Система автоматического управления

 

Изобретение предназначено для автоматического управления непрерыв .ными или циклическими процессами, в которых ставится задача минимизации времени переходных процессов. Цель изобретения - повышение точности работы системы. Она содержит два генератора тактовых импульсов, управляющих импульсными элементами, последовательно включенные объект управления , релейный элемент, фиксирующее звено, блок логики, блок деления, элемент сравнения, задатчик, а.также две модели объекта, первая из которых входами связана с входом и выходом объекта, а выходом - с вторым входом элемента сравнения, а вход второй модели соединен с источником опорного напряжения. Для достижения цели дополнительно вводятся последовательно включенные третья модель объекта, второй блок деления и блок умножения, второй вход которого свяс € зан с выходом второй модели, а выход с вторым входом первого блока деле (Л ния. За счет введенных блоков и связей обеспечивается компенсациянесоответствия коэффициентов передач моделей объекта и самого объекта управления . 4 ил. 1чЭ , СЛ оо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

А1

„„Я0„„1275370 (51) 4 4 05 В 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3795376/24-24 (22) 21.09.84 (46) 07.12.86. Бюл. № 45 (71) Киевский институт автоматики им. XXV съезда КПСС (72) В,Д.Фридштанд (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 643833, кл, С 05 В 13/02, 1979.

Авторское свидетельство СССР № 972475, кл, G 05 В 13/02, 1982. (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (57) Изобретение предназначено для автоматического управления непрерыв.ными или циклическими процессами, в которых ставится задача минимизации времени переходных процессов. Цель изобретения — повышение точности работы системы. Она содержит два генератора тактовых импульсов, управляющих импульсными элементами, последовательно включенные объект управления, релейный элемент, фиксирующее звено, блок логики, блок деления, элемент сравнения, задатчик, а также две модели объекта, первая из которых входами связана с входом и выходом объекта, а выходом — с вторым входом элемента сравнения, а вход второй модели соединен с источником опорного напряжения, Для достижения цели дополнительно вводятся последовательно включенные третья модель объекта, второй блок деления и блок умножения, второй вход которого связан с выходом второй модели, а выход с вторым входом первого блока деления. За счет введенных блоков и связей обеспечивается компенсация несоответствия коэффициентов передач моделей объекта и самого объекта управления. 4 ил.

1275370

Изобретение относится к автоматическому управлению непрерывными или полунепрерывными технологическими процессами, для которых ставится задача минимизации времени переходного процесса.

Целью изобретения является повышение точности работы системы автоматического управления путем обеспечения компенсации несоответствия ко- 1б эффициентов передач моделей объекта управления и самого объекта управления.

На фиг, 1 представлена структурная схема системы автоматического управ- 15 ления, на фиг. 2 — пример реализации моделей объекта; на фиг. 3 — пример реализации блока логики, на фиг, 4 временные диаграммы работы устройства ..

Устройство содержит первый 1 и 20 второй 2 генераторы тактовых импульсов, десять импульсных элементов 3-12, четыре источника 13-16 опорных напряжений, первую 17, вторую 18 и третью 19 модели объекта, элемент 25

20 памяти, объект 21 управления, задатчик 22, первый 23 и второй 24 блоки деления, элемент 25 сравнения, блок 26 умножения, логический блок

27, фиксирующее звено 28 и релейный 3р элемент 29, причем управляющие входы первого 3, второго 4, третьего 5 и четвертого 6 импульсных элементов подключены через одновибраторы к выходу первого генератора 1 тактовых импульсов, а управляющие входы осталь ных — к выходу второго генератора 2 тактовых импульсов, выход логического блока через последовательно соединенные третий импульсный элемент 40

5, фиксирующее звено 28 и релейный элемент 29 подключен к входу объекта

21 управления, первый вход логического блока 27 соединен с выходом первого блока 23 деления, а второй и третий входы логического блока 27 подключены через шестой 8 и седьмой

9 импульсные элементы к третьему 15 и четвертому 16 источникам опорного напряжения, первый вход первого блока деления соединен с выходом элемента 25 сравнения, а второй вход— с выходом блока 26 умножения, входы которого связаны с выходами второго блока 24 деления и второй модели t8 объекта, выход первого генератора 1 тактовых импульсов подключен к шестым входам первой 17 и второй 18 мо* делей объекта и к пятому входу третьей модели 19 объекта, выход второго генератора 2 тактовых импульсов соединен с пятыми входами первой 17 и второй 18 моделей объекта, а вход: через четвертый импульсный элемент

6 с первым источником 13 опорного напряжения, второй и третий входы первой модели 17 объекта связаны с входом и выходом объекта 21 управления через первый 3 и второй 4 импульсные элементы соответственно, четвертый вход соединен с выходом второго импульсного элемента 4 через элемент

20 памяти, а выход первой модели 17 объекта соединен с первым входом элемента 25 сравнения, второй вход которого связан с выходом задатчика 22 через восьмой импульсный элемент 10, первый вход третьей модели 19 объекта подключен к выходу первого импульсного элемента 3, а ее выход через десятый импульсный элемент 12 к второму входу второго блока 24 деления, первый вход которого через девятый импульсный элемент 11 подключен к выходу объекта 21 управления, первый вход второй модели 18 объекта соединен с вторым источником 14 опорного напряжения через пятый импульсный элемент 7, причем неназванные номера входов моделей 17-19 объекта не задействованы.

Каждая из моделей 17-19 объекта (фиг. 2) содержит четыре ключа 3033, четыре сумматора 34-37, четыре усилителя 38-41 и три элемента 4244 памяти, причем первый вход модели объекта через последовательно соединенные первый ключ 30 и первый усилитель 38 подключен к первому входу первого сумматора 34, второй вход через последовательно соединенные второй сумматор 35, второй ключ 31 и второй усилитель 39 подключен к второму входу сумматора 34, третий вход — через последовательно соединенные третий сумматор 36, третий ключ 32 и третий усилитель 40 подключен к третьему входу сумматора 34, четвертый вход через последовательно соединенные четвертый сумматор

37, четвертый ключ 33 и четвертый уси. литель подключен к четвертому входу сумматора 34, пятый и шестой входы модели блока объекта соединены с,оответственно с управляющими входами ключей 30-33 и с входами сброса эле1275370 ментов 43 и 44 памяти, вход первого усилителя через первый элемент 42 памяти подключен к второму входу второго сумматора 35, вход третьего усилителя 40 через второй 43 элемент памяти — к второму входу четвертого

37 сумматора, выход первого 34 сумматора, являющийся выходом модели объекта, подключен через третий элемент 44 памяти к второму входу тре- 10 тьего сумматора 36.

Логический блок 27 (фиг. 3) содержит два элемента 45 и 46 памяти, четыре элемента 47-50 сравнения, четыре релейных элемента 51-54, ин- 5 вертор 55, три фиксирующих звена (нулевого порядка) 56-58, четыре ключа

59-62, два элемента НЕ 63 и 64, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 65, два элемента И

66 и 67 и элемент ИЛИ 68. Выход пер- 20 вого элемента 45 памяти подключен к входу второго элемента 46 памяти, второму входу первого 47 и первым входам второго 48, третьего 49 и четвертого 50 элементов сравнения, вход 2> первого элемента 45 памяти соединен с первым входом первого элемента 47 сравнения, а выход второго элемента

46 памяти — с вторым входом второго элемента 48 сравнения, выходы третье-3о го 49 и четвертого 50 элементов сравнения через последовательно соединенные соответствующие релейные элементы и ключи подсоединены к двум входам элемента ИЛИ 68. Выходы первого 47 и второго 48 элементов сравнения подключены к соответствующим релейным элементам 51 и 52, выход первого из которых через последовательно соединенные инвертор 55, первый 59 и вто- рой 60 ключи связан с третьим входом элемента ИЛИ 68. Кроме того, выход первого релейного элемента 51 через первый элемент НЕ 63 соединен с одним из входов элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 65, другой вход которого связан непосредственно с выходом второго релейного элемента 55. Выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 65 через второй элемент HE 64 подключен к входам пер- о вого 66 и второго 67 элементов И, вторые входы которых связаны с выходами соответствующих релейных элементов. Выход первого элемента И 66 через первое фиксирующее звено 56 соединен с управляющим входом первого ключа 59, вторым управляющим входом третьего 61 и первым четвертого 62 ключей. Аналогично выход второго элемента И 67 через второе фиксирующее звено 57 соединен с управляющим входом второго 60 ключа, первым управляющим входом третьего

61 и вторым четвертого 62 ключей. Выход элемента ИЛИ 68 соединен с входом третьего фиксирующего звена 58.

На временной диаграмме работы (фиг. 4) устройства для двух тактов управления обозначено: 69 — тактовые импульсы первого генератора; 70 период срабатывания первого-третьего импульсных элементов 3-5; 71 — период срабатывания четвертого импульсного элемента 6; 72 — тактовые импульсы второго генератора 2; 73 типичная последовательность импульсов на выходе первой модели 17; 74 то же, на выходе второй модели 18;

75 — то же, на выходе десятого импульсного элемента 12 76 — то же, на первом входе второго блока 24 деления; 77 — то же, на выходе блока

26 умножения, 78 — сигнал на выходе задатчика 22; 79 — последовательность импульсов на выходе блока 23 деления, 80 — постоянные сигналы на третьей

15 и четвертой 16 клеммах опорного напряжения, 81 — сигнал на выходе логического блока 27.

Посредством первого 82, второго

83 и третьего 84 одновибраторов устанавливается период срабатывания импульсных элементов 3-12, выполненных, например, на электронных ключах.

Система автоматического управления работает следующим образом.

Управление циклами формирования сигнала управления осуществляется генератором 1 тактовых импульсов, а синхронизация работы блоков в течение одного цикла — генератором 2 тактовых импульсов.

Каждая из моделей 17-19 объекта работает следующим образом. В момент, когда на пятый вход модели поступает тактовый импульс от генератора так товых импульсов, срабатывают ключи-30-33. При этом сигнал с первого входа модели поступает через усилитель

38 на первый вход первого сумматора 34, а сигналы с второго-четвертого сумматоров 35-37 через соответствующие усилители 39-41 — на второй четвертый входы первого сумматора

34, Кроме того, сигналы с входов первого 38 и третьего 40 усилителей

5 12753 и выходной сигнал первого сумматора

35 поступают на первый 42, второй

43 и третий 44 элементы памяти соответственно, которые работают с небольшой задержкой. Зафиксированные в элементах памяти величины используются на следующем такте работы (при приходе следующего тактового импульса). ТАким образом, модель объекта реализует рекуррентное соотно" шение

X(j) =K„, y(j)+K y(j — 1)+K. X(j-1)»

+ К X(j — 2) (1)

15 ! где К,К,К,К вЂ” коэффициенты усиления усилителей 3841„

X(j),X(j-1)Х(j-2)-выходы первого сумматора 34 на теку- 2р щем и двух предшествующих тактах работы; у (j ), y (j -1) — сигналы на выходе первого ключа 30 25 на текущем и предшествующих тактах.

На следующем такте работы сигнал

X(j) выступает в качестве X(j -1), X(j-2)-X(j-2), y(j)-у()-1) . Формула (t) реализует дискретную модель динамического звена второго порядка.

При необходимости апроксимировать объект более высоким порядком описанные модели объекта соединяются последовательно.

Поскольку пятый вход третьей модели 19 объекта подключен к первому генератору 1 тактовых импульсов, который также управляет импульсными эле- 4О ментами 3 и 4, передающими информацию об объекте на входы моделей, третья модель 19 объекта работает в реальном масштабе времени. Пятые входы первой 17 и гзторой 18 моделей 45 объекта подключены к второму генератору 2 тактовых импульсов, и эти модели работают в ускоренном масштабе времени. Масштабы и размерность выходных сигналов всех моделей такие 5О же как и Hà î ;у в качестве входной используется информация, снятая с входа и выхода объекта 21, Поскольку первый вход третьей модели 19 объекта через первый импульсный элемент 3 связан с входом объекта 21, на выходе третьей модели ,19 объекта получают сигнал, представ70 Ь ляющий собой модетьное представление выходной регулируемой координаты объекта. Несоответствие выходных сигналов объекта 21 и модели 19 объекта свидетельствует о несоответствии параметров модели и объекта.

Ключи 30-33 третьей модели 19 объекта выполнены с задержкой на размыкание, несколько большей задержки импульсного элемента 6. Поэтому длительность выходных сигналов (импульсов) третьей модели объекта большая, чем у первой 17 и второй 18 моделей.

В первой 17 и второй 18 моделях объекта начальные условия работы устанавливаются на каждом такте работы генератора 1, посзедством шестого входа моделей ранее установленньге значения сбрасываются. На каждом такте работы первого генератора 1 модели

17 и 18 начинают заботу в ускоренном масштабе времени (благодаря генератору 2), прогнозируя поведение объекта. При этом первая модуль,7 объекта каждый раз начинает свою работу с измеренных координат объекта управ.пения.

Логический блок 27 работает следующим образом. На первом входе блока последогзательнз (с частотой, задаваемой вторым генератором 2 тактовых импульсов) появляются импульсы f(m). При поступлении очерецного импульса его амплитуда запоминается в первом элементе 45 памяти и сравнивается на первом элементе 47 сравнения с амплитудой предыдущего импульса. В зависимости от того положительная эта разность (последовательность возрастающая) или отрицательная (убывающая) первый релейный элемент 51 вырабатывает сигнал

+1 или -1 (первый — логическая "1", второй — логический 1 0 ). Зтот сигнал на инверторе 55 изменяется на противоположный и через нормально замкнутые первый 59 и второй 60 ключи попадает на схему ИЛИ 68 и фиксируется на третьем фиксирующем элементе 58. Таким образом осуществляется анализ монотонной последовательности импульсов. При приход» очередного -го импульса на первый вход логического блока на первом элементе 47 сравнения вьгчисляется ра.зность f(i)-f(i-1), а на втором элементе 48 — f(з -1)-f(i-2). Если эти разности имеют разный знак, то это

X (m)

К (m) м

35 rpe m = 1,2,3,..., X(m) импульсы, амплитуда которых равна измеренному на выходе объекта 21 управления значению.

Полученный сигнал используется для корректировки вынужденной (разгонной) составляющей переходного процесса посредством блока 26 умножения, на выходе которого получают импульсы 77 с амплитудой K(m)- X„(m)

Выходные импульсы Х (m) первой о модели 17 объекта поступают на вход элемента 25 сравнения, на второй вход которого поступают импульсы 78, соответствующие сигналу задатчика 22, тактированные вторым генератором 2.

На выходе элемента 25, таким образом, получают сигналы Х3-Х (m), а на выходе первого блока 23 деления — импульсы 79, изменяющиеся () х — x00(m) K(m) Х-(m) 7 1275, свидетельствует, что величина f(i-1) экстремальная.При этом на обоих выходах элемента ИСКЛ1ОЧАЮЦЕЕ ИЛИ 65 имеются или логические ".0", или "1", т.е. на выходе элемента 65 имеется логический "0, а на выходе второго элемента НŠ— логическая "1", которая поступает на входы двух элементов И 66 и 67. При этом логическая

"1" появляется на выходе первого эле-10 мента И 66, если найденный экстремум — максимум, и выходе второго элемента И 67, если минимум. Соответствующая схема.И через фиксирующее звено 56 или 57 размыкает один из ключей 5

59 или 60. Это свидетельствует о том что если найден хоть один экстремум, то.анализ на монотонность не производится. Одновременно соответствующее фиксирующее звено подготавливает цепь анализа величины экстремума первое звено 56 замыкает третий ключ 61 и размыкает четвертый ключ

62, если логическая "1" имеется на выходе второго звена 57, то действие 25 обратное.

Амплитуда найденного экстремального импульса анализируется на третьем 49 и четвертом 50 элементах сравнения, где она сравнивается с

Б„ „ и U,„ соответственно, Такое решение логического блока дает возможность фиксировать все появляющиеся экстремальные значения последовательности f(m), а подключение логического блока к фиксирующему звену 28 через третий импульсный элемент 5 позволяет подавать на релейный элемент 29 результат анализа последнего из найденных экстремумов на текущем цикле управления. Таким образом определяется является ли текущий момент времени моментом переключения.

Каждый цикл работы системы автоматического управления начинается с выработки генератором 1 тактового импульса 69, который обеспечивает кратковременное замыкание первого. третьего импульсных элементов 3-5 (поз, 70) и более длительное замы " кание четвертого элемента 6 (поз.7 1)

В период замыкания четвертого импульсного элемента 6 работает второй генератор 2 тактовых импульсов 72.

Импульсные элементы 3 и 4 и элемент

20 памяти обеспечивают установку в первой модели 17 начальных условий, 370 8 соответствующих текущему состоянию объекта 21. На первых входах первой

17 и второй 18 моделей объекта устанавливаются соответственно нулевой и единичный сигналы управления. Таким образом, с частотой второго генератора 2 тактовых импульсов на выходах первой 17 и второй 18 моделей объекта появляются импульсы последовательностей, моделирующих свободное и вынужденное изменения управляемой координаты объекта — Х (ш) и Х (m)

m = 1,2,3,... (поз. 73 и 74).

На первый вход третьей модели 19 объекта поступают импульсы с входа объекта управления с частотой первого генератора 1 тактовых импульсов.

Таким образом, выход модели 19 объекта представляет собой имитацию изменения управляемой координаты объекта при тех же управляющих Воздействиях, что и на объекте 21 управления. ВыJ ход модели 19 объекта посредством десятого.импульсного элемента 12 преобразуется в последовательность импуль-. сов 76 X (m) m = 1,2,3,..., следующих с частотой второго генератора

2 тактовых импульсов. Второй блок

24 деления вырабатывает импульсы, соответствующие отношению

1275370 10 где ш = 1,2,3,...

Эти импульсы последовательно поступают на первый вход логического блока 27, на второй и третий входы которого поступают сигналы 80 предельно допустимых управляющих воздействий

U,,U, полученные на третьей акс Н

15 и четвертой 16 клеммах опорного напряжения, тактированные шестым 8 и седьмым 9 импульсными элементами. б

Логический блок 27 анализирует последовательность f(m) (m=1,2,3,,...) на предмет наличия экстремума. Если найден экстремум — максимум, величина которого больше U „, или минимум, меньший Б .„, то логический блок вырабатывает противоположный по величине сигнал. Если экстремум не найден, логический блок вырабатывает

+1, если последовательность f(m) мо- щ нотонно убывающая, и -1 если возрастающая.

На временной диаграмме (фиг. 4) на первом цикле последовательность

f(m) (поз, 79) содержит минимум, ко- 25 торый не достигает предела U„, „, а на втором цикле величина минимума меньше U„« . Соответственно логический.блок 27 изменяет свой выходной сигнал с+1 на-1 на втором цикле при . ЗО обнаружении экстремума (поз. 81) .

Когда третий импульсный элемент 5 замыкается,на фиксирующее звено 28 подается сигнал -1, и релейный эле.мент 29 устанавливает на входе объ35 екта управления, равное U «, которое поддерживается до тех пор,. пока логический блок 27 не выработает сигнал +1.

Анализируя временные диаграммы (фиг. 4),можно проследить, как происходит компенсация несоответствия коэффициентов передачи моделей и объекта управления. Из сравнения импульсов Х (m)(выход третьей модели

19 объекта) и импульсов X(m), соответствующих измеренному значению управляемой координаты Х (поз. 76), следует, что коэффициент передачи моделей. занижен (меньше реального).

Поэтому амплитуда импульсов K(m) у, (ш) больше 1 и в результате ум=Х„ ш) ножения в блоке 26 последовательность

Х (m), соответствующая разгонной

1 функции модели, скорректирована в сторону увеличения (сравнить разгон» ные функции X>(m) на выходе второй модели 18 объекта, поз, 74, и К Х (m) на выходе блока 26 умножения, поз.

77).

Хотя импульсы на выходе десятого импульсного элемента 12 в течение одного цикла работы второго генератора

2 тактовых импульсов имеют одинаковую амплитуду (поз. 75), а измеряемая координата за это время может измениться (поз. 76), этим изменением можно пренебречь, поскольку время замыкания четвертого импульсного элемента

6 незначительно по сравнению с длительностью переходных процессов.

Таким образом компенсируется несоответствие коэффициентов передач при получении разгонной функции модели объекта для свободного движения объекта управления или модели (величина коэффициента передачи значения не имеет), Формула и з о б р е т е н и я

Система автоматического управления, содержащая первый генератор тактовых импульсов, выход которого через первый одновибратор подключен к управляющим входам первого, второго и третьего импульсных элементов, а через второй одновибратор — к управляющему входу четвертого импульсного элемента, второй генератор тактовых импульсов, выход которого через третий одновибратор подключен к управляющим входам пятого, шестого, седьмого и восьмого импульсных элементов, первую и вторую модель объекта, снабженных первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым входами, причем второй вход первой мо делии соединен через первый импульс=: ный элемент с входом объекта управления, третий вход — через второй импульсный элемент — с выходом объекта управления и входом элемента па— мяти, выход которого подключен к четвертому входу первой модели объекта, а также система содержит три источника опорного напряжения, логический блок, выхоц которого через последовательно соединенный третий импульсный элемент, фиксирующее звено и релейный элемент подключен к, входу объекта управления, блок деления, выход которого подключен к первому входу логического блока, элемент сравнения, выход которого под12753 ключен к первому входу блока деления, а первый вход — к вых .ру первой модели объекта, первый источник опорного напряжения через четвертый импульсный элемент подключен к входу второго генератора тактовых импульсов, второй источник опорного напряжения через пятый импульсный элемент соединен с первым входом второй модели объекта, третий и четвер- 10 тый источники опорного напряжения соответственно через шестой и седьмой импульсные элементы подключены к второму и третьему входам логического блока, второй вход элемента срав- 15 нения через восьмой импульсный элемент соединен с выходом задатчика, пятые входы первой и второй модели объекта соединены с выходом второго генератора тактовых импульсов, )Q шестые входы — с выходом первого генератора тактовых импульсов, с т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с ие70 12 лью повышения точности работы системы, в нее введены третья модель обьекта, девятый H десятый импульсные элементы, второй блок деления и блок умножения, причем первый вход третьей модели объекта соединен с вторым входом первой модели объекта, а пятый вход — с выходом первого генератора тактовых импульсов, управляющие входы девятого и десятого импульсных элементов подключены к выходу .второго генератора тактовых импульсов, первый вход второго блока деления через девятый импульсный элемент соединен с выходом объекта управления, а второй вход через дес.:..ый импульсный элемент — с выхо;-„ и третьей модели объекта, входы блока умножения подключены к выходам второго блока деления и второй модели обьекта, а выход. блока умножения соединен с вторым входом первого блоделения, 1275370

1275370

О

72

7б

77 х>

4 иг

Составитель В.Пешков

Редактор О.Головач Техред Л.Сердокова

Корректор Г.Решетник

Заказ 6558/37 Тираж 836

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4