CZ290354B6

CZ290354B6 - Zapojení regulátoru s pruľnou zpětnou vazbou

Info

Publication number: CZ290354B6
Application number: CZ19951232A
Authority: CZ
Inventors: Bořivoj Hanu©; Milo© Hernych; Rudolf ©Indelář
Original assignee: Abb Patent Gmbh
Priority date: 1994-07-16
Filing date: 1995-05-12
Publication date: 2002-07-17
Also published as: DE59503880D1; EP0786709A1; CZ123295A3; EP0692752B1; PL308617A1; PL177182B1; DE59500840D1; EP0692752A1; DE19516402A1; EP0786709B1

Abstract

Zapojen regul toru s pru nou zp tnou vazbou, kter obsahuje prvn modul (M1), jeho v²stupn sign l (y.sub.1d.n.) je veden zp t se z pornou zp tnou vazbou, a druh² modul (M2), jeho v²stupn sign l (y.sub.2.n.) je veden zp t s kladnou zp tnou vazbou. P°enosov funkce (M.sub.2.n.) druh ho modulu (M2) je nejlep aproximac p°esn p°enosov funkce (S(s)) regulovan soustavy (S), tak e v ust len m stavu regula n ho obvodu je sou et z porn a kladn zp tn vazby roven nule. Ve zp tn vazb je uspo° d n filtr (F), jeho vstupn m sign lem je rozd lov² sign l y.sub.2.n.-y mezi v²stupn m sign lem y.sub.2.n. druh ho modulu (M2) a v²stupn m sign lem y regulovan soustavy (S), a jeho v²stupn sign l y.sub.F.n. je slou en s v²stupn m sign lem y.sub.1d.n. prvn ho modulu (M1) pro vytvo°en regula n odchylky ed. V z porn zp tn vazb k druh mu regul toru (R1w) je uspo° d n dal modul (M1w), jeho regula n odchylka e.sub.w.n. na vstupn stran je rozd lem w-y.sub.1w.n. mezi v²stupn m sign lem y.sub.1w.n. dal ho modulu (M1w) a po adovanou hodnotou w, a jeho v²stupn sign l u.sub.w.n. je veden ke vstupu dal ho modulu (M1w) a je p°i ten k v²stupn mu sign lu u.sub.d.n. prvn ho regul toru (R1d) pro vytvo°en ak n veli iny u regulovan soustavy (S) a vstupn ho sign lu druh ho modulu (M2). Regula n odchylka e.sub.d.n. prvn ho regul toru (R1d) je vytvo°ena pouze jako rozd l v²stupn ho sign lu y.sub.1d.n. prvn ho modulu (M1) a v²stupn ho sign lu y.sub.F.n. filtru (F). Vstupn sign l prvn ho modulu (M1) je v²stupn m sign lem u.sub.d.n. prvn ho regul toru (R1d).\

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zapojení regulátoru s pružnou zpětnou vazbou, obsahujícího regulovanou soustavu s výstupním signálem a první analogový nebo diskrétní, lineární nebo nelineární regulátor s pružnou zpětnou vazbou akční veličiny na vstup regulátoru, přičemž zpětná vazba obsahuje první modul s póly v jeho přenosové funkci ke zpětnému vedení výstupního signálu prvního regulátoru, jehož výstupní signál je veden zpět se zápornou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce prvního modulu je částí aproximující přenosové funkce podle vztahu Mi(s).e'^s,daS(s), kde S(s) je přesná přenosová funkce regulované soustavy (S) at_d dopravní zpoždění, přičemž zpětná vazba rovněž obsahuje druhý modul, jehož výstupní signál je veden zpět s kladnou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce druhého modulu je nejlepší aproximací přesné přenosové funkce, takže v ustáleném stavu regulačního obvodu je součet záporné a kladné zpětné vazby roven nule, a přičemž ve zpětné vazbě je uspořádán filtr, jehož vstupním signálem je rozdílový signál mezi výstupním signálem druhého modulu a výstupním signálem regulované soustavy, a jehož výstupní signál je sloučen s výstupním signálem prvního modulu pro vytvoření regulační odchylky.

Dosavadní stav techniky

Takové zapojení nebo struktura regulačního obvodu je známa například z publikace Automatisierrungstechnische Praxis 36 (1994) 1, str. 46 až 52, zejména obr. 3, jako Smithův prediktor.

V této publikaci je také pojednáno o zásadních přednostech Smithova prediktoru oproti standardním regulátorům u regulovaných soustav s dominujícím dopravním zpožděním, jakož i o několika možnostech dosáhnout rozšíření zapojení pro zlepšení poměrů při rušení, avšak jen při měřitelných rušivých veličinách.

V tepelných elektrárnách mohou být diametrální požadavky, kladené jednak na kvalitu regulace, pokud se týká stability, rychlosti a přesnosti, a jednak na jednoduše přímo v provozu nastavitelné regulátory s malým počtem parametrů, splněny regulátorem s pružnou zpětnou vazbou. Ačkoliv se použije model soustavy, může se při použití PI-regulátoru provést nastavení v provozu operátorem. I při jednoduché konstrukci regulátoru se regulační vlastnosti regulátoru s pružnou zpětnou vazbou blíží vlastnostem ideálního stavového regulátoru.

Kvalita regulace závisí ovšem prakticky na shodě modelu soustavy v regulátoru se skutečným chováním soustavy. Známé Smithovo zapojení se dá bez problémů použít u stabilních regulovaných soustav, to jest u aperiodických regulačních soustav s dopravním zpožděním nebo bez něho a s libovolným uspořádáním nebo u slabě kmitajících regulovaných soustav.

Na obr. 4 je znázorněno chování při nastavování různých regulovaných soustav, o kterých bylo již pojednáno nebo bude pojednáno. Přitom je u časových průběhů 11 až 16 regulační veličiny y znázorněna skoková změna akční veličiny u. Dále je zde vyznačeno dopravní zpoždění td a doba t_v průtahu.

Časovým průběhem 11 je označen typický průběh aperiodické (nebo S-) soustavy, která se také označuje jako „stacionární“ regulovaná soustava nebo „s rovnovážným stavem“. Časovým průběhem 12 je označena slabě kmitající regulovaná soustava v rovnovážném stavu, jako 13 je označena silně kmitající regulovaná soustava v rovnovážném stavu. Označení 14 platí pro zpožděné astatické regulované soustavy a označení 15 kromě toho ještě pro kmitající regulované soustavy, to jest bez rovnovážného stavu. Průběh 16 platí pro nestabilní regulovanou soustavu.

-1 CZ 290354 B6

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je navrhnout zapojení s pružným regulátorem, které bude mít i u silně kmitajících, u astatických nebo dokonce u nestabilních regulovaných soustav dobré regulační chování.

Uvedený úkol splňuje zapojení regulátoru s pružnou zpětnou vazbou, obsahující regulovanou soustavu s výstupním signálem a první analogový nebo diskrétní, lineární nebo nelineární regulátor s pružnou zpětnou vazbou akční veličiny na vstup regulátoru, přičemž zpětná vazba obsahuje první modul s póly v jeho přenosové funkci ke zpětnému vedení výstupního signálu prvního regulátoru, jehož výstupní signál je veden zpět se zápornou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce prvního modulu je částí aproximující přenosové funkce podle vztahu M](s).e‘^stdsS(s), kde S(s) je přesná přenosová funkce regulované soustavy (S) atd dopravní zpoždění, přičemž zpětná vazba rovněž obsahuje druhý modul, jehož výstupní signál je veden zpět s kladnou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce druhého modulu je nejlepší aproximací přesné přenosové funkce, takže v ustáleném stavu regulačního obvodu je součet záporné a kladné zpětné vazby roven nule, a přičemž ve zpětné vazbě je uspořádán filtr, jehož vstupním signálem je rozdílový signál mezi výstupním signálem druhého modulu a výstupním signálem regulované soustavy, a jehož výstupní signál je sloučen s výstupním signálem prvního modulu pro vytvoření regulační odchylky, podle vynálezu, jehož podstatou je, že v záporné zpětné vazbě k druhému regulátoru je uspořádán další modul, jehož regulační odchylka na vstupní straně je rozdílem mezi výstupním signálem dalšího modulu a požadovanou hodnotou, a jehož výstupní signál je veden ke vstupu dalšího modulu a je přičten k výstupnímu signálu prvního regulátoru pro vytvoření akční veličiny regulované soustavy a vstupního signálu druhého modulu, regulační odchylka prvního regulátoru je vytvořena pouze jako rozdíl výstupního signálu prvního modulu a výstupního signálu filtru, a vstupní signál prvního modulu je výstupním signálem prvního regulátoru.

Uvedený úkol dále splňuje zapojení regulátoru s pružnou zpětnou vazbou, obsahující regulovanou soustavu s výstupním signálem a analogový nebo diskrétní, lineární nebo nelineární regulátor s pružnou zpětnou vazbou výstupního signálu prvního regulátoru, podle vynálezu, jehož podstatou je, že v záporné zpětné vazbě výstupního signálu k prvnímu regulátoru je uspořádán modul, který má stabilní přenosovou funkci, v záporné zpětné vazbě k druhému regulátoru je uspořádán další modul, takže regulační odchylka druhého regulátoru je rozdílem mezi výstupním signálem dalšího modulu a požadovanou hodnotou, a jeho výstupní signál je veden ke vstupu dalšího modulu a je přičten k výstupnímu signálu prvního regulátoru pro vytvoření akční veličiny, a výstupní signál dalšího modulu je rovněž veden přes zpožďovací jednotku k filtru, další modul je spojen přes zpožďovací jednotku s filtrem pro zavedení výstupního signálu dalšího modulu přes zpožďovací jednotku k filtru, přičemž vstupní signál filtru je rozdílovým signálem mezi výstupním signálem zpožďovací jednotky a výstupním signálem regulované soustavy, a výstupní signál filtru je sloučen s výstupním signálem třetího modulu pro vytvoření regulační odchylky prvního regulátoru.

Podle výhodného provedení vynálezu je filtr proveden pro vytvoření výstupního signálu filtru vždy součtem jeho vstupního signálu sjeho váženými časovými derivacemi m-tého řádu, přičemž m je menšího nebo stejného řádu jako modul ve zpětné vazbě výstupního signálu k prvnímu regulátoru.

Podle výhodného provedení vynálezu jsou moduly v případě astatické a nestabilní regulované soustavy zaměněny třetím modulem se stabilní přenosovou funkcí aproximující jejich výsledný přenos.

-2CZ 290354 B6

Uvedený úkol dále splňuje zapojení regulátoru s pružnou zpětnou vazbou, obsahující regulovanou soustavu s výstupním signálem a analogový nebo diskrétní, lineární nebo nelineární regulátor s pružnou zpětnou vazbou akční veličiny na vstup regulátoru, přičemž zpětná vazba obsahuje prostředky k uskutečnění funkce prvního modulu s póly v jeho přenosové funkci, jehož výstupní signál je veden zpět se zápornou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce prvního moduluje částí aproximující přenosové funkce podle vztahu Mj(s). e‘^std =S(s), kde S(s) je přesná přenosová funkce regulované soustavy a tj dopravní zpoždění, zpětná vazba rovněž obsahuje prostředky k uskutečnění funkce druhého modulu, jehož výstupní signál je veden zpět s kladnou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce druhého modulu je nejlepší aproximací přesné přenosové funkce, takže v ustáleném stavu regulačního obvodu je součet záporné a kladné zpětné vazby roven nule, a přičemž ve zpětné vazbě je uspořádán filtr, jehož vstupním signálem je rozdílový signál mezi výstupním signálem druhého modulu axýstupním signálem regulované soustavy, a jehož výstupní signál je sloučen s výstupním signálem prvního modulu pro vytvoření regulační odchylky, podle vynálezu, jehož podstatou je, že druhý modul je vytvořen jako pozorovatel stavových proměnných regulované soustavy, přičemž váženou zpětnou vazbou k druhému modulu je rozdílem výstupního signálu a regulované veličiny regulovaná veličina sledována výstupním signálem druhého modulu, a první modul není proveden jako samostatný dynamický člen, nýbrž jako součet vážených hodnot stavový ch veličin druhého modulu.

Podle výhodného provedení vynálezu je první odčítací místo spojeno s filtrem a s druhým modulem a přes integrátor se čtvrtým sčítacím místem, přičemž rozdílový signál vytvořený v prvním odčítacím místě je rozdělen a veden jednak po násobení koeficientem k filtru ajednak zpětnovazebně k druhému modulu přímo, jakož i přídavně přes integrátor do čtvrtého sčítacího místa na vstupu druhého modulu.

Podle výhodného provedení vynálezu je první odčítací místo přímo spojeno s druhým odčítacím místem, přičemž výstupní signál prvního odčítacího místa, vynásobený koeficientem, je veden přímo do druhého odčítacího místa, tedy bez vložení filtru.

Výhody zapojení podle vynálezu spočívají vtom, že se dosáhne stability regulačního chování vyššího řádu i u nestabilních nebo silně kmitajících regulovaných soustav. Lze dosáhnout takové kvality regulace, která je obvykle lepší než u běžného PID-regulátoru a je téměř tak dobrá, jako u stavového regulátoru s úplnou zpětnou vazbou. Jejich navržení a uvedení do provozu je jednoduché a bezproblémové.

Přehled obrázků na výkresech

Podrobný popis vynálezu a jeho možnosti vytvoření jsou v dalším textu uvedeny pomocí obrázků na výkresech, na nichž obr. 1 znázorňuje zapojení regulátoru s pružnou zpětnou vazbou podle vynálezu, obr. 2 obměnu zapojení podle obr. 1, spočívající v uspořádání oddělených regulačních rozsahů pro změny požadované hodnoty a poruchových veličin, obr. 3 obměnu zapojení podle obr. 2, obr. 4 regulační chování rozdílných regulovaných obvodů, obr. 5a, 6a a 7a simulační výsledky různých regulovaných veličin v případě známého Smithova zapojení,

-3CZ 290354 B6 obr. 8 obměnu zapojení podle obr. 1 se snímači.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněna struktura regulačního obvodu, která se od Smithova zapojení liší uspořádáním filtru F ve zpětné vazbě.

Je znázorněna regulovaná soustava S, na jejímž výstupu je odebírána výstupní veličina y a je vedena k prvnímu odčítacímu místu 4.

První regulátor Rld dodává akční veličinu u, která je prvním sčítacím místem 7 slučována s neměřitelnou poruchovou veličinou d pro vytvoření vstupního signálu regulované soustavy S.

První regulátor Rld může byt tvořen obvyklým regulátorem, například Pl- nebo PID-regulátorem.

Akční veličina u je přivedena do záporné zpětné vazby prvním modulem Ml a do kladné zpětné vazby druhým modulem M2.

Výstupní signál yl prvního modulu Ml se odečte ve druhém odčítacím místě 5 od výstupního signálu filtru F. Výstupním signálem druhého odčítacího místa 5 je odchylka e, která je vstupním signálem prvního regulátoru Rld.

Vodicí veličina, respektive požadovaná hodnota w, se může připojit buď v prvním místě 1 druhého odčítacího místa 5 nebo v druhém místě 2 dalšího vstupu regulátoru Rld.

Při přivedení požadované hodnoty w přes druhé místo 2 se požadovaná hodnota w připojí aditivně na vstupy P-kanálu a zbývajících kanálů regulátoru. Zesílení pro případně se vyskytující I-kanál je stejné jako zesílení výstupního signálu odčítacího místa 5. Zesílení pro zbývající kanály může být libovolné.

První modul Ml modelu regulované soustavy může kromě toho vysílat podle stavu měnitelné signály x pro nastavení prvního regulátoru Rld. Od výstupního signálu y2 druhého modulu M2 modelu regulované soustavy se v prvním odčítacím místě 4 odečte výstupní veličina y. Rozdílový signál y2 - y se přivede do filtru F.

Syntéza zapojení podle obr. 1 a volba funkcí jeho složek spočívá v následujících úvahách.

Jestliže regulovaná soustava S a její aproximační model, realizovaný moduly Ml a M2, mají podobné přenosové funkce, potom jsou, v případě stejného průběhu vstupního signálu, podobné také regulační pochody. Jestliže tedy průběh regulace je s modelem optimální, je s regulovanou soustavou podoptimální a blíží se optimálnímu průběhu regulace o to více, čím lepší je shoda v chování regulované soustavy a modelu.

Zvolí se následující aproximace:

M!(s).e^std=S(s) (1) přičemž

S(s) je přenosová funkce regulované soustavy,

-4CZ 290354 B6

M!(s).e’^std je přenosová funkce prvního modulu Ml aproximačního modelu,

U je dopravní zpoždění.

U aperiodických (S-)regulovaných soustav libovolného řádu a u slabě kmitajících s rovnovážným stavem se zvolí modul Ml s prvním řádem a u silně kmitajících regulovaných soustav, u regulovaných soustav bez rovnovážnosti (tj. astatických) a u nestabilních regulovaných soustav je třeba póly přenosových funkcí S(s), které odpovídají kmitající, astatické nebo nestabilní části přenosové funkce S(s), převzít do přenosové funkce Ml(s). Zvoleným aproximativním vztahem (1) je možná pružná zpětná vazba regulátoru Rld prostřednictvím dvou modulů Ml a M2. Spočívá v záporné zpětné vazbě, představované modulem Ml s přenosovou funkcí Ml(s) a v kladné zpětné vazbě, která se realizuje modulem M2 s následující přenosovou funkcí (co nejpřesněji):

M₂(s>S(s)

Záporná zpětná vazba regulované soustavy S se z velké části kompenzuje kladnou zpětnou vazbou s modulem M2, takže dynamika uzavřeného regulačního obvodu se určuje jen modulem Ml a regulátorem Rld. Regulátor Rld se, alespoň předběžně, nastaví jen podle modulu Ml a může být tudíž jen nižšího řádu. Pro statickou regulovanou soustavu S, tedy rovnovážnou, je regulátor Rld jen typu PI. Výstup regulované soustavy S, tedy výstupní veličina y, odpovídá potom přibližně výstupu modulu MI zpožděnému o dopravní zpoždění td (víz vztah (1)). Výstupní signály yl ay2 modulů Ml a M2 jsou ve stacionárním stavu identické a tím je rezultující výstupní signál pružné zpětné vazby roven nule. (U statické regulované soustavy S musí být činitele zesílení modulů Ml, M2 identické.)

Parametry regulátoru Rld se mohou buď pro změnu požadované hodnoty w (obvykle skoková veličina) nebo pro poruchu d nastavit na vstupu regulované soustavy S optimálně. Signál požadované hodnoty w se přivede na vstup regulátoru Rld. Při optimálních parametrech regulátoru se stává regulační pochod na výstupu modulu Ml optimálním a tím také optimálním, nebo alespoň podoptimálním, na výstupu regulované soustavy S. Při nastavování regulátoru Rld na chování při poruše d, přičemž porucha d se za tím účelem neměří, odpovídá rozdíl signálů y2y mezi výstupem regulované soustavy S a výstupem modulu M2 stále reakci regulované soustavy S na poruchu d, neboť korigující působení akční veličiny regulátoru Rld na výstupní veličinu y se kompenzuje přenosem prostřednictvím regulované soustavy S a druhého modulu M2. Jestliže se nyní předpokládá, že žádný filtr F není uspořádán, pak se připojením signálu na vstup regulátoru Rld vyreguluje působení poruchy d na výstupní veličinu y jako změna požadované hodnoty w, tj. s dopravním zpožděním td. Vznikající rozdílový signál /y2(t)-y(t)/ se tudíž regulátoru Rld přivede přes filtr F s předstihovým chováním, čímž se rozdílový signál vyreguluje na hodnotu /y2(t+td)-y(t+td)/, neboť jinak by se obdržel teprve po době dopravního zpoždění td. Takový výstupní signál filtru F se tvoří součtem rozdílového signálu /y2(t)-y(t)/ sjeho váženými časovými derivacemi m-tého řádu, přičemž m je menší nebo rovno řádu modulu Ml aproximačního modelu. Pomocí filtru F se vyregulování poruchové veličiny d na vstupu regulované soustavy S urychlí a současně se spolehlivě neovlivní stacionární chování pružné zpětné vazby (v trvalém stavu je na výstupu nula), zejména v případě regulované soustavy bez rovnovážnosti, popřípadě nestabilní regulované soustavy S. Všechny nepřesnosti v modulech Ml a M2 oproti regulované soustavě S se jako porucha d v regulované soustavě vyregulují bez trvalé odchylky. Stejného výsledku lze také dosáhnout pomocí z toho rezultující stabilní přenosové funkce s jejím výstupním signálem, konvergujícím vždy k nule, tj. pomocí pružné zpětné vazby s jen jedním modulem, například třetím modulem M3, jak ie znázorněno na obr. 3.

- 5 CZ 290354 B6

Obr. 2 znázorňuje obměněné zapojení, které umožňuje obě změny požadované veličiny w a poruchy d vyregulovat současně a navzájem na sobě nezávisle, a to co nejlépe. Zapojení má dva rozsahy vždy s jedním regulátorem a jedním modulem.

Prvním rozsahem, tvořeným druhým regulátorem Rlw a čtvrtým modulem Mlw se dosáhne dopředného řízení (feed forward), pokud se týká změny požadované hodnoty w zadané prostřednictvím třetího místa 3. Od požadované hodnoty w se na třetím odčítacím místě 6 odečte výstupní signál ylw čtvrtého modulu Mlw pro tvoření odchylky ew pro druhý regulátor Rlw.

Druhý rozsah obsahuje první regulátor Rld a první modul Ml pro vyregulování poruchy d. Modul M2 je účinný v obou rozsazích, neboť výstupní signály ud, uw obou regulátorů Rld. Rlw se sčítají ve třetím sčítacím místě 9 pro tvoření akční veličiny u, která je vedena do druhého modulu M2. Akční veličina u je kromě toho tvořena ve druhém sčítacím místě 8.

Obr. 3 znázorňuje další obměnu zapojení se dvěma regulačními rozsahy. Pružná zpětná vazba prvního regulátoru Rld obsahuje v tomto případě jen třetí modul M3 se stabilní přenosovou funkcí místo prvního modulu Ml a druhého modulu M2 s filtrem F. Výstupní signál y3 třetího modulu M3 se ve druhém odčítacím místě 5 odečítá od výstupního signálu yF filtru F. Výstupní signál ylw čtvrtého modulu Mlw se vede kromě ke třetímu odčítacímu místu 6 přes člen e'^stddopravního zpoždění td k prvnímu odečítacímu místu 4.

Na obr. 5 až 7 jsou znázorněny simulační výsledky, na kterých má být ukázáno, jakých zlepšení v regulačních poměrech u různých regulovaných soustav lze dosáhnout zapojeními podle vynálezu. Všechny zkoumané soustavy mají dopravní zpoždění td 30 s. Zkoumáno bylo chování regulátoru, pokud se týká poruchy d, která byla skokově změněna. Obvyklým způsobem je označena akční veličina u, výstupní veličina y a požadovaná hodnota w.

Obr. 5a, 6a a 7a znázorňují simulační výsledky pro shora uvedené zapojení, označené jako Smithův prediktor. Obr. 5b, 6b a 7b znázorňují vždy odpovídající výsledky pro zapojení podle vynálezu podle obr. 1.

Obr. 5a a 5b znázorňují simulační výsledky pro případ „stabilní regulované soustavy“, tedy typu znázorněného na obr. 4 křivkami 11 a 12. Z obr. 5a lze seznat, že Smithovo zapojení vede v tomto případě k přijatelným výsledkům. Obr. 5b znázorňuje, že zapojení podle vynálezu, tedy s filtrem F, vykazuje lepší výsledek, tj. způsobí rychlejší vyregulování výstupní veličiny y na požadovanou hodnotu w. V obou případech se tedy dosáhne y = w, jak je žádáno.

Obr. 6a a 6b se vztahují na „astatickou regulovanou soustavu“ (viz obr. 4, křivky 14 a 15). Přitom lze z obr. 6a seznat, že u Smithova zapojení se sice nastaví ustálený stav, avšak zůstává trvalá odchylka, tedy y Φ w. Zapojení vede sice k stabilní regulaci, je ale v důsledku trvalé odchylky jen omezeně použitelné. Obr. 6 znázorňuje naproti tomu pro zapojení podle vynálezu podstatně lepší kvalitu regulace bez trvalé odchylky (y = w).

Obr. 7a a 7b znázorňují konečně výsledky pro „nestabilní regulovanou soustavu“ (viz obr. 4, křivku 16). Jak znázorňuje obr. 7a, není Smithův obvod pro tento případ použitelný, neboť výstupní veličina y nedosáhne trvalého stavu. Obr. 7b naproti tomu ukazuje také pro takovou regulovanou soustavu výborný výsledek, totiž stabilní regulaci, přičemž působení poruchy d se rychle a bez trvalé odchylky vyreguluje (y = w).

Obr. 8 znázorňuje obměnu zapojení, znázorněného na obr. 1, přičemž první modul Ml není realizován jako samostatný dynamický člen, nýbrž jako součet vážených hodnot stavových veličin druhého modulu M2.

-6CZ 290354 B6

Druhý modul M2 je přitom v principu snímačem stavových veličin regulované soustavy S, neboť výstupní signál y2 druhého modulu M2 se přivede výstupní veličině y prostřednictvím vážené zpětné vazby rozdílového signálu y2 - y. Rozdílový signál y2 - y se po změně znaménka v místě 17 vynásobením váhovými koeficienty hl a hn přivede aditivně do druhého modulu M2. Kromě toho se negovaný rozdílový signál y2 - y s koeficientem ho přivede do čtvrtého sčítacího místa 10 před vstupem druhého modulu M2 aditivně k rozdílovému signálu y2 - y vynásobenému koeficientem hl a přičte se k akční veličině u.

Dynamického chování modulu M2 provedeného po vyregulování rozdílu y2 - y se může docílit dimenzováním váhových koeficientů hl až hn vektoru h.

Stavové proměnné, odebírané od modulu M2, jsou prakticky identické stěmi, které přísluší regulované soustavě S, a které nejsou obvykle jako naměřená hodnota k dispozici. Násobením n stavových proměnných koeficienty kl až kn a sumarizací se vytvoří výstupní signál yl, který je přiveden druhému odčítacímu místu 5 (viz obr. 8). Tímto způsobem se realizuje na obr. 1 znázorněný první modul Ml.

Na obr. 8 znázorněné zapojení má tu přednost, že v důsledku dynamického vedení druhého modulu M2 se stavové veličiny rychle mění a prostřednictvím výstupního signálu yl aktivují regulátor Rld. Tímto způsobem se může prediktivní působení filtru F snížit.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Zapojení regulátoru s pružnou zpětnou vazbou, obsahující regulovanou soustavu (S) s výstupním signálem y a první analogový nebo diskrétní, lineární nebo nelineární regulátor (Rld) s pružnou zpětnou vazbou akční veličiny u na vstup prvního regulátoru (Rld), přičemž

a) zpětná vazba obsahuje první modul (Ml) spóly v jeho přenosové funkci ke zpětnému vedení výstupního signálu u_d prvního regulátoru (Rld), kde výstupní signál (yid) prvního modulu (Ml) je veden zpět se zápornou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce (Mi) prvního modulu (Ml) je částí aproximující přenosové funkce podle vztahu Mi(s).e ^std =S(s), kde S(s) je přesná přenosová funkce regulované soustavy (S) a t_d dopravní zpoždění,

b) zpětná vazba rovněž obsahuje druhý modul (M2), jehož výstupní signál y₂ je veden zpět s kladnou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce (M₂) druhého modulu (M2) je nej lepší aproximací přesné přenosové funkce (S(s)), takže v ustáleném stavu regulačního obvodu je součet záporné a kladné zpětné vazby roven nule, a přičemž

c) ve zpětné vazbě je uspořádán filtr (F), jehož vstupním signálem je rozdílový signál y₂-y mezi výstupním signálem y₂ druhého modulu (M2) a výstupním signálem y regulované soustavy (S), a jehož výstupní signál y_F je sloučen s výstupním signálem (y_]d) prvního modulu (Ml) pro vytvoření regulační odchylky (e_d), vyznačující se tí m , že

d) v záporné zpětné vazbě k druhému regulátoru (Rlw) je uspořádán další modul (Mlw), jehož regulační odchylka e_w na vstupní straně je rozdílem w-y_Iw mezi výstupním signálem y_lwdalšího modulu (Mlw) a požadovanou hodnotou w, a jehož výstupní signál u_w je veden ke vstupu dalšího modulu (Mlw) a je přičten k výstupnímu signálu u_d prvního regulátoru (Rld) pro vytvoření akční veličiny u regulované soustavy (S) a vstupního signálu druhého modulu (M2),

e) regulační odchylka e_d prvního regulátoru (Rld) je vytvořena pouze jako rozdíl výstupního signálu yid prvního modulu (Ml) a výstupního signálu y_F filtru (F), a

f) vstupní signál prvního modulu (Ml) je výstupním signálem u_d prvního regulátoru (Rld).

2. Zapojení regulátoru s pružnou zpětnou vazbou, obsahující regulovanou soustavu (S) s výstupním signálem y a analogový nebo diskrétní, lineární nebo nelineární regulátor (Rld) s pružnou zpětnou vazbou výstupního signálu u_d prvního regulátoru (Rld), vyznačující se tím, že

a) v záporné zpětné vazbě výstupního signálu u_d k prvnímu regulátoru (Rld) je uspořádán třetí modul (M3), který má stabilní přenosovou funkci,

b) v záporné zpětné vazbě k druhému regulátoru (Rlw) je uspořádán další modul (Mlw), takže regulační odchylka e_w druhého regulátoru (Rlw) je rozdílem w-yi_w mezi výstupním signálem yi_w dalšího modulu (Mlw) a požadovanou hodnotou w, a jeho výstupní signál u_w je veden ke vstupu dalšího modulu (Mlw) a je přičten k výstupnímu signálu u_d prvního regulátoru (Rld) pro vytvoření akční veličiny u, a

c) další modul (Mlw) je spojen přes zpožďovací jednotku e'^std s filtrem (F) pro zavedení výstupního signálu yiw dalšího modulu (Mlw) přes zpožďovací jednotku e'^std k filtru (F), přičemž vstupní signál filtru (F) je rozdílovým signálem mezi výstupním signálem zpožďovací jednotky a výstupním signálem y regulované soustavy (S), a výstupní signál filtru (F) je sloučen s výstupním signálem třetího modulu (M3) pro vytvoření regulační odchylky ed prvního regulátoru (Rld).

3. Zapojení podle jednoho z nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že filtr (F) je proveden pro vytvoření výstupního signálu y_F filtru (F) vždy součtem jeho vstupního signálu s jeho váženými časovými derivacemi m-tého řádu, přičemž m je menšího nebo stejného řádu jako modul (Ml, M3) ve zpětné vazbě výstupního signálu u_d k prvnímu regulátoru (Rld).

4. Zapojení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že moduly (Ml, M2) v případě astatické a nestabilní regulované soustavy (S) jsou zaměněny třetím modulem (M3) se stabilní přenosovou funkcí M₃(s) = Mi (s)-M₂(s).F(s), aproximující jejich výsledný přenos.

5. Zapojení regulátoru s pružnou zpětnou vazbou, obsahující regulovanou soustavu (S) s výstupním signálem y a

-8CZ 290354 B6 analogový nebo diskrétní, lineární nebo nelineární regulátor (Rld) s pružnou zpětnou vazbou akční veličiny u na vstup regulátoru (Rld), přičemž

a) zpětná vazba obsahuje prostředky k uskutečnění funkce prvního modulu (Ml) s póly v jeho přenosové funkci, jehož výstupní signál yi je veden zpět se zápornou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce (M_t) prvního modulu (Ml) je částí aproximující přenosové funkce podle vztahu Mi (s).e'^std aS(s), kde S(s) je přesná přenosová funkce regulované soustavy (S) a t_d dopravní zpoždění,

b) zpětná vazba rovněž obsahuje prostředky k uskutečnění funkce druhého modulu (M2), jehož výstupní signál (y₂) je veden zpět s kladnou zpětnou vazbou, a přičemž přenosová funkce (M₂) druhého modulu (M2) je nejlepší aproximací přesné přenosové funkce (S(s)), takže v ustáleném stavu regulačního obvodu je součet záporné a kladné zpětné vazby roven nule, a přičemž

c) ve zpětné vazbě je uspořádán filtr (F), jehož vstupním signálem je rozdílový signál y₂-y mezi výstupním signálem y₂ druhého modulu (M2) a výstupním signálem y regulované soustavy (S), a jehož výstupní signál y_F je sloučen s výstupním signálem yi prvního modulu (Ml) pro vytvoření regulační odchylky e, vyznačující se tím, že

d) druhý modul (M2) je vytvořen jako pozorovatel stavových proměnných regulované soustavy (S), přičemž váženou zpětnou vazbou z místa (17), vynásobením váhovými koeficienty hl až hn, přes integrátor (I) do čtvrtého sčítacího místa (10) k druhému modulu (M2) je rozdílem y₂-y výstupního signálu y₂ a regulované veličiny y regulovaná veličina y sledována výstupním signálem y₂ druhého modulu (M2), a

e) první modul (Ml) není proveden jako samostatný dynamický člen, nýbrž jako součet vážených hodnot stavových veličin druhého modulu (M2).

6. Zapojení podle nároku 1, vyznačující se tím, že první odčítací místo (4) je spojeno s filtrem (F) a s druhým modulem (M2) a přes integrátor (1) se čtvrtým sčítacím místem (10), přičemž rozdílový signál y2-y vytvořený v prvním odčítacím místě (4) je rozdělen a je veden jednak po násobení koeficientem k_F k filtru (F) a jednak zpětnovazebně k druhému modulu (M2) přímo, jakož i přídavně přes integrátor (1) do čtvrtého sčítacího místa (10) na vstupu druhého modulu (M2).

7. Zapojení podle nároku 1 nebo 5, vyznačující se tím, že první odčítací místo (4) je přímo spojeno s druhým odčítacím místem (5), přičemž výstupní signál prvního odčítacího místa (4), vynásobený koeficientem k_F, je veden přímo do druhého odčítacího místa (5), tedy bez vložení filtru (F).