6.5.9. Применение проблемно-ориентированного блочного языка

Для алгоритмов регулятора можно использовать любой последовательный язык профаммирования. Однако па практике обычно используются проблемно-ориептирован-ныеязыки высокого уровня, так называемые блочные язьиси {block languages). Как и для программируемых логических контроллеров (раздел 7.3), функции управления принято обычно изображать в виде блоков, па которых помечены лип1ь входные и выходные сигналы, а сам а,тгоритм не отображается. Естественно, что нара.метры управления .могуг изменяться управляющим комньютеро.м. На рис. 6.16 показано типичное описание ПИД-регулятора на блочно.м языке. Разработчик с помощью специальных прохрам.мных средств должен лип1ь пометить входы и выходы каждого блока регулятора соответствующими имепа.ми переменных и зате.м соединить блоки между собой и с другами .элементами схемы. Все .это выполняется непосредственно на экране компьютера.

R.21

R.22

R.23

R.24

R,25

R.41

R.42

R.43

R.44

R.45,

0.2 2.0 0.3

R.29

SW 50

0.1 3.0 0.4

R.59

max min CH

1.0 0.0 4

output

R.49

Рис. 6.16. функциональная блок-схема из двух ПИД-регуляторов, гюдключенных к выходному аналоговому устройству через селектор

На рисунке представ.пепы два ПИД-регулятора, присоедииеииых к перек.тючате-iw. Выход одного из двух регуляторов выбирается с по.мощью двоичного сигиа.та, юдаваемого на переключатель; затем выбранное значение поступает иа аналоговый Ыходной блок. Вход лито представляет собой двоичную переменную для нере-Ичения с ручного на автоматический режи.м управ.ления. Опорное значение пода-

ется на вход REF, а измеренное значение выходной величины процесса - на вхо; обратной связи FB. Предельные значения управляющего сигнала помечены параметрами Hl(gh) и LO(w). Значения параметров настройки регулятора К, 1], и 7 (коэффициент усиления, постоянные вре.мени интегрирования и дифференцирования) показаны ниже его символа. Аналоговая выходная схема описывается ее номером ка-[1ала и рабочим диапазоно.м.

В дополнение к функт1иям последовательного управления многие программные [1акеты для про.мытленных приложений включают в себя блоки регуляторов. Закок-ченные блоки для репщния стандартных задач включаются в библиотеки програм.у либо в виде готовых к исполнению (воз.можно, после редактирования связей) под-програ.м.м, либо в виде включаемого исходного кода, который пользователь може: при необходи.мости .модифицировать. Пользователь, кро.ме того, .может разработать собственные блоки, реализующие специальные алгорит.мы. Некоторые из гюдобных програ.м.мных пакетов обеспечивают б6льп1ую гибкость, че.м непосредственно ПИД-регуляторы. Это позволяет создавать достаточно сложные программные Структуры при относительно .малых затратах.

6.6. Управляющие структуры, основанные на ПИД-регуляторах 6.6.1. Каскадное управление

Ограниченность обычного регулирования на базе обратной связи заключается в то.м, что коррекция возмущений начинается только тогда, когда выходная величина регулируемого процесса отклоняется от опорного значения. Как обсуждалось в разделе 6.3, упреждающее управление существенно улучпшет регулирование процессов с больнш.ми постоянными времени или временны.ми задержками. Однако упреждающее управление требует, чтобы возмущения измерялись явным обра;)ом. а для расчета их влияния использовалась точная .модель нроцесса.

В предыдупье.м анализе опорное значение и. всегда указывалось явно. Это значение может быть либо введено операторо.м с клавиатуры, либо считано из внутренне!: на.мяти компьютера, либо введено в систему ины.м способо.м. Напри.мер, выход одного из регуляторов .может являться опорны.м значением для другого; такая схема!И-зывается каскадным регулированием {cascade control).

Используя две точки из.мерений одной и той же величины и дополнительный регулятор с обратной связью, можно существенно улучпшть дина.мику реаюши процесса прс из.менении нагрузки. Второй датчик раз.мещается таки.м образо.м, чтобы он фиксирова-воздействие на процесс прежде, чем оно скажется на выходной величине; при этом нет необходи.мости из.мерять сами возмущения. Это и составляет суть каскадного регулирования. Оно особенно полезно, если возмущенное состояние относится к опорнойпере-.менной или если исполнительный механиз.м является нелинейным, например клапан или двигатель с нелинейнымиэлектродина.мическими характеристика.ми.

Пример 6.6

Управление электроприводом

Система управ.теиия положением и скоростью электропривода рассматри-ва.тась в разделе 4,7.2. Каскадная структура (рис. 4.32) в этом случае представ-

g 6. Управляющие структуры, основанные на ПИД-регуляторах

ляет собой Стандартное ренюние. В принципе, скоростью можно управлять с помощью одного регулятора в стандартной конфигурации с обратной связью. Такое устройство должно измерять скорость, вычислять ее отклонение от опорного значения и затем вырабатывать необходимое напряжение для корректировки скорости двигателя. Однако в этом случае регулятор должен учитывать большое количество факторов, и поэтому он окажется сложным и неудобным в эксплуатации.

Каскадная структура для ренюния этой задачи управления приведена на рис. 6.17. Регулятор скорости Gвьншсляет соответствующий моменту выходной сигнал, который требуется для ра;щона двигателя до заданной скорости. Ток Ij, необходимый для создания этого момента, вычисляется из математической .модели двигателя. Эта модель представлена здесь просто коэффициентом усиления Kf, что достаточно для двигателей постоянного тока.

опорное значение трости

Qref

управление скоростью

модель

"ток-момент" управление

силовая электроника

двигатель

ток ротора

угловая скорость

Рис. 6.17. Блок-схема каскадного управления угловой скоростью в системе .электропривода

Внутренний контур регулирования управляет токо.м, необходи.мым для со-чания .момента. Выход регулятора Gj2 представляет собой управляющий сиг-ал для элементов силовой электроники, обеспечивающих необходи.мое на-ряжение питания двигателя.

Вычислим передаточную функцию от опорного значения тока к текун1е-Утоку ротора /. Силовая .электроника и э.тектрическая схе.ма двигателя пред-тавлены соответственно передаточными функция.ми С и Cv/i (реа/п>ная систе-анелинейна, однако эти более простые функции достаточны для качественной люстрации принципа). Передаточная функция внутреннего контура