Система автоматического управления

 

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ по авт.св.Р 824142, о тличающаяся тем, что с целью расширения области устойчивости и повышения качества управления системы, в нее введены последовательно соединенные первый усилитель, первый интегратор блок деления и второй регулятор, а также последовательно соединенные второй усилитель, второй блок задержки, второй интегратор и третий усилитель, выход которого соединен с вторым входом блока деления , выход второго регулятора соединен с первыми входами первого и второго усилителей, второй вход первого усилителя соединен с. выходом блока обратной модели и с входом корректирующего блокаJ второй вход второго усилителя соединен с выходом второго сумматора, а вход объекта связан с выходом второго усилителя и с входом блока задержки.§

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБ ЛИК (д1) G 05 В 17/02. ВСЕСО!036; 1.%

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 824142 (21) 3500526/18-24 (22) 18. 10.82 (46) 15.09.84. Бюл.№34 (72) Е.А Сухарев, В.Г.Брусов и Ю.П.Левичев (53) 62-50(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

-824142, кл. С1 05 В 17/02, 1981. (54) (57) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ по авт.св.№ 82414?, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что с целью расширения области устойчивости и повышения качества управления системы, в нее введены последовательно соединенные первый усилитель, пер„.Я0„„ щ780 А вый интегратор блок деления и вто-, рой регулятор, а также последовательно соединенные второй усилитель второй блок задержки, второй интегратор и третий усилитель, выход котоРого соединен с вторым входом блока деления, выход второго регулятора соединен с первыми входами первого и второго усилителей> второй вход первого усилителя соединен с выходом блока обратной модели и с входом корректирующего блока, второй вход второго усилителя соединен с выходом второго сумматора> а вход объекта связан с выходом второго усилителя и с входом блока задержки.

Щ

1113780

Изобретение относится к системам автоматического управления и может найти применение при управлении объектами с переменными параметрами и неконтролируемыми возмущениями. 5

По основному авт.св.N -824142 известна система автоматического управления» содержащая модель объекта, последовательно соединенные первый сумматор» регулятор и второй сумматор» а также последовательно соединенные третий сумматор» обратную модель объекта управления, корректирующее звено и четвертый сумматор, вход которого соединен с выходом регулятора и входом второго сумматора, а выход через модель объекта с одним из входов третьего сумматора, другой вход которого соединен с выходом объекта управления и одним из 20 входов первого сумматора, выход обратной модели объекта соединен с одним из входов второго сумматора (1j .

Однако известная система автоматического управления обладает вы- 25 сокой чувствительностью к изменениям параметров объекта и к неконтролируемым возмущениям и, как следствие, низким качеством управления.

Цель изобретения — расширение об- 30 ласти устойчивости и повышение качества управления путем снижения чувствительности системы к изменениям коэффициента усиления объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в систему автоматического управпения введены последовательно соединенные первый усилитель, первыи интегратор, блок деления и второй регулятор, а также последовательно соединенные второй усилитель, второй блок задержки, второй интегратор и третий усилитель, выход которого соединен с вторым входом блока деления, выход вто45 рого регулятора соединен с первыми входами первого и второго усилителей, второй вход первого усилителя соединен с выходом блока обратной модели и с входом корректирующего блока, 50 второй вход второго усилителя соединен с выходом второго сумматора, а вход объекта связан с выходом второго усилителя и с входом блока задержки.

На фиг.i. Представлена структурная 55 схема системы автоматического управле ния; на фиг.2 — схема реализации усилителейй. "

Структурная схема (фиг. 1) включает в себя последовательно соединенные первый сумматор 1, первый регулятор

2, четвертый сумматор 3, блок прямой модели 4 объекта» третий сумматор 5, блок обратной модели 6 объекта, корректирующий блок 7, выходной сигнал которого с обратным знаком поступает на вторые входы сумматоров 3 и 8, а выходной сигнал блока прямой модели

4 поступает на первый вход третьего сумматора 5 с обратным знаком, и последовательно соединенные первый усилитель 9, первый интегратор 10, блок деления 11, второй регулятор

12, выход которого соединен с первыми вхопами усилителей 9 и 13, а также последовательно соединенные второй усилитель 13> блок временной задержки 14> второй интегратор 15> третий усилйтель 16 выход которого соединен с вторым входом блока пеления 11, вход объекта 17 соединен с выходом второго усилителя 13 и входом блока временной задержки 14, выход объекта 17 соединен с вторыми входами первого 1 и третьего 5 сумматоров> причем на второй вхоп первого сумматора 1 выходной сигнал объекта поступает с обратным знаком вход первого усилителя 9 сое) пинен с выходом блока обратной модели 6 и входом блока коррекции 7> ахоп второго усилителя 14 соединен с выходом второго сумматора 8, первый вход которого подключен к выходу первого регулятора 2 и первому входу четвертого сумматора 3, на первый вход сумматора 1 поступает сигнал задания.

Предлагаемая система управления работает следующим образом.

Для снижения чувствительности системы управления к изменениям коэффициента усиления объекта необходимо стабилизировать коэффициент усиления канала управления системы.

Для получения алгоритма самонастройки коэффициента усиления канала управления системы образованы два канала прохождения выходного сигнала регулятора 2, первый из которых включает в себя четвертый сумматор 3 и блок прямой модели 4, а второй канал — второй сумматор 8, второй усилитель 13 и объект управления 17.

В сумматоре 5 образуется разность выходных сигналов второго и первого

1113780 каналов, в состав которых входят объект. 17 и модель 4 объекта. Далее выходной сигнал сумматора 5 предУ ставляющий собой разность выходных сигналов объекта 17 и модели 4 про. 5

7 ходит через физически реализуемую обратную модель объекта 17 и через блок коррекции 7 поступает с обратным знаком на второй вход второго сумматора 8 с целью компенсации эквивалентного возмущения, приведенного к входу объекта, и на второй вход сумматора 3 для симметрирования каналов.

Кроме того, выходной сигнал 15 блока 6 проходит через первый усилитель 9 с перестраиваемым коэффициентом усиления, первый интегратор

10 и поступает на первый вход блока деления 11, на второй вход кото- 20 рого поступает сигнал, полученный в результате преобразования выходного сигнала сумматора 8 во втором усилителе 13 с перестраиваемым коэффициентом усиления, блоке временной задержки 14, втором интеграторе 15 и третьем усилителе 16. Частное от деления сигналов, поступающих в блок деления 11, представляет собой критерий, минимизация которого 30 посредством второго регулятора 12 позволяет перестроить коэффициенты усилителей 9 и 13 с целью стабилизации коэффициента усиления канала управления системы.

Введем обозначения:В (Р),%„,ф,Ф „ д, 8 à — передаточные функции объекта

17, модели 4 объекта, обратной модели 6 объекта и блоков временной задержки 14. 40

Пусть а,(р) =) /Я.Ф, где к — коэффициент усиления объекта; 0()- полином g -го порядка от 45

Р°Пусть также Км q Оц(Р)

®М ) 3 М (P) о(Р) где „ — коэффициент усиления модели 4 — эталонное значение коэффициента усиления объекта 17.

Запишем выражение пля изображения выходного сигнала объекта 17

55 в випе

K(p) K,(р) U„Cp) < k(P) FC p)

Y(P) = > (1 ) о(Р) гпе g(p)- изображение по Лапласу перестраиваемых коэффициентов усиления усилителей

9и 13, о (р) — изображение по Л.апласу выходного сигнала сумматоров

3 и 8"

F(p) — изображение по Лапласу неконтролируемого возмущения

j (4).

Для изображения выходного сигнала модели 4 получаем

Км Up C P)

4 »= — (z3 а,(Р)

Тогда изображения выходных сигналов сумматора 5 и обратной модели 6 объекта соответственно ("(Р) ñ(р) - Км) О, (р)+ k(p) F(p)

О () ,® (o (p) ((Р) "с (Р) - Км) 2(Р) = „- (Р) Е Р +

K(Р) — F(p)e .

Перейдем к оригиналам и запишем выражение для сигнала на выходе усилителя 9

k (t,-a) k,(t.-ц-k „

М- = K ll, (t- )К,(- )+

К(1-ь) Ц,- )

1(1-,1. (ь) t-6

1 (К(8)К (8) Км (t j К„К (e)u,(B)aв 1 6-Т

К (6) Кс (8)

f. (â) .

4-ь-Т (ь).

Пусть изменения коэффициента усиления объекта значительно более низкочастотны по сравнению с внешним возмущением f, т,е. т1. т„, Выходной сигнал интегрирующего блока 10, осуществляющего интегрирование на скользящем интервале времени Т определяется выражением

111З780

) ЮДВ-О, Пусть время интегрирования Т удовлетворяет неравенству

Т1 «Т,«ТК С>) 1.-Ь-Т

Обозначим

1-ь — U ()

Кс®) к» гле K ((Д вЂ” пеоестоаиваемый коэф1 фициент чсиления ччастка канала управления системы, включающего усилитель 13 и объект 17;

5(Q) — отклонение величины коэффициента усиления к

М (Ц) от эталонного значения.

Определяем алгоритм самонастройки коэффициента усиления канала управления системы, исходя из требования минимизации величины 6 (Q).

Посредством самонастройки необходимо организовать изменения величин коэффициентов усиления К (Q) блоС ков 9 и 13 таким образом, чтобы получить минимум величины (j(Q), При этом К (Q) стремится к К, а величина -к единице, т.е.

К(9)К Я)

"м

Сигнал на выходе усилителя 16 с учетом того, что его коэффициент уси25 ления равен 1/К„, а время интегрирования блока 15 также, как и у блока 10, равно Т, будет равен

35

t=d-Т

Фактически на вьосоде блока 11 полу40 чен сигнал, численно равный критерию самонастройки. Таким образом, самонастройка коэффициента усиления канала управления системы может быть выполнена путем минимизации функцио45 "®, сМ) по аргументу . Кс Я.

Структура алгоритма самонастройки коэффициента усиления канала управле-, ния системы будет совершенно ясной, 50 если проанализировать формулы (9) и (14) .

Из формулы (9) видно„что при Я О и равенстве величин К(Я)и К1 величина <(Q)=1.

5S Отклонения значений k<(Q) от единицы будут иметь место при t((Q) g Мм, В этом случае можно записать

"6

К,(6)=1- t((e), названные величины будут квазистационарными в интервале Т.

Преобразуем формулу (6), учитывая вышеприведенные ограничения. Для этого вынесем из под знаков интегралов среднеинтегральные на интервале

Т значения величин С1 ®

"(8) "с 61

kM гле Т и Т(- интеовалы коооеля1 ции, т.е. воемена. спалания автокорреляционных функций внешнего возмчщения и коэффициента чсиления объекта соответственно.

К, (8) = К (Э) К, ® ) ®

С (.e) - К(Э) I:ñ,(e) - К м, (9) Формула (6) примет следующий вид;

"с(®

1(ъ а — (v(e(1сiel-v„ (se J „u,(e)sei

Ид(. - -Т .,- ) ""„" " 19 ) 1(в(38

t-b-Т И 1

Интеграл от случайного эргодического процесса с нулевым математическим ожиданием, каковым довольно часто является внешнее возмущение, на интервале,удовлетворяющем условию (7), можно приравнять к нулю. т.е.

t.-h тогда выражение для сигнала на выходе интегрирующего блока 10 принимает вид

1 (, (<) =;) (к(в) К,(Е)-XД g9i.

1.-6

Кс(Е) и,(e(e е. (ъ>

Км

t-6- T

Тогда на выходе блока деления 11 имеем

t-a

1 ()(<- ) =-,) ((e) К,(9)- )de

1113780 где hkz(Ц) — сигнал самонастройки, получаемый путем минимь зации критерия, определяемого формулой (14)» и формируемый блоком 12. 5

Знак в выражении для К (Q) легко определить из анализа выражения (14) или выражения (1S) для производной

dg(e) — которое легко получить, исполь- 0

de зуя формулу Лейбница-Ньютона или правило дифференцирования интеграла с переменным верхним пределом

15 д (8) к(е) к,(е)-к(в-T) k,(В-T) (Й

В качестве второго регулятора

12 минимизирующего величину критерия самонастроики могут быть исполь20 зованы стандартные, например П(Щ, или какие-либо другие регулятбры

1 позволяющие решить поставленную задачу.

Если в качестве регулятора 12

25 использовать ПИД-регулятор то т

8 ьЕ,(el=eel(el Е ) qpii eЕ e - — р 8) о 30 где В1, В, и  — настраиваемые параметры ре- . гулятора, а алгоритм самонастройки принимает следующий вид;

x,,el= -(e, g(el "11-Зб(9)

Работа усилителей 9 и 13 реализую1 щих алгоритмы самонастройки (16) осуществляется следующим образом.

Обозначаем

«(М--ьк, (8).

Следовательно,,коэффициенты усиления усилителей 9 и 13 изменяются по закону с М =1 х Ф (17)

Ланный алговитм самонастройки может быть веализован с помощью схемы на операционных усилителях изобраЭ женной на фиг.2.

Выходной сигнал первого операционного усилителя U приближенно представляется в виде

1 — 1. ео R ((о — ",). «>

1 Rz) R22

21 R>2

Пля обеспечения симметрии схемы в целях компенсации дрейфа нуля должно быть выполнено условие

1 1 1 1

1.. (qg) 1о R11 21 R 22

С учетом (18) выражение (17) примет вид 1о R o

01= 1Л+ R 0 (20)

21 22

Выражение для выходного сигнала ° второго операционного усилителя М2 можно записать приближенно следующим образом;

Ям С,(к)

1t — +—

Л Л

1 3о "зо м

" зо

° (2С) 02=-U, I

При условии R -g -p =о выражение

32 31 3О 3 (21) преобразуется к виду

Р3 г ((")" (») Представляем (22) в выражение (20), получаем

"ло" 3 о1о "ioR> (1,= — u+ С„(х) u= (1,,() и, 821 2 2 "2 2 22 (2.Ъ) Таким образом, выражение.для перестраиваемого коэффициента усиления усилителей 9 и 13 системы авто матического управления имеет вид

® Ло 1о 3 ® (2q) (2 1 г 1 21 (2.5) С11(х()1 = (Ъ х Я, В качестве элемента с управляемой проводимостью g,(x) могут быть использованы полевые или MOII-транзисторы, характеристики которых, т.е. зависимость тока стока от напряжения исток-сток, линеаризуются путем введения обратной связи между стоком и затвором транзистора. Выражение для проводимости линеаризованного МОПтранзистора можно представить в виде

1113780

Составитель А. Лащев

Редактор Л. Авраменко Техред Т.Маточка

Корректор И. Муска

Заказ 6618/39 . Т*раж 841

ВНИИПИ Государствейного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 где коэффициент Р будет определяться,конструктивными характеристиками (параметрами) линеаризованного МОПтрайзистора. Подставляем (25) в выражение (24), получаем

Сравнивая выражения (17) и (26), легко записать условия, при которых схема, изображенная на фиг.2, будет реализовывать алгоритм самонастройки (17) 10 21 ()

Р о "3 2" г . Предлагаемая система автоматического управления обладает низкой чувствительностью к изменениям коэффициента усиления объекта. Это позволяет в условиях высокого уровня неконтролируемых возмущений расширить область устойчивости, обеспечить, высокое качество управления выходной координатой объекта при неизменных настроечных параметрах регулятора основного канала.