RU2788576C1 - Jet-photocompensation semi-continuously operating proportional-integral-differential (pid) regulator - Google Patents

Jet-photocompensation semi-continuously operating proportional-integral-differential (pid) regulator Download PDF

Info

Publication number
RU2788576C1
RU2788576C1 RU2022113569A RU2022113569A RU2788576C1 RU 2788576 C1 RU2788576 C1 RU 2788576C1 RU 2022113569 A RU2022113569 A RU 2022113569A RU 2022113569 A RU2022113569 A RU 2022113569A RU 2788576 C1 RU2788576 C1 RU 2788576C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
regulator
output
integral
proportional
controller
Prior art date
Application number
RU2022113569A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Анатольевич Макаров
Арам Завенович Казарян
Филипп Андреевич Королев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2788576C1 publication Critical patent/RU2788576C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: mechanical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to jet-photocompensation regulators. The jet-photocompensation semi-permanently operating proportional-integral-differential regulator consists of a proportional-integral PI-regulator and a differentiating link, and the PI-regulator includes input nozzles normally located to the sensing element: the plate, the angle of rotation of which is proportional to the force action of the jets and is recorded by the optical part of the regulator, consisting of a light source, a condenser, a diaphragm and a dual photo resistance cell, entering into an equilibrium electric bridge, in the feedback of which there is a magnetoelectric galvanometer, a resistance divider for changing the gain, an output milliammeter for registering the output signal and an integral link consisting of electrical capacitor and variable resistance to change the integration time constant, it is characterized by the fact that the differentiating link consists of a pneumatic variable resistance, a constant volume, a single-membrane precision repeater and a nozzle located on the plate of another magnetoelectric galvanometer, the output of which is combined with an adder with a PI regulator, at the output of which there is a node for forming a control command to turn off the regulator when the adjustable value and its speed deviate from the task, performed in in the form of a disconnecting relay with two parallel threshold elements, moreover, the first threshold element is connected to the output of the regulator to determine the error sign, and the second threshold element is connected to the differentiating link to determine the speed sign.
EFFECT: linearity of the static characteristic and the dynamics of the control process are provided.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области пневмоэлектрических автоматических регуляторов.The invention relates to the field of pneumoelectric automatic regulators.

Из уровня техники известен пневматический пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, состоящий из мембранного пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора и дифференцирующего звена, объединенные с помощью сумматора [1]. ПИ-регулятор включает в себя пропорциональное звено, содержащее элемент сравнения, в обратной связи которого расположен делитель, состоящий из переменного и постоянного сопротивлений, изменение соотношения проводимостей которых приводит к изменению коэффициента усиления разности входных давлений. Интегральное и дифференцирующее звенья выполнены на базе апериодических звеньев, состоящих из постоянного объема и переменного сопротивления для изменения постоянной времени.The prior art pneumatic proportional-integral-derivative (PID) controller, consisting of a membrane proportional-integral (PI) controller and a differentiating link, combined with an adder [1]. The PI controller includes a proportional link containing a comparison element, in the feedback of which there is a divider consisting of variable and constant resistances, a change in the conductance ratio of which leads to a change in the gain of the input pressure difference. The integral and differentiating links are made on the basis of aperiodic links, consisting of a constant volume and a variable resistance to change the time constant.

Недостатками такого регулятора являются низкие динамические свойства, присущие мембранным элементам.The disadvantages of such a regulator are the low dynamic properties inherent in the membrane elements.

Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в повышении быстродействия регулирования за счет использования принципа полупостоянно работающего регулятора [1] и компенсационной схемы, основанной на равенстве моментов силового действии струи на подвижную преграду и противодействующей магнитоэлектрической силы.The technical result achieved in the present invention is to increase the speed of regulation by using the principle of a semi-permanently operating regulator [1] and a compensation scheme based on the equality of the moments of the force action of the jet on the moving barrier and the counteracting magnetoelectric force.

Известен также пропорциональный регулятор, состоящий из подвижной части, включающей в себя пластину, подвешенную на газовой опоре, входной дифференциальной пневматической схемы, считывающего элемента в виде узла типа «сопло-заслонка», пневматического мембранного усилителя мощности, охваченного регенеративной обратной связью [2]. Принципом работы указанного решения, как и настоящего изобретения, является применение измерительной компенсационной схемы, основанной на силовом действии струи на подвижную преграду, однако настоящее изобретение реализует работу регулятора в полупостоянном режиме ПИД-регулятора, что существенно повышает его быстродействие.A proportional regulator is also known, consisting of a movable part, including a plate suspended on a gas support, an input differential pneumatic circuit, a reading element in the form of a “nozzle-shutter” type assembly, a pneumatic membrane power amplifier covered by regenerative feedback [2]. The principle of operation of this solution, as well as the present invention, is the use of a measuring compensation circuit based on the force action of the jet on a moving barrier, however, the present invention implements the controller in a semi-constant PID controller mode, which significantly increases its speed.

Более конкретно, технический результат достигается тем, что струйно-фотокомпенсационный полупостоянно работающий пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор состоит из пропорционально-интегрального ПИ-регулятора и дифференцирующего звена, причем ПИ-регулятор включает входные сопла, нормально расположенные к чувствительному элементу - пластине, угол поворота которой пропорционален силовому воздействию струй и регистрируется оптической частью регулятора, состоящей из источника света, конденсора, диафрагмы и сдвоенного фотосопротивления, входящего в равновесный электрический мост, в обратной связи которого располагается магнитоэлектрический гальванометр, делитель сопротивлений для изменения коэффициента усиления, выходной миллиамперметр для регистрации выходного сигнала и интегральное звено, состоящее из электрических конденсатора и переменного сопротивления для изменения постоянной времени интегрирования, отличающегося тем, что дифференцирующее звено, состоящее из пневматических переменного сопротивления, постоянного объема, одномембранного точного повторителя и сопла, расположенного нормально к пластине другого магнитоэлектрического гальванометра, выход которого объединен сумматором с ПИ-регулятором, на выходе которого расположен узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и ее скорости от задания, выполненный в виде отключающего реле с двумя параллельно расположенными пороговыми элементами, причем первый пороговый элемент связан с выходом регулятора для определения знака ошибки, а второй пороговый элемент соединен с дифференцирующим звеном для определения знака скорости.More specifically, the technical result is achieved by the fact that the jet-photocompensation semi-permanently operating proportional-integral-differential controller consists of a proportional-integral PI controller and a differentiating link, and the PI controller includes inlet nozzles normally located to the sensing element - a plate, the angle of rotation which is proportional to the force effect of the jets and is recorded by the optical part of the regulator, consisting of a light source, a condenser, a diaphragm and a dual photoresistance included in an equilibrium electric bridge, in the feedback of which there is a magnetoelectric galvanometer, a resistance divider for changing the gain, an output milliammeter for recording the output signal and an integral link, consisting of an electric capacitor and a variable resistance to change the integration time constant, characterized in that the differentiating link, consisting of a pneumatic their variable resistance, constant volume, a single-membrane precise follower and a nozzle located normally to the plate of another magnetoelectric galvanometer, the output of which is combined by an adder with a PI controller, at the output of which there is a unit for generating a control command to turn off the controller when the controlled value and its speed deviate from the target , made in the form of a trip relay with two parallel threshold elements, the first threshold element is connected to the controller output to determine the sign of the error, and the second threshold element is connected to the differentiating link to determine the sign of the speed.

На фиг. 1 представлена схема струйно-фотокомпенсационного полупостоянно работающего пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, состоящего из пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора 1 и дифференцирующего звена 2. Для регистрации угла поворота чувствительного элемента - пластины 3, закрепленной на петле 4 фотоэлектрического гальванометра 5 предусмотрена оптическая схема, состоящая из зеркала 6, на которое падает луч света от источника 7, конденсора 8 и диафрагмы 9. Отраженный от зеркала луч света освещает обе половины сдвоенного фотосопротивления 10, включенного в равновесный мост 11, образованный сопротивлениями

Figure 00000001
. Рамка 12 гальванометра 5 помещена в поле постоянного магнита 13, образуя при протекании тока I обратной связи магнитоэлектрический момент направленный встречно механическому моменту от силового действия струй на поверхность пластины 3.In FIG. 1 shows a diagram of a jet-photocompensation semi-permanently operating proportional-integral-differential (PID) controller, consisting of a proportional-integral (PI) controller 1 and a differentiating link 2 . To register the angle of rotation of the sensitive element - plate 3 , fixed on the loop 4 of the photoelectric galvanometer 5 , an optical circuit is provided, consisting of a mirror 6 , on which a light beam falls from a source 7 , a condenser 8 and a diaphragm 9 . The beam of light reflected from the mirror illuminates both halves of the dual photoresistance 10 included in the equilibrium bridge 11 formed by resistances
Figure 00000001
. The frame 12 of the galvanometer 5 is placed in the field of a permanent magnet 13, forming a magnetoelectric moment directed opposite to the mechanical moment from the force action of the jets on the surface of the plate 3 when the feedback current I flows.

В обратной связи ПИ-регулятора последовательно расположены делитель 14 для изменения коэффициента усиления пропорционального звена, выходной вторичный прибор миллиамперметр 15, выходное сопротивление 16 и электрическое интегральное звено, состоящее из конденсатора 17 и переменного сопротивления 18. Изменением проводимости α переменного сопротивления 18 можно менять постоянную времени интегрирования:In the feedback of the PI controller, a divider 14 is arranged in series to change the gain of the proportional link, an output secondary device is a milliammeter 15 , an output resistance 16 and an electrical integral link consisting of a capacitor 17 and a variable resistance 18 . By changing the conductivity α of the variable resistance 18 , you can change the integration time constant:

Figure 00000002
(1)
Figure 00000002
(1)

где

Figure 00000003
- емкость конденсатора 17,
Figure 00000004
- универсальная газовая постоянная,
Figure 00000005
- абсолютная температура.where
Figure 00000003
- capacitor capacitance17,
Figure 00000004
- universal gas constant,
Figure 00000005
-absolute temperature.

Входной канал ПИ-регулятора представлен двумя соплами 19 и 20, из которых вытекают струи под давлением, пропорциональным давлению

Figure 00000006
переменной величины и давлению
Figure 00000007
задания.The input channel of the PI controller is represented by two nozzles 19 and 20 , from which jets flow under pressure proportional to the pressure
Figure 00000006
variable and pressure
Figure 00000007
tasks.

Звено дифференцирующего преобразователя (использована одна и та же нумерация однотипных компонентов схем) состоит из пневматических емкости 21 и переменного сопротивления 22 для изменения постоянной времени

Figure 00000008
дифференцирования. Для получения расходного сигнала, пропорционального производной входного давления
Figure 00000006
переменной величины используется точный повторитель 23, питание которого осуществляется через постоянный дроссель 24. Изменением проводимости β переменного сопротивления 22 можно менять постоянную времени дифференцирования:The link of the differentiating converter (the same numbering of the same type circuit components was used) consists of a pneumatic capacitance 21 and a variable resistance 22 for changing the time constant
Figure 00000008
differentiation. To obtain a flow signal proportional to the derivative of the inlet pressure
Figure 00000006
variable value, an exact follower 23 is used, which is powered through a constant inductor 24. By changing the conductivity β of the variable resistance 22 , you can change the time constant of differentiation:

Figure 00000009
(2)
Figure 00000009
(2)

где

Figure 00000010
- объем емкости 21.where
Figure 00000010
- container volume 21 .

Выходной сигнал через сопло 25 воздействует на пластину 3 струей под давлением, пропорциональным выражению

Figure 00000011
.The output signal through the nozzle 25 acts on the plate 3 with a jet under pressure proportional to the expression
Figure 00000011
.

Оба выходных канала ПИ-регулятора и дифференцирующего звена поступают на сумматор 26, выходной сигнал

Figure 00000012
которого равен:Both output channels of the PI controller and the differentiating link are fed to the adder 26 , the output signal
Figure 00000012
which is equal to:

Figure 00000013
(3)
Figure 00000013
(3)

где

Figure 00000014
- разность давлений на входе ПИ-регулятора,
Figure 00000015
- коэффициент усиления,
Figure 00000016
- коэффициент преобразования.where
Figure 00000014
- pressure difference at the inlet of the PI controller,
Figure 00000015
- gain,
Figure 00000016
- conversion factor.

Формула (3) отражает закон ПИД-регулирования, реализованный в данном изобретении.Formula (3) reflects the PID control law implemented in this invention.

На фиг. 2 представлена схема анализа работы регулятора в полупостоянно работающем режиме. В периодах A и C, когда регулируемая величина удаляется от задания, происходит включение регулятора, а в периодах B и D его отключение.In FIG. 2 shows a diagram of the analysis of the operation of the regulator in a semi-permanent operating mode. In periods A and C, when the controlled variable moves away from the reference, the controller is switched on, and in periods B and D it is switched off.

Сигнал

Figure 00000017
на отключение регулятора согласно фиг. 2 равен:Signal
Figure 00000017
to turn off the regulator according to Fig. 2 equals:

Figure 00000018
, (4)
Figure 00000018
, (four)

где

Figure 00000019
, сигнал ошибки, равный разности давлений переменной и задания,
Figure 00000020
- сигнал разности производной ошибки (знака скорости), принимающие положительное или отрицательное значения в зависимости от направления касательных прямых к синусоиде изменения переменного параметра
Figure 00000006
.where
Figure 00000019
, error signal, equal to the difference between the pressures of the variable and the reference,
Figure 00000020
- signal of the difference of the derivative of the error (velocity sign), which takes positive or negative values depending on the direction of the tangent lines to the sinusoid of the change of the variable parameter
Figure 00000006
.

При положительном знаке ошибки

Figure 00000021
(
Figure 00000022
- пороговое значение сигнала элемента 27) выдает сигнал
Figure 00000023
. При отрицательном -
Figure 00000024
выдается сигнал
Figure 00000025
.With a positive error sign
Figure 00000021
(
Figure 00000022
- the threshold value of the signal element 27 ) gives a signal
Figure 00000023
. With a negative
Figure 00000024
a signal is given
Figure 00000025
.

Для определения знака скорости используется дифференцирующее звено 2, определяющее скорость изменения переменного параметра

Figure 00000006
.To determine the sign of the speed, a differentiating link 2 is used, which determines the rate of change of the variable parameter
Figure 00000006
.

Выходной сигнал звена 2 равен при постоянной времени

Figure 00000026
.The output signal of link 2 is at a time constant
Figure 00000026
.

Положительному знаку скорости

Figure 00000027
Figure 00000028
, соответствует выходной сигнал порогового элемента 28
Figure 00000029
, отрицательному -
Figure 00000030
.positive speed sign
Figure 00000027
Figure 00000028
, corresponds to the output signal of the threshold element 28
Figure 00000029
, negative -
Figure 00000030
.

Сигнал

Figure 00000017
служит командой, определяющей условия отключения регулятора с помощью элемента 30, работающему по функции «Запрет». При
Figure 00000031
, когда знаки ошибки
Figure 00000032
и ее скорости
Figure 00000033
не совпадают, то есть
Figure 00000034
, регулируемая величина приближается к заданному значению. При
Figure 00000035
, когда знаки
Figure 00000036
и
Figure 00000033
совпадают (
Figure 00000037
), регулируемая величина удаляется от заданного значения.Signal
Figure 00000017
serves as a command that determines the conditions for turning off the regulator using element 30, which works according to the "Prohibition" function. At
Figure 00000031
when error signs
Figure 00000032
and her speed
Figure 00000033
do not match, that is
Figure 00000034
, the controlled variable approaches the set value. At
Figure 00000035
when the signs
Figure 00000036
and
Figure 00000033
match up (
Figure 00000037
), the controlled variable moves away from the setpoint.

Оба дискретных сигнала с двух пороговых элементов 27 и 28

Figure 00000038
и
Figure 00000020
поступают на вход элемента 29, реализующего функцию неравнозначности по формуле (4), а выход этого элемента
Figure 00000017
соединен с элементом 30, работающим по функции «Запрет» для отключения сигнала выхода регулятора I. Both discrete signals from two threshold elements27 and28
Figure 00000038
and
Figure 00000020
arrive at the input of the element29, which implements the nonequivalence function according to the formula(four), and the output of this element
Figure 00000017
connected to the elementthirtyworking by function"Ban" to disable the controller output signalI.

Библиографические данныеBibliographic data

[1] Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М., «Машиностроение», 1973. С. 197-199.[1] Dmitriev V.N., Gradetsky V.G. Fundamentals of pneumatic automation. M., "Engineering", 1973. S. 197-199.

[2] Патент РФ №2680614 04.05.2018. Струйно-фотокомпенсационный пропорциональный регулятор // Заявка №2018116605, 04.05.2018. / Макаров В.А., Королев Ф.А., Макаров А.В, Тютяев Р.Е.[2] Patent of the Russian Federation No. 2680614 05/04/2018. Jet-photocompensation proportional regulator // Application No. 2018116605, 05/04/2018. / Makarov V.A., Korolev F.A., Makarov A.V., Tyutyaev R.E.

Claims (1)

Струйно-фотокомпенсационный полупостоянно работающий пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, состоящий из пропорционально-интегрального ПИ-регулятора и дифференцирующего звена, причем ПИ-регулятор включает входные сопла, нормально расположенные к чувствительному элементу – пластине, угол поворота которой пропорционален силовому воздействию струй и регистрируется оптической частью регулятора, состоящей из источника света, конденсора, диафрагмы и сдвоенного фотосопротивления, входящего в равновесный электрический мост, в обратной связи которого располагается магнитоэлектрический гальванометр, делитель сопротивлений для изменения коэффициента усиления, выходной миллиамперметр для регистрации выходного сигнала и интегральное звено, состоящее из электрических конденсатора и переменного сопротивления для изменения постоянной времени интегрирования, характеризующийся тем, что дифференцирующее звено состоит из пневматических переменного сопротивления, постоянного объёма, одномембранного точного повторителя и сопла, расположенного нормально пластине другого магнитоэлектрического гальванометра, выход которого объединен сумматором с ПИ-регулятором, на выходе которого расположен узел формирования управляющей команды на отключение регулятора при отклонении регулируемой величины и её скорости от задания, выполненный в виде отключающего реле с двумя параллельно расположенными пороговыми элементами, причем первый пороговый элемент связан с выходом регулятора для определения знака ошибки, а второй пороговый элемент соединен с дифференцирующим звеном для определения знака скорости. Inkjet-photocompensation semi-permanently operating proportional-integral-differential controller, consisting of a proportional-integral PI controller and a differentiating link, moreover, the PI controller includes inlet nozzles normally located to the sensitive element - a plate, the angle of rotation of which is proportional to the force of the jets and is recorded by an optical part of the regulator, consisting of a light source, a condenser, a diaphragm and a dual photoresistance, which is part of an equilibrium electric bridge, in the feedback of which there is a magnetoelectric galvanometer, a resistance divider for changing the gain, an output milliammeter for recording the output signal and an integral link consisting of an electric capacitor and variable resistance to change the integration time constant, characterized by the fact that the differentiating link consists of pneumatic variable resistance, constant volume, one a membrane accurate follower and a nozzle located normally to the plate of another magnetoelectric galvanometer, the output of which is combined by an adder with a PI controller, at the output of which there is a node for generating a control command to turn off the controller when the controlled value and its speed deviate from the target, made in the form of a trip relay with two parallel located threshold elements, wherein the first threshold element is connected to the output of the controller to determine the sign of the error, and the second threshold element is connected to the differentiating link to determine the sign of the speed.
RU2022113569A 2022-05-20 Jet-photocompensation semi-continuously operating proportional-integral-differential (pid) regulator RU2788576C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2788576C1 true RU2788576C1 (en) 2023-01-23

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2676362C1 (en) * 2018-05-04 2018-12-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" Jet-pneumatic proportional regulator
RU2713088C1 (en) * 2019-07-25 2020-02-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" Jet pressure sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2676362C1 (en) * 2018-05-04 2018-12-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" Jet-pneumatic proportional regulator
RU2713088C1 (en) * 2019-07-25 2020-02-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" Jet pressure sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NL9201391A (en) Control system for supplying a gas flow to a gas appliance.
RU2788576C1 (en) Jet-photocompensation semi-continuously operating proportional-integral-differential (pid) regulator
NL8020072A (en) SIGNAL TURNOVER INTENDED TO BE BUILT INTO A PNEUMATIC OPERATING SYSTEM.
JPH01106207A (en) Position adjuster for fluid pressure type feeding mechanism
RU2781762C1 (en) Jet-photo compensation proportional-integral-differential (pid) controller
US2974237A (en) Control apparatus
RU2788575C1 (en) Jet-photocompensation semi-continuously operating proportional-integral (pi) regulator
RU2773623C1 (en) Jet-pneumatic proportional-integral (pi) controller
RU2768107C1 (en) Jet-pneumatic proportional-integral-differential (pid) regulator
RU2781763C1 (en) Jet-photo compensation proportional-integral (pi) controller
RU2768104C1 (en) Jet-pneumatic integral regulator
RU2783485C1 (en) Jet-photocompensation derivative action and differentiation unit
RU2783484C1 (en) Jet-photocompensation integral controller
RU2773233C1 (en) Jet-pneumatic semi-continuously operating proportional-integral (pi) regulator
RU2817551C1 (en) Jet-pneumatic system for controlling ratio of two parameters
RU2786624C1 (en) Jet-pneumatic preliminary and differentiation unit
US2865627A (en) Fluid-type spring
SU1425620A1 (en) Gas pressure regulating system
JPH06138951A (en) Gas mass flow rate controller
SU661516A1 (en) Rate-of-flow regulator
SU1323947A1 (en) Gas chromatograph
SU873218A1 (en) Device for regulating temperature of gas in flow-through chamber
SU446036A1 (en) Pneumatic gas flow regulator
SU787747A1 (en) Apparatus for determining heat resistance of substance
SU824227A1 (en) Integrator device