RU2788818C1 - Proportional-integral-differential controller with deviation adders - Google Patents

Proportional-integral-differential controller with deviation adders Download PDF

Info

Publication number
RU2788818C1
RU2788818C1 RU2022115023A RU2022115023A RU2788818C1 RU 2788818 C1 RU2788818 C1 RU 2788818C1 RU 2022115023 A RU2022115023 A RU 2022115023A RU 2022115023 A RU2022115023 A RU 2022115023A RU 2788818 C1 RU2788818 C1 RU 2788818C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
deviation
output signal
adder
signal
limiter
Prior art date
Application number
RU2022115023A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Витальевич Кудрявцев
Original Assignee
Вячеслав Витальевич Кудрявцев
Filing date
Publication date
Application filed by Вячеслав Витальевич Кудрявцев filed Critical Вячеслав Витальевич Кудрявцев
Application granted granted Critical
Publication of RU2788818C1 publication Critical patent/RU2788818C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: automatic controllers.
SUBSTANCE: invention relates to automatic controllers that implement a proportional-integral-differential control law, and can be used to control any technological objects that have parameter drift and are subject to uncontrolled disturbances. The PID controller includes at least two series-installed deviation adders, each of which consists of an input signal limiter, a multiplier, an output signal limiter and an adder connected in series, while the input signal limiter is configured to set the operating range of the deviation adder, the block multiplication is configured to calculate an additional control action on the actuator, the output signal limiter is configured to prevent an excessive output signal, and the adder is configured to sum the output signal of the deviation adder of the previous operating range with the output signal from the output signal limiter of the operating range deviation adder.
EFFECT: expanding the boundaries of stability and functionality of the controller.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к автоматическим регуляторам, реализующим пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования, и может быть использовано для регулирования любых технологических объектов, имеющих дрейф параметров и подверженных неконтролируемым возмущениям.The invention relates to automatic controllers that implement a proportional-integral-differential control law, and can be used to control any technological objects that have parameter drift and are subject to uncontrolled disturbances.

Известен пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, содержащий блок сравнения, блок задания объекта регулирования, блоки умножения, пропорциональные блоки, ограничители, сумматоры, блок определения модуля, нелинейный блок с зоной нечувствительности, дифференциатор, ключ, интегратор, элемент ИЛИ (№ 2234116, G05B 11/36, опубл 10.08.2004, бюл. № 22).A proportional-integral-differential controller is known, containing a comparison block, a control object setting block, multiplication blocks, proportional blocks, limiters, adders, a module definition block, a non-linear block with a dead zone, a differentiator, a key, an integrator, an OR element (No. 2234116, G05B 11/36, published on August 10, 2004, Bulletin No. 22).

Недостатком данного ПИД-регулятора является сложность конструкции и недостаточная скорость и точность регулирования технологических процессов.The disadvantage of this PID controller is the complexity of the design and insufficient speed and accuracy of control of technological processes.

Известен также ПИД-регулятор, содержащий интегратор, дифференциатор, три сумматора, нелинейный ограничитель, два релейных элемента, переключатель параметров, три элемента ИЛИ и делитель (№2156992, G05B 11/36, опубл 27.09.2000, бюл. № 27).Also known is a PID controller containing an integrator, a differentiator, three adders, a nonlinear limiter, two relay elements, a parameter switch, three OR elements and a divider (No.

Недостатком данного регулятора является невысокое качество регулирования и ограниченная область устойчивости при дрейфе параметров объекта с запаздыванием и действии на входе системы возмущений. Известный регулятор ориентирован на защиту выходного сигнала от насыщений за счет ухудшения скорости регулирования.The disadvantage of this controller is the low quality of regulation and a limited region of stability when the parameters of the object drift with delay and the action of the system of perturbations at the input. The known regulator is focused on protecting the output signal from saturation due to the deterioration of the regulation rate.

Основной задачей изобретения является повышение качества регулирования.The main objective of the invention is to improve the quality of regulation.

Технический результат - расширение границы устойчивости и функциональных возможностей регулятора.EFFECT: expanding the boundaries of stability and functionality of the controller.

Указанный технический результат достигается пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором, включающим, по меньшей мере, два последовательно установленных сумматора отклонений, каждый из которых состоит из последовательно соединенных между собой ограничителя входного сигнала, блока умножения, ограничителя выходного сигнала, и сумматора, при этом ограничитель входного сигнала выполнен с возможностью задания диапазона работы сумматора отклонений, блок умножения выполнен с возможностью вычисления дополнительного управляющего воздействия на исполнительный механизм, ограничитель выходного сигнала выполнен с возможностью предотвращения избыточного выходного сигнала, а сумматор выполнен с возможностью суммирования выходного сигнала сумматора отклонения предыдущего диапазона работы с выходным сигналом от ограничителя выходного сигнала сумматора отклонения рабочего диапазона.The specified technical result is achieved by a proportional-integral-differential controller, including at least two series-installed deviation adders, each of which consists of an input signal limiter, a multiplication unit, an output signal limiter, and an adder connected in series, while the input limiter signal is configured to set the operating range of the deviation adder, the multiplication unit is configured to calculate an additional control action on the actuator, the output signal limiter is configured to prevent excessive output signal, and the adder is configured to sum the output signal of the deviation adder of the previous operating range with the output signal from the limiter of the output signal of the operating range deviation adder.

На фиг. 1 показана структурная схема ПИД-регулятора с сумматорами отклонений.In FIG. 1 shows a block diagram of a PID controller with deviation adders.

Устройство содержит стандартный ПИД-регулятор 1 и, в зависимости от сложности технологического процесса, последовательно установленные сумматоры отклонений А, В, С, D, Е, при этом для осуществления изобретения их может быть установлено по меньшей мере два. Каждый из сумматоров отклонений А, В, С, D, Е состоит из последовательно соединенных между собой ограничителя входного сигнала 2, 6, 10, 14, 18 соответственно, с помощью которого задается диапазон работы сумматора отклонения, блока умножения 3, 7, 11, 15, 19 соответственно, с помощью которого производится вычисление управляющего воздействия, ограничителя выходного сигнала 4, 8, 12, 16, 20 соответственно, предназначенного для предотвращения избыточного выходного сигнала, и сумматора 5, 9, 13, 17, 21 соответственно, с помощью которого осуществляется суммирование выходного сигнала предыдущего сумматора с выходным сигналом из ограничителя выходного сигнала сумматора отклонения рабочего диапазона. Сумматор отклонения A является нулевым сумматором и предназначен для упреждающего воздействия на регулирующий орган при изменении знака рассогласования Δ. Сумматор отклонения В является сумматором минимального отклонения и предназначен для работы в диапазоне минимальных отклонений. Сумматор отклонения С работает в диапазоне средних отклонений, сумматор отклонения D - в диапазоне высоких отклонений, а сумматор отклонения Е - в диапазоне критических отклонений.The device contains a standard PID controller 1 and, depending on the complexity of the technological process, deviation adders A, B, C, D, E installed in series, while at least two of them can be installed to implement the invention. Each of the deviation adders A, B, C, D, E consists of a series-connected input signal limiter 2, 6, 10, 14, 18, respectively, which sets the operating range of the deviation adder, multiplication block 3, 7, 11, 15, 19, respectively, with which the control action is calculated, the output signal limiter 4, 8, 12, 16, 20, respectively, designed to prevent excessive output signal, and the adder 5, 9, 13, 17, 21, respectively, with which summation of the output signal of the previous adder with the output signal from the limiter of the output signal of the operating range deviation adder. The deviation adder A is a zero adder and is intended for proactive action on the regulatory body when the sign of the mismatch Δ changes. Deviation totalizer B is a minimum deviation totalizer and is designed to operate within the minimum deviation range. Deviation totalizer C operates in the medium deviation range, deviation totalizer D in the high deviation range, and deviation totalizer E in the critical deviation range.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

В ПИД-регулятор 1 поступил сигнал отклонения. Согласно закону регулирования вырабатывается сигнал ОР, который поступает в сумматор отклонения А, работающий при минимальном отклонении Δ, которое задается в ограничителе входного сигнала 2 параметром Δ0LIM. Если сигнал рассогласования Δ превышает задание диапазона Δ0LIM (ограничитель входного сигнала 2), то формируется сигнал Δ0 равный разности /Δ/ и Δ0LIM.PID controller 1 received a deviation signal. According to the control law, a signal OP is generated, which enters the deviation adder A, operating at a minimum deviation Δ, which is set in the input signal limiter 2 with the parameter Δ0LIM. If the error signal Δ exceeds the range setting Δ0LIM (input signal limiter 2), then a signal Δ0 equal to the difference between /Δ/ and Δ0LIM is generated.

При изменении знака отклонения происходит формирование сигнала управления OP0 в блоке умножения 3 по формуле:When the sign of the deviation changes, the control signal OP0 is generated in the multiplication block 3 according to the formula:

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где K0 - коэффициент усиления сигнала.where K0 is the signal amplification factor.

Далее сигнал управления OP0 поступает в ограничитель выходного сигнала 4. Ограничение выходного воздействия задается параметром OP0LIM.The control signal OP0 then goes to output limiter 4. The output limit is set by parameter OP0LIM.

Сформированный сигнал OP0 из ограничителя выходного сигнала 4 поступает на вход сумматора 5, в котором происходит суммирование управляющих воздействий OP (выходной сигнал от ПИД-регулятора 1) и OP0, и формирование на выходе сигнала OPA.The generated signal OP0 from the output signal limiter 4 is fed to the input of the adder 5, in which the control actions OP (output signal from the PID controller 1) and OP0 are summed, and the OPA signal is generated at the output.

При дальнейшем увеличении сигнала рассогласования Δ в работу вступает сумматор отклонения B. Если сигнал рассогласования Δ меньше Δ1LIM, то формируется нулевое значение сигнала, то есть OP1=0. Если сигнал рассогласования Δ превышает задание диапазона Δ1LIM (ограничитель входного сигнала 6), то формируется сигнал Δ1 равный разности /Δ/ и Δ1LIM. Далее в блоке умножения 7 происходит вычисление управляющего воздействия OP1 по формуле:With a further increase in the error signal Δ, the deviation adder B comes into operation. If the error signal Δ is less than Δ1LIM, then a zero signal value is formed, that is, OP1=0. If the error signal Δ exceeds the range setting Δ1LIM (input signal limiter 6), then a signal Δ1 equal to the difference between /Δ/ and Δ1LIM is generated. Further, in the multiplication block 7, the control action OP1 is calculated according to the formula:

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где K1 - коэффициент усиления сигнала.where K1 is the signal gain.

Для исключения избыточного воздействия на регулирующий орган применяется ограничитель выходного сигнала 8, ограничение выходного воздействия задается параметром OP1LIM.To avoid excessive action on the regulator, an output signal limiter 8 is used, the output limit is set by parameter OP1LIM.

Сформированный сигнал OP1 из ограничителя выходного сигнала 8 поступает на вход сумматора 9, в котором происходит суммирование управляющих воздействий OPA и OP1, и формирование на выходе сигнала OPB.The generated signal OP1 from the output signal limiter 8 is fed to the input of the adder 9, in which the control actions OPA and OP1 are summed, and the OPB signal is generated at the output.

При дальнейшем увеличении сигнала рассогласования Δ в работу вступает сумматор C. Если сигнал рассогласования Δ меньше Δ2LIM, то формируется нулевое значение сигнала, то есть OP2=0. Если сигнал рассогласования Δ превышает задание диапазона Δ2LIM (ограничитель выходного сигнала 10), то формируется сигнал Δ2 равный разности /Δ/ и Δ2LIM. Далее в блоке умножения 11 происходит вычисление управляющего воздействия OP2 по формуле:With a further increase in the error signal Δ, the adder C comes into operation. If the error signal Δ is less than Δ2LIM, then a zero signal value is formed, that is, OP2=0. If the error signal Δ exceeds the range setting Δ2LIM (output signal limiter 10), then a signal Δ2 is generated equal to the difference between /Δ/ and Δ2LIM. Further, in the multiplication block 11, the control action OP2 is calculated according to the formula:

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где K2 - коэффициент усиления сигнала.where K2 is the signal amplification factor.

Для исключения избыточного воздействия на регулирующий орган применяется ограничитель выходного сигнала 12, ограничение выходного воздействия задается параметром OP2LIM.To exclude excessive action on the regulator, an output signal limiter 12 is used, the output limit is set by parameter OP2LIM.

Сформированный сигнал OP2 из ограничителя выходного сигнала 12 поступает на вход сумматора 13, в котором происходит суммирование управляющих воздействий OPB и OP2, и формирование на выходе сигнала OPC.The generated signal OP2 from the output signal limiter 12 is fed to the input of the adder 13, in which the control actions OPB and OP2 are summed, and the OPC signal is generated at the output.

При дальнейшем увеличении сигнала рассогласования Δ в работу вступает сумматор отклонения D. Если сигнал рассогласования Δ меньше Δ3LIM, то формируется нулевое значение сигнала, то есть OP3=0. Если сигнал рассогласования Δ превышает задание диапазона Δ3LIM (ограничитель входного сигнала 14), то формируется сигнал Δ3, равный разности /Δ/ и Δ3LIM. Далее в блоке умножения 15 происходит вычисление управляющего воздействия OP3 по формуле:With a further increase in the error signal Δ, the deviation adder D comes into operation. If the error signal Δ is less than Δ3LIM, then a zero signal value is formed, that is, OP3=0. If the error signal Δ exceeds the range setting Δ3LIM (input signal limiter 14), then a signal Δ3 is generated equal to the difference between /Δ/ and Δ3LIM. Further, in the multiplication block 15, the control action OP3 is calculated according to the formula:

Figure 00000004
,
Figure 00000004
,

где K3 - коэффициент усиления сигнала.where K3 is the signal gain.

Для исключения избыточного воздействия на регулирующий орган применяется ограничитель выходного сигнала 16, ограничение выходного воздействия задается параметром OP3LIM.To exclude excessive action on the regulator, an output signal limiter 16 is used, the output limit is set by parameter OP3LIM.

Сформированный сигнал OP3 из ограничителя входного сигнала 16 поступает на вход сумматора 17, в котором происходит суммирование управляющих воздействий OPC и OP3, и формирование на выходе сигнала OPD.The generated signal OP3 from the input signal limiter 16 is fed to the input of the adder 17, in which the control actions OPC and OP3 are summed, and the OPD signal is generated at the output.

При дальнейшем увеличении сигнала рассогласования Δ в работу вступает сумматор отклонения E. Если сигнал рассогласования Δ меньше Δ4LIM, то формируется нулевое значение сигнала, то есть OP4=0. Если сигнал рассогласования Δ превышает задание диапазона Δ4LIM (ограничитель входного сигнала 18), то формируется сигнал Δ4 равный разности /Δ/ и Δ4LIM. Далее в блоке умножения 19 происходит вычисление управляющего воздействия OP4 по формуле:With a further increase in the error signal Δ, the deviation adder E enters into operation. If the error signal Δ is less than Δ4LIM, then a zero signal value is formed, that is, OP4=0. If the error signal Δ exceeds the range setting Δ4LIM (input signal limiter 18), then a signal Δ4 equal to the difference between /Δ/ and Δ4LIM is generated. Further, in the multiplication block 19, the control action OP4 is calculated according to the formula:

Figure 00000005
,
Figure 00000005
,

где K4 - коэффициент усиления сигнала.where K4 is the signal amplification factor.

Для исключения избыточного воздействия на регулирующий орган применяется ограничитель выходного сигнала 20, ограничение выходного воздействия задается параметром OP4LIM.An output limiter 20 is used to avoid excessive action on the regulator, the output limit is set by parameter OP4LIM.

Сформированный сигнал OP4 из ограничителя выходного сигнала 20 поступает на вход сумматора 21, в котором происходит суммирование управляющих воздействий OPD и OP4, и формирование на выходе сигнала OPE.The generated signal OP4 from the output signal limiter 20 is fed to the input of the adder 21, in which the control actions OPD and OP4 are summed, and the OPE signal is generated at the output.

Общий управляющий сигнал OPE от сумматоров отклонений А, В, С, D, Е и от ПИД-регулятора направляется на исполнительный механизм 22 и рассчитывается по следующей формуле:The total control signal OPE from the deviation adders A, B, C, D, E and from the PID controller is sent to the actuator 22 and is calculated by the following formula:

Figure 00000006
Figure 00000006

Предлагаемый ПИД-регулятор с сумматорами отклонений возможно выполнить на элементах цифровой и микропроцессорной техники.The proposed PID controller with deviation adders can be implemented on elements of digital and microprocessor technology.

Claims (1)

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, включающий по меньшей мере два последовательно установленных сумматора отклонений, каждый из которых состоит из последовательно соединенных между собой ограничителя входного сигнала, блока умножения, ограничителя выходного сигнала и сумматора, при этом ограничитель входного сигнала выполнен с возможностью задания диапазона работы сумматора отклонений, блок умножения выполнен с возможностью вычисления дополнительного управляющего воздействия на исполнительный механизм, ограничитель выходного сигнала выполнен с возможностью предотвращения избыточного выходного сигнала, а сумматор выполнен с возможностью суммирования выходного сигнала сумматора отклонения предыдущего диапазона работы с выходным сигналом от ограничителя выходного сигнала сумматора отклонения рабочего диапазона.Proportional-integral-derivative controller, including at least two series-installed deviation adders, each of which consists of a series-connected input signal limiter, multiplication unit, output signal limiter and adder, while the input signal limiter is configured to set the operating range of the deviation adder, the multiplication unit is configured to calculate an additional control action on the actuator, the output signal limiter is configured to prevent an excessive output signal, and the adder is configured to sum the output signal of the deviation adder of the previous operating range with the output signal from the output signal limiter of the operating deviation adder range.
RU2022115023A 2022-06-02 Proportional-integral-differential controller with deviation adders RU2788818C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2788818C1 true RU2788818C1 (en) 2023-01-24

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2120655C1 (en) * 1998-02-10 1998-10-20 Тульский государственный университет Pid control regulator with constrained output signals
RU2156992C1 (en) * 1999-12-06 2000-09-27 Тульский государственный университет Proportional-integral-derivative regulator with clipped output signals
RU2234116C1 (en) * 2002-12-24 2004-08-10 Северо-Кавказский государственный технический университет Device for pid-regulation
JP2008181378A (en) * 2007-01-25 2008-08-07 Toho Denshi Kk Control device, control method and control program
CN102043380A (en) * 2010-04-08 2011-05-04 长沙理工大学 Quadratic polynomial-based nonlinear compound PID (proportional-integral-differential) neural network control method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2120655C1 (en) * 1998-02-10 1998-10-20 Тульский государственный университет Pid control regulator with constrained output signals
RU2156992C1 (en) * 1999-12-06 2000-09-27 Тульский государственный университет Proportional-integral-derivative regulator with clipped output signals
RU2234116C1 (en) * 2002-12-24 2004-08-10 Северо-Кавказский государственный технический университет Device for pid-regulation
JP2008181378A (en) * 2007-01-25 2008-08-07 Toho Denshi Kk Control device, control method and control program
CN102043380A (en) * 2010-04-08 2011-05-04 长沙理工大学 Quadratic polynomial-based nonlinear compound PID (proportional-integral-differential) neural network control method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR0135586B1 (en) Gain adaptive control device
JPH0738128B2 (en) Control device
RU2788818C1 (en) Proportional-integral-differential controller with deviation adders
CN108023531B (en) Compensation method for measurable speed disturbance of closed-loop position servo
CN112334845A (en) Feedback control method and feedback control device
JPS63262703A (en) Versatility time difference comparing and compensating method for control system
Chavan et al. Implementation of fuzzy logic control for FOPDT model of distillation column
Johari et al. Internal model controller characterization for an integrating water level process control
JPS6244641B2 (en)
US6847851B1 (en) Apparatus for improved general-purpose PID and non-PID controllers
JP2507613B2 (en) Feedforward controller
RU2393521C1 (en) Adaptive integral device for systems of aircrafts control
SU1215082A1 (en) Pneumatic system for controlling two coupled parameters of object with delaying
SU1173390A1 (en) Self-adjusting system of automatic control of lagging objects
JP2818325B2 (en) 2-DOF adjustment device
JP2809849B2 (en) 2-DOF adjustment device
US20050177253A1 (en) Controller
JPH0695282B2 (en) Process control equipment
Prokop et al. Tracking and disturbance attenuation for unstable systems: algebraic
JPS5936804A (en) Automatic correcting method of feedforward model
SU591024A1 (en) Gas turbine drive control system
SU798707A1 (en) Pi-controller
SU567192A1 (en) Method of controlling active power between two power systems
SU962852A2 (en) Self-tuning control system
Taiwo Two studies of robust matching