Устройство для регулирования объекта с запаздыванием
ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ. Союз Советскии Социалистические Республик (61) Дополнительное к авт. саид-ву (2 ) Заявлено 06. 10. 77 (21) 2533520/18-24 с присоединением заявки № (23) Приоритет Опубликовано 07.03.82. Бюллетень №9 Дата опубликования описания 07 .03.82 (51)М. Кл. G 05 В 13/04 1Ъаударетееииый комитет СССР аа аалек изобретений и открытий (53) УД1(62.50 (088. 8) О.Л. Клоков, В.А. Филимонов, Ю.А. Митр фанов, :.." -;, Ю.П. Серебряков, Д.Г. Конев, Н.Д. Лани А.Л. Суханов и В.Ф. Некрасов 1м (72) Авторы изобретения (7l ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОЕЬЕКТА С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования линейных динамических объектов с запаздыванием, способным функционировать в условиях действия неконтролируемых случайных возмущающих воздействии и шумов измерения при нали" чии нестационарного дрейфа передаточной функции объекта и статических характеристик, возмущающих ! О воздействий и шумов, и может быть использовано в химической, нефтехимической, цементной и других отраслях промышленности, преимущественно для управления качеством продукции Ij и полупродуктов при изменении нагрузки и качества сырья. Известны системы автоматического регулирования для объектов с запаздыванием, обладающие повышенной точностью (комбинированные и каскадные), в которых используется импульс по возмущению или импульс из 2 проиажуточнои точки, обладающий меньшим запаздыванием 111. Однако указанные системы имеют сравнительно узкую область применения, так как измерение возмущающих воздействий или отбор импульса иэ промежуточной точки зачастую затруднены по техническим или экономическим причинам. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому. устройству является комбинированная самонастраивающаяся система, содержащая последовательно соединенные исполнительный механизм, объект, датчик регулируемого параметра, первый сумматор и адаптивный фильтр, а также блоки .прямой модели объекта, обратной модели объекта, идентификации объекта, второй сумматор и датчики режимных параметров объекта, выходы которых соединены с первыми входами блока идентификации объекта, выходы которого соединены с первыми входами 1463, 4 с вторым входом регулятора, второй вход третьего сумматора соединен с выходом блока обратной модели объекта, а выход — с входом исполнительного механизма. На чертеже приведена блок-схема устройства. Предлагаемое устройство содержит объект 1 регулирования, датчик 2 1р регулируемого параметра, сумматоры 3-6, фильтр 7 нижних частот, адйчтивный фильтр 8, регулятор 9, исполнительный механизм 10, блок 11 прямой модели объекта, блок 12 обратной 15 модели объекта, блок 13 идентификации объекта, датчики 14 режимных параметров объекта, блок 15 настройки регулятора и эадатчик 16. Отдельные блоки системы выполняют следующие функции. Регулятор подавляет низкочастотную составляющую возмущающего воздействия по принципу обратной связи, т.е. устраняет накопление ошибок 5 на выходе системы и обеспечивает равенство среднего значения регулируемого параметра заданному значению (заданию). Фильтр нижних частот обеспечиваЭ© ет пропускание только таких низкочастотных составляющих сигнала ошибки, на которых система регулирования с регулятором в обратной связи функционируют устойчиво при имеющемся в объекте запаздывании. Блок настройки регулятора обеспечивает правильную настройку контура обратной связи в условиях дрейфа динамических характеристик объекта, 40 т.е. оптимальную настройку по критерию минимума среднеквадратической ошибки при обеспечении ограничения по заранее заданному запасу устойчивости. Третий сумматор обеспечивает . 45 суммирование регулирующих воздействий контура обратной связи и контура компенсации возмущения, четвер.тый - развязку контуров регулирования по принципу обратной связи и компенсацию вычисленного возмущения за счет центрирования сигнала. ошибки. Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот, регулятор и третий сумматор, а также блок настройки регулятора и четвертый сумматор, первый вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, второй вход - с выходом адаптивного фильтра, а выход — с вторым входом второго сумматора, вход фильтра нижних частот соединен с выходом первого сумматора, входы блока настройки регулятора соединены с выходами блока идентификации объекта, а выходSS 3 91 блока прямой модели объекта и блока обратной модели объекта, причем второй вход блока прямой модели соединен с выходом блока . обратной модели, а выходс первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом обратной модели, а второй входс вторым входом блока идентификации объекта, выход эадатчика соединен со вторым входом первого сумматора f2). Известная система не обеспечивает стабильность среднего значения выходного параметра. Действительно,модель объекта, включенная во внутреннюю положительную обратную связь, как бы размыкает систему и обеспечивает за счет этого эффект вычисления оценки возмущенного воздействия на выходе сумматора Сс обратным знаком). Последовательно включенные фильтрэкстраполятор и компенсатор компенсируют, насколько это практически возможно, чистое и емкостное запаздывание объекта и таким образом обеспечивают оптимальное подавление возмущений на выходе объекта, т.е. данная система функционирует как разомкнутая адаптивная система. На практике не удается обеспечить абсолютно точное совпадение модели и объекта, точно реализовать компенсатор и т.д. 8 результате на выходе объекта возникает ошибка, величина которой не контролируется. Цель изобретения — повышение точности регулирования при наличии у объекта существенного чистого запаздывания, неконтролируемых случайных, возмущений и шума измерения в усло.виях нестационарного дрейфа передаточной функции объекта и статических характеристик возмущений и шумов. Устройство работает следующим образом. Линейный динамический объект 1 имеет один регулируемый выход tJ(t.1 и несколько параметров, характеризующих режим работы объект3 P„(1). Вс» k -Рс P)=T., об + т.е. оператор Ьлиэкий к единичному, что гарантирует почти оптимальную компенсацию с помощью сигнала iJ(t) центрированной составляющей U(t). Соответствие параметров блоков 11 и 12 параметрам объекта 1 в yc-. 5 91146 неконтролируемые случайные возмущаю- щие воздействия приведены к выходу объекта и обозначены величиной <1(1), аддитивно присоединенной к регулируемому выходу объекта. Регулируемая величина у(1) измеряется датчиком 2 с аддитивной погрешностью (шумом измерения) n(t). Выход этого датчика подается на первый сумматор 3, где он вычитается из заданного зна- 10 чения уо. Сигнал ошибки c(t) с выхода сумматора 3 подается н входы фильтра 7 нижних частот ::;аптив.ного фильтра 8. Фильтр 7,ижних частот представляет собой, например, 15 одноемкостное динамическое звено, постоянная времени которого выбирается таким образом, чтобы обеспечить устойчивость замкнутого контура и эффективное подавление низкочастотной составляющей d(t) с помощью стандартного регулятора. Выход фильтра 7 нижних частот подключен на сумматор 6 и на вход регулятора 9.Выход регулятора 9 подключен к входу третьего сумматора 5, выход которого подключен к входу исполнительного механизма 10, который воздействует на объект 1. Рассмотренный контур обратной связи обеспечивает равенство. среднего значения регулируемого параметра Y(t) заданному значению у,Однако дисперсия регулируемого параметра G ч может достигать неприемле2. мо, больших значений, поскольку контур обратной связи с фильтром 7 нижних частот и регулятором 9 подавляет только низкочастотную часть возмущаю, щего воздействия d(t) . В адаптивном фильтре 8 происходит 40 подавление паразитных высоких частот, вызванных погрешностью измерения и другими шумами. Адаптивный фильтр представляет собой одноемкостное динамическое звено, постоянная времени которого автоматически изменяется по результатам анализа корреляционной функции ошибки, который также автоматически осуществляется в адаптивном фильтре 8. В сумматоре 6 из 50 выходного сигнала адаптивного фильтра 8 вычитается выходной сигнал фильтра нижних частот, т.е..осуществляется операция центрирования сигнала ошибки. Полученный таким образом сигнал 55 поступает на вход сумматора 4 и блока 13 идентификации объекта, т.е. .служит входным сигналом для контура -компенсации вычисляемого возмущения. 3 6 Контур компенсации возмущения работает следующим образом. Пусть объект 1 совместно с исполнительным механизмом 10 и датчиком 2 описывается передаточной функцией Тогда блок 11 прямой модели объекта имеет аналогичную -структуру с параметрами k, Т и, которые являются некоторыми оценками параметров объекта. При принятой структуре модели (и объекта) передаточная функция блока 12 обратной модели,.объекта равна ",, ..р) = (V) = -(т р+1)Е " В связи с тем, что оператор чистого прогноза Р". физически нереализуем, используется его приближение, например линейная часть разложения ЕГ М в ряд Тейлора. Тогда ы (Р) = 1 — (Т +1) (; +1),. что легко реализовать на цифровых и дискретных элементах. Поскольку блок 11 прямой модели объекта фактически включен параллельно объекту 1, то на их входы подается один и тот же (за исключением низкочастотной составляющей) сигнал с выхода блока 12; При алгебраическом сложении выходов объекта и модели на выходе сумматора 4 формируется оценка центрированной составляющей воздействия. На выходе объекта эта компонента преобразуется в Ц() путем последовательного прохождения через блок 12 обратной модели объекта и объект 1, т.е. через оператор w(p) =т,1Е.Р {THp,):„ ) т+1 „„-м или now 1; k» T T»gty имеем — pc w(p) = (Y р+1)Е 7 91 ловиях нестационарных изменений этих параметров обеспечивается блоком 13 идентификации, причем емкостное и транспортное запаздывание вычисляется по аналитической модели объекта, использующей параметры, измеряемые датчиками 14, а коэффициент усиления находится путем минимизации величины среднего квадрата ошибки на выходе сумматора 6, например, методом стохастической аппроксимации, изменяя коэффициенты усиления блока 11 и блока 12. Для систем регулирования по возмущению такой минимум всегда существует и достигается в том случае, когда коэффициент усиления компенсатора равен коэффициенту усиления объекта (при равенстве остальных параметров, т.е. емкостного и транспортного запаздывания). Оценки параметров объекта, получаемые в блоке 13, автоматически передаются в блоки 11 и 12, где они являются параметрами. Кроме того, по оценкам параметров объекта в блоке 15 вычисляются оптимальные значения параметров настройки регулятора 9 ° Формула изобретения Устройство для регулирования объекта с запаздыванием, содержащее последовательно соединенные исполнительный механизм, объект, датчик ре" гулируемого параметра, первый сумматор и адаптивный фильтр, а также блоки прямой модели объекта, обратной модели объекта, идентификации объекта, задатчик, второй сумматор и датчики режимных параметров объекта, выходы которых соединены с пер1463 8 выми входами блока идентификации объекта, выходы которого соединены с первыми вхсдами блока прямой. модели объекта и блока обратной модели объ% екта, причем второй вход блока прямбй модели соединен с выходом блока обратной модели, а выход - с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом обратной модели, а второй вход - с вторым входом блока идентификации объекта, выход задатчика соединен со вторым входом первого сумматора, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные фильтр нижних частот, регулятор и третий сумматор, а также блок настройки регулятора и четвертый сумматор, первый 20 вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, второй входс выходом адаптивного фильтра, а выход - со вторым входом второго сумматора, вход фильтра нижних частот соеП динен с выходом первого сумматора, входы блока настройки регулятора соединены с выходами блока идентификации объекта, а выход — со вторым входом регулятора, второй вход треть30 его сумматора соединен с выходом блока обратной модели объекта, а выход " с входом исполнительного механизма. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Гурецкий Х. Анализ и синтез систем управления с.запаздыванием. И., "Иашиностроение", 1974, с. 211-216. 4g 2; Основы автоматизации химических производств. Под ред. П.А. Обновленского. Л., "Химия", 1975, с. 425423 (прототип) . 911463 Составитель О. Гудкова Редактор Л. Филь Техред Т.Иаточка Корректор С. Щвкмар Заказ 1123/37 Тираж 908 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, N-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4
