Адаптивная система управления для объектов с запаздыванием

 

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ , содержащая задатчик коэффициентов , последовательно соединенные задатчик, сравнивающий элемент , регулятор, блок задержки и первую модель объекта управления, а также модель объекта, первый вход которой соединен с выходом регулятора, со входом объекта управления и с первым входом блока заде1Гжки, а выход - со вторым входом сравнивающего элемента, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности системы, в нее введены первое дифференцирующее устройство и последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик, пороговое устройство, второе дифференцирующее устройство , блок управления задержкой и таймер , вход первого дифференцирующего устройства соединен с выходом объекта управления и первым входом порогового устройства, а выход - со вторым входом блока управления задержкой , второй вход порогового устройства соединен с выходом первой модели объекта управления и входом второго дифференцирующего устройства , выход порогового устройства соединен с первым входом счетчика, второй вход которого соединен с (Л задатчиком коэффициентов, третий вход - с генератором импульсов, четвертый вход - с выходом таймера, а выход - со вторыми входами первой и второй моделей объекта, вход таймера соединен со вторым выходом блЬка управления задержкой, первый выход которого соединен со вторым входом блока задержки, первый вход э с выходом второго дифференцирукяцеS 5 го устройства, а третий вход - со вторым выходом блока задержки.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (l 9) (! 1) А, . 4(s)) G 05 В 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3674322/24-24 (22) 19.12.83 (46) 15.06.85. Бюл. В 22 (72) В.Г. Иовэолевский и Г.А.Шифрин (53) 62-50(088.8) (56) 1 ° Патент Великобритании

)) 1.361.211, кл. G 05 В 13/00, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

9 648947, кл. С 05 В 13/02, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР

У 1,0l5;336, кл. С 05 В 13/02, 1983 (прототип). (54) (57) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ, содержащая задатчик коэффициентов, последовательно соединенные задатчик, сравнивающий элемент, регулятор, блок задержки и первую модель объекта управления, а также вторую модель объекта, первый вход которой соединен с выходом регулятора, со входом объекта управления и с первым входом блока заде1йкки, а выход — со вторым входом сравнивающего элемента, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью повьппения точности системы, в нее введены первое дифференцирующее устройство и последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик, пороговое устройство, второе дифференцирующее устройство, блок управления задержкой и таймер, вход первого дифференцирующего устройства соединен с выходом объекта управления и первым входом порогового устройства, а выход — со вторым входом блока управления задержкой, второй вход порогового устройства соединен с выходом первой модели объекта управления и входом второго дифференцирующего устройства, выход порогового устройства соединен с первым входом счетчика, второй вход которого соединен с задатчиком коэффициентов, третий вход — с генератором импульсов, четвертый вход — с выходом таймера, а выход — со вторыми входами первой и второй моделей объекта, вход таймера соединен со вторым выходом блбка управления задержкой, первый выход которого соединен со вторым входом блока задержки, первый вход— с выходом второго дифференцирукщего устройства, а третий вход " со вторым выходом блока задержки.

1161917 средств, а также невозможность коррекции времени задержки, что снижает точность регулирования.

Наиболее близкой к предлагаемой 30 по технической сущности является адаптивная система управления для объектов с запаздыванием, содержащая задатчик коэффициентов усиления, последовательно соединенные задатчик, сравнивающий элемент, регулятор, блок задержки и первую модель объек-та, а также вторую модель объекта первый вход которой соединен с выходом регулятора, входом объекта управления и первым входом блока задержки, а выход — со вторым входом сравнивающего элемента (3) .

Система позволяет оперативно подстраивать коэффициент усиления моделей объекта управления.

Уравнение динамики любого линейного звена с запаздыванием имеет (1) 50

Q(p)X - R(p)x,е (2) 55 где Хг х

Ь вЂ” выходной сигнал, входной сигнал, время задержки, Изобретение относится к системам автоматического управления объекI тами с запаздыванием, параметры которых неизвестны или меняются во времени, в частности параметрами 5 биологических объектов, а также может быть использовано в металлургической и других отраслях промышленности.

Известна система управления объек- 10 тами с запаздыванием, содержащая основиой контур регулирования, модель объекта без запаздывания и элемент запаздывания (1) .

Недостатком известной системы l5

1 является ухудшение качества регулирования при изменении во времени параметров объекта управления.

Известна система управления для объектов с запаздыванием, позволяю- 20 щая регулировать коэффициент усиления модели объекта регулирования (2), Недостатком данной системы является использование поискового алгоритма подстройки, что требует при- 25 менения сложных вычислительных

0(р) (P =((— передаточная функция

Ц!

О(Р) звена без запаздывания.

Известная система производит коррекцию коэффициента передачи модели по отклонению выходных сигналов модели и объекта регулирования

y,= "" ) ф„,(p) =Vl (p) М р (3) тм где k — коэффициент коррекции;

Х „Π— выходной сигнал объекта регулирования; выходной сигнал модели; ф (t} W (p) — передаточные функции объекта и модели. допустим что и (p)=wоь(р) a вре мя задержки объекта изменилось и стало равным + d i. Согласно выражению (3) коэффициент коррекции имеет вид

-(7+ d7, Р

W(P) < X,, + d <Р

К- „ =е

W (р1Е "Р Х, Блок подстройки согласно коэффициенту по выражению (4) изменит коэффициент передачи модели, что приведет к ошибке регулирования.

Учитывая, что р = 1Ю, где GJ круговая частота входящего сигнала, то с ростом д ошибка (4) регулирования возрастает.

Следовательно, недостатком известной системы является снижение точности регулирования при изменении времени задержки объекта управления, что особенно сильно проявляется при наличии высокочастотных составляющих сигнала управления.

Целью изобретения является повышение точности регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что система, содержащая эадатчик коэффициентов усиления, последовательно соединенные задатчик, сравнивающий элемент, регулятор, блок задержки и первую модель объекта управления, а также вторую модель объекта, первый вход которой соединен с выходом регулятора, со входом объекта управления и первым входом блока задержки, а выход — со вторым входом сравнивающего элемента, дополнительно содержит первое дифференцирующее устройство и последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик, пороговое устрой116! - 17 ство, второе дифференцирующее устройство, блок управления задержкой и таймер, вход первого дифференцирующего устройства соединен с выходом объекта управления и первым входе. . порогового устройства,.а выход. :о вторым входом блока управления задержкой, .второй вход порогового устройства соединен с выходом первой модели объекта управления и входом второго дифференцирующего устройства, выход порогового устрой. ства соединен с первым входом счетчика, второй вход которо "о соединен задатчиком коэффициентов, третий вхоц — ".. генератором импульсов, четвертый вход — с выходом таймера, а выход -- со вторыми входами IIBp вой и второй моделей объекта, вход таймера соединен со вторым выходом блока управления задержкой, первый выход которого соединен со вторым входом блока задержки, первый вход— с выходом второго дифференцирующего устройства, а третий вход -. со вторым выходом блока задержки.

Б основу работы гдаптивной системы положен принцип непрерывной адаптации коэффициента усиления двух моделей объекта управления с запаздыванием и без запаздывания за счет поддержания равенства сигналов на выходах объекта H модели с запаздыванием изменением коэффициента усиления модели

3>

Х вЂ” x x,-.„, =-o где :оь — сигнал на выходе объекта, и — сигнал на вьгходе модели

1 = чанг — коэффициент усиления модель

H принцип адаптации времени задержки модели объекта за счет непрерывного контроля моментов возникновения переходных процессов на выходах объекта управления и модели, т.е. сравнения моментов времени, в котофЬгх существует вторая гроиззодная выходМ;, ных сигналов и

3-, Лля контроля выбрана вторая проиа» водная, исходя из того „ то представляет собой короткие импульсы, всзника;а:ще только в .. омеь-т начала переходных процессов, B остальное 3p(ìÿ oHG ранна нулю.

На фнг. 1 представлена структурная схема аредла- аемой адаптивной системы, на фиг, 2 — структурная схема бл-.ка задержки, на фиг. 3 — струк турная схема блока управления задержкой, на фиг. 4. — диаграммы вы-.,-одных сигналов: g — объекта управления; 8 — первого дифференцирующе.-.а устройства; ц — первой модели объекта; 2 — второго дифференцирующего устройства; — на управляющем входе счетчика рассогласования задержки, Адаптивная система управления (фиг. 1) для объектов с запаздыванием соцержит задатчик 1 коэффициентов усиления, задатчик 2, сравнивающий эле.,- .-а т 3, регулятор 4, объект управле.:ня 5, блок задержки 6, первую модель объекта 7, вторую модель объекта 8, : †.ервое дифференцирующее устройство 9, генератор импульсов 10, счетчик 11, пороговое устройство 12, второе дифференцирующее устройство 13, блок управления задержкой 14, таймер !5.

Блок, задержки (фиг. 2) включает в себя аналого-цифровой преобразователь 15, запоминающее устройство 17, генератор i8, счетчик. 19 адресов, мультиплексор 20,. вычитающее устрой-. .т.-. о 21, цифроаналоговый преобразователь 22.

Блок управления задержкой (фиг,3) содержит регистр 23, задатчик 24 времени задержки, сумматор 25, =хемы И 26 и 27, счетчик 28 времени рассогласования задержки, счетчик

29. триггер 30 и схемы ИЛИ 31 и 32.

Известные устройства, задатчик сравнивающий элемент 3, регулятор и модели объекта 7 и 8 выполняют те же функции, что и в прототипе.

Блок 6 задержки сигналов регуля тора 4 управляемый. Он может быть выполнен как в аналоговом варианте, так л . -; цифровом. В случае аналогового варианта он может представлять собой ультпозвуковую линию задержки с регулируемой характеристикой.

На фиг. 2 представлен цифровой вариант блока задержки, как более предпочтительный, так как обладает болыпими возможностями (задержка сигнала мажет быть реализована любой длительности). Аналого-цифровой преобразователь 16 преобразует входной сигнал с регулятора 4 (фиг. 1) в цифровой и передает на информационный вход "-.àïoìèíàI0ùåãà устройства 17 (фиг. 2). Запоминающее устройство 17 переходит в режим записи при сигнале логическая

1161917 на управляющем входе и в режим считывания при сигнале логический "0 поступаю|цих с выхода генератора 18 .

Устройство 17 запоминает входной сигнал по адресам, вырабатываемым счетчиком 19. При частоте г генератора 18 в запоминающем устройстве

17 будет представлен сигнал в дискретном виде

x (t;) = «(N l) где = — адрес запоминающего устройства.

Мультиплексор 20 подключает к

15 адресным входам запоминаю его устройства 17 выход счетчика 19 или вычитающего устройства 21 в зависимости от сигнала на выходе генератора 18: при сигнале логическая "1" подключается счетчик 19, при сигнале "д" выход вычитающего устройства 21. Вычитающее устройство 21 гычитает из значения адреса запоминающего устройства 17, в который записалось 5 текущее значение входного сигнала, код, пропорциональный времени задер;..ки 1, поступающий с выхода блока

14 (фиг. 1) управления запержкой, Полученный результат вычисления на вьгходе устройства 21 через мультиплексор 20 (в момент логического "0" на выходе генератора 18) подключается к адресному входу запоминающего устройства 17, из которого считывается информация K(г,, -1 о входном 35 сигнале в момент времени (t - 1 з .

Считанный из запоминающего устройства 1, задержанный сигнал преобразуется цифроаналоговым преобразователем 22 в аналоговую форму и пода- 4О ется на вход первой модели 7 (фиг.1):

При переполнении памяти 17 (фиг.2) запись входного сигнала начинается с первого адреса, т.е. процесс идет циклически. Второй вход вычитаюгцего устройства 21 является управляющим выходом блока 14 (фиг. 1), выход генератора 18 (фиг. 2) является вхоцом генератора блока 14 (фиг. 1).

Дифференцирующие устройства 9 и

13 (фиг. 1) дважды дифференцируют сигналы с выхода объекта 5 управления и его модели 7, выделяя Hà-carlo переходных процессов (фиг. 4о, g ) в 55 выходньгх сигналах (фиг. 4 q, Ъ ) и передают их на управляющие входы блока 14 управления задержкой. блок управления задержкой 14 устраняет рассогласование времени за.держки объекта управления и модели путем измерения времени между импульсами с выходов дифференцируюгцих устройств 9 и 13. Регистр 23 хранит величину времени задержки, которая в начальный момент записывается с задатчика 24 задержки, а в процессе работы с выхода сумматора 25 по переднему фронту импульса с выхода элемента И 26. Счетчик 28 времени рассогласования задержки считает импульсы с выхода генератора 18 блока задержки по сигналу разреи ения с первого выхода счетчика 29 и выдает их на второй вход сумматора 25. Установка счетчиков

28 и 29 в "0" происходит по заднему фронту импульса с вьгхода элементов

26 или 27 через схему ИЛИ 32. Сумматор 25 производит операцию сложения сигналов с выходов регистра

23 и счетчика 28, или их вычитания в зависимости от управляющего сигнала с единичного выхода триггера 30. Сложение происходит при управляющем сигнале равном логической 1", вычитание — при логическом

1!g (t о

Сложение, т.е. увеличейие времени задержки, производится в том случае, если первым на входы элемента 3 1 поступает импульс с выхода

íroporo дифференцирующего устрой«-тва 13; вычитание, т.е. уменьшение времени задержки модели, производится при поступлении первым импульса с выхода первого дифференцирующего устройства 9. В том случае, если импульсы с выходов устройств

9 и 13 поступают на элементы 27 и 31 блока управления задержкой одновременно, т.е. перекрываются во времени, то элемент И 27 формирует сигнал, по заднему фронту которого счетчики 28 и 29 и триггер 30 устанавливаются в нулевое положение.

Счетчик 29 считает два последовательных импульса, поступающих через элемент ИЛИ 31 с дифференцирующих устройств 9 и 13. При поступлении первого импульса сигнал появляется на первом выходе счетчика 29, при поступлении второго импульса — на втором его выходе. При поступлении первого импульса на вход элемента

ИЛИ 31, например, с выхода первого

1161917

Пороговое устройство 12 сравнивает уровни выходных сигналов объекта

5 управления и первой модели 7. На

5 ньжоде устройства 12 формируются сигналы, свидетельствующие о результате сравнения: а) уровень сигнала объекта выше уровня сигнала модели, 20 б) равенство уровней сигналов.

1 н) уровень сигнала объекта ниже уровня сигнала модели.

Эти сигналы могут быть уровнями напря жения: а) + 5В, б) О В, в) — 5B.

Счетчик 11 реверсинный, с параллельной записью информации, предназначен для хранения текущего значения коэффициента усиления моделей 7 и 8.

Начальная установка коэффициента усиления производится с задатчика 1 коэффициентов. В процессе работы счетчик 11 н зависимости от сигналов на входе управления с выхода порогового устройства 12 увеличивает содержимое или уменьшает путем счета; импульсов генератора 10 или их вычитания. При сигнале + 5B с выхода устройства 12 (уровень сигнала объекта 5 выше сигнала модели 7) счетчик

11 прибавляет к своему содержимому импульсы генератора 10, тем самым увеличивая коэффициент усиления моделей 7 и 8. При сигнале 0 В (уровень сигналов объекта 5 и модели

7 одинаковы), который запрещает счетимпульсов генератора 10, счетчик

11 своего состояния не изменяет, а при сигнале -5B (уровень сигнала объекта ниже модели) вычитает из содержимого импульсы генератора 10, уменьшая коэффициент усиления, пока на выходе схемы 12 появится сигнал равенства уровней. Счетчик 11 не изменяет своего состояния при любью сигналах управления в случае поступления на разрешающий вход сигнала запрета работы с выхода таймера 15.

Таймер 15 предназначен для ныуаботки сигнала запрета изменения дифференцирующего устройства 9 на первом выходе счетчика 29 появляется логическая "1", поступающая на вход разрешения счета счетчика 28 и стробирующий вход триггера 30. В триггер 30 с выхода второго дифференцирующего устройства l3 записывается "0", т.е. на единичном выхо. де появляется (или подтверждается)

11 1I

1О логический О, который устанавливает сумматор 25 в режим вычитания.

Счетчик 28 начинает считать импульсы с выхода генератора 18 блока задержки. Сумматор 25 вычитает нз информации регистра 23, в котором

1 хранится текущее время задержки 4, информацию на выходе счетчика 28 н передает на информационный вход регистра 23. При появлении импульса на выходе второго дифференцирующего устройства 13 на первом выходе счетчика 29 появляется логический "0", а на втором — " 1". Счетчик

28 прекращает считать импульсы генератора 18. В этот момент код в счетчике 28 пропорционален времени 6, g между импульсами на вьжодах устройств 9 и 13 а 1 - 11, где 1 — количество. импульсов;

30 — перчод импульсов, т.е. рассогласованию д1э времени .задержки объекта управления и модели которое вычитается сумматором 25 из

: времени задержки 1, хранимом в ре-3S гистре 23, и передается на информационный вход регистра 23 1= Э- Э.

Схема И 26 по сигналам со второго выхода счетчика 29 и выхода схе- 40 мы ИЛИ 31 формирует сигнал, по переднему фронту которого запускается таймер 15, в регистр 23 записывает1 I ся значение времени задержки, а по заднему фронту происходит уста- 45 нонка -в нулевое состояние счетчиков

28 и 29 и триггера 30.

В том случае, если на входы схемы ИЛИ 31 первым поступает импульс с вьжода второго дифференцирующего SO устройства 13, который также поступает и на информационный вход триггера 30, при появлении логической "1" на первом выходе счетчика 29 в триггер 30 записывается "1" и на управ- SS ляющий вход устройства.25 поступает сигнал, устанавливающий его в режим суммирования. К моменту прихода импульса с выхода перного дифферслцирующего устройстна 9 на информа(ионном входе регистра 23 (фиг. 3) будет код, пропорциональный новому времени задержки т. =1 + h y °

Выход триггера 30 является упранляющим ныходом блока 14, счетный вход счетчика 28 является входом генератора блока 14.

)! 61917

12 ных усилителей К 140 серии по известным схемам.

Запоминающее устройство 17 может быть реализовано на базе оперативного запоминающего устройства К 185 % серии. Остальные цифровые устройства реализуются на элементах К 564 серии.

Технико-экономические преимущества 10 предлагаемой системы по сравнению с базовым объектом выражаются в повышении точности регулирования, особенно в области высоких частот, за счет адаптации времени задержки модели 15 объекта при одинаковых затратах на элементную базу. Действительно, базовый объект содержит сложное 1 устройство подстройки коэффициента усиления, так как в него входят слож- 20 ные блоки: аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преоб разователь, деления и умножения, ко торые содержат большое количество элементов (особенно блоки деления и умножения). Предлагаемая система при повышенной точности регулирования содержит меньшее количество элементов. Так, например, один блок . деления чисел в цифровой форме содержит больше элементов, чем блок управления задержкой предлагаемого устройства. В то же время устрой" ство задержки базового объекта при временах задержки более 1 с должно быть цифровым, т.е. практически таким же как в предлагаемой системе.

Таким образом, предлагаемая адаптивная система управления для объектов с запаздыванием позволяет повысить точность регулирования за счет непрерывной полной адаптации параметров модели (коэффициента усиления и времени задержки).

1161917

1161917

Составитель А. Лащев

Редактор С. Тимохина Техред О.Ващишина

° Корректор И. Муска

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

Заказ 3967/49 Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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