RU2325682C1

RU2325682C1 - Automatic control method and device

Info

Publication number: RU2325682C1
Application number: RU2007106524/09A
Authority: RU
Inventors: Юрий Семенович Тверской (RU); Юрий Семенович Тверской; Антон Владимирович Голубев (RU); Антон Владимирович Голубев
Original assignee: Юрий Семенович Тверской; Антон Владимирович Голубев
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-05-27

Abstract

FIELD: mechanics.

SUBSTANCE: said method and device relate to automatic control systems with pulse-width encoder, which, by means of "greater" or "less" pulses, controls position-control servomechanism, which acts on the item being controlled. Automatic control method and device with pulse-width encoder and position-control servomechanism based on detecting a control error signal as a difference between the system output signal and setup signal, conversion thereof by the controller according to specified law of control into control action, further generation, by pulse-width encoder, of a series of pulses, which move the position-control servomechanism in the "greater" or "less" direction, acting on the item being controlled. Minimum pulse duration in the pulse-width encoder changes dynamically and depends on control error modulus change signal, bounded below and above by minimum and maximum permissible pulse duration values.

EFFECT: enhanced reliability.

3 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к способам и устройствам автоматического регулирования с широтно-импульсным модулятором (ШИМ) путем воздействия на позиционный исполнительный механизм (исполнительный механизм постоянной скорости), который имеет широкое применение во многих отраслях промышленности и энергетике.The present invention relates to methods and devices for automatic control with a pulse-width modulator (PWM) by acting on a positional actuator (constant speed actuator), which is widely used in many industries and energy.

Известен способ (патент RU №4406163/24 С1, G05B 11/28. В.Ф. Бирюков, С.П.Ботуз Способ автоматического регулирования и система для его осуществления) релейно-импульсного регулирования, в котором повышение точности отработки ступенчатых программно-задающих воздействий достигается путем квантования времени, в течение интервала которого ошибка регулирования находится в зоне нечувствительности трехпозиционного регулирования, при этом длительность периода импульсного воздействия на объект управления формируют равной сумме длительностей эталонного сигнала и корректирующего сигнала, величина которого равна интегральной величине изменения нормированного сигнала рассогласования на предшествующем периоде, длительность импульсного воздействия на объект управления формируют как интегральное значение квадрата нормированного сигнала рассогласования на предшествующем периоде импульсного воздействия на объект управления, а полярность каждого импульсного воздействия формируют на основе непрерывного слежения за знаком разности между текущим сигналом рассогласования и его значением в момент окончания предшествующего периода и запоминания знака этой разности в момент окончания предшествующего периода воздействия на объект управления.The known method (patent RU No. 4406163/24 C1, G05B 11/28. V.F. Biryukov, S.P. Botuz Automatic control method and system for its implementation) pulse-pulse regulation, in which improving the accuracy of working out step-by-step program-setting impacts is achieved by quantizing the time during which the control error is in the dead zone of the three-position control, while the duration of the period of the pulse action on the control object is formed equal to the sum of the durations of the reference the signal and the correction signal, the value of which is equal to the integral value of the change in the normalized mismatch signal in the previous period, the duration of the pulse impact on the control object is formed as the integral value of the square of the normalized mismatch signal in the previous period of the pulsed effect on the control object, and the polarity of each pulse effect is formed on the basis of continuous tracking the sign of the difference between the current error signal and its value m at the end of the previous period and remembering the sign of this difference at the end of the previous period of impact on the control object.

Недостатком известного способа является отсутствие ограничения минимальной величины импульсного воздействия, что приводит к частым включениям электродвигателя механизма и соответственно повышенному его физическому износу, т.е. снижению надежности работы.The disadvantage of this method is the lack of limitation of the minimum value of the pulsed action, which leads to frequent switching on of the electric motor of the mechanism and, accordingly, its increased physical wear, i.e. reduce reliability.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ (А.С.Клюев, А.Т.Лебедев, С.А.Клюев, А.Г.Товарнов Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования. Справочное пособие./Под. ред. А.С.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомизат, 1989. - 368 с., п.3.4.) управления с широтно-импульсным регулированием путем выделения сигнала ошибки как разности выходного сигнала системы и сигнала задания, который преобразуется регулятором (в соответствии с заданным законом регулирования) в управляющее воздействие. Управляющее воздействие с помощью широтно-импульсного модулятора (релейного элемента) преобразуется в серию импульсов, которые перемещают позиционный исполнительный механизм в соответствующую сторону ("больше" или "меньше"), тем самым, воздействуя на объект регулирования. При этом величина перемещения позиционного исполнительного механизма зависит от сформированной длительности импульса. Кроме этого, в некоторых системах регулирования (например, в энергетической отрасли) в ШИМ устанавливается минимальная длительность импульса Тимп, которая определяет минимально возможную величину перемещения позиционного исполнительного механизма и характеризует количество включений электродвигателя механизма.The closest in technical essence to the proposed invention is a method (A.S. Klyuyev, A.T. Lebedev, S.A. Klyuyev, A.G. Tovarnov Adjustment of automation equipment and automatic control systems. Reference manual. / Ed. A.S. Klyueva. - 2nd ed., Revised and supplemented. - M .: Energoatomizat, 1989. - 368 p., Clause 3.4.) Of control with pulse-width regulation by isolating the error signal as the difference of the output signal system and reference signal, which is converted by the regulator (in accordance with the specified regulation law) to the control action action. The control action with the help of a pulse-width modulator (relay element) is converted into a series of pulses that move the positional actuator in the corresponding direction (“more” or “less”), thereby affecting the control object. Moreover, the displacement of the positional actuator depends on the generated pulse duration. In addition, in some control systems (for example, in the energy industry), the minimum pulse width Timp is set in the PWM, which determines the minimum possible displacement of the positional actuator and characterizes the number of starts of the electric motor of the mechanism.

Недостатком известного способа и реализуемых на его основе устройств является низкая надежность. Например, если уменьшение Тимп приводит к повышению точности позиционирования позиционного исполнительного механизма (соответственно и точности регулирования), то одновременно увеличивается количество включений электродвигателя позиционного исполнительного механизма, тем самым имеет место повышенный физический износ электродвигателя и позиционного исполнительного механизма в целом. Фиксированное увеличение Тимп приводит к уменьшению количества включений электродвигателя позиционного исполнительного механизма, но при этом имеет место ухудшение точности позиционирования позиционного исполнительного механизма и соответственно снижение качества регулирования.The disadvantage of this method and implemented on its basis devices is low reliability. For example, if a decrease in Timp leads to an increase in the accuracy of positioning of the positional actuator (respectively, and control accuracy), then the number of starts of the motor of the positional actuator increases simultaneously, thereby increasing physical wear of the electric motor and the positional actuator as a whole. A fixed increase in Timp leads to a decrease in the number of starts of the motor of the positional actuator, but there is a deterioration in the accuracy of positioning of the positional actuator and, accordingly, a decrease in the quality of regulation.

Технический результат предлагаемого изобретения направлен на оптимизацию величины минимальной длительности импульса в зависимости от скорости изменения ошибки регулирования в канале регулирования и расширение функциональных возможностей устройства путем минимизации частоты включения электродвигателя механизма, повышение точности позиционирования исполнительного механизма и качества регулирования.The technical result of the invention is aimed at optimizing the value of the minimum pulse duration depending on the rate of change of the control error in the control channel and expanding the functionality of the device by minimizing the frequency of switching on the motor of the mechanism, improving the accuracy of positioning of the actuator and the quality of regulation.

Технический результат достигается путем выделения сигнала ошибки регулирования как разности выходного сигнала системы и сигнала задания, его преобразования регулятором в соответствии с заданным законом регулирования в управляющее воздействие, дальнейшего формирования широтно-импульсным модулятором серии импульсов, перемещающих позиционный исполнительный механизм в сторону "больше" или "меньше", воздействуя на объект регулирования, минимальная длительность импульса воздействия на объект регулирования в широтно-импульсном модуляторе динамически изменяется и зависит от сигнала скорости изменения ошибки регулирования по модулю и ограничена снизу и сверху на минимально и максимально допустимые величины длительности импульса, при этом сигнал скорости изменения ошибки регулирования формируется с помощью блока дифференцирования или с помощью регулятора, если используется регулятор с пропорционально-дифференцирующим законом регулирования.The technical result is achieved by isolating the control error signal as the difference between the output signal of the system and the reference signal, converting it by the controller in accordance with the specified regulation law into a control action, further generating a series of pulses by the pulse-width modulator that move the positional actuator in the direction of "more" or " less ", acting on the object of regulation, the minimum pulse duration of the impact on the object of regulation in the pulse-width modulate re dynamically changes and depends on the signal of the rate of change of the control error modulo and is limited from below and above to the minimum and maximum allowable values of the pulse duration, while the signal of the speed of change of the control error is generated using the differentiation unit or using the controller if the controller is used with proportionally differentiating law of regulation.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ автоматического регулирования, на фиг.2 представлены результаты испытаний системы автоматического регулирования, на фиг.3 представлены вид сигналов в системе регулирования.Figure 1 presents a diagram of a device that implements the proposed method of automatic control, figure 2 presents the test results of the automatic control system, figure 3 shows the type of signals in the control system.

Схема способа автоматического регулирования (фиг.1) содержит 1 - объект регулирования; 2 - датчик; 3 - блок преобразования сигнала; 4 - блок суммирования сигналов; 5 - блок формирования задания; 6 - регулятор; 7 - релейный элемент (ШИМ); 8 - блок формирования и усиления импульсов; 9 - исполнительный механизм; 10 - блок дифференцирования; 11 - блок вычисления модуля; 12 - блок ограничения; 13 - блок изменения времени импульса.The scheme of the method of automatic regulation (figure 1) contains 1 - object of regulation; 2 - sensor; 3 - signal conversion unit; 4 - block summing signals; 5 - block forming tasks; 6 - regulator; 7 - relay element (PWM); 8 - block formation and amplification of pulses; 9 - actuator; 10 - differentiation unit; 11 - unit calculation module; 12 - block restrictions; 13 - block change the time of the pulse.

В предлагаемом способе автоматического регулирования выделяется сигнал ошибки регулирования ε как разность сигнала регулируемого параметра системы y и сигнала задания y_зад. Далее сигнал ошибки регулирования ε преобразуется регулятором в соответствии с заданным законом регулирования в управляющее воздействие z, поступающее на релейный элемент (широтно-импульсный модулятор). На выходе релейного элемента формируются серии импульсов u, перемещающие позиционный исполнительный механизм в сторону "больше" или "меньше", тем самым воздействуя на объект регулирования. Минимальная длительность импульса

в релейном элементе (широтно-импульсном модуляторе) динамически изменяется и зависит от сигнала скорости изменения ошибки регулирования ε' по модулю, ограниченного снизу и сверху на минимально и максимально допустимые величины длительности импульса. Сигнал скорости изменения ошибки регулирования ε' может формироваться с помощью блока дифференцирования (ε'₁) или с целью уменьшения количества блоков сигнал скорости изменения ошибки регулирования (ε'₂) может формироваться с помощью блока регулятора, если используется регулятор с пропорционально-дифференцирующим законом регулирования. Далее с помощью блока вычисления модуля вычисляется модуль сигнала скорости изменения ошибки регулирования, выполняется его ограничение снизу и сверху с помощью блока ограничения и с помощью блока изменения времени импульса изменяет минимальную длительность импульса

в релейном элементе (широтно-импульсном модуляторе).In the proposed automatic control method, a control error signal ε is allocated as the difference between the signal of the adjustable parameter of the system y and the reference signal y _ass . Next, the signal of the control error ε is converted by the controller in accordance with the specified regulation law into the control action z supplied to the relay element (pulse-width modulator). A series of pulses u are formed at the output of the relay element, which move the positional actuator in the direction of “more” or “less”, thereby affecting the object of regulation. Minimum pulse duration

in a relay element (pulse-width modulator) dynamically changes and depends on the signal of the rate of change of the control error ε 'modulo, limited from below and above by the minimum and maximum allowable values of the pulse duration. The signal of the rate of change of the control error ε 'can be generated using the differentiation unit (ε' ₁ ) or, in order to reduce the number of blocks, the signal of the rate of change of the error of the control (ε ' ₂ ) can be generated using the block of the controller if a controller with a proportionally differentiating control law is used . Then, using the module calculation unit, the module of the signal of the rate of change of the control error is calculated, it is limited from below and above by the restriction unit and, with the help of the pulse time change unit, changes the minimum pulse duration

in a relay element (pulse width modulator).

В устройстве автоматического регулирования регулируемый параметр с выхода объекта регулирования 1 с помощью датчика 2 преобразуется в сигнал регулируемого параметра системы y. Далее с помощью блока преобразования сигнала 3 сигнал регулируемого параметра системы y преобразуется к унифицированному виду. В блоке суммирования сигналов 4 сигнал регулируемого параметра системы y со знаком минус суммируется с сигналом задания y_зад, поступающим с блока формирования задания 5. В результате суммирования формируется сигнал ошибки регулирования ε, который поступает на регулятор 6, где в соответствии с заданным законом регулирования преобразуется в управляющее воздействие z, поступающее на релейный элемент 7 (широтно-импульсный модулятор). На выходе релейного элемента 7 формируются серии импульсов u, которые с помощью блока формирования и усиления импульсов 8 перемещают позиционный исполнительный механизм 9 в сторону "больше" или "меньше", тем самым воздействуют на объект регулирования 1. Сигнал ошибки регулирования ε блоком дифференцирования 10 (ε'₁) или блоком регулятора 6 (ε'₂), если используется регулятор с пропорционально-дифференцирующим законом регулирования, преобразуется в сигнал скорости изменения ошибки регулирования ε'. Далее блоком вычисления модуля 11 вычисляется модуль сигнала скорости изменения ошибки регулирования, выполняется его ограничение снизу и сверху с помощью блока ограничения 12 и блоком изменения времени импульса 13 изменяется минимальная длительность импульса

в релейном элементе 7 (широтно-импульсном модуляторе).In the automatic control device, the adjustable parameter from the output of the control object 1 with the help of the sensor 2 is converted into a signal of the adjustable parameter of the system y. Next, using the signal conversion unit 3, the signal of the adjustable parameter of the system y is converted to a unified form. In the block of summing signals 4, the signal of the adjustable parameter of the system y with a minus sign is summed with the signal of the task y _ass coming from the block forming task 5. As a result of the summation, a signal of regulation error ε is generated, which goes to controller 6, where, in accordance with the given regulation law, it is converted in the control action z supplied to the relay element 7 (pulse-width modulator). A series of pulses u are formed at the output of the relay element 7, which, with the help of a pulse generation and amplification unit 8, move the positional actuator 9 to the side “greater” or “less”, thereby affecting the control object 1. Signal of the control error ε by the differentiation unit 10 ( ε _'1), or control unit 6 (ε' _2), if a regulator with proportional-differentiating regulation law is transformed into a signal control error change rate ε '. Next, the unit of calculation of module 11 calculates the module of the signal of the rate of change of the control error, performs its restriction from below and above with the help of the restriction unit 12 and the unit for changing the pulse time 13 changes the minimum pulse duration

in the relay element 7 (pulse width modulator).

Из описанного выше видно, что совокупность признаков предлагаемого изобретения обеспечивает получение заявляемого технического результата - повышение точности позиционирования позиционного исполнительного механизма с сохранением заданной частоты включения электродвигателя механизма (Nвкл), которая обеспечивается за счет увеличения минимальной длительности импульса в переходном режиме и уменьшении в установившемся режиме работы системы регулирования. При этом реализация способа не ухудшает качество работы системы регулирования (фиг.2).From the above it is seen that the totality of the features of the present invention provides the claimed technical result - improving the accuracy of positioning the positional actuator while maintaining a given frequency of switching on the electric motor of the mechanism (N on), which is achieved by increasing the minimum pulse duration in transition mode and decreasing in steady state regulatory systems. Moreover, the implementation of the method does not impair the quality of the regulatory system (figure 2).

Таким образом, способ позволяет повысить точность позиционирования позиционного исполнительного механизма с сохранением заданной частоты включения электродвигателя механизма без существенной переработки системы регулирования с широтно-импульсным модулятором и позиционным исполнительным механизмом. Тем самым повышается эффективность работы системы регулирования (фиг.3).Thus, the method allows to increase the accuracy of positioning of the positional actuator while maintaining the specified frequency of switching on the electric motor of the mechanism without significant processing of the control system with a pulse-width modulator and positional actuator. This increases the efficiency of the control system (figure 3).

Claims

1. A method of automatic control with a pulse-width modulator and a positional actuator by isolating the control error signal as the difference between the system output signal and the reference signal, converting it by the controller in accordance with a given regulation law into a control action, and then generating a series of pulses by the pulse-width modulator, moving the positional actuator in the direction of "more" or "less", affecting the object of regulation, characterized in that the error signal of the regulation is converted into a signal of the rate of change of the error of regulation, the module of the signal of the speed of change of the error of regulation is calculated, its restriction is modulo above and below the minimum and maximum allowable pulse durations and, in accordance with this signal, the minimum pulse width in the pulse-width modulator changes.

2. The method according to claim 1, characterized in that the signal of the rate of change of the control error can be generated using either a differentiation unit or a controller if a controller with a proportionally differentiating regulation law is used.

3. An automatic control device, consisting of a standard automatic control channel, comprising a sensor, a signal conversion unit, a task generating unit, a signal summing unit, a regulator, a relay element, a pulse generating and amplifying unit, an object of regulation, characterized in that it further comprises a change unit time of pulses in a pulse-width modulator associated with a control error signal in a control channel by means of series-connected differential blocks citation, module calculation, and constraints.