Адаптивная система слежения для объектов с запаздыванием по состоянию, управлению и нейтрального типа

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в системах слежения для объектов, параметры которых - неизвестные постоянные или медленно меняющиеся во времени величины. При этом предполагается, что объект регулирования обладает запаздываниями, значения которых известны. Технический результат в расширении функциональных возможностей системы, т.е. в обеспечении устойчивости и хорошего качества работы при наличии в объекте регулирования запаздывания по управлению, состоянию и нейтрального типа. Система содержит объект регулирования, четыре блока задания коэффициентов, шесть блоков суммирования, шесть умножителей, четыре интегратора, три блока запаздывания, блок задающего воздействия. 1 ил.

 

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в системах слежения для объектов, параметры которых - неизвестные постоянные или медленно меняющиеся во времени величины. При этом предполагается, что объект регулирования обладает запаздыванием по управлению, состоянию и нейтрального типа, значения которых известны.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является адаптивная система слежения для объектов с запаздыванием по состоянию и управлению [патент RU 2294004, МПК C1 G05B 13/02, 2006.01], содержащая объект регулирования, первый блок задания коэффициентов, первый блок суммирования, первый умножитель, первый интегратор, первый блок запаздывания, второй блок задания коэффициентов, второй блок суммирования, второй умножитель, второй интегратор, второй блок запаздывания, третий блок задания коэффициентов, третий блок суммирования, третий умножитель, третий интегратор, четвертый блок суммирования, четвертый умножитель, четвертый интегратор, пятый блок суммирования, пятый умножитель, шестой умножитель, шестой блок суммирования и блок задающего воздействия; при этом сигналы с выходов объекта регулирования поступают одновременно на соответствующие входы первого блока задания коэффициентов, где происходит умножение сигнала с выхода объекта регулирования на постоянный коэффициент, и на входы первого блока запаздывания, сигналы с выходов первого блока задания коэффициентов поступают на соответствующие входы первого блока суммирования, где складываются, сигнал с выхода первого блока суммирования поступает на первый вход четвертого блока суммирования, на второй вход третьего умножителя и на второй вход четвертого умножителя, сигнал с выхода четвертого блока суммирования подается на первый вход первого умножителя, на первый вход третьего умножителя и на первый вход пятого умножителя, в третьем умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого блока суммирования на сигнал с выхода первого блока суммирования, сигнал с выхода третьего умножителя идет на вход второго интегратора, где интегрируется, а с выхода второго интегратора - на первый вход четвертого умножителя, в четвертом умножителе происходит умножение сигнала с выхода второго интегратора на сигнал с выхода первого блока суммирования, сигналы с выходов первого блока запаздывания подаются на соответствующие входы второго блока задания коэффициентов, где происходит умножение сигнала выходов первого блока запаздывания на постоянный коэффициент, сигналы с выходов второго блока задания коэффициентов поступают на соответствующие входы второго блока суммирования, где складываются, сигнал с выхода второго блока суммирования поступает на второй вход пятого умножителя и на второй вход шестого умножителя, в пятом умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого блока суммирования на сигнал с выхода второго блока суммирования, сигнал с выхода пятого умножителя подается на вход четвертого интегратора, где интегрируется, сигнал с выхода четвертого интегратора поступает на первый вход шестого умножителя, в шестом умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого интегратора на сигнал с выхода второго блока суммирования, сигнал с выхода шестого умножителя поступает на второй вход третьего блока суммирования, где складывается с сигналом, поступающим на первый вход третьего блока суммирования, поступающего с выхода четвертого умножителя, сигнал с выхода второго блока запаздывания поступает на второй вход первого умножителя, на второй вход второго умножителя и на второй вход пятого блока суммирования, сигнал с выхода пятого блока суммирования идет на вход третьего интегратора, с выхода которого поступает одновременно на вход третьего блока задания коэффициентов и на второй вход четвертого блока суммирования, в четвертом блоке суммирования складываются сигналы с выхода первого блока суммирования и с выхода третьего интегратора, сигнал с выхода третьего блока задания коэффициентов поступает на третий вход пятого блока суммирования, в первом умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого блока суммирования на сигнал с выхода второго блока запаздывания, сигнал с выхода первого умножителя подается на вход первого интегратора, а с выхода первого интегратора на первый вход второго умножителя, во втором умножителе происходит умножение сигнала с выхода первого интегратора на сигнал с выхода второго блока запаздывания, сигнал с выхода второго умножителя идет на третий вход третьего блока суммирования, в третьем блоке суммирования складываются сигналы с выхода второго умножителя, четвертого умножителя и шестого умножителя, сигнал с выхода третьего блока суммирования подается на первый вход шестого блока суммирования и на первый вход пятого блока суммирования, сигнал с выхода блока задающего воздействия поступает на второй вход шестого блока суммирования, сигнал с выхода шестого блока суммирования подается на вход объекта регулирования и на вход второго блока запаздывания.

Недостатком этой системы является плохое качество работы или потеря устойчивости в случае наличия в объекте, помимо запаздывания по управлению и состоянию, запаздывания нейтрального типа.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы, т.е. в обеспечении устойчивости и хорошего качества работы при наличии в объекте регулирования запаздывания по управлению, состоянию и нейтрального типа.

Сущность изобретения состоит в том, что в систему, содержащую объект регулирования, первый блок задания коэффициентов, первый блок суммирования, первый умножитель, первый интегратор, первый блок запаздывания, второй блок задания коэффициентов, второй блок суммирования, второй умножитель, второй интегратор, второй блок запаздывания, третий блок задания коэффициентов, третий блок суммирования, третий умножитель, третий интегратор, четвертый блок суммирования, четвертый умножитель, четвертый интегратор, пятый блок суммирования, пятый умножитель, шестой умножитель, шестой блок суммирования и блок задающего воздействия; при этом сигналы с выходов объекта регулирования поступают одновременно на соответствующие входы первого блока задания коэффициентов, где происходит умножение сигнала с выхода объекта регулирования на постоянный коэффициент, и на входы первого блока запаздывания, сигналы с выходов первого блока задания коэффициентов поступают на соответствующие входы первого блока суммирования, где складываются, сигнал с выхода первого блока суммирования поступает на первый вход четвертого блока суммирования, на второй вход третьего умножителя и на второй вход четвертого умножителя, сигнал с выхода четвертого блока суммирования подается на первый вход первого умножителя, на первый вход третьего умножителя и на первый вход пятого умножителя, в третьем умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого блока суммирования на сигнал с выхода первого блока суммирования, сигнал с выхода третьего умножителя идет на вход второго интегратора, где интегрируется, а с выхода второго интегратора - на первый вход четвертого умножителя, в четвертом умножителе происходит умножение сигнала с выхода второго интегратора на сигнал с выхода первого блока суммирования, сигналы с выходов первого блока запаздывания подаются на соответствующие входы второго блока задания коэффициентов, где происходит умножение сигнала выходов первого блока запаздывания на постоянный коэффициент, сигналы с выходов второго блока задания коэффициентов поступают на соответствующие входы второго блока суммирования, где складываются, сигнал с выхода второго блока суммирования поступает на второй вход пятого умножителя и на второй вход шестого умножителя, в пятом умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого блока суммирования на сигнал с выхода второго блока суммирования, сигнал с выхода пятого умножителя подается на вход четвертого интегратора, где интегрируется, сигнал с выхода четвертого интегратора поступает на первый вход шестого умножителя, в шестом умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого интегратора на сигнал с выхода второго блока суммирования, сигнал с выхода шестого умножителя поступает на второй вход третьего блока суммирования, где складывается с сигналом, поступающим на первый вход третьего блока суммирования, поступающего с выхода четвертого умножителя, сигнал с выхода второго блока запаздывания поступает на второй вход первого умножителя, на второй вход второго умножителя и на второй вход пятого блока суммирования, сигнал с выхода пятого блока суммирования идет на вход третьего интегратора, с выхода которого поступает одновременно на вход третьего блока задания коэффициентов и на второй вход четвертого блока суммирования, в четвертом блоке суммирования складываются сигналы с выхода первого блока суммирования и с выхода третьего интегратора, сигнал с выхода третьего блока задания коэффициентов поступает на третий вход пятого блока суммирования, в первом умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого блока суммирования на сигнал с выхода второго блока запаздывания, сигнал с выхода первого умножителя подается на вход первого интегратора, а с выхода первого интегратора на первый вход второго умножителя, во втором умножителе происходит умножение сигнала с выхода первого интегратора на сигнал с выхода второго блока запаздывания, сигнал с выхода второго умножителя идет на третий вход третьего блока суммирования, в третьем блоке суммирования складываются сигналы с выхода второго умножителя, четвертого умножителя и шестого умножителя, сигнал с выхода третьего блока суммирования подается на первый вход шестого блока суммирования и на первый вход пятого блока суммирования, сигнал с выхода блока задающего воздействия поступает на второй вход шестого блока суммирования, сигнал с выхода шестого блока суммирования подается на вход объекта регулирования и на вход второго блока запаздывания, дополнительно вводится третий блок запаздывания и четвертый блок задания коэффициентов, при этом на вход третьего блока запаздывания поступает сигнал с выхода третьего интегратора, сигнал с выхода третьего блока запаздывания поступает на вход четвертого блока задания коэффициентов, сигнал с выхода четвертого блока задания коэффициентов поступает на четвертый вход пятого блока суммирования.

Вводя в систему третий блок запаздывания и четвертый блок задания коэффициентов, получают в системе новую функцию, которая заключается в том, что обеспечивается устойчивость и хорошее качество работы при наличии в объекте регулирования запаздывания по управлению, состоянию и нейтрального типа.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемой системы. Система содержит объект регулирования 1, первый блок задания коэффициентов 2, первый блок запаздывания 3, второй блок задания коэффициентов 4, первый блок суммирования 5, первый умножитель 6, первый интегратор 7, второй умножитель 8, второй блок суммирования 9, третий умножитель 10, второй интегратор 11, четвертый умножитель 12, третий блок суммирования 13, четвертый блок суммирования 14, пятый блок суммирования 15, третий интегратор 16, третий блок задания коэффициентов 17, второй блок запаздывания 18, пятый умножитель 19, четвертый интегратор 20, шестой умножитель 21, шестой блок суммирования 22, блок задающего воздействия 23, третий блок запаздывания 24, четвертый блок задания коэффициентов 25.

Объект регулирования описывается уравнением

где верхний индекс «T» означает операцию транспонирования; x(t)∈Rⁿ - вектор состояния объекта регулирования, n - порядок системы; А, Λ, D, L, В - матрицы и векторы соответствующей размерности, причем собственные числа матрицы Λ известны и лежат внутри круга единичного радиуса; τ₁>0, τ₂>0 - известные постоянные запаздывания, y^T(t)=(y₁(t)…y_m(t)) - m-мерный вектор выходных координат объекта регулирования; - скалярное управляющее воздействие, удовлетворяющее уравнению

где r(t) - задающее воздействие, χ(t) c(t), k(t)) - настраиваемые параметры регулятора, g - m-мерный вектор коэффициентов, выбираемый из условия гурвицевости полинома

где I_m - единичная матрица соответствующей размерности; р - оператор дифференцирования; верхний индекс «+» означает процедуру нахождения процедуру присоединенной матрицы.

С помощью критерия гиперустойчивости Попова можно показать, что асимптотическую устойчивость системе будут обеспечивать следующие алгоритмы настройки:

где α>0, β>0, γ>0 - числа, z(t) - выход дополнительного контура, динамика которого в нашем случае описывается уравнением

где а ₀>0, λ₀>0 - числа, определяющие желаемую динамику процессов управления.

Контур (5) называется «эталонным упредителем». Он служит для эквивалентной замены необходимого в данном случае соединения типа эталонная модель - блок упреждения. При этом эталонный упредитель, как и эталонная модель, служит для задания желаемой динамики процесса управления и обеспечения режима слежения, а также берет на себя функцию блока упреждения, предназначенного для компенсации запаздывания в системе. Таким образом, вместо двух блоков - эталонной модели и блока упреждения, в системе присутствует один - эталонный упредитель, чем косвенно достигается упрощение системы без ухудшения качества работы.

Система функционирует следующим образом.

Сигналы y(t) с выхода объекта регулирования 1 поступают на соответствующие входы первого блока задания коэффициентов 2 и первого блока запаздывания 3. В блоке задания коэффициентов 2 происходит умножение компонентов вектора y(t) на постоянные коэффициенты вектора g. Сигналы с выходов второго блока задания коэффициентов 2 поступают на соответствующие входы первого блока суммирования 5. Сигнал U₅=g^T·y(t) с выхода блока суммирования 5 поступает на первый вход четвертого блока суммирования 14, на второй вход третьего умножителя 10 и на второй вход четвертого умножителя 12, сигнал U₅=ν(t) с выхода четвертого блока суммирования 14 подается на первый вход первого умножителя 6, на первый вход третьего умножителя 10 и на первый вход пятого умножителя 19. Сигналы U₃=y(t-τ₁) с выходов первого блока запаздывания 3 через время, равное τ₁, подаются на соответствующие входы второго блока задания коэффициентов 4. В блоке задания коэффициентов 4 происходит умножение сигнала y(t-τ₁) на постоянные коэффициенты вектора g. Сигналы с выхода второго блока задания коэффициентов 4 поступают на соответствующие входы второго блока суммирования 9. Сигнал U₉=g^T·y(t-τ₁) с выхода блока суммирования 9 поступает на второй вход пятого умножителя 19 и на второй вход шестого умножителя 21. Сигнал с выхода пятого умножителя 19 с коэффициентом α поступает на четвертый интегратор 20, где интегрируется. Сигнал U₂₀=χ(t) поступает на первый вход шестого умножителя 21. Сигнал U₂₁=χ(t)·g^T·y(t-τ₁) с выхода умножителя 21 поступает на второй вход третьего блока суммирования 13. Сигнал с выхода третьего умножителя 10 с коэффициентом β поступает на второй интегратор 11, где интегрируется. Сигнал U₂₀=c(t) поступает на первый вход четвертого умножителя 12. Сигнал U₁₂=c(t)·g^T·y(t) с выхода умножителя 12 поступает на первый вход третьего блока суммирования 13. Сигнал с выхода первого умножителя 6 с коэффициентом γ поступает на первый интегратор 7, где интегрируется. Сигнал U₇=k(t) поступает на первый вход второго умножителя 8. Сигнал с выхода умножителя 8 поступает на третий вход третьего блока суммирования 13.

Сигнал U₁₃=u(t) с выхода третьего блока суммирования 13 поступает на первый вход шестого блока суммирования 22 и на первый вход пятого блока суммирования 15. Сигнал U₂₃=r(t) с выхода блока задающего воздействия 23 поступает на второй вход шестого блока суммирования 22. Сигнал с выхода шестого блока суммирования 22 является управляющим сигналом и подается на вход объекта регулирования 1 и на вход второго блока запаздывания 18. Сигнал с выхода второго блока запаздывания 18 через время τ₂ поступает на второй вход первого умножителя 6, на второй вход первого умножителя 8 и на второй вход пятого блока суммирования 15. Сигнал с выхода пятого блока суммирования 15 подается на третий интегратор 16, где интегрируется. Сигнал U₁₆=z(t) поступает на вход третьего блока задания коэффициентов и на второй вход четвертого блока суммирования 14. Сигнал U₁₇=α₀·z(t) с входа третьего блока задания коэффициентов 17 поступает на третий вход пятого блока суммирования 15.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей системы, т.е. в обеспечении устойчивости и хорошего качества работы при наличии в объекте регулирования запаздывания по управлению, состоянию и нейтрального типа.

Данное устройство может быть реализовано промышленным способом, на основе стандартной элементарной базы.

Адаптивная система слежения для объектов с запаздыванием по состоянию, управлению и нейтрального типа, содержащая объект регулирования, первый блок задания коэффициентов, первый блок суммирования, первый умножитель, первый интегратор, первый блок запаздывания, второй блок задания коэффициентов, второй блок суммирования, второй умножитель, второй интегратор, второй блок запаздывания, третий блок задания коэффициентов, третий блок суммирования, третий умножитель, третий интегратор, четвертый блок суммирования, четвертый умножитель, четвертый интегратор, пятый блок суммирования, пятый умножитель, шестой умножитель, шестой блок суммирования и блок задающего воздействия; при этом сигналы с выходов объекта регулирования поступают одновременно на соответствующие входы первого блока задания коэффициентов, где происходит умножение сигнала с выхода объекта регулирования на постоянный коэффициент и на входы первого блока запаздывания, сигналы с выходов первого блока задания коэффициентов поступают на соответствующие входы первого блока суммирования, где складываются, сигнал с выхода первого блока суммирования поступает на первый вход четвертого блока суммирования, на второй вход третьего умножителя и на второй вход четвертого умножителя, сигнал с выхода четвертого блока суммирования подается на первый вход первого умножителя, на первый вход третьего умножителя и на первый вход пятого умножителя, в третьем умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого блока суммирования на сигнал с выхода первого блока суммирования, сигнал с выхода третьего умножителя идет на вход второго интегратора, где интегрируется, а с выхода второго интегратора - на первый вход четвертого умножителя, в четвертом умножителе происходит умножение сигнала с выхода второго интегратора на сигнал с выхода первого блока суммирования, сигналы с выходов первого блока запаздывания подаются на соответствующие входы второго блока задания коэффициентов, где происходит умножение сигнала выходов первого блока запаздывания на постоянный коэффициент, сигналы с выходов второго блока задания коэффициентов поступают на соответствующие входы второго блока суммирования, где складываются, сигнал с выхода второго блока суммирования поступает на второй вход пятого умножителя и на второй вход шестого умножителя, в пятом умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого блока суммирования на сигнал с выхода второго блока суммирования, сигнал с выхода пятого умножителя подается на вход четвертого интегратора, где интегрируется, сигнал с выхода четвертого интегратора поступает на первый вход шестого умножителя, в шестом умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого интегратора на сигнал с выхода второго блока суммирования, сигнал с выхода шестого умножителя поступает на второй вход третьего блока суммирования, где складывается с сигналом, поступающим на первый вход третьего блока суммирования, поступающего с выхода четвертого умножителя, сигнал с выхода второго блока запаздывания поступает на второй вход первого умножителя, на второй вход второго умножителя и на второй вход пятого блока суммирования, сигнал с выхода пятого блока суммирования идет на вход третьего интегратора, с выхода которого поступает одновременно на вход третьего блока задания коэффициентов и на второй вход четвертого блока суммирования, в четвертом блоке суммирования складываются сигналы с выхода первого блока суммирования и с выхода третьего интегратора, сигнал с выхода третьего блока задания коэффициентов поступает на третий вход пятого блока суммирования, в первом умножителе происходит умножение сигнала с выхода четвертого блока суммирования на сигнал с выхода второго блока запаздывания, сигнал с выхода первого умножителя подается на вход первого интегратора, а с выхода первого интегратора на первый вход второго умножителя, во втором умножителе происходит умножение сигнала с выхода первого интегратора на сигнал с выхода второго блока запаздывания, сигнал с выхода второго умножителя идет на третий вход третьего блока суммирования, в третьем блоке суммирования складываются сигналы с выхода второго умножителя, четвертого умножителя и шестого умножителя, сигнал с выхода третьего блока суммирования подается на первый вход шестого блока суммирования и на первый вход пятого блока суммирования, сигнал с выхода блока задающего воздействия поступает на второй вход шестого блока суммирования, сигнал с выхода шестого блока суммирования подается на вход объекта регулирования и на вход второго блока запаздывания, отличающаяся тем, что дополнительно вводится третий блок запаздывания и четвертый блок задания коэффициентов, при этом на вход третьего блока запаздывания поступает сигнал с выхода третьего интегратора, сигнал с выхода третьего блока запаздывания поступает на вход четвертого блока задания коэффициентов, сигнал с выхода четвертого блока задания коэффициентов поступает на четвертый вход пятого блока суммирования.