Цифровая система управления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

6 05 В 15/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТ0РСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3384271/18-24 (22) 28.10 ° 81 (46). 30.04.83. Бюл. и 16 (72) В.В.Дубаренко, М.Л.Коровайко, Е,Н.Матвеев, В.М.Перепеч, А.В Преображенский, Д.Г.Степанов и М.Я.Эйнгорин (71) Горьковский исследовательский физико-технический институт при Горьковском государственном университете им. Н.И.Лобачевского .(53) 62-50(088.8} (56) 1. Авторское свидетельство СССР 174689, кл. G 05 В 15/02, 1965.

2, Белянский П.В., Сергеев П.Г.

Управление наземными антеннами и радиотелескопами. М., "Советское радио", 1980, с. 102 (прототип). (54)(57) ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, содержащая цифровое вычислительное устройство, цифро-аналоговые преобразователи, выходы которых подключены к входам объекта управления, и датчики обратной связи, связанные с объектом управления, выходы которых соединены с соответствующими входами цифрового вычислительного устройства, отличающаяся тем, что, с целью упрощения, в нее введены регистры, блок формирования констант, формирователь сигнала переполнения, эа" поминающее устройство, блок умножения, сумматор, последовательно соединенные логический блок, дешифратор и блок управления, первые последовательно соединенные счетчик импульсов и блок сравнения, вторые последовательно соединенные счетчик импульсов, блок

ÄÄSUÄÄ 1015337 А сравнения и третий счетчик импульсов, а также коммутатор, первый выход которого через формирователь сигнала переполнения и блок формирования констант подключен к первому входу коммутатора, второй выход через выходные регистры — к второму входу коммутатора и к входам цифро-аналоговых преобразователей, третий выход через сумматор — к третьму входу коммутатора, четвертый выход через блок умножения — к второму входу сумматора, пятый выход через регистры размерностей - к вторым входам первого и второго блоков сравнения, шестой выходк соответствующему входу запоминающего устройства, а четвертый и пятый входы — соответственно к выходам запоминающего устройства и блока управления, второй вход которого соединен, - с вторым выходом логического блока, р первым входом соединенного с выходом первого блока сравнения и с входом второго счетчика импульсов, а третьим выходом - с входом первого счетОаи чика импульсов, причем выходы цифрового вычислительного устройства через СЛ канал прямого доступа к памяти подклю- ©

;чены к соответствующим входам комму- .СА татора, блока умножения, дешифратора и 3 логического блока, выходы первого, вт рого и третьего счетчиков импульсовк соответствующим входам запоминающего устройства, а третий и четвертый «р входы блока управления - к выходам второго и третьего счетчиков импульсов.

1 1015

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано в системах управления, в частности в системах управления антеннами и радиотелескопами.

Известна система управления с постоянной .программой работы, содержащая устройство ввода исходных данных, цифровое счетно-решающее устройство, запоминающие регистры, преобразовате- 10 ли кода в напряжение и тахогенераторы 1 1 1 .

Однако извесТная система реализует управление по отклонению с введением относительно простых корректирующих сигналов, например сигнал, пропорционального скорости движения, и не обеспечивает необходимой точности управления объектом высокого порядка. го

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является цифровая система управления, содержащая цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), выходы которых подключены к входам объекта управления, и . датчики обратной связи, связанные с объектом управления, выходы которых соединены с соответствующими входами

ЦВУ f23

Недостатками данной системы являются большие сложность и стоимость вычислительных устройств высокой про. изводительности. Применение относительно простых и дешевых управляющих электронных вычислительных машин (ЭВМ) не позволяет реализовать сложные ал" горитмы управления из-за низкого быстродействия управляющих ЭВИ. Применение универсальной ЭВИ (не управ- 40 ляющей) в контуре управления требует установки дополнительных блоков синхронизации и связи с объектом, что усложняет систему в целом.

Цель изобретения — упрощение циф- 4> ровой системы управления.

Поставленная цель достигается тем, что в систему введены регистры, блок формирования констант, формирователь сигнала переполнения, запоминающее 50 устройство (ЗУ), блок умножения, сумматор, последовательно соединенные логический блок, дешифратор и блок управления (БУ), первые последовательно соединенные счетчик импульсов 55 и блок сравнения, вторые последовательно соединенные счетчик импульсов, : блок сравнения и третий счетчик им337 2 пульсов, а также коммутатор, первый выход которого через формирователь сигнала переполнения и блок формирования констант подключен к первому входу коммутатора, второй выход через выходные регистры - к второму входу коммутатора и к входам ЦАП, третий выход через сумматор - к третьему входу коммутатора, четвертый выход через блок умножения - к второму входу сумматора, пятый выход через регистры разномерностей - к вторым входам первого и второго блоков сравнения, шестой выход - к соответствующему входу ЗУ, а четвертый и пятый входы - соответственно к выходам ЗУ и

БУ, второй вход которого соединен с вторым выходом логического блока, первым входом соединенного с выходом первого блока сравнения и с входом второго счетчика импульсов, а третьим выходом - с входом первого счетчика импульсов, причем выходы ЦВУ через канал .прямого доступа к памяти (КПДП) подключены к соответствующим входам коммутатора, блока умножения, дешифратора и логического блока, выходы первого, второго и третьего счетчиков импульсов - к соответствующим входам ЗУ, а третий и четвертый входы

БУ - к выходам второго и третьего счетчиков импульсов.

Введенные элементы образуют специализированное вычислительное уст- " . ройство (СВУ).

На фиг.1 представлена блок-схема цифровой системы управления; на фиг.2массивы исходных данных.

Устройство содержит объект 1 управления, датчики 2 обратной связи, ЦВУ 3, КПДП 4, коммутатор 5, ЗУ б, блок 7 умножения, сумматор 8, БУ 9, логический блок 10, дешифратор 11, первый 12, второй 13 и третий 14 счетчики импуль" сов, первый и второй блоки 14 и 15 сравнения, регистры 17 размерностей, блок 18 формирования констант, формирователь 19 сигнала переполнения, выходные регистры 20 и ЦАП 2 1.

Система работает следующим образом.

Алгоритм работы состоит иэ двух этапов. На первом этапе ЦВУ вычисляет постоянные или медленно меняющиеся оптимальные коэффициенты матриц обратной связи и переходных матриц системы, при этом могут быть использованы различные алгоритмы и критерии оптимизации. На втором этапе СВУ в реальном времени восстанавливает векторы рас. 1015 четного и текущего состояний объекта управления и вычисляет управляющее воздействие по каждой координате, получая для этого периодически с ЦВУ через

КПДП значения коэффициентов матриц, программные значения управляемых координат объекта и компоненты вектора наблюдения, полученные от установленных на объекте датчиков.

СВУ выполняет следующие типы операций:

M -5 M,.+M;; (1)

Sj = W1. M1 + 5, (2} где 5 и,W - скаляр и вектор, поступаю щие на СВУ; . 15

S u W - скаляр и вектор, получен- ные на предыдущих орерациях и хранящиеся в СВУ, (К - размерность вектора Ч).

В операции (1) скаляр S может храниться в СВУ. К таким операциям сводятся все вычисления второго этапа.

СВУ работает в пяти основных режимах: режим 1 - установка начальных г5 значений величины, хранящихся в СВУ, режим 2 - операции поэлементного умножения. векторов, т.е. операции типа (2) при S=2, режим 3 - операции типа (1), режим 4 - умножение матриц на ЗО векторы, выполняемое как последова-, тельность операций типа (1), при этом вектор M представляет. собой столбец матрицы-множимого, а скаляр S - компоненту вектора-множителя, режим 5вычисление скалярных произведений век35 торов, т.е. выполнение операций типа (2).

В каждом режиме выполняются операции над данными, относящимися ко всем

40 управляемым координатам и поступающими на СВУ с УЦВИ в виде массива унифицф>ованной структуры. Первое число массива является указанием о режиме работы СВУ, который определяет

45 тип операции и последовательность коммутации блоков СВУ для подачи данных и отсылки результатов операций. Осталь- ные числа массива условно разделены на зоны. Первым числом каждой зоны в операциях типа (1) является значение скаляра S. Если скаляр S хранится в

СВУ, первым числом зоны является нуль.

В операциях типа .(2) первое число г эоны -. нуль, Последующие числа зоны,— компоненты вектора M (M„, M,...M )..

Последним числом зоны является число, приписываемое к вектору W в качестве (К+1)-й компоненты. В зависимости от

337 4 режима работы СВУ это может быть число, умножаемое, как и вектор W, на скаляр S, либо О или 1. Все зоны, относящиеся к одной координате, состав ляют область координатных данных.

Рассмотрим работу СВУ при реализаl ции конкретного алгоритма управления антенной радиотелескопа по двум независимым координатам: азимуту сС и углу места ф .

По азимуту вычисляются

X+(%+1 )=O X (t)+S Ч ()+ у (ц;

ХЫ(t+*)=4ÄX (t)+50û "(Ч; (3)

" (t+*)-P X (t++I)+p х (+ и)

206 О е +с где х и х - векторы текущего и программных состояний размерностей и и г; л Д ю ю 5

G< - переходные матрицы системы размерностей соответственно (пхп), (rxr), (nxm), (гх1), (nxl), причем ф и Ф представлены в диагональном виде; у (t)- вектор наблюдений разЫ мерности; с Р(4)- расчетное значение азимута:

Р„, Р, Р— матрицы оптимальных коэффициентов обратной связи размерностей (пх1), (гхl), (mxl), (1xl } р

yet,(t)- разница между текущим и расчетным значениями азимута;

0 - скалярное управляющее воздействие;

h -- шаг интегрирования (квантования управления ко времени).

Аналогичные вычисления выполняются по углу места. Массивы исходных данных И,...,И5 показаны на фиг.2.

Во всех режимах работы логический блок 10 получает с КПДП 4 стробы чисел и выделяет моменты поступления первого числа массива и первого числа в каждой зоне. Строб первого числа массива разрешает запись этого числа в дешифратор 11 режима, сигналы с ко5 10153 торого подаются в БУ 9, который обеспечивает необхоДимую коммутацию устройства. Стробы первых чисел зон подаЬтся в БУ 9, обеспечивая запись раза мерностей матриц и векторов в регистры 1.7 размерностей. Стробы чисел, начиная с второго числа зоны, поступают яа счетчик 12 для подсчета элементов вектора-множителя. При поступлении последнего числа зоны блок 15 сравне- 1о ния выдает сигнал совпадения кода счетчика 12 со значением размерности ваню, задаваемым регистрами 17 размерности, счетчик 12 сбрасывается в "0", а код счетчика 13 увеличивается на 1. >s

Сигнал окончания зоны поступает также на логический блок 10. При поступлении последнего числа последней зоны, относящейся к одной координате, аналогичным образом срабатывает блок 16 gp сравнения, сбрасывается на "0" счетчик 13 и увеличИвается на 1 код счетчика 14, хранящего номер координаты, по которой ведутся вычисления.

Коды счетчиков 12- 14 поступают на 25

ЗУ 6 для формирования адреса. Все ЗУ разделено на равные зоны. Несколько . зон составляют область ЗУ, хранящую данНые, относящиеся к одной координате. В соответствии с этим код адреса ЗО

ЗУ формируется обьединением кодов счетчиков 12-14, причем код счетчика

12 образует младшие разряды кода ад реса, код счетчика 14 - старшие разряды.

Коды счетчиков 13 и 14 вместе с сигналами о режиме СВУ с дешифратора

11 и о поступлении первого числа зоны с блока 10 поступают на БУ 9 для формирования сигналов управления коммутатором 5. Коммутатор 5 представляет собой канал связи блоков СВУ, подключающий по сигналам БУ 9 входы одного блока СВУ к выходам другого.

В режиме 1 производится запись в

ЗУ 6 размерностей векторов х, х и у, а также начальных значений компонент векторов х и х" по двум координатам от ЦВУ 3 через КПДП 4, который во время подачи первых чисел зон подключается через коммутатор 5 к регистрам

17 размерностей, а при подаче последующих чисел - к ЗУ 6, Режимы 2-5 выполняются последовательно один за другим. В режиме 2 вычисляются Ф„ и Ф „" no обоим координатам. Так как Ф и Ф вЂ” диагонаЛьные .матрицы, выполняются операции типа (2), где W;- диагональные элементы матри37 цы Ф (Ф), W - компоненты вектора х(х (), S=O. Значения W. и W, посту1 i пают на блок 7 умножения соответственно с КПДП. 4 и через коммутатор 5 с

ЗУ 6. Результаты умножения каждой пары чисел, являющиеся промежуточным результатом вычисления компонент вектора х(х ), с выхода блока 7 через сумматор 8 и коммутатор 5 записываются в ЗУ 6 на место старых значений компонент х(х ().

В режиме 3 вычисляются G U<, S oL >

G U, Б р", т.е. выполняются операции тйпа (1Г . При аычислении й(11 С(С О 1 сомножитель Я=О „(0 ) подается на блок

7 умножения. через коммутатор 5 с блока 18 во время такта подачи первого нулевого числа 1-й (3-й) зоны масси" ва M а сомножитель WG+(G ) - неЭз (К посредственно с КПДП,4. Слагаемые W, полученные в режиме 2 значения компонент х (х ), подаются на сумматор 8 через коммутатор 5 с ЗУ 6 ° Результаты операции записываются с сумматора 8 через коммутатор 5 в ЗУ.6 на место . старых значений компонент х((х ).

При вычислении S d (S р ) сомноd- p житель S=d."(р ) подается на блок 7 через коммутатор 5 с КПДП 4, сомножитель

Л

W=Sg(S ) - непосредственно с КПДП 4.

Слагаемые М1, полученные в режиме 2 значения компонент х (х ), подаются на сумматор 8 через коммутатор 5 с ЗУ 6

\ синхронно с подачей S<(S@) на блок 7.

Результаты операции с сумматора 8 записываются в ЗУ 6 через коммутатор 5 на.место старых значений компонент х х(). г

/Ъ.

В режиме 4 вычисляются В у, S y

Рэд у (р P9> y@ P4 hd,, P+ рщ выполйе нием посйедбвательности операций типа (1}. S

S (S ), дополненные элементами матрицы Рз (Рз ). В операции (1) сомножителем S является компонента вектора у (у ), сомножителями W . - столбец матрйцы S<(S ), дополнейный элементом

Р (Рз ), слагаемыми W; - вычисленные ранее компоненты вектора х (х ). Сомножители S u W. поступают на блок 7 с КПДП 4 непосредственно и через коммутатор 5, слагаемые И; - на сумматор 8 через коммутатор.5 и ЗУ 6. Результаты операции записываются в ЗУ 6

337 8

7 l 015 на место компонент х (х ). В режиме 4 код счетчика 13 не участвует в форми- ровании адреса ЗУ 6, поэтому,при операциях над всеми столбцами матрицы

S<(S ) происходит обращение только к

5 однои зоне ЗУ, хранящей компоненты х (х .). При поступлении на блок 7.в качестве одного из сомножителей последнего числа зоны, т.е. элемента

P (P3p), на сумматор 8 поступает -чис-1о ло из ячейки ЗУ 6, соответствующей (К+1)-й компонейте вектора х (х ). В

aL Р эту ячейку в предыдущих режимах работы СВУ был записан О, а теперь wшется промежуточный результат вычис.15 ления управления U (U>}, Вычисление Р вЫ(Р а р ) выполФВ няется при постуйлении йа СВУ зоны 8 (15) массива М4. Подача исходных данных на блок 7 и сумматор 8 и отсылка результатов осуществляется так же, как описано выше для данного режима.

При этом изменяется только содержание (К+1)-й ячейки зоны 1 (3), где хранит-ся значение управления U (U ).

В режиме 5 завершается формирова-. ние управлений U (U@) вычислением скалярных произведений Р х, Р х (Р х .>

-Ы с(,У 2с d. -Ф Ръ

Р> х ) и суммированием их со значениЯми Ос((0)3), вычисленными в Режи

39 ме 4. Вычисления выполняются так же, как операции типа (2), сомножителями Ч являются элементы матриц

Щ 2с -(1 2.

p p

1 компоненты векторов х, х" (х х+) сК ОС fb 5 35 слагаемыми S — полученные в предыдущем такте операции значения 14;„и 9;„ ;Сомножители поступают на блок 7 с

КПДП 4 и через коммутатор 5 с ЗУ 6.

Результат одного такта операции с

ie сумматора 8 поступает. через коммутатор 5 на вход сумматора 8 в качестве слагаемого для следующего такта операции. Суммирование результата операции со значением U (U ), полученным в режиме 4, происходит йри поступлеф5 нии с КПДП последнего числа зоны 1 (3) равного 1. При этом значение Ug(U ) из (К+1)-.й ячейки эоны 1 (3) ЗУ подается на блок 7 в качестве сомножителя, умножается на 1 и с выхода сумматора 8 поступает через коммутатор 5 на вход сумматора 8 в качестве слагаемого.

- Во время подачи последнего числа

2-й зоны (нулевого) сформированное на выходе сумматора 8 значение U отсылается через коммутатор 5 на выходные регистры 20 и, в случае превышения значением 0 величины линейной зоны

ЦАП, вырабатывается сигнал переполнения. Ilo этому сигналу в блок 20 через коммутатор 5, .с блока 18 записывается значение константы, равное величине линейной зоны ЦАП. При отсутствии переполнения в блок 20 записывается вычисленное значение U . Запись в блок 20 значения 0 выполняется аналогичным образом после завершения передачи с ЦВУ массива И

В СВУ предусмотрен дополнйтельный режим выдачи данных в ЦВУ. В этом режиме в -СВУ производится последовательное обращение к ячейкам 1 и 3 зон ЗУ, хранящих векторы текущего состояния системы х и х и значение управлений

U и U . Указанные данные поступают в СВУ как с внешнего устройства на

ЦВУ для принятия решения об изменении параметров и алгоритмов на первом этапе работы системы управления.

Таким образом, применение СВУ в комплексе с базовым ЦВУ позволяет создать сравнительно простую цифровую систему управления с переменными параметрами, обладающую высокой производительностью, и реализовать алгоритмы оптимального. управления с восстановлением состояния объекта и обратной связью по состоянию. При этом затраты времени на работу с СВУ не, превышают 253, что позволяет эффек. тивно использовать ЦВУ на первом эта- пе работы системы управления и получить определенный технико-экономический эффект.

1015337

) Р

ВНИИПИ . Заказ 3207/43

Тираж .874 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул.Проектная,4