Система автоматического управления нестационарным объектом

 

Изобретение относится к области систем управления нестационарными и параметрически неопределенными объектами. Технический результат заключается в повышении динамической точности и увеличении запасов устойчивости системы. Система автоматического управления содержит объект n-го порядка, усилитель мощности, элемент сравнения, модель-эталон, интегральный регулятор, первый и второй дифференцирующие фильтры в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, сумматор и предварительный усилитель. Закон управления системы содержит три составляющие, пропорциональные соответственно n-й производной сигнала задания, косвенно измеренному возмущению n-й производной выходной величины и интегралу по отклонению n-й производной выходной величины от ее закона, предписанного заданным уравнением движения системы. 1 ил.

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано при проектировании систем автоматического управления нестационарными и параметрически неопределенными объектами.

Известна система автоматического управления (САУ) нестационарным объектом n-го порядка [1], содержащая объект, который подсоединен входом к выходу усилителя мощности, элемент сравнения, который подключен одним входом через модель-эталон к задатчику, другим входом к выходу объекта и выходом ко входу корректирующего устройства в виде последовательно соединенных интегратора, m-1 интегросумматоров и суммирующего усилителя, при этом один из входов первых n-1 интегросумматоров подсоединен к выходу элемента сравнения, другой вход последних n-1 интегросумматоров подключен к выходу суммирующего усилителя, третий вход n-го интегросумматора подсоединен к задатчику, третий вход последних m-n интегросумматоров и второй вход суммирующего усилителя подключены к выходу объекта, блок умножения, усилитель мощности, три инерционных фильтра, блок деления, три суммирующих элемента, два блока выделения модуля, источник напряжения смещения и дифференцирующий фильтр в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, причем блок умножения соединен одним входом с выходом корректирующего устройства, другим входом с выходом блока деления, выходом со входом усилителя мощности и через первый инерционный фильтр со входом первого блока выделения модуля, подключенного выходом к одному из входов первого суммирующего элемента, который соединен другим входом с выходом источника напряжения смещения, выходом с первым из входов блока деления, второй суммирующий элемент подключен одним входом к задатчику, другим входом к выходу корректирующего устройства, выходом через второй инерционный фильтр к одному из входов первого интегросумматора дифференцирующего фильтра, другой из входов всех интегросумматоров которого подсоединен через третий инерционный фильтр к выходу объекта, третий из входов интегросумматоров дифференцирующего фильтра соединен с выходом своего суммирующего усилителя, один из входов которого подключен к выходу объекта, третий суммирующий элемент подсоединен одним входом через второй блок выделения модуля к выходу дифференцирующего фильтра, другим входом к выходу источника напряжения смещения и выходом к другому входу блока деления, а n ≅ m ≅ 2n-1.

Данная САУ предназначена для управления нестационарными объектами с математическим описанием вида y⁽ⁿ⁾=k(t)-f_u(Y,t), (1) где Y - вектор состояния, Y=[y, y⁽¹⁾, y⁽²⁾,...,y^(n-1)]^T; t - время; u - управляющее воздействие; у⁽ⁿ⁾ - производная n-го порядка выходной величины; f_u(Y,t) - нестационарная нелинейная функция, аналитическая относительно своих аргументов; k(t) - нестационарный коэффициент усиления объекта.

Однако эта САУ является излишне сложной и поэтому недостаточно надежной.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является система автоматического управления нестационарным объектом n-го по рядка [2], содержащая объект, который подсоединен входом к выходу усилителя мощности, элемент сравнения, который подключен одним входом через модель-эталон к задатчику, другим входом к выходу объекта и выходом ко входу интегрального регулятора, дифференцирующий фильтр в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, который подключен вторым входом к задатчику, выходом ко второму входу каждого из интегросумматоров и ко входу усилителя мощности, первый вход первого интегросумматора подключен к выходу интегрального регулятора, а третий вход каждого из интегросумматоров подсоединен к выходу элемента сравнения.

Эта САУ проще, чем ранее рассмотренная. Однако данная система может не обеспечить заданную динамическую точность при управлении объектами с достаточно широким диапазоном изменения своих параметров, так как имеет недостаточно большие запасы устойчивости. Это объясняется тем, что закон управления этой САУ содержит лишь две составляющие. Одна из них пропорциональна n-й производной сигнала задания g и предназначена для формирования вынужденной составляющей движения системы. Другая составляющая пропорциональна интегралу по отклонению n-й производной выходной величины от ее закона изменения, предписанного заданным уравнением движения системы. Эта составляющая предназначена для отработки как произвольных начальных значений переменных состояния, так и возмущающего воздействия на входе объекта, обусловленного сигналами его собственных обратных связей.

Задача изобретения - повышение динамической точности и увеличение запасов устойчивости системы.

Решение поставленной задачи достигается тем, что система автоматического управления нестационарным объектом n-го порядка, содержащая объект, который подключен входом к выходу усилителя мощности, элемент сравнения, который подсоединен одним входом через модель-эталон к задатчику, другим входом к выходу объекта и выходом ко входу интегрального регулятора, первый дифференцирующий фильтр в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, который подключен вторым входом к задатчику и выходом ко второму входу каждого из интегросумматоров, первый вход первого интегросумматора подсоединен к выходу интегрального регулятора и третий вход каждого из интегросумматоров подключен к выходу элемента сравнения, снабжена сумматором, предварительным усилителем и вторым дифференцирующим фильтром в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, который подключен вторым входом к выходу объекта, выходом ко входу предварительного усилителя и второму входу каждого из интегросумматоров, суммирующий усилитель первого дифференцирующего фильтра подсоединен выходом к первому входу сумматора и первому входу первого интегросумматора второго дифференцирующего фильтра, а сумматор подключен вторым входом к выходу предварительного усилителя и выходом ко входу усилителя мощности.

На чертеже представлена функциональная схема системы автоматического управления нестационарным объектом.

Система автоматического управления нестационарным объектом n-го порядка содержит объект 1, который подключен входом к выходу усилителя 2 мощности, элемент 3 сравнения, который подсоединен одним входом через модель-эталон 4 к задатчику 5, другим входом к выходу объекта 1 и выходом ко входу интегрального регулятора 6, первый дифференцирующий фильтр 7 в виде последовательно соединенных n интегросумматоров 8/1 - 8/n и суммирующего усилителя 9, который подключен вторым входом к задатчику 5 и выходом ко второму входу каждого из интегросумматоров 8/1 - 8/n, первый вход первого интегросумматора 8/1 подсоединен к выходу интегрального регулятора 6 и третий вход каждого из интегросумматоров 8/1 - 8/n подключен к выходу элемента 3 сравнения, сумматор 10, предварительный усилитель 11 и второй дифференцирующий фильтр 12 в виде последовательно соединенных n интегросумматоров 13/1 - 13/n и суммирующего усилителя 14, который подключен вторым входом к выходу объекта 1, выходом ко входу предварительного усилителя 11 и второму входу каждого из интегросумматоров 13/1- 13/n, суммирующий усилитель 9 первого дифференцирующего фильтра 7 подсоединен выходом к первому входу сумматора 10 и первому входу первого интегросумматора 13/1 второго дифференцирующего фильтра 12, а сумматор 10 подключен вторым входом к выходу предварительного усилителя 11 и выходом ко входу усилителя 2 мощности.

Движение САУ удовлетворяет уравнению где g - выходной сигнал задатчика; μ - малая постоянная времени, значение которой обратно пропорционально значению граничной частоты требуемой полосы равномерного пропускания модели-эталона; постоянные коэффициенты, которые подчинены следующим соотношениям: причем τ₀ = 1; k₀, k_min - соответственно базовое и минимально возможное из рабочего диапазона значения коэффициента усиления объекта.

При этом вынужденная составляющая движения системы описывается уравнением модели-эталона (1+μp)ⁿg_э = g, (3) где g_э - выходной сигнал модели-эталона.

Особенность предложенной САУ заключается в том, что ее движение в соответствии с уравнениями (2) и (3) обеспечивается путем формирования комбинированного закона управления в виде суммы трех составляющих. Одна из них пропорциональна n-Й производной сигнала задания, вторая - интегралу по отклонению n-й производной выходной величины от ее предписанного уравнением (2) закона изменения и третья - косвенно измеренному возмущению n-й производной выходной величины, обусловленному сигналами собственных обратных связей объекта, т.е.

где y_n⁽ⁿ⁾ - предписанный уравнением (2) закон изменения n-й производной,

f_u - косвенно измеренное возмущение f(Y,t), обусловленное сигналами собственных обратных связей объекта,

k_y - коэффициент усиления предварительного усилителя, k_y = a₁/(a₀nμ), причем a_i-1 = ∂f(Y,t)/∂y^(i-1) (i = 1, 2) при Y = Y₀, t = t₀.

Система автоматического управления (САУ) нестационарным объектом работает следующим образом.

Сигнал задания с выхода задатчика 5 поступает на вход модели-эталона 4 и второй вход суммирующего усилителя 9 первого дифференцирующего фильтра 7, в котором преобразуется в сигнал, пропорциональный n-й производной сигнала задания g. Далее этот сигнал поступает через сумматор 10 и усилитель 2 мощности на вход объекта 1 и вызывает вынужденное движение последнего.

В то же время выходные сигналы модели-эталона 4 и объекта 1 поступают на входы элемента 3 сравнения, в котором сравниваются между собой. Сигнал рассогласования с выхода элемента 3 сравнения поступает на третий вход каждого интегросумматора 8/1-8/n и через интегральный регулятор 6 на первый вход первого интегросумматора 8/1 первого дифференцирующего фильтра 7, в котором преобразуется в сигнал, пропорциональный интегралу по отклонению n-й производной выходной величины системы от ее предписанного уравнением (2) закона изменения. Указанная составляющая выходного сигнала первого дифференцирующего фильтра 7 поступает далее тоже через сумматор 10 и усилитель 2 мощности на вход объекта 1 и формирует свободную составляющую движения системы, которая обусловлена произвольными начальными значениями переменных состояния.

Однако сигнал f_u(Y,t) собственных обратных связей объекта (1), являясь по сути возмущающим воздействием, пытается вызвать отклонение движения САУ от закона (2). Для компенсации этого возмущающего воздействия на второй вход суммирующего усилителя 14 и первый вход первого интегросумматора 13/1 второго дифференцирующего фильтра 12 поступают соответственно выходной сигнал объекта 1 и выходной сигнал первого дифференцирующего фильтра 7. Указанные входные сигналы во втором дифференцирующем фильтре 12 преобразуются в сигнал f_u, пропорциональный возмущающему воздействию f_u(Y,t). Сигнал f_u с выхода второго дифференцирующего фильтра 12 поступает через предварительный усилитель 11, сумматор 10 и усилитель 2 мощности на вход объекта 1. В результате происходит компенсация исходного возмущения f_u(Y,t), что эквивалентно компенсации инерционности объекта 1.

Таким образом, за счет введения в систему сумматора, предварительного усилителя и второго дифференцирующего фильтра в ней образуется достаточно быстродействующая дифференциальная компенсирующая инерционность объекта связь. Тем самым достигается повышение динамической точности и увеличение запасов устойчивости системы автоматического управления.

Источники, принятые во внимание заявителем:
1. Патент РФ N 2039371, кл. G 05 В 13/00. - Опубл. 09.07.95. - Бюл. N 19.

2. Елсуков B.C., Загороднюк В.Т. Синтез астатических систем комбинированного управления по старшей производной выходной величины // Изв. вузов Электромеханика, 1998, N 4, с. 96.

Формула изобретения

Система автоматического управления нестационарным объектом n-го порядка, содержащая объект, который подключен входом к выходу усилителя мощности, элемент сравнения, который подсоединен одним входом через модель-эталон к задатчику, другим входом к выходу объекта и выходом ко входу интегрального регулятора, первый дифференцирующий фильтр в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, который подключен вторым входом к задатчику и выходом ко второму входу каждого из интегросумматоров, первый вход первого интегросумматора подсоединен к выходу интегрального регулятора и третий вход каждого из интегросумматоров подключен к выходу элемента сравнения, отличающаяся тем, что снабжена сумматором, предварительным усилителем и вторым дифференцирующим фильтром в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, который подключен вторым входом к выходу объекта, выходом ко входу предварительного усилителя и второму входу каждого из интегросумматоров, суммирующий усилитель первого дифференцирующего фильтра подсоединен выходом к первому входу сумматора и первому входу первого интегросумматора второго дифференцирующего фильтра, а сумматор подключен вторым входом к выходу предварительного усилителя и выходом ко входу усилителя мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1