Система управления для объектов с запаздыванием

 

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ, содержащая последовательно соединенные задатчик, элемент сравнения, регулятор , сумматор, подключенный выходом к входу объекта, состоящего из последовательно соединенных опережающего и инерционного участков объекта,, элемент запаздывания, выход которого подключен к входу первой неполной модели объэкта, вторую неполную модель объекта, выход которой подключен к второму инверсному входу элемента сравнения, и блок оп .тимизацйи, соединенный первым выходом с вторым входом регулятора, а вторым выходом - с входами первой и второй неполных моделей объекта, отличающаяся тем, что, с целью повьвяения надежности и быстродействия, она снабжена последовательно соединенными эталонными моделями опережающего и инерционного участков объекта/ аналого-цифровым преобразователем,, блоком отношений, перпым и вторым регистрами отношений , первым и вторым дешифраторами отношений, блоком анализа и згедатчиком . допустимых отноигений, причем выходы объекта и первой неполной модели объекта соединены соответс-твенно с третьим инверсным и четвертым суммирующим входами з1лемента (Л сравнения, выход опережающего участка объекта подключен к входам второй неполной модели объекта и элемента запаздывания, а также к первому входу аналого-цифрового.преобразователя, к трем другим входам которого подключены соответственно выходы эталонных моделей опережающего и инер sl ционного участков объекта и самого о объекта, выход сумматора соединен с входом эталонной модели опережающеел го участка объекта, входные кодовые О шины блока отношений соединены с выходами аналого-цифрового преобрао зователя, а его две группы выходных кодовых шин подключены к двум группам входных шин блока анализа, и соОтветственно через первые региср и дешифратор отношений, вторые регисгр ч дешифратор отношений - .к двум группам параметрических входов блока оптимизации, выходы задатчика допустимых отношений соединены с третьей группой кодов1лх шин блока анализа, управляющие выходы которого подключены ко входам приоритета блока оптимизации.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСЙУБЛИН

3(59 6 0 В 13 02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA

1.,,,:ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (, ( с

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«..— . (21 ) 3406951/18-24 (22) 22.03.82 . (46) 30.01.84. Бюл. Р 4 (72) Г.Т.Кулаков, A.A.Ìîñêàëåíêî, A.Т.Кулаков, В.А.Коробский и М.Г.Ковалевский (71) Белорусский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт (53).62-50 (088.8) (56) 1. Патент Великобритании

М 1361211, кл. 6 3 М,опублик. 1974.

2, Патент Великобритании

9 1436758, кл. G 3 N,onóáëèê.1976.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 648947, кл. С, 05 В 13/02, 1977 (прототип ).

4. Устройства преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, Т.ЗГосударственная система промышленных приборов и средств автоматизации. М., ЦНИИ ТЭИприборостроения, 1979.

5. Хутский Г.И., Кулаков Г.Т. и др. О воэможности оптимального регулирования температуры перегретого пара котлоагрегата. "Теплоэнергетика", 1967, Р 12, с.23-27. рис. 2.

6. Авторское свидетельство СССР

9 445041, кл. G 05 В. (54)(57) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ

ОБЬЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ, содержащая последовательно соединенные задатчик, элемент сравнения, регулятор, сумматор, подключенный выходом к входу объекта, состоящего из последовательно соединенных опережающего и инерционного участков объекта,, элемент запаздывания, выход которого подключен к входу первой неполной модели объ кта, вторую неполную модель объекта, выход которой подключен к второму инверсному входу элемента сравнения, и блок onÄÄSUÄÄ 1070506 A тимизации, соединенный первым выходом с вторым входом регулятора, а вторым выходом — с входами первой и второй неполных моделей объекта, отличающаяся тем, что, с целью поведения надежности и быстродействия, она снабжена последо вательно соединенными эталонными моделями опережающего и инерционного участков объекта, аналого-цифровым преобразователем,. блоком отношений, первым и вторым регистрами отношений, первым и вторым дешифраторами отношений, блоком анализа и задатчиком допустимых отношений, причем выходы объекта и первой неполной модели объекта соединены соответственно с третьим инверсным и четвертым суммирующим входами элемента сравнения, выход опережающего участка объекта подключен к входам второй неполной модели объекта и элемента запаздывания, а также к первому входу аналого-цифрового. преобразователя к трем другим входам которого подключены соответственно выходы эталонных моделей опережающего и инерционного участков объекта и самого объекта, выход сумматора соединен с входом эталонной модели опережающего участка объекта, входные кодовые шины .блока отношений соединены с выходами аналого-цифрового преобра- зователя, à его две группы выходных кодовых шин подключены к двум группам входных шйн блока анализа и соответственно через первые регистр и дешифратор отношений, вторые регистр ч дешифратор отношений — .к двум группам параметрических входов блока оптимизации, выходы задатчика допустимых отношений соединены с третьей группой кодовых шин блока анализа, управляющие выходы которого подключены ко входам приоритета блока оптимизации.

1070506

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматизации теплоэнергетических процессов, электростанций, в частности, широко распространенных объектов, имеющих опережающий и инерционный участки регулирования с неизменяющимся или известным запаздываниями.

Известна система управления для объектов с запаздыванием, в которую кроме основного контура регулирования для упреждения запаздывания введен второй контур, содержащий модель объекта управления без запаздывания и элемент запаздывания 1 .

Работа таких систем основана на точном знании модели объекта без запаздывания и времени запаздывания, Изменение параметров объекта во времени приводит в такой системе к ухуд- О шению качества регулирования или к неустойчивой работе системы.

Известна также система управления, адаптивная к изменениям параметров объекта, содержащая последовательно,соединенные первую модель объекта, первый блок сравнения, блок подстрс йки, .блок оптимизации, регулятор и сумматор, выход которого через объект управления соединен с вторым входом первого блока сравнения и через элемент запаздывания с входом первой модели, выход которой соединен с вторым входом блока оптимизации, а выход второго блока управления соединен с вторым входом З5 регулятора и третьим входом блока оптимизации, выход блока подстройки соединен с вторым входом первой модели объекта Г23.

Данная система имеет недостаточное40 быстродействие и устойчивость.

Наиболее близкой к предлагаемой является система управления, содержащая последовательно соединенные задатчик, элемент сравнения. регуля- 45 тор, сумматор, выходом подключенный, к входу объекта, состоящего из последовательно соединенных опережающего и инерционного участков объекта, элемент запаздывания, выход которого подключен к входу первой неполной модели объекта, вторую неполную модель объекта, выход которой подключен к второму инверсному входу эле. мента сравнения, и блок оптимизации ГЗ 3..

Однако отсутствие отрицательной обратной связи с выхода объекта и связи, компенсирующей инерционность, с выхода первой модели объекта непосредственно на вход регулятора через первый блок сравнения приводит к снижению надежности работы системы, усложнению блока оптимизации и делает такую систему неприемлемой при автоматизации ответст- 65 венных технологических процессов, в частности, теплоэнергетических.

Снижение надежности и. усложнение связано с раздельной подстройкой моделей и регулятора.

Кроме того, в основу подстройки моделей и оптимизации параметров регулятора положен поисковый алгоритм, что приводит к значительному усложнению системы за счет использования сложных средств вычислительной техники и потерям времени на поиск.

Цель изобретения — повышение надежности н быстродействия.

Поставленная цель достигается, тем,что система управления для объекта с запаздыванием, содержащая последовательно соединенные задатчик, элемент сравнения, регуля- тор„ сумматор, подключенный выходом к входу объекта, состоящего из последовательно соединенных опережающего и инерционного участков объекта, элемент запаздывания, выход которого подключен к входу первой неполной модели объекта, вторую неполную модель объекта, выход которой подключен к второму инверсному входу элемента сравнения, и блок оптимизации, соединенный первым выходом с вторым входом регулятора, а вторым выходом — с входами первой и второй неполных моделей объекта, снабжена последовательно соединенными эталонными моделями опережающего и инерционного участков объекта, аналого-цифровым преобразователем, блоком отношений, первым-и вторым регистрами отношений, первым и вторым дешифраторами отношений, блоком анализа и задатчиком допустимых отношений, причем выходы объекта и первой неполной модели объекта соединены соответственно с третьим инверсным и четвертым суммирующим входами элемента сравнения, выход опережающего участка объекта подключен к входам второй неполной модели объекта и элемента запаздывания, а также к первому входу аналого-цифрового преобразователя, к трем другим входам которого подключены соответственно выходы эталонных моделей опережающего и инерционного участков объекта и самого объек. та, выход сумматора соединен с входом эталонной модели опережающего участка объекта, входные кодовые шины блока отношений соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя, а его две группы выходных кодовых шин подключены .к двум группам входных шин блока анализа и соответственно через первые регистр и дешифратор отношений, вторые регистр и дешифратор отношений — к двум группам параметричес1070506 ф. pl) ин®ин с В

"макс ких входов блока оптимизации, выходы задатчика допустимых отношений соЕдинены с третьей группой кодовых шин блока анализа, управляющие выходы которого подключены к входам при.оритета блока оптимизации.

На фиг, 1 изображена структурная схема системы; на фиг. 2 — блок-схе-. ма возможной реализации одного канала блока оптимизации.

Система содержит задатчик 1, элемент 2 сравнения, регулятор 3, сумматор 4, объект 5, состоящий иэ опережающего 6 и инерционного 7 участков элемент 8 запаздывания, первую и вторую неполные модели объекта

9 и 10, блок 11 оптимизации, эталонные модели, опережающего.и инерционного участков объекта 12 и 13, аналого-цифровой преобразователь 14, блок 15 отношений, первый 16 и второй 17 регистры отношений, первый 18 и второй 19 дешифраторы отношений, блок 20 анализа и задатчик 21 допустимых отношений.

Канал блока оптимизации содержит

К триггеров 22, реле 23, элементов 2 совпадения и набор резисторов регулятора

Регулятор 3, реализукщий, в частности, ПИ-закон управления, может быть выполнен, например как блок регулирования Р21 ГСП "Каскад" Г4 3.

Блок 11 оптимизации предназначен для установки оптимальных значений коэффициентов усиления регулятора 3, а также первой и второй неполных моделей 9 и 10 объекта. Один из каналов блока 11 оптимизации может быть выполнен, например, согласно

t.53 как показано на фиг. 2 ). Блок

20 может быть выполнен, например, как двоичное сравнивакщее устройство на базе микросхем К155 серии, которое для упрощения и повышения надежности включает схемы .попарного совпадения разрядов двух двоичных чисел A и В и схемы анализа неравенств разрядов для выражения А ) В и B )Л f6). Текущие отношения сигналов, поступающих на входы блока 20 анализа с выходов блока 15, прини— маются, например, за числа й, тогда допустимые отношения — за числа В.

При этом на двух управлякщих выходах блока 20 анализа формируются два разрешающих сигнала прн выполнении ! неравенств

I. в1 С,А„ мин

В а Л < В, 2 мии 2 макс, Которые устанавливают ограничения . на минимальное и максимальное значения соответственно коэффициентов усиления регулятора 3 и моделей 9 и 10. Это связано с тем, что количество переключательнь.х функций п1 и, с выходов первого 18 и второго 19 дешифраторов в общем случае больше, чем число дискретов в наборах резисторов блока 11

5 оптимизации, так как рабочие диапазоны коэффициентов усиления регулятора 3 и моделей 9 и 10 ограничены.

На фиг. 1 .введены следующие

10 обозначения: „ — внутренние возмущения, действующие на систему, Хр — регулирующее воздействие; х„ и х — промежуточная и основная регулируемые величины, х с--сигнал

15 основной обРатной связи,к с„и х с — сигналы компенсации инерционности и упреждения запаздывания соответственно.

В основу построения системы управления для Объектов с запаздыванием положен принцип упреждения запаздывания и компенсации инерционности при изменении задания v. внутренних возмущений путем оптимизации

5 динамических параметров регулято4 ра и двух неполных моделей объекта соответственно в контурах упреждения и компенсации методом непрерывного сравнения сигналов опережающего и инерционного участков объекта с соответствующими сигналами эталонных моделей и путем нахождения их отношений и получения набора переключательных функций для управления динамической настройкой параметров регулятора н двух неполных моделей объекта.

При этом передаточная функция объекта Фоэ определяется выражением

Ж g-Фl ф (2)

r e % „=5<„(p) и %„„=% „(pl- соответственно передаточнйе функции опережающего 6 и инерционного 7 участков объекта 5.

45 Перед точнУю фУнкцию Жри можно представить в виде

50 где К а" и ь — соответствении ии но коэффициент усиления, приведенная передаточная функция и время запаздывания инерционного участка

7 объекта 5.

55 . Передаточная функция W „ для теплоэнергетических объектов имеет обычно вид апериодического звена первого порядка с небольшой постоянной времени То„ и коэффициентом усиления Ко„, Передаточная функция „"„ имеет вид одного, двух или трех последовательно соединенных апериодических звеньев первого порядка в зависимости от аппроксимации со значи65

1070506 тельно большей суммарной эквивалентной постоянной, обуславливающей инер ционность.

Значение T может быть постоянным, например, в системах управления процессом горения, использующих хроматографический газоанализатор, или известным, т.е. определенным при эксперименте или антоматическим способом.

С учетом (21 и (ЗI и предлагаемой .структуры системы управления для компенсации инерционности используется элемен т 8 запаздывания и первая неполная модель 9 инерционного участка с общей передаточной Функцией К„„(1(,„,е "=}Х ин1. Лля упреждения запаздывания используется вторая модель с передаточной функцией Ф„„ =К„„ . При этом в обоих контурах, как в контуре компенсации инерционности, так и в контуре упреждения запаздывания используется опережающий участок 6 объекта с передаточной функцией Фо, что дополнительно способствует повышению надежносви и быстродействия системыф

Сигналы основной обратной связи хос, контура упреждения запаздывания хр . и контура компенсации инер ционности хо соответственно равны

"ос ="р ои ин 1 (42 х =К % Ф„„ {й

1 1

Х -X W„W „=X 9I„K„„, (6)

2 2

Выходные сигналы эталонных моделей 13 и 14 опережающего и инерционного участков с передаточными функциями %/р„ и%„„ определяются ооэ им выражениями о"s

Сигналы опережакиаего и инерционного участков 6 и 7 равны

Х „= Х Ж „; (92

Компенсация инерционности происходит при равенстве (4) и(Б 1, что возможно при условии .а упреждение запаздывания с минимальной среднеквадратичной погрешностью будет иметь место при

=К =К =К, (42) нн ин ин ин

Если условия (11 ) и (12) выполняются, то запаздывание выносится из замкнутого контура регулирования. В этом случае реакция системы является задержанной версией входного сигнала, что обеспечивает воэможность работы системы с максимальным быстродействием, как и для системы без запаздывания. Однако это требует адаптации системы прн изменении ее характеристик, в первую очередь, эа счет изменения параметров объекта от нагрузки и с течением времени.

При адаптивной подстройке коэффициентов усиления регулятора 3, первый и второй неполных моделей

9 н 10 объекта принимается, что нсе различия между выходными сигналами опережающего ъ „ и инерционного участков 6 и 7 объекта 5 с соответствующими сигналами эталонных моделей 12 и 13 -х1,и х — обус(5 ловлены несовпадеййем текущих коэффициентов усиления в момент измерения. Это предложение является особенно оправданным в данной системе, где запаэдынание известно и может быть с достаточной точностью промоделировано с помощью элемента

8 запаздывания.

Оценками несоответствия служат отношения )„=х1 / х„, (23)

d2= x /,„. И4)

Эталонные модели 12 и 13 опережающего и инерционного участкон объекта не подстраиваются. Их параметры в общем случае могут быть выбраны по одному из возможных состояний объекта 5, например, ° при минимальной нагрузке, когда коэффициенты усиления и эквивалентные постоянные вреЗ5 мени участков 6 .и 7 принимают максимальные значения. Тогда, если объект 5 находится н указанном выше состоянии, выполняются условия 11 и 12 и регулятор 3 подстроен соот

4(2 ветствующим образом, то отношение

13 и 14 равны единице. С учетом допустимой эоны регулирования отношения могут отличаться от единицы на некоторую .величину d . .Эти от45 ношения условно принимаются эа базовые - д"„, и 8 „, при этом подстройка коэффициентов усиления блоков системы не производится. Воз- . можны три случая: d" Ф d" или d< 4д" или имеют место о6а неравенства одновременно.

Между отношениями d1,d и коэффициентами усиления регулятора 3 (kp1 и моделей 9 и 10 (Кин„= Кин

= К„„) соответственно имеются одйоэначные зависимости, 1ак напрнмер для подстройки К при использовании известного критерия оптимизации минимума среднеквадратичной ошибки регулирования можно исполь60 зовать

К Ко + cOh54 (Ю 1 а для подстройки,МИН н К„н — усло. вие (12) . С учетом принятого усло65 вия, что нсе изменения объекта 5

1070506

15 отнесены к изменению коэффициентов усиления участков 6 и 7, отношения (13! и (14) можно представить в

ЭТ

d" = K / К „ . (л t) г ин) ин, Выражения (12), (15-17! показывают, что Кр изменяется обратно пропорционально d" и оптимизируется при изменении опережающего)участка б а

= К„„ изменяются прямо пропор2 ционально дг и оптимизируются при изменении инерционного участка 7 объекта 5.

Коэффициент усиления регулятора

3 (4! и моделей 9 и 10 иаменяется с помощью резисторов обратной связи усилителей. Поэтому отношениям d и d2 с учетом принятого чис- 2О ла переключательных функций К из и соответс вующих упомянутые выше наборы резисторов рр, и Рлл„.

Система управления . (фиг. 1! работает следующим образом. 25

В установившемся режиме регулируемая величина находится в пределах допустимой зоны регулирования t д.

В первом и втором регистрах 16 и

17 отношений находятся коды, соответствующие выражениям (13) и (14), которые расшифровываются первым и вторым дешифратором 18 и 19 отно-. шений, переключающие выходы которых устанавливают через блок 11 оптимальные параметры динамических настроек регулятора 3 и обеих неполных моделей 9 и 10.

При изменении задания на выходе элемента 2 сравнения появляется сигнал ошибки, который отрабатывается регулятором 3. Отработка рассогласования производится через опережакщий участок 6 объекта 5 и вторую неполную модель 10 объекта. Инер ционная часть 7 объекта 5 при этом 45 не влияет на устойчивость системы, так как выходной сигнал системы

X=x компенсируется сигналом с ос выхода первой неполной модели 9 объекта ко . При этом выполняется т прежнее условие оптимальной настройки, и оптимизация не производится.

При изменении отношения (13), которое может произойти из-за изменения опережающего участка б объек та 5 или при внутренних возмущениях f, . В этом случае через аналого-цифровой преобразователь 14 и блок 15 отношений изменяется код первого регистра 16 отношений, который переключает первый дешифратор 18 в новое состояние. Блок 20 проверяет код отношения согласно (1! и через .блок 11 оптимизации изменяет коэффициент усиления регулятора 3.

Во втором случае при изменении (14! аналогичным образом изменяется код во втором регистре 17 отношений и через второй дешифратор 19 с помощью блока 20 анализа через блок

11 оптимизации осуществляет установку новых значений коэффициентов первой и второй неполных моделей

9 и 10 объекта.

В тре;ьем случае, когда изменяются одновременно отношения (1 3) и (14) производится оптимизация как коэффициента усиления регулятора 3, так и обеих моделей 9 и 10.

Таким образом, применение в системе эталонных моделей опережающего. и инерционного участков объекта; аналого-цифрового преобразователя, блока отношений двух регистров и дешифраторов отношений, блока .анализа и задатчика допустимых отношений, связанных между собой и с известными блоками определенным образом, а также введение более надежных связей позволяет повысить надежность системы, а применение беспоискового алгоритма - ее быстродействие.

Беспоисковая адаптивная настройка системы управления позволит получить экономический эффект порядка

15 тыс.руб. при реализации одного контура управления. Экономический эффект для энергоблока составит около 60 тыс.руб. в год.

1070506

К Регуяялюру 7

° ° рута трвнемрцческик

g îI с йнода8 8еширравора и фиг. Р

ВЦИИПИ Заказ 11680/44 Тираж 842 Подписное

Ю

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4