Адаптивный прогнозирующий регулятор для компенсации контролируемых возмущений

 

АДАПТИВНЫЙ ПРОГНОЗИРУЮЩИЙ РЕГУЛЯТОР ,Щ1Я КОМПЕНСАЦИИ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ, содержащий последовательно соединенные фильтр низкой частоты, обратную модель объекта без запаздывания и первый блок сравнения , последовательно соединенные экстраполятор, блок задержки, второй блок сравнения и блок адаптации выход которого соединен с первым входом экстраполятора, вторым входом подключенного к второму входу второго блока сравнения, первые масштабирующие блоки, выходы которых связаны с первыми входами первого сзп4матора, второй масштабирующий блок, исполнительный блок и последовательно соединенные третий масштабирующий блок и второй сумматор, отличающийся тем, что, целью повышения точности регулятора , в него введены прямая модель объекта без запаздывания, интегратор с обнулением и блок синхронизации , вход прямой модели объекта без запаздывания связан с выходом первого сумматора, а выход - с информационным входом фильтра низкой частоты , выход которого подключен к входу третьего масштабирующего блока , вход зкстраполятора соединен с выходом первого блока сравнения, а выход - с вторым входом второго сумматора, выход которого через второй масштабирующий блок и исполнительный блок связан синформационным входом интегратора с обнулением и вторым входом первого сумматора , второй вход первого блока сравнения подключен к выходу интегратора с обнулением, а выход блока синхронизации соединен с управляю щими входами фильтра низкой частоты и интегратора с обнулением.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сс,и лоо

РЕСПУБЛИК аю 01>

31ЯЗ G 05 В 13 04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и ввтоссиоит сеиовтвовствт

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССОР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OlHPbfAO (21) 3240401/18-24 (22) 19.02.81 (46) 23.11.84. Бюл. У 43 (72) С.В. Емельянов, В.П. Авдеев, Л.А. Сульман, В.И. Солодков,,А.А. Берлин, С,К. Коровин, Л.П. Мьппляев, А.Д. Поляновский, Ю.П. Калинов и А.М. Шафир (71) Сибирский ордена Трудового

Красного, Знамени металлургический институт им. Серго Орджоникидзе и

Центральное проектно-конструкторское бюро Всесоюзного производственного объединения "Союэпромавтоматика" (53) 62-50(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР и 520516, кл. G 01 С 19/34, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2702901/24, кл. С 05 В 13/02, 1979 (прототип). (54) (57) АДАПТИВНЫЙ ПРОГНОЗИРУЮЩИЙ

РЕГУЛЯТОР ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ КОНТРОЛИвв

РУЕМЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ, содержащий последовательно соединенные фильтр низкой частоты, обратную модель объекта без запаздывания и первый блок сравнения, последовательно соединенные экстраполятор, блок задержки, второй . блок сравнения и блок адаптации> выход которого соединен с первым входом экстраполятора, вторым входом подключенного к второму входу второго блока сравнения, первые масштабирующие блоки, выходы которых связаны с первыми входами первого сумматора, второй масштабирующнй блок, исполнительный блок и последовательно соединенные третий масштабирующий блок и второй сумматор, отличающийся тем, что, d целью повышения точности регулятора, в него введены прямая модель объекта без запаздывания, интегратор с обнулением и блок синхрониза-. ции, вход прямой модели объекта без запаздывания связан с выходом первого сумматора, а выход - с информа- I цнонным входом фильтра низкой частоты, выход которого подключен к входу третьего масштабирующего блока, вход экстраполятора соединен с выходом первого блока сравнения, а выход — с вторым входом второго сумматора, выход которого через второй масштабирующий блок и исполнительный блок связан с информаци- онным входом интегратора с обнулением и вторым входом первого сумматора, второй вход первого блока сравнения подключен к выходу интег ратора с обнулением, а выход блока синхронизации соединен с управляю щими входами фильтра низкой частоты и интегратора с обновлением. коэффициент усиления К и постоянные времени Т и которого меняются незначительно. Объект подвержен влиянию контролируемых возмущений, статистические характеристики которых нестационарны. Управляющие воздействия наносятся на объект в виде импульсов. При этом контролируемые возмущения поступают на объект как в моменты нанесения импульсов управляющих воздействий, так и на интервалах времени между соседними импульсами управляющих воздействий.

Задача управления заключается в обеспечении инвариантности регулируемой координаты от контролируемых возмущений.

Примером такого рода объекта является современная доменная печь с конвейерной подачей шихтовых материалов на колошник печи, если рассматривать задачу компенсации контролируемых возмущающих воздействий на тепловое состояние доменного процесса, вносимых шихтовыми материалами, измене нием ра схода кокса . Ко нтролируемыми возмущениями в данном случае являются ошибки дозирования железорудных 40 материалов (агломерата, окатышей, руды) и отклонения параметров качества материалов (содержания железа в железорудных материалах, влажности и зольности кокса, крупности и т.п.) от заданных уровней. Управлением является изменение расхода кокса. Шихтовые материалы поступают в доменную печь импульсамипорциями, например порция кокса, порция агломерата и т.д., при этом контролируемые возмущения поступают в печь вместе с каждой порцией материалов, а управляющее воздействие (изменение массы порции кокса) íàíî- 55 сится либо через порцию, либо более сложным образом. Статистические характеристики контролируемых. возму15

1125 Ф

Изобретение относится к области самонастраивающихся систем управления и может быть использовано в системах управления техническими объектами для построения контуров компенсации контролируемых возмущений, Динамика объекта по каналам регулирования достаточно хорошо аппроксимируется оператором

603 щений нестационарны вследствие того, что порядок загрузки различных материалов меняется, меняется их качество и характеристики дозирующих устройств.

Один из подходов в таких ситуациях заключается в следующем: функционирование объекта разбивается на технологические циклы — интервалы времени, для которых соотношение между суммарными (в рамках одного цикла) длительности поступления на объект контролируемых возмущений и управляющих воздействий сохраняется приблизительно неизменным от цикла к циклу; управляющее воздействие, направленное на компенсацию контролируемых возмущений, рассчитывается на технологический цикл в целом, например прогнозируется на будущий цикл по результатам прошедших технологических циклов. Затем это суммарное воздействие распределяется на отдельные импульсы, реализуемые в рамках одного технологического цикла.

Известно устройство для многокомпактного порционного дозирования, содержащее порционные тензометвические дозаторы, блоки коррекции производительности, блок коррекции соотношения компонентов, содержащий задатчики порций, блоки сравнения, датчики числа порций в цикле, датчик химсостава рудного компонента, делитель соотношения рудной и топливной частей шихты, суммирующие счетчики накопления ошибок набора порций, делитель соотношения ошибок рудной и топливной частей набора порций, вычитатель и делитель на число порций топливного компонента, узел коррекции по влажности, содержащий датчик многократного измерения влажности и элемент усреднения с умножением на переводной эмпирический коэффициент. Устройство осуществляет компенсацию контролируемых возмущений, исходя из поддержания заданного соотношения:топливной и рудной частей шихты в рамках технологического цикла (1) .

Недостатком данного устройства является низкая точность регулирования, которая обусловлена тем, что не учитываются нестационарность статистических свойств контролируемых возмущений и ошибки экстраполя3 1125 ции управляющих воздействий и возможность их компенсации.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является адаптивный прогнозирующий регулятор

i для компенсации контролируемых возмущений, содержащий последовательно соединенные фильтр низкой частоты, обратную модель объекта без запаздывания и первый блок сравнения, 10 последовательно соединенные экстраполятор, блок задержки, второй блок сравнения и блок адаптации, выход которого соединен с первым входом экстраполятора вторым входом подключенного к второму входу второго блока сравнения, первые масштабирующие блоки, выходы которых связаны с первыми входами первого сумматора, второй масштабирующий блок, исполнительный блок и последовательно соединенные третий масштабирующий блок и второй сумматор. Регулятор предназначен для компенсации как контролируемых, так и неконтролируемых возмущений (2) .

С точки зрения подавления контролируемых возмущений известный регулятор имеет невысокую точность регулирования, так как не учитываются импульсный характер нанесения на объект управляющих воздействий.и нестационарность статистических свойств контролируемых возмущений.

Целью изобретения является повы- 35 шение точности регулятора.

Цель достигается тем, что в адаптивный прогнозирующий регулятор для компенсации контролируемых возмущений,введены прямая модель объекта 40 без запаздывания, интегратор с обнулением и блок синхронизации, вход прямой модели объекта без запаздывания связан с выходом первого сумматора, а выход — с информационным 45 входом фильтра низкой частоты, выход которого подключен к входу третьего масштабирующего блока,. вход экстраполятора.соединен с выходом первого блока сравнения, а выход — с вто- 50 рым входом второго сумматора, выход которого через второй масштабирующий блок и исполнительный блок связан с информационным входом интегратора

1 с обнулением и вторым входом перво- 55 го сумматора, второй вход первого блока сравнения подключен к выходу интегратора с обнулением, а выход

603 4 блока синхронизации соединен с управляющими входами фильтра низкой частоты и интегратора с обнулением.

Функционирование объекта представляется в виде последовательности технологических циклов с известной длительностью. В течение текущего технологического цикла сигналы о контролируемых возмущениях, поступающих на объект, пересчитываются в масштаб управляющих воздействий, затем складываются между собой и с фактически реализованными управлениями и поступают на вход прямой модели объекта без запаздывания. Выход этой модели характеризует изменение ошибки компенсации контролируемых возмущений. Далее эта ошибка усредняется в рамках текущего технологического цикла. По завершению цикла с помощью обратной модели объекта беэ запаздывания рассчитывается суммарная корректировка управляющего воздействия, которая вычитается из суммарного на данном технологическом цикле реализованного управления.

В результате с запаздыванием определяется требуемое (идеальное) суммарное управляющее воздействие, своевременная реализация которого скомпенсирует в среднем контролируемые возмущения ° Найденное идеальное суммарное управляющее воздействие экстраполируется на будущий технологический цикл. Средние на прошедшем технологическом цикле ошибки компенсации контролируемы возмущений подавляются путем прямого пересчета в управляюшее воздействие с помощью масштабирующего блока. Обе составляющие управления суммируются, а затем расчленяются на заранее заданное число импульсов управления, реализуемых в пределах будущего технологического цикла.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого регулятора.

Регулятор содержит первые масштабирующие блоки 1, первый сумматор

2, прямую модель 3 объекта без запаздывания, фильтр 4 низкой частоты, обратную модель 5 объекта без запаздывания, первый блок 6 сравнения, экстраполятор 7, третий масштабирующий блок 8, второй сумматор 9, второй масштабирующий блок 10, исполнительный блок 11, интегратор 12 с обнулением, блок 13 задержки, второй

5 .. 1125 блок 14 сравнения, блок 15 адапта- ции, блок 16 синхронизации. Кроме того, 7,(4) и V (4) — контролируемые возмущения; U(t) - управляющее воздействие. 5

Регулятор работает следующим образом.

На входы И первых масштабирующих блоков 1 (на чертеже Il = 2) поступают сигналы о контролируемых возмущениях Ч» (4) и Vg (1), умножаются на заданные коэффициенты и, таким образом, пересчитываются в масштаб управляющего воздействия. В сумматоре 2 сигналы с выходов первых масштабирующих блоков 1 складываются между собой и с фактически реализованным управляющим воздействием, сигнал о котором поступает на второй вход сумматора 2 с выхода исполнительно- 20 го блока 11. С выхода сумматора 2 на вход прямой модели 3 объекта без запаздывания, в частности интегратора, охваченного отрицательной обратной связью, поступает сигнал об :25 эквивалентном (в масштабе управляющего воздейтсвия) нескомпенсированном контролируемом возмущении. С помощью прямой модели 3 объекта без запаздывания определяются ошибки Зр компенсации эквивалентного возмущения в масштабе выходной переменной объекта, которые, поступая на информационный вход фильтра 4 низкой частоты, усредняются в этом фильтре в рамках текущего технологического цикла.

Ч интеграторе 12 с обнулением накапливается суммарное на данном технологическом цикле фактически реализованное управляющее воздейст-, вие.

Сигналы о завершении технологических циклов подаются блоком 16 синхронизации. Они поступают на уп- 45 .равляющие входы фильтра 4 низкой частоты и интегратора 12 с обнулением. Фильтр 4 низкой частоты завершает по этому сигналу усреднение ошибок компенсации контролируемых возмущений и запускает в работу блоки регулятора с 5 до 11. Сигнал с выхода фильтра 4 низкой частоты поступает на вход обратной модели 5 объекта без запаздывания, которая пред- 5 ставляет собой, например, последовательное соединение блока задержки масштабирующего блока и блока срав1

603 б нения, второй вход которого связан с входом блока задержки, и преобразуется с ее помощью в величину суммарной на завершившемся технологическом цикле корректировки управляющего воздействия. Полученная корректировка вычитается в первом блоке 6 сравнения из накопленного в интеграторе 12 фактически реализованного на данном технологическом цикле управляющего воздействия, в результате получается с запаздыванием суммарное требуемое (идеальное) на прошедшем технологическом цикле управляющее воздействие. Величина этого

I л запаздываниями равна сумме длительности одного технологического цикла и времени запаздывания реализации управляющих команд исполнительным блоком. После расчета идеального управления интегратор 12 с обнулением обнуляется.

В экстраполяторе 7 сигнал об идеальном управляющем воздействии экстраполируется на время 9 . Экстраполятор может представлять:, например, последовательно соединенные блок сравнения и дискретный интегратор, выход которого связан через блок задержки с вторым входом блока сравнения. Сигнал средней ошибки компенсации контролируемых возмущений направляется также с выхода фильтра 4 низкой частоты на вход третьего масштабирующего блока 8, где путем умножения на весовой коэффициент определяется составляющая управляющего воздействия, направленная на подавление последствия этой средней ошибки. В сумматоре 9 обе составляющие части суммарного управляющего воздействия на будущем технологическом цикле складываются,. а во втором масштабирующем блоке 10 путем умножения на коэффициент рас-, членяются на число импульсов управления, которые реализуются на предстоящем технологическом цикле. Испол; нительный блок 11 в моменты реализации импульсов управляющих воздействий получает управляющие сигналы с выхода блока 10.

Для учета и компенсации изменчивости статистических характеристик контролируемых возмущений адаптируются коэффициенты экстраполятора 7.

Сигнал с выхода экстраполятора 7 поступает на вход блока 13 задержки, 1125603

7 где.он запоминается на время 9 . Во

::втором блоке 14 сравнения сигнал с

:выхода::блока 1-3 задершки вычитается

-из сигнала, поступающего с выхода

:первого блока 6 сравнения. В ре- . зультате получается сигнал ошибки экстраполяции f(j), который направ.ляется на вход блока 15 адаптации.. .В .блоке адаптации реализуется, например, следующая процедура. При . . условии, что оператор экстраполяции представлен в:виде экспоненциального. фильтра .. ufi ©3 О.(13 И tj)

/ где ЦЦ - уеэультат экстраполяцни для эавершазщегося технологического цикла;

МЯ.- текущий .коэффициент экстраполяторя, то адаптацию ef,(Д мошно производить . по формуле °

„(° ) Б(5!)) (j-<)<)(si(nE(j)-6(i-<)I, б где Ж ), М - постоянные величины.

5 Использование предлагаемого регулятора позволяет повысить точность регулирования за счет учета импульсного характера нанесения на объект управляющих воздействий и ве10 стационарности статистических характеристик контролируемых возмущений.

Применение предлагаемого регулятора для компенсации контролируемых возмущений, вносимых в доменную печь

13 шихтовыми материалами, позволит получить годовой экономический эффект в размере около 250-350 тыс.руб в год на один агрегат за счет повышения производительности доменной печи, 26 снишения:удельного расхода кокса и повышения качества передельного чугуна.

1 125603

%ПИШИ Заказ 8539/36 Тираж 841 Подписное

Филиал ППП "Патеат", r.Óàrîðîä, ул.Проектная, 4