Адаптивная система управления

 

Изобретение относится к автоматике и может найти применение при управлении нестационарными технологическими объектами. Целью изобретения является повышение точности и устойчивости системы в условиях действия помех значительной интенсивности и изменения параметров объекта управления. Система содержит сумматоры 2,9,18,20, регуляторы 3,11,19, усилитель 4, объект 5 управления, делители 8,16, фильтры 7,15, блок 10 прогноза, умножитель 17, блок ограничения 12, задатчик I входного сигнала , формирователь 13 сигналов уровней ограничения, формирователь 14 единичного сигнала и модель 6 объекта . Самонастройка в системе осущест-. вляется путем минимизации прогнозируемой относительной ошибки коэффициента усиления канала управления от эталона, формируемой на выходе блока прогноза 10. Система реализует компенсацию неконтролируемой помехи на входе объекта 5. 4 ил. О) с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК, SU 139970

А1 сю 4 G 05 В 13 04 17 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 41 10908/24-24 (22) 25.08.86 (46) 30.05.88. Бюл, 11 20 (72) В,Г.Брусов, Ю,Д.Левичев, Е.А.Сухарев и В.И.Брусова (53) 62.50(088.8) (56) Солодовников В.В., Шрамко Л.С.

Расчет и проектирование самонастраивающихся систем с эталонными моделями. М.: Машиностроение, 1972, с.35-37.

Авторское свидетельство СССР

Ф 11 13780, кл. С 05 В 1?/02, 1982. (54) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к автоматике и может найти применение при управлении нестационарными технологическими объектами. Целью изобретения является повышение точности и устойчивости системы в условиях действия помех значительной интенсивности и изменения параметров объекта управления. Система содержит сумматоры 2,9,IS,20, регуляторы 3,11,19, усилитель 4, объект 5 управления, делители 8,16, фильтры 7,15, блок 10 прогноза, умножитель 17, блок ограничения 12, задатчик i входного сигнала, формирователь )3 сигналов уровней ограничения, формирователь 14 единичного сигнала и модель 6 объекта. Самонастройка в системе осуществляется путем минимизации прогноэи" руемой относительной ошибки коэффициента усиления канала управления и от эталона, формируемой на выходе блока прогноза 10. Система реализует компенсацию неконтролируемой помехи на входе объекта 5. 4 ил.

1399700

Изобретение относится к автоматике и может найти применение при управлении нестационарными объектами в условиях действия неконтролируемых возмущений в химической, нефтехимической и металлургической отраслях промьппленности.

Целью изобретения является повышение точности и устойчивости системы в условиях действия помех значительной интенсивности и изменения параметров объектов управления.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой адаптивной систе- 15 мы управления; на фиг.2 — схема усилителя с переменным коэффициентом усиления;, на фиг.3 — схема блока прогноза," на фиг.4 — схема фильтров.

Адаптивная система управления со- 20 держит задатчик 1 входного сигнала, первый сумматор 2, первый регулятор

3, усилитель 4, объект 5 управления, модель 6 объекта, первый фильтр 7, первый делитель 8, второй сумматор 9, 25 блок 10 прогноза, второй регулятор

ll, блок 12 ограничения, формирова-. тель 13 сигналов уровня ограничения, формирователь 14 единичного сигнала, второй 15 фильтр, второй делитель 16 30 умножитель 17, третий сумматор 18, третий регулятор 19 и четвертый сумматор 20. Усилитель 4 (с переменным коэффициентом усиления) содержит сумматор 21 и умножитель 22.

Влок 10 прогноза включает последовательно соединенные дифференциаторы 23 и 24, усилитель 25, сумматор

26 и усилитель 27.

Первый 7 и второй 15 фильтры, вы- 40 полняющие усреднение сигнала на скользящем интервале времени Т, включают блок 28 задержки, сумматор 29, интегратор 30 и усилитель 31

Делители 8 и 16 сохраняют рабато- 45 способность при величине сигнала делителя, равной нулю, поскольку содержат цепи ограничения выходного сигнала.

Выходной сигнал усилителя 4 (фиг.2) 50 изменяется по уравнению

Z (t) U(t) (1+дК,(е) )-ц(е) К. (t), I где Z(t) — вьмодной сигнал усили« теля 4;

К (t) -. переменный коэффициент усиления; дК,(t) - выходной сигнал блока 12 ограничения.

Сигнал на выходе филь тров . 7 и I 5 изменяется следующим образом:

Х, (t) =-„) (X, (9)-Х, (9-Т) )с10

1 г

1

Х, (В)(16, Ф-т где Х,(0);Х (t) — соответственно входной и выходной сигнал фильтра, усредняющего сигнал на интервале Т.

Адаптивная система управления работает следующим образом.

На вход первого сумматора 2 подается сигнал Х задания для системы управления, на другой вход которого подается сигнал y(t) с вьмода объекта 5 управления. Выходной сигнал первого сумматора 2 через первый регулятор 3 и усилитель 4 с переменным коэффициентом усиления поступает иа первый вход сумматора 20.

Выходной сигнал первого регулятора 3 U(t) поступает также на вход модели 6 объекта, выходной сигнал которой yÄ(t) подается на вход второго фильтра 15 и вход второго делителя

16. Выходной сигнал y(t) объекта 5 управления поступает также на вход первого фильтра 7 и вход второго делителя 16.

Выходной сигнал второго делителя

16, равный отношению сигнала у (t) выхода объекта 5 управления к сигналу у (t) выхода модели 6 объекта, поступает на вход умножителя 17, на другой вход которого поступает сигнал с выхода усилителя 4.

Сигнал с выхода умножнтеля 17 подается на вход сумматора 18, на другой вход которого поступает сигнал с выхода усилителя 4. На вход третьего регулятора 19 поступает сигнал с вьмода сумматора 18. Выходной сигнал сумматора 20 подается на вход объекта 5 управления, на вход которого действует неконтролируемое параметрическое возмущение Е (t) и случайная помеха f(t).

Первый 7 и второй 15 фильтры предназначены для разделения параметрического возмущения .f (t) являющегося, как правило, низкочастотным, и случайной высокочастотной помехи f(t), представляющей часто эргодический процесс с нулевым математическим ожиданием.

00 з

1399?

Выходной сигнал первого делителя, равный отношению сглаженного сигнала

y(t) к сглаженному сигналу у»(Г) и являющийся мерой изменения коэффици5 ента усиления объекта 5 управления в текущий момент времени, подается на вход сумматора 9, на другой вход которого поступает сигнал с выхода формирователя 14 единичного сигнала, 10 равный по величине такому сигналу на выходе первого 8 делителя, который формируется при равенстве сигналов у(1) и y„(t) на входах первого делителя 8. l5

Выходной сигнал сумматора 9, являющийся относительной ошибкой изме-. нения коэффициента усиления объекта

5 управления, подается на вход блока

10 прогноза, предсказывающего изме- 20 нение относительной ошибки коэффициента усиления на некоторое время <р вперед, которое определяется с учетом особенностей динамических характеристик объекта 5 управления. Сиг- 25 нал с выхода блока 10 прогноза подается на вход второго регулятора 11.

Сигнал U,(t) с выхода второго регулятора 11 поступает на информационный вход блока 12 ограничения, на 30 первый и второй входы которого подаются с формирователя 13 сигналов уровня ограничения сигналы U и U ограничения выходной величины блока 12 соответственно верхней и нижней гра- З5 ниц. Выходной сигнал блока 12 ограничения д К,(t) подается на управляющий вход первого усилителя 4.

Последовательно соединенные второй делитель 16, умножитель l?,. сумма-40 тор 18, третий регулятор 19 и сумматор 20 вместе с подключающими их связями обеспечивают компенсацию случайной помехи f(t), действующей на входе объекта 5 управления, делая тем са- 45 мым систему управления инвариантной относительно помехи Е(С) . Введем обозначения W (ð), W»,(p). - передаточные функции соответственно объекта 5 уп равления и модели 6 объектаг,50

Пусть W (р) К(р)/R (р), эффициента усиления объекта 5 управления.

Выражение для изображения выходного сигнала объекта 5 управления запишется в следующем виде: у(p)-jK (p) К(р) ° U(p) +

+ К(р) F{p)1/R,(р) л при Р(р) Г(р) +Б.(р) — ошибка компенсации помехи

f(t), где К,(p) lU(p)1Г(р);Б„(р) — иэображения в операторной форме соответственно переменного коэффициента усиления усилителя 4, выходного сигнала первого регулятора 3, неконтролируемой помехи f(t). выходного сигнала третьего регулятора !9.

Выражение для выходного сигнала модели 6 объекта имеет вид у„(р) -K „U(p) /,(р) (2).

Для сигнала на выходе первого фильтра 7 можно записать выражение

» (р) 1»р(р) + K(p)» {3)

"Р (Р)»»1»р(Р) /Rà,(p) у» (p) +y (Р)» где W (р) — передаточная функция пер Р вого 7 и второго 15 фильтров.

Выражение W», (р) "K(p) /К (р) описывает инерционное звено п-го порядка, которое можно считать фильтром. Поэтому на выходе объекта 5 управления получаем сглаженное значение помехи

f (t) тогда можно записать у (р)=1, (р) F(р), (4)

Рассмотрим случай, когда изменения коэффициента усиления объекта 5 управления значительно более низко-» частотны по сравнению со случайной помехой f (t), т, е. Т + + Т „, где

Т- и Т вЂ” времена спадания автокорк реляционных функций случайной помехи и параметрического возмущения Е (), Пусть интервал усреднения первого 7 и второго 15 фильтров находится в интервале

Т т т„, (5) где Т вЂ” скользящий интервал усреднения первого 7 и второго 15 фильтров ° где К(р) — переменный коэффициент усиления объекта 5 управления; 55

Re(p) — полипом п-го порядка от Р.

W„(p) = К„/R,{р), где К„- коэффициент усиления модели

6 объекта - эталонное значение коf (8)d0 = 0 (6) Тогда для составляющей у (р) на выходе первого фильтра 7 можно записать

1399700 так как интеграл от случайного «ргодИческаго процесса с нулевым мате

I матическим ожиданием на интервале, удовлетворяющем условию (5), можно приравнять к vysro.

Таким образом, для сигнала на выходе первого фильтра 7 можно записать выражение

y(p)=y,(р)=к,(p)u(p)v {p) M (р). (7)

Изображение выходного сигнала второго фильтра 15 имеет вид

«y„(p)=K u(p) V (р)/К,(р). (8)

Тогда изображение выходного сигнала первого делителя 8 запишем в т ком виде ! е (р)-y(p)/y (р) "к (р) к(р)/к (9) Для сигнала на выходе сумматора 9 жно записать выражение р)-1-е(р) = 1-к„(р) к(р) /к„(10) м

Перейдя во временную область, выражение 10 можно записать в таком виде:

d(t)=1-к,{t) K{t)/к„. (I I)

При выполнении условия (5) самонастройку коэффициента усиления K„(t) усилителя 4 необходимо осуществлять из условия минимизации функционала параметрической ошибки (!1). !

Следовательно, коэффициент усиле35 н ия К (t) должен изменяться таким образам, чтобы произведение К „. (t) <

» K{t) оставалось постаянньи и равным

К„л, а К () К() /К,„стремилось к единице. На выходе блока 10 прогноза л Q ф!эрмируется сигнал, равный предсказанной величине параметрической ошибки, которая будет в системе через время <1, В случае„ если предсказанное значение параметрической ошибки

45 вычисляется, например, с помощью разложения функции в ряд Тейлора, огран иченного тремя первыми членами, та выражение для выходного сигнала блока

10 прогноза имеет вид

d (t+q) =6 (t)+d { t)q+d (t). ср /2, (12) Минимизация прогнозируемого значения параметрической ошибки (12) осуществляется с помощью второго регулятора !1, в качестве которого может быть взят, например, стандартный промьполенный ПИ-регулятор, выходной сигнал которого вычиспяется по формуле л р л

П (t)=K,d(t+(!)+K,) d(R)d0, {13) о где К, и К вЂ” настройки ПИ-регулятора.

Использование блока 10 прогноза поэва» ляет уменьшить ошибку самонастройки и тем самым повысить точность адаптивной системы управления .

Из выражения (11) видно, что при равенстве величин К л и K(t), величина К (t)=l. Отклонения значения К (t) с от единицы будут иметь место при

K(t)fK . Тогда алгоритмы изменения коэффициента К (t) можно записать в виде к (е) = 1+ ьк (с) (i 4) где ь К (t) — сигнал самонастройки, получаемый путем минимизации функционала (11).

Рассмотрим компенсацию помехи Е(t) на скользящем интервале времени Т«, удовлетворяющем условию Т c< T., (15).

Для сигнала на выходе второго делителя 16 можно записать выражение

B (p) =K,(р) ° К{ ) /K„+ к(р) /К„Р(p) /U(ð) .

Тогда для сигнала на выходе умножителя 17 можно записать во временной области

Г1() =К,(с) 11(t) K,(t) К() /К„ +

+К,(t) K(t) /KÄ f {t). (16)

С учетом условий (5) и (15) коэффициент усиления объекта 5 управления

К{t) можно считать кваэистационарным

«а интервале времени Т . Тогда величина К (t) K(t) близка к Клл на интервале Т

K,(t) K(t) /К = 1,. (17)

В этом случае для сигнала на выходе сумматора 18 можно записать выражение .л

c(t) = к,(t) u(t)-(к,(с) u(t) +f(t)g=

= — Š(t), {18)

На выходе сумматора !8 получим сигнал, являющийся оценкой ошибки компенсации f(t) с обратным знаком. В первый момент, когда U„(t)=0, сигнал на выходе сумматора 18 равен оценке случайной помехи f(t), Сигнал с выхода сумматора 18 с целью компенсации случайной помехи f (t) падается через третий регулятор 19 на вход сумма. тора 20, с выхода которого сигнал поступает на вход объекта 5 управления. При этом осуществляется компенсация неконтролируемой помехи

1399700

f (t) и, тем самым, повышается точность управления в предлагаемой сис! теме управления.

Рассмотрим случай, когда Т1 сопоставимо с Т, а также предположим, что случайная помеха f(t) может изменяться скачком в сторону уменьшения или увеличения. В этом случае выражение (6) будетиметь значение, от- 1. личное от нуля, зависящее от величины возмущения f(t},и становится невозможным разделить реакцию адаптивной системы управления на случайную помеху и параметрическое возмущение f (й).

В этом случае, система управления будет стремиться компенсировать внешнее возмущение наряду с контуром обратной связи, путем изменения коэффициента самонастройки К (t}. Тогда выходной сигнал второго регулятора

11 V,(t) в случае значительной величины случайной помехи f(t) может иметь такое значение, что сигнал самонастройки ЬК (t) будет

Ь К,(t) = U.(t) а -1.

При этом коэффициент самонастройки

К (t} может стать равным нулю или отрицательным, а система управления потерять устойчивость и работоспособность. Поэтому в этих целях в систему управления введен блок 12 ограничения.

Назначение его состоит в том, чтобы ограничить выходной сигнал регулятора 11 значениями нижней и верхней допустимых границ.

Блок 12 ограничения преобразует выходной сигнал UZ(t) второго регулятора 11 следующим образом:

Ue(t) Ф при 04! Ue (t) 4 U81 К (t) = U» при U,(t}, U„;

° tIPH U (t) ) U где U H U — соответственно значения нижней и верхней границ, причем

U„) l.

Введение блока 12 ограничения обеспечивает адаптивной системе управления необходимый запас устойчивости при самонастройке.

Величины настроек К, и Кд второго регулятора 11, значения сигналов нижней U> и верхней U границ аК И},, а также величину интервала прогноза 1 необходимо определять при исследовании и испытании системы управления. при действии неконтролируемых возму10, 35

45

30 щений из условия экстремума выбранного критерия качества управления.

Формула и з о б р е т е н и я

ApBIITHBHGR система управления, содержашая задатчик входного сигнала, выход которого подключен к суммирующему входу первого сумматора, подключенного выходом к входу первого регулятора, объект управления, выход которого соединен с вычитающим входом первого сумматора, усилитель, модель объекта, второй регулятор, первый делитель, второй, третий и четвертый сумматоры, о т— л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности и устойчивости системы в условиях действия помех значительной интенсивности и изменения параметров объекта управления, в нее введены первый н второй фильтры, блок прогноза, блок ограничения, формирователь сигналов уровня ограничения, формирователь единичного сигнала, второй делитель, умножитель, третий регулятор, причем выход объекта управления соединен с входом делимого второго делителя и через первый фильтр — с входом делимого первого делителя, вход делителя которого подключен к выходу второго фильтра, вход которого соединен с входом делителя второго делителя и с выходом модели объекта, подключенной входом к выходу первого регулятора и к информационному входу усилителя, выход которого соединен с суммирующим входом третьего сумматора, с первым входом умножителя и с первым входом четвертого сумматора, подключенного выходом к входу объекта управления, а вторым входом — к выходу третьего регулятора, вход которого соединен с выходом третьего сумматора, вычитающий вход которого подключен к выходу умножителя, подключенного вторым входом к выходу второго делителя, выход первого делителя соединен с вычитающим входом второго сумматора, подклю" ченного суммирующим входом к выходу формирователя единичного сигнала, а выходом через последовательно соединенные блок прогноза и второй peryлятор — к информационному входу блока ограничения, первый и второй входы установки уровня ограничения которого соединены соответственно с первым и вторьм выходами формирователя сигна9 1399700 in

Фиг.д с

Составитель Е.Власов

Техред А. Кравчук Корректор В.Бутяга

Редактор Ю.Середа

Тираж 866 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1l13035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 2664/47

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 лов уровня ограничения, выход блока ления коэффициентом усиления усилиограничения соединен с входом управ- теля.