Устройство для моделирования оптимальной системы управления

 

Изобретение относится к области автоматики и предназначено для автоматическо.го решения задач оптимального по быстродействию управления объектами с распределенными параметрами при наличии ограничений на фазовые координаты. Цель изобретения - повышение точности моделирования. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введен формирователь среднего значения температуры, что позволяет в период форсированного нагревания объекта до средней предельно допустимой температуры ограничивать ее на этом уровне. Введение в устройство еще одного блока дифференциальных усилителей позволяет осуществлять ограничение последних на заданном предельно допустимом уровне и в период форсированного охлаждения (торможения) . объекта. 4 ил. сл 4 ОО N3

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (59 4 G 05 В 13/00 G 06 G 7/66

/ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / " г":

«»

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3816605/24-24 (22) 27. 11. 84 (46) 30.08 . 86. Бюл. Ф 32 (71) Харьковский ордена Ленина политехнический институт им.В.И.Ленина (72) Г.В.Рг..стратов (53) 62-50 (088 ° 8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 970397, кл. С 06 С 7/66, 1982.

Авторское свидетельство СССР

У 928378, кл. G 06 G 7/66, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области автоматики и предназначено для автоматического решения задач оптимального по быстродействию управления

„„SU„„1254432 А 1 объектами с распределенными параметрами при наличии ограничений на фазовые координаты. Цель изобретения повышение точности моделирования °

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введен формирователь среднего значения температуры, что позволяет в период форсированного нагревания объекта до средней предельно допустимой температуры ограничивать ее на этом уровне. Введение в устройство еще одного блока дифференциальных усилителей позволяет осуществлять ограничение последних на заданном предельно допустимом уровне и в период форсированного охлаждения (торможения) объекта. 4 ил.

1254432

Изобретение относится к гибридной вычислительной технике, в частности к Электрическим самонастраивающимся системам управления, и предназначено для автоматического 5 решения задач оптимального по быстродействию угравления объектами с распределенными параметрами при наличии множества ограничений на фазовые координаты объекта. 10

Цель изобретения — повышение точности моделирования оптимального управления.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, автоматически осуществляющего поиск оптимального управления объектом с распределенными параметрами; на фиг. 2 — функциональная схема формирователя среднего значения температуры тела; на

20 фиг. 3 — переходные процессы a L точке (точка объекта с максимальным временем запаздывания) в процессе поиска оптимального управления; на фиг. 4 — графики переходных процессов при оптимальном управлении объектом с распределенными параметрами по граничным условиям второго рода.

Устройство содержит элемент ИЛИ

1, первый компаратор 2, управляемый стабилизатор 3 тока, RC -сетку 4, первый блок 5 дифференциальных усилителей, первый блок 6 компараторов, блок 7 задержки, триггер 8, генератор 9 импульсов, второй компаратор

10, первый элемент ИЛ1.-HE 11, первый элемент И 12, второй блок 13 дифференциальных усилителей, второй блок

i4 компараторов, второй элемент ИЛИНЕ 15, второй элемент И 16, третий компаратор 17 и формирователь 18 среднего значения температуры.

Блок 7 задержки образует четвергый компаратор 19 второй триггер 20, третий элемент И 21, счетчик 22 им- . 45 пульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 23, пятый компаратор

24, генератор 25 линейно изменяющегося напряжения и блок 26 задания величины выходного перерегулирования.

Формирователь 18 среднего значения температуры состоит из блока 27 аттенюаторов напряжения и сумматора

28 напряжения. кС -сетка 4, являющаяся основным блс ом устройства, содержит блок задания граничных и начальных условий, а также узловые резисторы и емкости и предназначена для интегрирования уравнений, описывающих динамику теплового поля в исследуемой области.

В результате интегрирования исходных уравнений на кС -сетке образуются текущие значения некоторых компонент вектора состояний управляемого объ- екта с распределенными параметрами.

Например, на 1С -сетке определяется нестационарное тепловое состояние элементов конструкции в процессе выхода на режим термостата. Выходными наблюдаемыми координатами . объекта с распределенными параметрами являются температура T в точке Й (на входе объекта), температурные перепады в различных точках М; относительно точки, т.е. Т вЂ” Т„= gTi .

При решении задач оптимального управления температурными полями в твердых телах возникает необходимость учета ограничений на температурное расширение тела (детали) в определенном направлении. В предлагаемом устройстве учет такого ограничения осуществляется последовательным соединением блока 27 аттенюаторов напряжения, сумматора 28 напряжения и одного из компараторов блока 6 компараторов, на второй вход которого подается эталонное напряжение, соответствующее допустимому предельному значению средней темпеАон ратуры тела T, . Блок 18 осуществляет формированйе среднего значения температуры тела Т, (i). При этом сумматор 28 суммирует входные напряжения О; (i)/è, поступающие с выходов аттенюаторов напряжения, так что напряжение "cp (<) на выходе сумматора 28 соответствует средней температуре Т, (С) тела, т.е.

:де h — количество узлов RC -сетки 4, подключаемых к такому же количеству аттенюаторов блока

27.

На вторые входы блоков 6 и 14 компараторов подаются эталонные напряжения, соответствующие допустимьнч предельным значениям температурных перепадов оТ; (не показано). На второй вход второго компаратора 10 напряжения подается напряжение, соответствующее предельно допустимой температуре на входе РП-объекта, т.е.

1254432

3 соответствующее T „" ", а на второй вход третьего компаратора 17 подается напряжение, соответствующее заданной конечной температуре статирования Тц. Таким образом, на выходах компараторов в зависимости от значений наблюдаемых выходных координат

У; объекта присутствуют "О" и "1", которые далее поступают на логические элементы ИЛИ-НЕ tl и 15.

Пусть Н,, 0 соответственно нижний и верхний уровни сигналов, соответствующие логическим сигналам

"О" и "l", поступающим с выхода элемента ИЛИ 1. Тогда на второй вход 15 компаратора 2 подается опорное напряжение

LI,+02

Поэтому в зависимости от того, в 20 каком состоянии находится элемент

ИЛИ 1, управляемый реверсивный стабилизатор 3 тока выдает ток той ипи иной полярности.

Генератор 9 импульсов на первом 25 выходе формирует периодически повторяющуюся временную программу решения и подготовки к решению в виде лФ импульсов, . Импульсами о, с выхода генератора 9 триггер 8 и блок 7 задержки устанавливаются в исходное состояние.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 9 импульсов, вырабатывая З импульс времени решения,, производит в сетке 4 подключение блоков задания граничных и начальных условий, которые задают в ее узлы начальные и граничные условия, известные из 40 исходных данных задачи. Кроме того, импульс c + с выхода генератора 9 поступает в блок 7 и своим передним фронтом переводит триггер 8 в исходное состояние. В свою очередь, триг- 45 гер 8 разрешает прохождение импульсов с выхода первого элемента ИЛИ-HE

11 на вход элемента ИЛИ 1, прохождеI ние импульсов с выхода второго эле.мента ИЛИ-НЕ 15 при этом запрещено. 50

Устройство в переходном режиме работает следующим образом.

При оптимальном быстродействии на вход объекта с начального момента времени подается максимальное управ- 5 ляющиее воздействие 0 до тех пор, пока хотя бы одна из выходных координат У; объекта не достигнет своего предельного значения Y; „ . После этого входное воздействие уменьшается и регулируется (релейно) так, чтобы выходная координата не превышала допустимого значения, то есть скользила по границе области допустимых значен:. и координат объекто, И так продолжается до определенного фиксированного момента времени

7,6(0, ) . Темп подвода энергии к объекту в этот промежуток времени превышает темп распространения тепла (выравнивания) по объекту, поэтому теплота в основном сконцентрирована на входе объекта. Этот промежуток времени назван временем форсированного разгона объекта в режим. К концу этого промежутка времени объект обладает энергией, большей той, которая соответствует его заданному конечному состоянию.

В момент времени с, задержанный импульс "Сброс" с выхода блока 7 задержки перебрасывает триггер 8 в другое состояние. В свою очередь,триггер 8 запрещает прохождение импульсов с выхода первого элемента

ИЛИ-НЕ 11 на вход элемента ИЛИ 1, прохождение импульсов с выхода второго элемента ИЛИ-НЕ 15 при этом разрешено.

Таким образом, в момент времени подается предельное управляющее воздействие 0„ до тех пор, пока хотя бы одна из выходных координат объекта не достигнет предельного значения. Далее, идет скольжение по. границе области допустимых значений координат объекта. Как только последняя координата объекта переместится с границы области Я допустиЧ мых значений внутрь этой области, на объект снова подается предельное управляющее воздействие (1„ . И так продолжается до тех пор, пока темпе. ратура Т„ на входе объекта (в Й точках) не достигнет заданного конечного значения. Этот промежуток времени назван временем форсированного торможения объекта.

Поиск оптимального управления объектом с распределенными параметрами на предлагаемом устройстве заключается в шаговом изменении времени задержки импульса с, с помощью управляемого блока 7 задержки. В начальный момент каждого периода л % решения импульс, с выхода генера1254432

5 тора 9 импульсов запускает генератор

25 линейно изменяющегося напряжения и поступает на второй вход элемента

И 21, а в самом начале решения задачи с другого выхода генератора 9 импульсов на вторые входы счетчика 22 импульсов и управляющего триггера 20 поступает установочный сигнал, который заносит в счетчик начальные условия, а управляющий триггер 20 ус- 1п танавливается в исходное единичное состояние. В свою очередь, единичный сигнал с выхода управляющего триггера 20 поступает на элемент И 21, разрешая прохождение импульсов c, на вход счетчика 22 импульсов, который

n+ суммирует импульсы с, (количество периодов решения) с начальными условиями. В. каждом из периодов решения ь, на пятом компараторе 24 происходит сравнение сигнала с выхода ЦАП 23 с сигналом линейно возрастающего напряжения с выхода генератора 25. Момент сравнения на выходе пятого компаратора 24 оп- р5

+ ределяет время задержки импульса, и конец форсированного разгона объекта в режим. Таким образом, за счет, имлульсов с, (периодов решения) и пошаговое (итерациями) изменение вре- ЗО л Ф мени задержки импульса с,, происходит до тех пор,пока перерегулирова ние на выходе объекта (ЯС-сетки) a Lточке не превысит допустимое значение. При этом с выхода блока 18 на вход компаратора 19 поступает заданная величина предельно допустимого перерегулирования для L -точки объекта, а на второй вход компаратора

19 поступает напряжение с основного 4п выхода RC -сетки (), -точка). В момент равенства этих напряжений компаратор 19 срабатывает и пе-! ребрасывает управляющий триггер

20 в нулевое состояние, запрещая дальнейшее прохождение импульсов с,," на вход счетчика 22 импульсов. Итерационный процесс поиска оптимально го управления на этом закончился. На фиг. 3 приведены переходные процессы 50 ,в 1 --точке в процессе поиска оптимального управления. Момент достижения кривой ра" ãîíà 4 уровня Т "

L (заданной установившейся температуры в L -точке) является предельно максимальной величиной времени с выP хода объекта на режим для данной конt кретной системы учравления. Кривая 1 соответствует оптимальному переходному процессу при а, = ь, . Кривая 2 с снята при с, = с, + а с <, а кривая

3 при С, = с, + с (причем ьс > ь с ) . Кривая 2 снята при с, = с, — ас,, кривая 3 при 7, =, —, .

Графики переходных процессов в объекте при оптимальном управлении приведены на фиг. 4. Временной интервал (О, c

0-1 объект достигает границы области допустимого температурного перепада

О Т; „ „ в заданных точках и в течение отрезка времени 1-2 скользит по границе этой области. На интервале 2-3, когда температурный перепад уменьшается, т. е. когда о Т, с 5 Т; „„объект снова начинает двигаться с максималь " ной скоростью при предельном значении управляющего воздействия до тех пор, пока не достигнет предельно допустимого (граничного) значения второй координаты, т.е ° до момента достижения максимально допустимой температуры на входе объектаТ„(с)

=Т . На интервале 3-4 объект

Доп скользит по границе области допустимого значения температуры на его входе, т.е, поддерживается температура Тк Ы ) = Tн„,„(фиг. 4 М °

На интервале (i,, с Д есть один участок 5-6 стабилизации (скольжения), на котором температурный перепад

3Т поддерживается уже на другом предель1 но допустимом уровне (фиг.46), !

Графики изменения температуры

Т„ (i) на входе объекта, изменения температуры Т„ (с) в L -точках и

Т (С) в одной из промежуточных точек М; объекта приведены на фиг.4 с.

Графики изменения количества теплоты Я „ (с), содержащейся в РП-объекте в процессе оптимального управления, и ее первой производной Ф „ (с)=

=d Q „ /дс сприведены на фиг. 4о.Для функции Ьд,(с ) характерным является то, что она в течение времени .

@ 6 (0, с, ) является положительной, а в момент времени с меняет свой знак на обратный и на интервале времени E (С,, с ) остается отрицательной.. 7 1 формула изобретения

Устройство для моделирования оптимальной системы управления, содержащее последовательно соединенные влемент ИЛИ, первый компаратор,управляемый стабилизатор тока, РС -сетку, первый блок дифференциальных усилителей, первый блок компараторов, последовательно соединенные блок задержки и триггер, подключенный вторым входом к первому выходу генератора импульсов и к первому входу блока задержки, второй выход генератора импульсов подключен к второму входу блока задержки, второй выход RC -сетки подключен к третьему входу блока задержки, второй вход

1 первого блока дифференциальных усилителей подключен к третьему выходу

" -сетки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, дополнительно введены последовательно соединенные второй компаратор, первый элемент ИЛИ-НЕ, первый элемент И, последовательно

254432 8 соединенные второй блок дифференциальных усилителей, второй блок компараторов, второй элемент ИЛИ-НЕ и . второй элемент И, третий компаратор, 5 а также формирователь среднего значения температуры, подключенный выходом к второму входу первого блока компараторов, соединенного выходом с вторым входом первого элемента

10 ИЛИ-НЕ, второй вход первого элемента

И соединен с первым выходом триггера, выход второго элемента И подключен к второму входу элемента ИЛИ, второй выход триггера соединен с вторым

15 входом второго элемента И, выход третьего компаратора подключен к второму входу второго элемента ИЛИНЕ, вход третьего компаратора подключен к второму входу второго блока

20 дифференциальных усилителей, третьему входу RC -сетки и входу второго компаратора, а четвертый и пятый выходы RC -сетки соединены соответственно с входом формирователя среднего значения температуры и входом второ.го блока дифференциальных усилителей, 1254432

Фиг. Z

И ttnp д

8т

Ф

Ъаи

Tjr д 7дщ

7у 7g 7р

Составитель П.Кудрявцев

Редактор Л.Пчелинская Техред М.Ходанич

Корректор М.Демчик

Заказ 4718/50 . Тираж 836

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4