacího bloku, jehož výstup je zapojen na čtvrtý vstup dvojitého přepínacího bloku proporcionální větve. Okamžitá hodnota regulované veličiny y(k) je rovněž připojena na první vstup přepínacího bloku integrační větve a predikovaná hodnota regulované veličiny pro časový okamžik k+l'¹ je připojena na druhý vstup dvojitého přepínacího bloku proporcionální větve a na druhý vstup přepínacího bloku integrační větve.

Dvojitý přepínací blok proporcionální větve je opatřen třetím vstupem pro připojení dvouhodnotové přepínací veličiny A a přepínací blok integrační větve je rovněž opatřen třetím vstupem pro připojení dvouhodnotové přepínací veličiny B. Veličina A přepíná na první výstup dvojitého přepínacího bloku proporcionální větve bud okamžitou hodnotu regulované veličiny y(k) nebo predikovanou hodnotu regulované veličiny ý(k+l) a na druhý výstup bud zpožděnou minulou hodnotu regulované veličiny y(k-l) nebo okamžitou hodnotu regulované veličiny y(k). Veličina B přepíná na výstup přepínacího bloku integrační větve bud okamžitou nebo predikovanou hodnotu regulované Veličiny.

Výstup přepínacího bloku integrační větve je připojen na první vstup součtového bloku v Integrační větvi, který je opatřen druhým vstupem pro připojení žádané hodnoty regulované veličiny a jeho výstup je zapojen na vstup bloku pro změnu zesílení Integrační větve, jehož výstup je zapojen na první vstup součtového bloku obou větví regulátoru. První výstup dvojitého přepínacího bloku proporcionální větve je zapojen na první vstup součtového bloku v proporcionální větvi, na jehož druhý vstup je zapojen druhý výstup dvojitého přepínacího bloku proporcionální větve. Výstup součtového bloku v proporcionální větvi je zapojen na vstup bloku pro změnu zesílení proporcionální větve, jehož výstup je zapojen na druhý vstup součtového bloku obou větví regulátoru. Součtový blok obou větví regulátoru je opatřen výstupem pro přírůstek akční veličiny.

Výhodou přírůstkového číslicového predikčního proporcionálně-integračniho regulátoru s přepínáním funkcí podle vynálezu je, Se jeho struktura se vyznačuje velkou robustností a možností universálního nasazování do provozů technologických a přitom po přepnutí na predikční funkci se rovněž vyznačuje přizpůsobivostí k měnícím se dynamickým vlastnostem soustavy a adaptací na působící poruchy. Použití predikční funkce zlepšuje kvalitu regulace, regulátor reaguje s předstihem na změny regulační odchylky způsobené dynamikou regulované soustavy, změnou zatíženi nebo působícími poruchami. Přepínáním funkce konvenčního proporcionálně-integračního regulátoru PI a predikčního proporcioriálně-integračního regulátoru PIR je optimalizována funkce regulátoru vzhledem k okamžitým provozním podmínkám tak, že v časových úsecích, vyznačujících se pro predikční funkci nevhodným charakterem provozu a působících poruch, je používána konvenční funkce PI regulátoru.

Příklad přírůstkového číslicového predikčního proporcionálně-integračniho regulátoru s přepínáním funkcí podle vynálezu je nakreslen v blokovém schématu na přiloženém výkresu.

Přírůstkový číslicový predikční proporcionálně-integrační regulátor s přepínáním funkcí sestává z dvojitého přepínacího bloku 2 proporcionální větve, který je opatřen prvním vstupem 11 a pátým vstupem 15 pro připojení okamžité hodnoty regulované veličiny y(k), čtvrtým vstupem 14 pro připojeni zpožděné minulé hodnoty regulované veličiny y(k-l) z výstupu 52 zpožčtovacího členu 2 ^na jehož vstup 51 je připojena okamžitá hodnota regulované veličiny y(k). ZpožSovací blok 5 provede zpoždění veličiny yík) o jeden interval vzorkováni a zpožděná veličina y(k-l) je vyvedena na výstup 52.

Dvojitý přepínací blok 2 proporcionální větve je dále opatřen druhým vstupem 12 pro připojeni predikované hodnoty regulované veličiny y(k+l), která je současně připojena na druhý vstup 22 přepínacího bloku 2 integrační větve, na jehož první vstup 21 je připojena okamžitá hodnota regulované veličiny y(k). Přepínací blok 2 integrační větve je opatřen třetím vstupem 23 pro připojení dvouhodnotové přepínací veličiny B, která přepíná na výstup 24 přepínacího bloku 2 integrační větve bu3 okamžitou hodnotu regulované veličiny y(k) nebo predikovanou hodnotu regulované veličiny ý(k+l,. Výstup 24 je připojen na první vstup 31 součtového bloku 2 ^v integrační větvi, který je opatřen druhým vstupem 32 pro připojení žádané hodnoty regulované veličiny y^ a jehož výstup 33 je připojen na vstup 61 bloku 2 pro změnu zesílení'integrační větve.

Výstup 62 bloku 2 P^ro změnu zesílení integrační větve je připojen na první vstup 81 součtového bloku 2 obou větví. Dvojitý přepínací blok 2 proporcionální větve je opatřen třetím vstupem 13 pro připojení dvouhodnotové přepínací veličiny A, která přepíná na první výstup 16 rovněž okamžitou hodnotu regulované veličiny y{k) nebo predikovanou hodnotu regulované veličiny y(k+1) a na druhý výstup 17 bu3 zpožděnou minulou hodnotu regulované veličiny y(k-l) nebo okamžitou hodnotu regulované,veličiny y(k). První výstup 16 je připojen na první vs’tup 41 součtového bloku 4 ^v proporcionální větvi a druhý výstup 17 je připojen na druhý vstup 42 součtového bloku £ v proporcionální větvi, jehož výstup 43 je připojen na vstup 71 bloku 7 pro změnu zesílení proporcionální větve, jehož výstup 72 je připojen na druhý vstup 82 součtového bloku 2 obou větví. Na výstupu 83 součtového bloku 2» který sečítá hodnoty v proporcionální a integrační větvi regulátoru, se objevuje hodnota přírůstku akční veličiny zlu (k) .

Činnost přírůstkového číslicového predikčního proporcionálně-integračniho regulátoru s přeplnámím funkcí je založena na struktuře konvenčního přírůstkového číslicového PI regulátoru popsaného diferenční rovnicí u(k) - u(k-l) - -r_o[y(k) - y(k-l)J + r_₁[y(k) kde u(k) je hodnota akční veličiny vypočítaná v okamžiku vzorkování k, u(k-l) je hodnota akční veličiny vypočítaná v okamžiku vzorkování k-1”, r_Q je zesílení proporcionální větve, r_i je zesílení integrační větve.

(1)

Konvenční přírůstkový číslicový Pí regulátor je realizován v případě, že dvouhodnotové přepínací veličiny mají hodnoty A = 0 .a B = 0. Má-li přepínací veličina A hodnotu A = 0 a veličina B hodnotu B » 1 je realizován regulátor do jehož integrační větve je zavedena predikovaná hodnota regulované veličiny yík+1) a regulátor PIR je popsán diferenční rovnicí u(k) - u(k-l) = -r_p[j(k) - y(k-lj] + r.^ík+l) - yj (2)

Má-li přepínací veličina B hodnotu B = 0 a veličina A hodnotu A = 1 je realizován regulátor, do jehož proporcionální větve je zavedena predikovaná hodnota regulované veličiny y(k+l) a regulátor PIR je popsán difeienční rovnicí u(k) - u(k-l) = -r_Q[ý(k+l) - y(k)] + r.-Jjík) - yj (3)

Mají-li obě přepínací veličiny hodnoty A = 1, B = 1 je realizován regulátor, do jehož obou větví je zavedena predikovaná hodnota regulované veličiny y(k+l) a regulátor PIR je popsán diferenční rovnicí u(k) - u(k-l) = -r_Q[jy(k+l) - yík)] + r_₁[j(k+l) - y_ž] (4)

Okamžitá hodnota regulované veličiny y(k) a predikovaná hodnota regulované veličiny ý(k+l) jsou přes přepínací bloky zapojeny do paralelně pracující proporcionální a integrační větve.

V integrační větvi je provedeno přepnutí dvouhodnotovou veličinou B připojenou na třetí vstup 23 přepínacího bloku 2. integrační větve, na jehož první vstup 2_1 je připojena hodnota y(k) a na druhý vstup 22 hodnota ý(k+l).

Výstup 24 se zvolenou okamžitou nebo predikovanou hodnotou regulované veličiny je zapojen na první vstup 31 součtového bloku 2 v integrační větvi, jehož druhý vstup 32 jé pro připojení žádané hodnoty regulované veličiny y^. V součtovém bloku 2 v integrační větvi je určen rozdíl mezi hodnotou připojenou na první vstup 31 a hodnotou připojenou na druhý vstup 3.2, Výstup 33 součtového bloku 2 3® zapojen na první vstup 61 bloku 2 P^ro změnu zesílení integrační větve, jehož výstup £2. 3® zapojen na první vstup 81 součtového bloku 8,.

V proporcionální větvi je přepínání veličin y(k) a y(k+l) prováděno přepínací dvouhodnotovou veličinou A, která je připojena na třetí vstup 13 dvojitého přepínacího bloku 2 proporcionální větve, na jehož první vstup 11 a pátý vstup 15 je připojena okamžitá hodnota regulované veličiny y(k), na druhý vstup 12 je připojena predikovaná hodnota regulované veličiny ý(k+l) a na čtvrtý vstup 21 3® připojena zpožděná minulé hodnota regulované veličiny y(k-l) z výstupu 52 zpoždovacího členu 5, na jehož vstup 51 je připojena okamžitá hodnota regulované veličiny y(k).

Zvolaná okamžitá nebo predikovaná hodnota se objevuje na prvním výstupu 16 dvojitého přepínacího bloku 2 integrační větve a na druhém výstupu 17 se objevuje zvolená zpožděná nebo naměřená hodnota. První výstup 16 dvojitého přepínacího bloku 2 integrační větve je zapojen na první vstup 41 součtového bloku 2 ^v proporcionální větvi a druhý výstup 17 je zapojen na jeho druhý vstup 42. V součtovém bloku 1 je vytvořena okamžitá odchylka regulované veličiny zly (k) = y(k) - y(k-l) nebo predikovaná odchylka zlý(k+l) = ý(k+l) - y(k), která je přes výstup 43 připojena na vstup 71 bloku T_ pro změnu zesílení proporcionální větve, jehož výstu 72 je zapojen na druhý vstup 82 součtového bloku S obou větví.

V součtovém bloku 8 obou větví je proveden součet hodnot v proporcionální a integrační větvi regulátoru a na jeho výstupu 83 se objevuje přírůstek akční veličiny <lu(k) - u(k) - u(k-l) který je podle zvolené funkce přírůstkového číslicového predikčního proporcionšlně-integračniho regulátoru popsán jednou z diferenčních rovnic (1), (2), (3) nebo (4). Experimentálně bylo prokázáno, že pro praktické provozní nasazení jsou ne jvýhodnějSÍ typy PIR a PIR. V případech, kdy je dostatek informací o regulované soustavě a reálných poruchách je vhodné použít regulátoru PIR, který dosahuje výrazně lepších výsledků než konvenční typ PI. Naproti tomu typ P?R lze vzhledem k jeho robustnosti používat obecně i když zlepšení jakosti regulace v porovnání s typem PI je menší než u vhodně použitého typu PXR.

Využití vynálezu se předpokládá vzhledem k experimentálně ověřeným vlastnostem zcela obecné u většiny technologických procesů. Všechny předpoklady pro úspěšné nasazení jsou jednoznačně splněny zejména u tepelně-technických procesů. Přírůstkový číslicový predikční proporcionálně-integrační regulátor s přepínáním funkci je navržen pro jednorozměrové regulované soustavy, tó je pro soustavy s jedním vstupem a jedním výstupem. Regulátor je uvažován jako zlepšená náhrada standardně používaných regulátorů PI a PID. Použitá predikovaná hodnota regulované veličiny v regulátorech PIR plně nahradí derivační složku D u typu PID, jejíž nastavování je v praxi často značně problematické. Lze předpokládat, že používáním regulátoru PIR by bylo možné regulátory PID ve většině případů vyloučit ze standardní nabídky. Praktické využití regulátoru PIR podle vynálezu se předpokládá při realizacích regulačních tepelně-technických obvodů v energetických blocích. Popsaná funkce je ověřena pro regulaci teploty přehřáté páry.

Claims (1)

1. Přírůstkový číslicový predikční proporcionálně-integrační regulátor s přepínáním funkcí obsahující blok pro změnu zesílení proporcionální větve a blok pro změnu zesílení integrační větve, jejichž výstupy jsou zapojeny na vstupy součtového bloku, jenž je opatřen výstupem pro přírůstek akční veličiny vyznačující se tím, že dvojitý přepínací blok (1) proporcionální větve je opatřen prvním vstupem (11) a pátým vstupem (15) pro připojení okamžité hodnoty regulované veličiny, čtvrtým vstupem (14) spojeným s výstupem (52) zpoždovacího členu (5), na jehož vstup (51) je připojen výstup okamžité hodnoty regulované veličiny a druhým vstupem (12) pro připojení predikované hodnoty regulované veličiny, která je současně připojena na druhý vstup (22) přepínacího bloku (2) integrační větve, na jehož první vstup (21) je připojen výstup okamžité hodnoty regulované veličiny a který je opatřen třetím vstupem (23) pro připojení druhé dvouhodnotové přepínací veličiny, výstup (24) přepínacího bloku (2) integrační větve je připojen na první vstup (31) součtového bloku (3) v integrační větvi, který je opatřen druhým vstupem (32) pro připojení žádané hodnoty regulované veličiny a jeho výstup (33) je připojen na vstup (61) bloku (6) pro změnu zesílení v integrační větvi, jehož výstup (62) je spojen s prvním vstupem (81) součtového bloku (8) obou větví, dvojitý přepínací blok (1) proporcionální větve je opatřen třetím vstupem (13) pro připojení první dvouhodnotové přepínací veličiny a jeho první výstup (16) je připojen na první vstup (41) součtového bloku (4) v proporcionální větvi, jehož druhý vstup (42) je připojen na druhý výstup (17) dvojitého přepínacího bloku (1) proporcionální větve, výstup (43) součtového bloku (4) v proporcionální větvi je připojen na vstup (71) bloku (7) pro změnu zesíleni v proporcionální větvi, jehož výstup (72) je připojen na druhý vstup (82) součtového bloku (8) obou větví, který je opatřen výstupem (83) pro přírůstek akční veličiny. ,