Адаптивная система контроля и регулирования

 

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащая п ервый блок умножения, последовательно включенные первый задатчик, первый блок сравнен11я, первый фильтр низкой частоты, первый регулятор, второй блок умножения, первый сумматор и исполнительный орган, подключенный выходом к входу объекта управления, последовательно соединенные первый датчик и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом, первого блока сравнения, последовательно включенные второй датчик, второй блок сравнения и первую модель объекта, подключенную выходом к второму входу второго сумматора, последовательно включенные первый квадратор, второй фильтр низкой частоты, третий сумматор и блок деления, последовательно включенные четвертый сумматор, третий блок сравнения, третий фильтр низкой частоты, второй регулятор, четвертый блок сравнения и вторую модель объекта, выход которой соединен с первым ВХОДСИ4 четвёртого сумматора, последовательно включенные, второй квадратор и четвертый фильтр низкой Частоты, выход которого соединен с вторыми входами его сумматора и бЯока деления, выход исполнительного органа соединен через : второй датчик с вторым входе четвертого блока сравнения, второго регулятора соединен через первый блок ллножения с вторь входом первого сумматора, выход первого регулятора подключен к второму входу второго блока сравнения,выход первого датчика - к второму входу четвертого сумматора, выход первого i задатчика - к второму входу третьего блока сравнения, вход первого датчика соединен с выходом объекта управления, отличающаяся тал, что, с целью повышения точности регулирования и контроля, в нее введены регистратор, пятый и местой фильтры низкой частоты, первый масштабирукщий блок, второй задатчик, источник постоянного сигнала, последовательно включенные седьмой фильтр низкой частоты, пятый блок сравнения, первый блок определения модуля, второй масштабирующий блок, пятый сумматор, третий масптабирукщий блок, инвертор, шестой сумматор к шестой блок сравнения, последовательно включенные восьмой фильтр низкой частоты, седьмой йлок сравнения, второй блок определения иодуля и четвертый масштабирующий блок, выход которого соединен с ps вторым входом пятого сумматора, выход блока деления соединен через первый масштабирующий блок с вторым входом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика, а выход - к второму входу второго блока умножения, выход первого блока сравнения подключен к входу первого квадратооа.

„.SU„„1070507

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(51) 6 05 В 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ",-.;.,,. „1?

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ а.;. (21) 3463303/18-24 (22) 05.07. 82 (46) 30.01.84. Вюл. Р 4 (72) A.Ô.Êóçíeöoâ, С.В.Емельянов, B.Ï,Àâäååâ, Л.П.Мьпаляев, Е.Ф.Демичев, К.И.Изаак,Я.Г.Парпаров и A.Í.Ñàïðûгин (71) Сибирский ордена Трудового Красного Знамени металлургический институт им. Серго Орджоникидзе и Кузнецкий ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции, ордена Кутузова I степени, ордена Трудового Красного Знамени металлургический комбинат им. В.И.Ленина (53) 62-50 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 879793, кл. Н 04 В 3/46, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 2961396, кл. 0 05 В 13/02, 1980. (прототип). (54)(57) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ

И РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащая первый блок умножения, последовательно вклю. ченные первый задатчик, первый блок сравненИя, первый фильтр низкой частоты, первый регулятор, второй блок умножения, первый сумматор и исполнительный орган, подключенный выходом к входу объекта управления, последовательно соединенные первый датчик и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом первого блока сравнения, последовательно включенные второй датчик, второй блок сравнения и первую модель объекта, подключенную выходом к второму входу второго сумматора, последовательно включенные первый квадратор, второй фильтр низкой частоты, третий сумматор и блок деления, последовательно включенчые четвертый сумматор, третий блок сравнения, третий фильтр низкой частоты, второй регулятор, четвертый блок сравнения и вторую модель объекта, выход которой соединен с первым входом четвертого сумматора, последовательно включенные. второй квадратор и четвертый фильтр низкой частоты, выход которого соединен с вторыми входами его сумматора и бпока деления, выход испслнительного органа соединен через: второй датчик с вторым входом четвертого блока сравнения, вЫход второго регулятора соединен через первый блок умножения с вторьм входом первого сумматора, выход первого регулятора подключен к второму входу второго блока сравнения, выход первого датчика - к второму входу четвертого суюеатора, выход первого задатчика — к второму входу третье- Я го блока сравнения, вход первого датчика соединен с выходом объекта управления, отличающаяся тем, что, с целью повышения точнос- ( ти регулирования и контроля, в нее введены регистратор, пятый и шестой фильтры низкой частоты, первый масштабирукший блок, второй задатчик, @ источник постоянного сигнала, последовательно включенные седьмой фильтр низкой частоты, пятый блок сравнения, первый блок определения ©) модуля, второй масштабирующий блок, пятый сумматор, третий масштаби- %Ф рукщий блок, инвертор, шестой сумматор и шестой блок сравнения, последовательно включенные восьмой фильтр низкой частоты, седьмой блок сравнения, второй блок определения модуля и четвертый масштабирукший блок, выход которого соединен с р: вторым входом пятого сумматора, С выход блока деления соединен через первый масштабирукщий блок с вторьм входом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика, а выход - к вто рому входу второго блока умножения, выход первого блока сравнения под ключен к входу первого квадратооа, 1070507 выход третьего блока сравнения.— к входу второго квадратора, выход первого задатчика соединен с входом седьмого фильтра низкой частоты и через пятый фильтр низкой частоты— с вторым входом пятого блока сравнения, выход первого датчика соединен с входом восьмого фильтра низ1

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию, s частности к адаптивно системам управления, и может быть использовано для построения систем 5 контроля и регулирования объектов, подверженных влиянию нестационарных возмущений.

Известно устройство для контроля сигнала, динамически искаженного и закрытого измерительной помехой. Устройство для контроля сигнала содержит последовательно включенные измеритель, первый блок сравнения, пороговый элемент, второй блок сравнения, интегратор, выход которого соединен через первый блок задержки с вторым входом второго блока сравнения, масштабирукщий блок, сумматор, выход которого соединен со своим вторым входом, и модель измерителя, подключенную выходом к второму входу первого блока сравнения (l ).

Иедостатком данного устройства является низкая точность контроля иэ-эа того, что не учитывается изменякщаяся сложность измеряемого сигнала, Иаиболее близким к предлагаемому по технической сущности является регулирукщее устройство, содержащее первый модельный контур регулирования, включакщий последовательно соединенные первый блок сравнения, первый фильтр низкой частоты, первый регулятор, второй блок сравнения, первую модель объекта и первый сумматор, выход которого подключен .к первому входу первого блока сравнения, второй модельный контур регу- 40 лирования, включающий последовательно соединенные третий блок сравнения, второй фильтр низкой частоты, второй регулятор, четвертый блок сравнения, вторую модель объекта и 45 второй сумматор, выход которого подключен к первому входу третьего блока сравнения, блок оценивания точности модельных контуров регулирования, включающий последовательно gp кой частоты и через шестой фильтр низкой частоты — с вторым входом седьмого блока сравнения, выход источника постоянного сигнала подключен через шестой блок сравнения к второму входу первого блока умножения, выход первого сумматора — к входу регистратора.

2 соединенные пятый блок сравнения, первый квадратор и третий фильтр низкой частоты, последовательно соединенные шестой блок сравнения второй квадратор и четвертый фильтр низкой частоты, блок выработки натурного управлякщего воздействия, включакщий последовательно соединенные третий сумматор, первый блок деления, первый блок, умножения и четвертый сумматор, последователь-— но соединенные второй блок деления и второй блок умножения, причем выходы первого и второго сумматоров подключены к первьм входам соответственно пятого и шестого блоков сравнения, вторые входы первого, третьего, пятово и шестого блоков сравнения :связаны в один узел, второй вход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, выход третьего фильтра низкой частоты подключен к первому входу третьего сумматора и второму. входу первого блока деления, выход четвертого фильтра низкой частоты подключен к первому входу второго блока деления и через третий сумматор к второму входу второго блока деления„ выход второго блока умножения соединен с вторым входом четвертого суьматора, выход которого подключен к вторыми входам второго и четвертого блоков сравнения, выходы первого и второго регуляторов подключены к вторым входам соответственно второго и первого блоков умножения.

При работе регулирукщего устройства первым и вторым (более быстродействующим) регуляторами вырабатываются управлякщие воздействия, по которьвю с помощью блоков сравнения, моделей объекта и сумматоров рассчитываются модельные выходы первого и второго модельных контуров.В блоке оценивания точности модельных контуров рассчитываются текущие дисперсии ошибок регулирования каждого контура. В блоке выработки натурного управлякщего воздействия определяется взвешенная сумма пер1070507

65 вого и второго модельных управляющих воздействий. При этом весовые коэффициенты определяются в зависимости от текущих .дисперсий ошибок регулирования (23.

Недостатки регулирукщего устройства заключаются в низкой точно"ти регулирования, обусловленной запаздыванием в оценке точности регулирования модельных контуров, так как эта оценка рассчитывается на прошедших интервалах времени, а также в невысокой точности контроля, в результате того, что регулирукщее устройство нельзя применять для измерительных систем с жесткими требованиями по своевременности и достоверности получаемых данных.

Цель изобретения - повышение точности регулирования и контроля.

Поставленная цель достигается тем, что в регулирукщее устройство, содержащее первый блок умножения, последовательно включенные первый эадатчик, первый блок .сравнения, первый фильтр низкой частоты, первый регулятор, второй блок умножения, первый сумматор и исполнительный орган, подключенный выходом к входу объекта управления, последовательно соединенные первый датчик и второй сумматор, выход которого соединен с вторьм входом первого бло ка сравнения, последовательно включенные второй датчик, второй блок сравнения и первую модель объекта, подключенную выходом к второму входу второго сумматора, последовательно включенные первый квадратрр, второй фильтр низкой частоты, третий сумматор и бЛок деления, последовательно включенные четвертый сумматор, третий блок сравнения, третий фильтр низкой частоты, второй регулятор, четвертый блок сравнения и вторую модель объекта, выход которой соединен с первым входом четвертого сумматора, последовательно вклю ченные второй квадратор и четвертый фильтр низкой частоты, выход которого соединен с вторыми входами третьего сумматора и блока деления, выход исполнительного органа соединен через второй датчик с вторым входом четвертого блока сравнения, выход второго регулятора соединен через первый блок умножения со вторым входом первого сумматора, выход первого регулятора подключен к второму входу второго блока сравнения, выход первого датчика — к второму входу четвертого сумматора, выход первого задатчика — к второму входу третьего блока сравнения, вход первого датчика соединен с выходом объекта управления, введены регистратор, пятый и шестой фильтры низкой частоты, первый масштабнруюгдий блок, второй задатчик, источник постоянного сигнала, последовательно включенные седьмой фильтр низкой частоты, пятый блок сравнения, первый блок определения модуля, второй масштабнрующий блок, пятый сумматор, третий масштабирующий блок, инвертор, шестой сумматор и шестой блок сравнения, последовательно включенные восьмой фильтр низкой частоты, седьмой блок сравнения, второй блок определения модуля и четвертый масштабирующий блок, выход которого соединен с вторым входом пятого сумматора, выход блока деления соединен. через первый масштабирующий блок с вторым входом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго эадатчика, а выход — к второму входу второго блока умножения,.выход первого блока сравнения подключен к входу первого квадратора, выход третьего блока сравнения — к входу второго квадратора, выход первого эадатчика соединен с входом седьмого фильтра низкой частоты и через пятый фильтр низкой частоты — с вторым входом пятого блока сравнения, выход первого датчика соединен с входом восьмого фильтра низкой частоты и через шестой фильтр низкой частоты— с- вторым входом седьмого блока сравнения, выход источника постоянного сигнала подключен через шестой блок сравнения к второму входу первого блока умножения, выход первого сумматора - к входу регистратора.

В адаптивной системе контроля и регулирования определяется показатель сложности, для чего введены с пятого ло восьмой фильтры низкой частоты пятый и седьмой блоки сравнения, блоки определения модуля, второй и четвертый масиатабирующие блоки и пятый сумматор. Показатель сложности используется для уточнения весовых коэффициентов модельных управлений. Тем самым осуществляется адаптация по свойствам внешних воздействий и в результате повыша-. ется точность регулирования. Адаптивная система может применяться как для контроля переменных, так и для регулирования производственных процессов. В первом случае объектом управления является модель измерителя, первым задатчнком — измеритель, а возмущакщие воздействия на объект управ ения отсутствуют.Во втором случае объектом управления является, например, сталеппавильный агрегат °

На чертеже представлена блок-схема адаптивной системы контроля и регулирования.

1 070507

На схеме приняты следующие обозначения:U(t) - управляющее воздействие в < -й момент времени У(с) - выходНая переменная объекта управления, bl(t) - возмущающее воздействие.

Адаптивная система контроля и 5 регулирования содержит первый блок

1 умножения, первый эадатчик 2, первый блок 3 сравнения, первый фильтр 4 низкой частоты, первый регулятор 5, второй блок б умножения, первый сумматор 7., исполни- тельный орган 8, объект управлеиия 9, первый датчик 10, второй сумматор

11, второй датчик 12, второй блок

13 сравнения, первую модель 14 объек-15 та, первый квадратор 15, второй фильтр -16 низкой частоты, третий сумматор 17, блок 18 деления, четвертый сумматор 19, третий блок 20 сравнения, третий фильтр 21 низкой 70 частоты, второй регулятор 22, четвертый блок 23 сравнения, вторая модель 24 объекта, второй квадратор 25, четвертый фиЛЬтр 2б низкой частоты, регистратор 27, пятый 28 и шестой 29, фильтры низкой частоты, первый масштабирующий блок 30, второй задатчик 31, источник 32 постоянного сигнала, седьмой фильтр

33 низкой частоты, пятый блок 34 сравнения, первый блок 35 определения модуля, второй масштабирующий блок 36, пятый. сумматор 37, третий масштабирующий блок 38, инвертор

39, шестой сумматор 40, шестой блок

41 сравнения, восьмой фильтр 42 низкой частоты, седьмой блок 43 сравнения, второй блок 44 определения модуля и четвертый масштабирующий блок 45.

Адаптивная система контроля и ре- 40 гулирования работает следующим образом.

Выходная переменная У(t) объекта управления измеряется первым датчиком 10 (в случае системы контроля 45 первый 10 и второй 12 датчики, а также исполнительный орган 8 являются согласующими блоками, в частности масштабирующими блоками } и полученный сигнал во втором сумматоре 11 50 алгебраически суммируется с выходным сигналом первой модели 14 объекта с передаточной функцией, например, вида

}О

K -рт

В (p}= e }, (!

Т +1 где К - коэ ффициен т передач и, Т и i - постоянные времени. В результате на выходе второго сумматора

11 получается выходной сигнал Y () 60 первого модельного контура регулирования. Сигнал Y (t) поступает на первый блок 3 сравнения, где из него вычитается сигнал Y+(t) о заданном значении Y(t). Полученный сигнал об ошибке регулирования подается на первый фильтр 4 низкой частоты, предназначенный для подавления высокочастотной помехи сигнала, что повышает точность его дальнейшего преобразования. С выхода первого фильтра

4 низкой частоты сигнал поступает на первый регулятор 5, например, с пропорционально-интегральным законом регулирования. Выходной сигнал этого регулятора является управляющим сигналом U (t) первого модельного конI тура регулиРования. Из сигнала U (t) во втором блоке 13 сравнения вычитается сигнал U(t) о натурном управляющем воздействии, поступающем с выхода второго датчика 12, и сигнал о полученной разности идет на вход первой модели 14 объекта.

Аналогичным образом работает и второй модельный контур регулирования, включающий четвертый. сумматор 19, третий блок 20 сравнения, третий фильтр 21 низкой частоты, второй регулятор 22, четвертый блок

23 сравнения и вторую модель 24 объекта. Второй регулятор 22 в этом контуре имеет другой, в частности, пропорциональный закон регулирования для того, чтобы компенсировать в отличие от первого модельного контура более быстрые изменения неконтролируемых возмущений. С целью увеличения быстродействия структура или параметры третьего фильтра 21 низкой частоты также отличаются от структуры или параметров первого фильтра 4 низкой частоты.

Натурное управляющее воздействие определяется как взвешенная сумма первого U (t) и второго U"-(t) модельных управляющих воздействий .

Для этого сигнал об U (t) умножается во втором блоке б умножения на сигнал о весовом коэффициенте

oL(t} с выхода шестого сумматора

40 и подается на первый сумматор 7.

Сигнал об U -"(t) умножается в первом блоке 1 умножения на сигнал(1- aL(t}) о втором весовом коэффициенте, идущий с выхода шестого блока 41 сравнения. В этом блоке сравнения из выходного сигнала источника 32 постоянного сигнала, равного "1", вычитается сигнал об о И} с выхода шестого сумматора 40. Выходной сигнал первого блока 1 умножения суммируется с выходным сигналом второго блока б в первом сумматоре 7 и подается на исполнительный орган

8 для реализации управляющего воздействия и на регистратор 27. Последний необходим, .когда адаптивная система предназначена для контроля сигнала.

Весовые коэффициенты адаптируются в зависимости от точности регулирования модельных контуров и по7 1070507 д казателей сложности выходного сигнала v(в) и задающего сигнала v»(t) по выражению а(с(-к+к P (t(-к (к P ttl+K

(t)), (11 где ) т(i)- показатель точности,P5(t)

Р ("(т,) — показатели сложности сигнаS

JIoB соответственно Y(t) и Y (t)

К1- К вЂ” постоянные коэффициенты ..

° Коэффициенты К„-К выбираются из условия, чтобы о ()е (0,1 ) следующим образом.

Коэффициенты К4 и К являются весовыми коэффициентами при показателях P Y и Р" и назначаются при наS стройке системы из условия К4+К =

1, в частности, К4 = К = 0,5.

Коэ ффицне нты К „- К on ределяют ся по выражениям

Ап ахРвах >ma х roan

К1 2 т . т

{3}

TIE _#_ И(1 а (l7(O X пН и) т т, вах к = ((4)

2я шах р ("ах- р (À ("а"-я((1 т т

ПАЯХ

K- (У)

3 >А шах Ртах ) тМ(Ааак m}n) т т у у»

Я =КР +КР (4 3 5 ь мах tn}n vrnax Y, „ в которых Рг, Рт . Р5 5 °

» {пнях (" " — (лак(имальнЬ и минииР

S мально возможные значения соответствующих показателей для конкретных условий.

Для .определения точности регулирования первого модельного контура выходной сигнал первого блока 3 срав, нения об ошибке регулирования возводится в квадрат в первом квадраторе 15 и усредняется на скользящем интервале времени с помощью второго фильтра 16 низкой частоты. На выходе этого фильтра получается c}4rнал Э 1(1) о текущей оценке диспер- сии ошибки регулирования первого модельного контура. Так же определяется сигнал Р})(1) об оценке дисперсии ошибки регулирования второго модельного контура, для чего используются второй квадратор 25 и четвертый фильтр 26 низкой частоты.

Сигналы Рт(1 } и D-"(t) суммируются в третьем сумматоре и в блоке 18 деления выходной сигнал четвертого . фильтра 2 6 ни з кой ч астоты дели тся на сигнал о найденной сумме. В ре65

Результаты полунатурного и промышленного испытания адаптивной системы контроля для управления плавкой стали в дуговых электропечах показывают, что применение зультате получается сигнал Рr)tl о показателе точности и 81

D (t)+ D (t) который умножается в первом масштабирующем блоке 30 на коэффициент и подается на шестой сумматор 40.

Показатель сложности, сигнала л0 оценивается по разности его сглаженных значений, полученных с помощью двух фильтров низкой частоты с отличающимся примерно в два раза быстродействием. Увеличение указанной разности свидетельствует о повыше нии сложности сигнала, что вызывает необходимость использования более быстродействующих контуров регулиро. вания. Последнее обеспечивается за счет увеличения весового коэффициента при управляющем воздействии, вы.рабатываемым более быстродействующим контуром регулирования.

Для определения показателя сложности сигнала v"(t) выходной сигнал первого задатчика 2 поступает на седьмой 33 и пятый 28 фильтры низкой частоты, а затем выходной сигнал .пИтого фильтра 28 низкой частоты (более быстродействующего ) вычитает30 ся в пятом блоке 34 сравнения из выходного сигнала седьмого фильтра

33 низкой частоты. Сигнал о полученной разности идет на первый блок

35 определения модуля, где устра35 няется знак этого сигнала, умножа- ется во втором масштабирующем блоке 36 на постоянный коэффициент к и подается на пятый сумматор 37.

Для определения показателя слож40 ности сигнала Y(t),над ним производятся аналогичные преобразования с использованием восьмого 42 и шестого 29 фильтров низкой частоты, седьмого блока 43 сравнения, 45 второго блока 44 определения модуля и четвертого 45 масштабирующего блока суммируются в пятом сумматоре 37, сигнал о полученной сумме умножается в третьем масштабирующем блоке 38 на постоянный коэффициент К>, инвертируется инвертором 39 и подается на вход шестого сумматора 40. В шестом сумматоре 40 алгебраически суммируются выходные сигналы первого масштабирующего блока 30, инвертора 39 и второго задатчика 31 о величине постоянного коэффициента К, . В результа=-" получается сигнал о весовом коэффициенте M(t) .

1070507

Составитель П.Кудрявцев

Редактор Н.Стащишина Техред С.Мигунова Корректор Г.Решетник

Заказ 11680/44 Тираж 84 2 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 предлагаемой системы позволит повысить точность контроля таких технологических переменных как температура и химсостав металла в среднем на 15% и уменьшить диапазон разброса этих переменных при регулировании процесса плавки металла примерно на 10% по сравнению с известным регулирующим устройством.