Система управления с обратной связью

Изобретение относится к электронной технике и автоматике и может использоваться в цифровых и аналоговых автоматических системах управления, регулирования и стабилизации различных физических величин (температуры, давления, производительности, скорости и т.д.) с обратной связью, применяемых в различных отраслях промышленности и в научных исследованиях для управления объектами управления, склонными к колебаниям. Система управления с обратной связью содержит объект управления, вычитающее устройство, регулятор, суммирующее устройство и устройство оценки внешних сигналов, являющееся формирователем короткого корректирующего импульса, а также необходимые связи между элементами. Изобретение решает задачу повышения динамической точности при управлении объектами управления, склонными к колебаниям. 4 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике и автоматике и может использоваться в цифровых и аналоговых автоматических системах управления, регулирования и стабилизации различных физических величин (температуры, давления, производительности, скорости и т.д.) с обратной связью, применяемых в различных отраслях промышленности и в научных исследованиях для управления объектами управления, склонными к колебаниям.

Высокоточное управление динамическими объектами управления актуально во многих отраслях промышленности, техники, технологии и науки. Эти задачи решаются с помощью систем автоматического регулирования с отрицательной обратной связью, в которых осуществляются соответствующие изменения входных управляющих сигналов, поступающих на объект управления для обеспечения требуемого значения выходных величин объекта управления. Встречаются объекты управления, склонные к колебаниям выходной величины.

Для решения задачи управления такими объектами управления могут применяться традиционные пропорционально-интегрально-дифференцирующие регуляторы (ПИД-регуляторы), формирующие сигнал в виде суммы пропорциональной (П), интегральной (И) и дифференциальной (Д) компонент. Коэффициенты этих компонент рассчитываются разными методами, например методами численной оптимизации [Жмудь В.А., Ядрышников О.Д. Численная оптимизация ПИД-регуляторов с использованием детектора правильности движения в целевой функции. Автоматика и программная инженерия. 2013. №1 (3). Стр.24-29. URL: http://www.nips.ru/images/stories/zhournal-AIPI/3/Paper-2013-1-4.pdf].

Известна система с обратной связью, содержащая: последовательно включенные в замкнутый контур регулятор, объект управления и вычитающее устройство, включенное через его отрицательный вход, в котором положительный вход является входом системы, а выход объекта управления является выходом системы [А.С. Востриков, Г.А. Французова, Е.Б. Гаврилов. Основы теории непрерывных и дискретных систем регулирования. 5-е изд., перераб. И доп.: учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008 г. стр.122, рис. 4.31].

Эта система с обратной связью работает следующим образом.

Входом системы с обратной связью является положительный вход вычитающего устройства, выходом - выход объекта управления. Целью работы системы является обеспечение наиболее близкого совпадения значения выходной величины с входным сигналом. Выходной сигнал Y с выхода объекта управления поступает на отрицательный вход вычитающего устройства, на положительный вход которого поступает входной сигнал системы V. Вычисляемая разница этих сигналов, называемая ошибкой E, поступает на регулятор, который преобразует этот сигнал в управление U. Как правило, преобразование состоит в умножении на большой коэффициент. Также для обеспечения устойчивости в сигнал управления регулятор добавляет компоненту, пропорциональную производной ошибки, а для обеспечения высокой точности статического режима добавляется компонента, пропорциональная интегралу ошибки. Таким образом, общий вид выходного сигнала ПИД-регулятора задается уравнением:

Здесь K_P, K_I, K_D - коэффициенты усиления пропорционального, дифференцирующего и интегрирующего каналов регулятора. Проектирование регулятора состоит в этом случае в вычислении таких значений этих коэффициентов, которые обеспечат требуемое быстродействие, точность и устойчивость системы. Например, они могут быть рассчитаны методом численной оптимизации [Жмудь В.А., Ядрышников О.Д. Численная оптимизация ПИД-регуляторов с использованием детектора правильности движения в целевой функции. Автоматика и программная инженерия. 2013. №1 (3). Стр.24-29. URL: http://www.nips.ru/images/stories/zhournal-AIPI/3/Paper-2013-1-4.pdf].

Недостаток такой системы с обратной связью состоит в недопустимо большой динамической ошибке при управлении объектом управления, склонным к колебаниям, которая может достигать 200%. Это проявляется в том, что переходный процесс на ступенчатое изменение входного сигнала V первоначально может быть направлен даже в сторону, противоположную требуемому направлению изменения выходной величины Y, достигая значения - 100% место + 100%.

Известна другая система с обратной связью, принятая за прототип, содержащая устройство оценки внешних сигналов, логический элемент, исполнительный элемент, устройство оценки процесса и последовательно включенные объект управления, вычитающее устройство по отрицательному входу и регулятор, в которой положительный вход вычитающего устройства объединен с входом устройства оценки внешних сигналов и является входом системы, выход объекта управления соединен с первым входом устройства оценки процесса и является выходом системы, выход регулятора соединен со входом объекта управления и со вторым входом устройства оценки процесса, входы логического элемента соединены с выходами устройства оценки внешних сигналов и устройства оценки процесса, а его выход - через исполнительный элемент с управляющим входом регулятора [Куропаткин П.В. Теория автоматического управления: учебное пособие для электротехнических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1973. стр. 479].

Эта система работает следующим образом.

Основной контур управления, содержащий объект управления, регулятор и вычитающее устройство, работает так же, как в описанном выше устройстве. Устройство оценки внешних сигналов при изменении входного сигнала V формирует по заранее заданной зависимости сигнал коррекции управления Q. Устройство оценки процесса анализирует сигнал управления U и выходной сигнал объекта управления Y. По результатам анализа это устройство может оценивать изменения математической модели объекта управления, если они имеют место. Сигнал R с выхода этого устройства оценки процесса и сигнал коррекции управления Q с выхода устройства оценки внешних сигналов анализируются логическим элементом, по результатам анализа формируется сигнал коррекции модели регулятора, который через исполнительный элемент поступает на регулятор и корректирует его свойства. В результате регулятор оказывается настроенным для того, чтобы по возможности наилучшим образом соответствовать текущим свойствам объекта управления и входного сигнала V.

Недостатком этой системы с обратной связью является недостаточная динамическая точность.

Причиной этого является невозможность быстрой компенсации изменяющихся свойств входного сигнала объекта управления. Действительно, адаптивный контур регулирования, образованный логическим элементом, исполнительным элементом и устройством оценки процесса, не может иметь достаточного быстродействия в связи с зашумленностью сигналов и статистических методов оценивания. В связи с этим логический элемент должен выполнять сложные логические вычисления на основе достаточного и статистически достоверного материала. Таким образом, действия логического элемента требуют много времени, и весь адаптивный контур, образованный логическим элементом, исполнительным элементом и устройством оценки процесса, не может иметь быстродействия большего, чем быстродействие основного контура управления, образованного регулятором, объектом управления и вычитающим устройством. Тракт коррекции, образованный устройством оценки внешних сигналов, логическим элементом и исполнительным элементом, также не может быть достаточно быстродействующим по этой же причине. Поэтому при управлении объектом управления, склонным к колебаниям, такая система может обеспечить требуемую статическую точность, но не может обеспечить достаточную динамическую точность, поскольку на протяжении переходного процесса такая система не успевает изменить модель регулятора.

Таким образом, рассмотренная система с обратной связью не обеспечивает достаточной динамической точности при управлении объектом управления, склонным к колебаниям.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения динамической точности при управлении объектами управления, склонными к колебаниям.

Поставленная задача решается тем, что в систему с обратной связью, содержащую последовательно включенные объект управления, вычитающее устройство по отрицательному входу и регулятор, а также устройство оценки внешних сигналов, причем положительный вход вычитающего устройства и вход устройства оценки внешних сигналов объединены и являются входом системы, выход объекта управления является выходом системы, введено между выходом регулятора и входом объекта управления суммирующее устройство, второй вход которого соединен с выходом устройства оценки внешних сигналов.

Предлагаемая система показана на Фиг.1. На Фиг.2 показаны сигналы в устройстве оценки внешних сигналов. На Фиг.3 показан переходный процесс в системе с обратной связью, являющейся прототипом. На Фиг.4 показан переходный процесс в предлагаемой системе с обратной связью при работе ее в штатном режиме.

Предлагаемая система с обратной связью (Фиг.1) содержит:

1 - объект управления,

2 - регулятор,

3 - вычитающее устройство,

4 - устройство оценки внешних сигналов,

5 - суммирующее устройство.

Вычитающее устройство 3, регулятор 2, сумматор 5 и объект управления 1 включены последовательно между входом системы с обратной связью и ее выходом, выход объекта управления 1 соединен с отрицательным входом вычитающего устройства 3, а устройство оценки внешних сигналов 4 включено между входом системы и вторым входом суммирующего устройства 5.

Устройство оценки внешних сигналов 4 может состоять из последовательно включенных дифференцирующего устройства, формирователя двух импульсов и интегратора.

Соответствующие сигналы (Фиг.2) обозначены: V - как и ранее, входной сигнал, который также является входным сигналом устройства оценки внешних сигналов 4, G - сигнал на выходе дифференцирующего устройства, P - сигнал на выходе формирователя двух импульсов, Q - сигнал на выходе интегратора, являющийся одновременно выходным сигналом устройства оценки внешних сигналов 4.

Все элементы системы с обратной связью, кроме объекта управления 1, могут быть выполнены на основе аналоговой или цифровой электронной техники. Объектом управления может быть любое устройство, например, как в первой из описанных систем, объектом управления, склонным к колебаниям.

Предлагаемая система с обратной связью работает следующим образом.

В установившемся режиме и при медленных изменениях входного сигнала V данная система работает так же, как первая описанная система, поскольку на второй вход суммирующего устройства 5 подается нулевой сигнал от устройства оценки внешних сигналов 4. При резком изменении входного сигнала V устройство оценки внешних сигналов 4 формирует кратковременный сигнал Q, добавляющийся на суммирующем устройстве 5 к сигналу управления U и тем самым корректирующий его таким образом, чтобы переходный процесс имел улучшенную форму. По истечении некоторого времени, достаточного для коррекции переходного процесса, сигнал на выходе устройства оценки внешних сигналов 4 плавно становится нулевым, в результате чего сигнал на выходе суммирующего устройства 5 становится равным сигналу на выходе регулятора 2. Поэтому установившийся режим системы с обратной связью не изменяется и ее статическая точность сохраняется неизменной. Таким образом, корректирующий контур, образованный устройством оценки внешних сигналов 4 и суммирующим устройством 5, улучшает динамическую точность системы с обратной связью, не ухудшая ее статическую точность.

При этом устройство оценки внешних сигналов 4 может состоять из последовательно включенных дифференцирующего устройства, формирователя двух импульсов и интегратора. В этом случае оно будет выполнять функции формирователя трапецеидального сигнала, амплитуда и знак которого зависит от амплитуды и знака скачка входного сигнала V. Действительно, в этом случае на выходе дифференцирующего устройства будет формироваться короткий импульс G, совпадающий по величине и знаку скачка входного сигнала V. По этому сигналу G формирователь двух импульсов, например, может сформировать два прямоугольных сигнала P одинаковой наперед заданной длительности противоположной полярности. Например, полярность первого импульса будет противоположна полярности выходного сигнала дифференцирующего устройства, а полярность второго импульса будет совпадать с полярностью этого сигнала. После интегрирования этой последовательности P на выходе интегратора будет сформирован сигнал Q трапецеидальной формы, соответствующий интегралу от указанной последовательности импульсов разной полярности. Знак и амплитуда этого сигнала будут зависеть от последовательности знаков и амплитуды указанных прямоугольных импульсов, поэтому будут жестко связаны с амплитудой и знаком скачка входного сигнала V.

Соответствующие сигналы показаны на Фиг.2.

Таким образом, будет сформирован требуемый сигнал коррекции переходного процесса. Нужную длительность и амплитуду корректирующего трапецеидального сигнала можно определить заранее путем моделирования и численной оптимизации.

Таким образом, данная система обеспечивает повышение динамической точности при управлении объектами управления, склонными к колебаниям.

Структура всех используемых элементов проста и эффективно действует.

Для демонстрации этого свойства на Фиг.3 приведен результат моделирования в форме переходного процесса, являющегося откликом на единичный ступенчатый скачок входного сигнала V. Для моделирования использована модель объекта управления 1 в виде передаточной функции следующего вида:

Здесь s - аргумент преобразования Лапласа, аналогичный оператору дифференцирования при описании объекта управления в форме дифференциальных уравнений. Коэффициенты регулятора, рассчитанные методом численной оптимизации, равны:

K_P=-0,5902, K_I=0,042886, K_D=0,15374.

По оси Х на графике отображено время в секундах, по оси Y - условные единицы выходного сигнала. Идеальный переходный процесс должен, начинаясь от нуля, монотонно двигаться в направлении значения единицы и остаться на этом значении с минимальным отклонением. Может иметь место небольшое нарушение монотонности, например перерегулирование. Переходный процесс на выходе системы с обратной связью, показанный на Фиг.3, далек от идеального, поскольку он первоначально движется в противоположную сторону, к значению минус единицы, после чего движется в нужном направлении, и, совершив несколько колебаний около предписанного значения, завершается там, где следует. Таким образом, хотя установившееся значение переходного процесса соответствует требованиям, предъявляемым к системе, динамическая (начальная) часть переходного процесса крайне неудовлетворительна.

На Фиг.4 показан результат моделирования системы с обратной связью по предлагаемой структуре для объекта управления, рассмотренного выше. Из Фигуры 4 видно, что обратное движение в начале переходного процесса снижено до значения около 0,02, то есть до 2% от величины скачка входного сигнала, тогда как в первой описанной системе величина этого скачка составляет - 100%.

Реализация или моделирование системы с обратной связью, принятой за прототип, невозможно в связи со сложностью и неопределенностью структуры ее элементов. Однако какую бы структуру отдельных элементов в этой системе не использовали, ее быстродействие не может быть соизмеримым с быстродействием предлагаемой системы, поскольку устройство оценки процесса должно действовать по статистическим методам и не может оперативно изменять управляющий сигнал, как это делает предлагаемая система. Тем самым на примере подтверждено, что поставленная задача повышения динамической точности при управлении объектами управления, склонными к колебаниям, решена.

Таким образом, предлагаемая система с обратной связью решает задачу повышения динамической точности при управлении объектами управления, склонными к колебаниям.

Система управления с обратной связью, содержащая последовательно включенные объект управления, вычитающее устройство по отрицательному входу и регулятор, а также устройство оценки внешних сигналов, причем положительный вход вычитающего устройства и вход устройства оценки внешних сигналов объединены и являются входом системы, выход объекта управления является выходом системы, отличающаяся тем, что между выходом регулятора и входом объекта управления в нее введено суммирующее устройство, второй вход которого соединен с выходом устройства оценки внешних сигналов, а устройство оценки внешних сигналов является формирователем короткого корректирующего импульса.