Система оптимизации режимов работы объекта

 

Изобретение относится к технической кибернетике и позволяет повысить быстродействие и точность поиска и поддержания оптимальных режимов работы многомерных стохастических объектов управления, подверженных действию контролируемых возмущений, В момент, пуска блок планирования эксперимента генерирует входные воздействия согласно матрице насыщенного симплекс-плана, который реализуется на объекте управлеш я. Сумматор формирует новое значение входного воздействия, координаты новой вершины симплекса путем отражения вершины симплекса, соответствукяцего наихудшему отклику. Введение контура , включающего второй датчик, модель и второй сумматор, позволяет при определении наихудшего отклика, учесть влияние контролируемого возмущения . Это повышает быстродействие и точность поиска. 9 ил. а . (Л

СО1ОЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1

„„SU„„126091 5ц 4 С 05 В 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3887892/24-24 (22) 22.04.85 (46) 30.09.86. -Бюл. 11г 36 (71) Сибирский ордена Трудового

Красного Знамени металлургический институт им. Серго Орджоникидзе и

Кузнецкий ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции, ордена Кутузова 1 степени и ордена Трудового

Красного Знамени металлургический комбинат им. В.И.Ленина (72) Н.А.Калиногорский, Л.Н.Ласкаронский, В. С, Грицков, Ю, А.1г1ерышев, Г.Б.Мельник, А.С.Рыков и Н.С.Анашкин (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 951237. кл. С 05 В 13/00, 1981. (54) СИСТЕМА ОПТИМИЗАЦИИ РЕгг1ИМОВ VAБОТИ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится.к технической кибернетике и позволяет повысить быстродействие и точность поиска и поддержания оптимальных режимов работы многомерных стохастических объектов .управления, подверженных действию контролируемых возмущений.

В момент. пуска блок планирования эксперимента генерирует входные воздействия согласно матрице насыщенного симплекс-плана, который реализуется на объекте управления ° Сумматор формирует новое значение входного воздействия, координаты новой вершины симплекса путем отражения вершины симплекса, соответствующего наихудшему отклику. Введение контура, включающего второй датчик, модель и второй сумматор, позволяет при определении наихудшего отклика. учесть влияние контролируемого возмущения. Это повышает быстродействие и точность поиска. 9 ил.

1260916

Изобретение относится к технической кибернетике и предназначено для поддержания оптимальных режимов работы многомерных стохастических объек— тов управления. 5

Объект имеет два действующих аддитивно контролируемых входа: управляемый и неуправляемый, при этом имеется модель объекта по каналу контролируемый (но неуправляемый) вход-выход. Структура и параметры этой модели постоянны при различных значениях управляемого входного воздействия.

Цель изобретения — повьппение точности и быстродейств щ системы оптимизации режимов работы объекта.

На фиг.l приведена блок-схема системы оптимизации режимов работы объекта; на фиг,2 — структурная схема анализатора выхода объекта; на фиг. 3 — 20 структурная схема анализатора входа объекта; на фиг..4 — структурная схема переключателя; на фиг.5 — структурная схема первого блока памяти; на фиг.6 — структурная схема второго блока памяти; на фиг.7 — структурная схема блока планирования эксперимента; на фиг,8 — структурная схема первого сумматора; на фиг.9 — структурная схема командного блока. 30

Система оптимизации режимов работы объекта (фиг.l) содержит объект

l управления, вход которого связан с выходом регулятора 2, второй блок 3 памяти, выход которого связан с первым входом анализатора 4 выхода объекта, анализатор 5 входа объекта,, выход которого связан с вторым входом первого блока 6 памяти и первым входом сумматора 7, блок 8 планирования 40 эксперимента, выход которого связан с первым входом первого блока 6 памяти и вторым входом командного блока.

9, второй датчик 10, выход которого связан с входом модели 11, второй 45 сумматор 12, выход которого связан с вторым входом второго блока 3 памяти, первый вход — с выходом модели

11, а второй вход — с выходом первого датчика 13. 50

Устройство и работа системы приведены для К факторов оптимизации.

Анализатор выхода объекта 4 (фиг.2) содержит схему выбора максимальной или минимальной из нескольких переменных 14, К + 1 схем 15 совпадения, К + 1 ключей 16 ° Входы схем выбора максимальной из нескольких переменных 14 и вторые входы схем 15 совпадения подключены к первому входу 17 анализатора 4 выхода объекта.

Выход схемы выбора максимальной из нескольких переменных 14 соединен с первыми входами схем 15 совпадения, выходы которых соединены с входами ключей 16, управляющие входы которых подключены к второму входу 18 анализатора выхода объекта, а выходы — к первому выходу 19 и второму выходу

20 анализатора 4 выхода объекта.

Анализатор 5 входа объекта (фиг.З) содержит К + l генераторов единичных сигналов 21, входы которых подключены к первому входу 22, а выходы — к выходу 23 анализатора 5 входа объекта.

Переключатель (фиг.4) содержит элемент НЕ 24, первый ключ 25 и второй ключ 26. Вход первого ключа 25 связан с первым входом 27, а вход второго. ключа 26 — с вторым входом

28 переключателя. ретий вход 29 переключателя связан с управляющим входом второго ключа 26 и входом элемента НЕ 24, выход которого связан с управляющим входом первого ключа 26.

Выход 30 переключателя связан с выхо— дом первого ключа 25 и с выходом второго ключа 26. Первый блок 6 памяти (фиг.5) содержит К + 1 ключей 31, К + 1 ячеек памяти 32, К + 1 звеньев

ЗЗ запаздывания, К + 1 нормально замкнутых реле 34 времени. Входы реле времени связаны с первым входом

35 первого блока 6 памяти. Входы звеньев 33 запаздывания связаны с вторым входом 36 первого блока 6 памяти, входы ключей 3! связаны с третьим входом 37 первого блока 6 памяти. Выходы звеньев 33 запаздывания связаны с управляющими входами ключей 31, выходы которых связаны с входами ячеек 32 памяти, выходы которых связаны с выходом 38 первого блока 6 памяти. Выходы реле 34 связаны с входами ячеек 32 памяти.

Второй блок 3 памяти (фиг.6) содержит К + 1 нормально замкнутых ре— ле 39 времени, К + 1 ключей 40, К + 1 ячеек 41 памяти.

Управляющие входы ключей 40 связаны с первым входом 42 второго блока

3 памяти. Информационные входы реле

39 и ключей 40 связаны с вторым входом 43 второго блока 3 памяти. Выхо1260 ды реле 39 и ключей 40 связаны с входами ячеек 41 памяти, выходы которых являются выходами 44 второго блока 3 памяти.

Блок 8 планирования эксперимента (фиг.7) содержит К + 1 задатчиков 45, подключенных к входам автоматического коммутатора 46, в.иод которого является выходом 47 блока 8 планирования эксперимента.

Первый сумматор 7 (фиг.8) содержит К + 1 переключателей 48 (фиг.4), подключенных в обратную сторону, сумматор 49. Первые выходы переключателей 48 соединены с первым входом сум- 5 матора 49, вторые выходы — с вторым, третьим ..., К + 2-м входами сумматора 49, управляющие входы — с первым входом 50, а информационные входы— с вторым входом 51 сумматора 7. Bb>ход сумматора 49 является выходом 52 первого сумматора 7.

Командный блок 9 (фиг.9) содержит переключатель 53 (фиг.4), генератор

54 единичных сигналов {аналогичный генератору 21), мультивибратор 55, счетчик 56, звено 57 запаздывания, переключатель 58 (фиг.4) ° Первый и второй входы переключателя 53 являются первым 59 и вторым 60 входами ко- 3î мандного блока 9. Выход переключателя 53 является первым выходом 61 командного блока 9. Выход генератора

54 единичных сигналов является вторым выходом командного блока 9.. д5

Задачей оптимизации является поиск значений факторов, соответствующих экстремуму целевой функции.

Работа системы показана на приме ре задачи поиска минимума целевой 40 функции °

В исходном состоянии на ячейках второго блока 3 памяти и первого блока 6 памяти записаны нули. На первом

59, втором 60 входах (фиг.9) команд- 4s ного блока 9, а также на выходах мультивибратора 55, счетчика 56, звена 57 запаздывания, генератора 54 единичных сигналов {фиг.9) в командном блоке 9, звена 33 запаздывания so

{фиг.5), первого блока 6 памяти, генератора 21 единичных сигналов (фиг.3), анализатора 5 входа объекта, а также блока 11 сравнения — нули.

Ключи 16 (фиг.2) анализатора выхода ss объекта 4, ключи 31 (фиг.5) первого блока 6 памяти, ключи 40 (фиг.6) второго блока 3 памяти закрыты. Лереклю916 4 чатели 53 и 58 (фиг.9) командного блока 9 открыты по второму входы и закрыты по первому.

В момент пуска блок планирования эксперимента начинает формировать входные воздействия х согласно мата! рице насыщенного плана (симплексплан), которые по первому входу записываются в первый блок 6 памяти, а также подаются на второй вход командного блока 9.

Это происходит следующим образом.

В момент пуска автоматический коммутатвр 46 (фиг.7) поочередно подключает задатчики 45 к выходу 47 блока 8 планирования эксперимента через интервалы времени,, после чего отключается. Сформированные таким образом сигналы значений х . последовательно

1 подаются на первый вход 35 (фиг.s) первого блока 6 памяти. Через нормально замкнутые контакты реле 34 времени эти сигналы подаются на вход ячеек 32 памяти первого блока 6 памяти. После размыкания контактов реле

34 времени в моменты времени, 2 ;,..., (К + 1), с начала отсчета происходит запоминание сигналов в ячейках 32 памяти первого блока 6 памяти. Отсчет времени срабатывания реле ведется с момента пуска системы. .Сигналы о входных воздействиях х; последовательно подаются на второй вход командного блока 9 и далее через регулятор 2, преобразующий сигналы системы в физические воздействия, реализуются на объекте управления.

Получаемые при этом значения откликов измеряются первым датчиком 13.

Сигналы об этих значениях поступают на второй вход второго сумматора 12.

Второй датчик 10 измеряет значения контролируемых, но неуправляемых входных воздействий. Сигнал об этих значениях с выхода второго датчика

10 поступает на вход модели ll ° В модели рассчитываются оценки эффекта л ьу влияния на выходную переменную контролируемого, но неуправляемого входного воздействия. Сигнал о значениях этих оценок подается на первый вход второго сумматора 12.

Во втором -умматоре 12 происходит вычитание эффектов ау, влияния контролируемого, но неуправляемого входного воздействия из значений откликов у;.

S 12609 л

Полученные результаты у. =у. — л у

1 1 1 поступают на второй вход второго блока 3 памяти и записываются в его ячейках.

Это происходит следующим образом.

Сигналы о значении у, поступают на второй вход 43 (фиг.6) второго блока

3 памяти. Далее через нормально замкнутые контакты реле 39 времени эти сигналы подаются на вход ячеек 41 10 памяти (фиг.6):

Реле 39 времени настроены на время срабатывания !1, 2 1; ..., (K+1)i, соответственно и начинают отсчет времени одновременн .с пуском систе- 15 мы. После размыкания нормально замкнутого контакта реле 39 времени происходит запоминание сигнала о значении отклика в ячейке 41 памяти второго блока 3 памяти. 20

Таким образом, исходный план эксперимента реализован. После его реализации во всех ячейках первого блока 6 памяти и второго блока 3 памяти записаны соответственно значения фак- 25 торов и откликов. Причем, из значений откликов вычтены эффекты контролируемого, но неуправляемого входного воздействия.

После этого командный блок 9 от- ЗО ключается по второму входу, а на втором его выходе появляется командный сигнал. Это происходит следующим образом. Начиная с момента пуска системы мультивибратор 55 (фиг.9) командного блока 9 генерирует импульсы с периодичностью

Счетчик 56 (фиг.9) командного блока 9 считает количество импульсов, сигналы с которых поступают на его 10 вход с выхода мультивибратора 55.

После генерации К + 1 импульса, а следовательно, после окончания формирования и реализации всех К + 1 воздействий, согласно исходному плану !15 эксперимента на выходе счетчика 56 появляется управляющий сигнал, который поступает на третий вход переключателя 53 (фиг.9) командного блока

9, после чего он закрывается по вто- 50 рому входу и открывается по первому.

Управляющий сигнал с выхода счетчика

56 через второй вход переключателя

58 (фиг.9), который генерирует командный сигнал, поступает на второй 55 выход 62 (фиг.9) командного блока 9.

Таким образом, командный блок 9 отключается по второму входу, а на

16 Ь его втором выходе появляется командный сигнал.

Это состояние является исходным для осуществления собственно процесса оптимизации. Начало поиска оптимального режима работы объекта 1 управления начинается в момент подачи командного сигнала с второго выхода командного блока 9 на второй вход анализатора 4 выхода объекта.

Этот сигнал дает команду на выделение наихудшего отклика. Сигнал поступает на управляющие входы ключей

16 (фиг,2) в анализаторе 4 выхода объекта и открывает их. На выходе схемы выбора максимальной из нескольких переменных 14 (фиг.2) анализатора 4 выхода объекта формируется сигнал о значении наихудшего отклика л у,, выбранного из всех значений отл кликов у . Сигналы о значении отклил ков у; поступают по первому входу !7 (фиг.2). анализатора 4 выхода объек— та. Сигнал о значении наихудшего отл клика у, с выхода. схемы выбора максимальной из нескольких переменных 14 подается на первые входы схем 15 совпадения (фиг.2). На вторые входы этих схем совпадения поданы сигналы л о значениях откликов у. ° На выходе

1 схемы 15 совпадения, у которой совпали сигналы, поданные на ее входы, появляется управляющий сигнал. Этот сигнал через открытый ключ 16 поступает на первый выход 19 и второй выход 20 (фиг.2) анализатора 4 выхода объекта.

Таким образом, анализатор 4 выхода объекта выделил номер наихудшего отклика у . Сиинал о номере наихудшео л го отклика у с второго выхода анао лизатора 4 выхода объекта поступает на первый вход второго блока 3 памяти. При этом в соответствующей ячейке стираетсяt информация о6 наихудл шем отклике у . Это происходит слео дующим образом. С второго выхода 20 (фиг.2) анализатора 4 выхода объекта сигнал поступает на первый вход

42 (фиг.6) второго блока 3 памяти, 6ткрывая соответствующий отклику у ключ 40 (фиг.б). В соответствующей ячейке происходит стирание информации о значении у . Ячейка готова к запоминанию информации, которое про-. исходит при размыкании ключа 40.

Сигнал о номере выделенного наи л худшего отклика у с первого выхода

12609!6 анализатора 4 выхода объекта подае — ся на первый вход анализатора 5 входа объекта, в котором происходит выделение значений факторов, соответствующих наихудшему отклику. Это 5 происходит следующим образом. С первого выхода 19 (фиг.2) анализатора 4 выхода объекта сигнал о номере выделенного наихудшего отклика у посту10 пает на первый вход 22 (фиг.3) анализатора 5 входа объекта. При этом включается соответствующий номеру и наихудшего отклика у генератор 21 о единичных сигналов и на выходе 23 (фиг.3) анализатора 5 входа объекта

15 появляется сигнал о номере реализации факторов х,, соответствующей и наихудшему отклику у, .

Таким образом, анализатор 5 входа

70 объекта выделяет номер реализации факторов х, соответствующей наихуди шему отклику у

Сигнал о номере реализации факторов х, соответствующей наихудшему и отклику у,, подается на первый вход первого сумматора 7. На второй выход первого сумматора 7 с выхода первого блока 6 памяти поданы сигналы о значениях всех факторов х . Первый сум1 матор 7 вычисляет новые значения факторов по формуле

2 х = —. х + — х. к+

1=1

Это происходит следующим образом. 35

На первый вход 50 (фиг.8) первого сумматора 7 поступает сигнал о номере реализации факторов х, соответствующей наихудшему отклику у . На второй вход 51 (фиг.8) первого суммато- 40 ра 7 поступают сигналы о значении всех факторов х;.

На вход одного.из переключателей

48 (фиг.8) подан сигнал о значениях факторов х,. Сигнал о номере реализа-45 ции факторов х поступает на управо о ляющий вход именно этого переключателя. При этом переключатель переключается на первый ar:ход, и сигнал о значениях факторов х поступает на 50 первый вход сумматора 49 (фиг.8).

На входы остальных переключателей поданы сигналы о значениях всех факто.ров х . кроме факторов х,. При поступлении сигнала о номере реализации факторов х они переключаются на вторые входы, и сигнал о значении всех факторов х, кроме факторов х поступает на остальные входы сумматора 49 (фиг.8). Сумматор 49 вычисляет эначе ния факторов Х, на следующий шаг оптимизации. Таким образом, сумматор

7 вычисляет новые значения факторов

Х „„ на следующий шаг оптимизации.

Сигнал о номере реализации факторов Х, соответствующей наихудшему л отклику у,, подается на второй вход первого блока 6 памяти, где информация об этой реализации стирается в соотнетствующей ячейке, Это происходит следующим образом. С выхода 23 (фис.3) анализатора 5 входа объекта сигнал о номере реализации факторов х, соответствующей наихудшему отклику у,, поступает на второ"-. вход 36 (фиг.5) первого блока 6 памяти. Далее этот сигнал через звено 33 запаздывания (фиг.5) поступает на управляющий вход ключа 31 (фиг.5), соответствующего реализации факторов.

Время запаздывания звена 33 равно поступление этого сигнала вызывает открытие ключа 31, соответствующего реализации факторов, и стирание информации об этой реализации в соответствующей ячейке 32 первого блока памяти.

Таким образом, информация о реализации факторов х, соответствующей

О наихудшему отклику у, стирается в о ячейке первого блока 6 памяти.

Сигнал о вычисленном значении факторов Х„, подается на первый вход командного блока 9 и на третий вход первого блока б памяти, где записывается в освободившуюся ячейку.

Запись происходит следующим образомм.

Сигнал о вычисленном значении

X„, с выхода 52 (фиг.8) первого сумматора 7 подается по третьему входу

37 1 Фиг.5) первого блока 6 памяти и открытому ключу 31 в свободную ячейку 32 (фиг.5) первого блока 6 памяти и записывается в ней.

Таким образом, в первый блок памяти записан сигнал о значении вычисленных факторов Х, Этот яе сигнал подан также на первый вход командного блока 9.

Через первый вход командного блока 9 сигнал о значении Х„„ подается на вход регулятора 2 и реализуется на объекте I управления. Отклик у„ „ поступает на второй вход второго сумматора и после вычитания из него эф—

12609

9 фекта влияния контролируемого, но неуправляемого входного воздействия записывается в свободной ячейке второго блока памяти. На этом первый шаг поиска оптимального режима закан5 чивается. Последующие итерации осуществляются аналогично первой, начиная с подачи командного сигнала с второго выхода командного блока 9 на второй вход анализатора 4 выхода объ- 10 екта.

Командный сигнал формируется следующим образом, После реализации исходного плана эксперимента и одновременно генера-* ции мультивибратором 55 (фиг.9)

К + 1 импульса на выходе счетчика 56 формируется управляющий сигнал. Этот сигнал поступает на вход звена

57 запаздывания (фиг.9), время 20 запаздывания которого д(а, ) °

С выхода звена 57 запаздывания сигнал поступает на третий вход переключателя 58, после чего он

?5 закрывается по второму входу и Открывается по первому. При этом, на вход генератора 54 единичных сигналов подключается мультивибратор 55. С выхода мультивибратора 65, генерирующего имi0 пульсы с периодичностью 7,, через первый вход переключателя 58 сигнал о импульсе поступает на вход генератора 54 единичных сигналов. На выходе генератора 54 единичных сигналов с периодичностью c, (т.е. после каждой итерации) формируется командный сигнал, поступающий на второй вход

62 (фиг.9) командного блока 9.

Таким образом, в процессе работы системы осуществляется отражение

40 симплекса и происходит последователь— ное улучшение отклика. поскольку при выделении наихудшего отклика учитывается эффект влияния контролируемого но неуправляемого входного воз45 действия, то по сравнению с. прототипом, уменьшается ошибка при выборе направления движения симплекса. Следовательно, уменьшается отклонение направления смещения симплекса от направления градиента функции отклика и повьппается скорость поиска. По той же причине повышается точность нахождения экстремума целевой функции.

В окрестностях экстремума симплекс совершает колебательные движе.— ния. Если оптимальная область объек16 10 тивно дрейфует, система отслеживает этот дрейф.

Система может быть выполнена на унифицированных элементах, ключах, ячейках памяти, схемах совпадения, коммутаторах, логических элементах, мультивибраторах, счетчиках, звеньях запаздывания, сумматорах и задатчиках.

Таким образом, введение в систему оптимизации режимов работы объекта первого датчика 13, второго датчика

1О, модели 11 и второго сумматора 12 позволяет снизить ошибку при определении наихудшего отклика, а следовательно, и при выборе направления движения симплекса. Это позволяет, по сравнению с прототипом, повысить быстродействие системы и точность локализации экстремума.

Эффективность предлагаемой системы исследуется применительно к периоду чистого кипения мартеновской плавки экспериментальн..ж путем, а также методом имитационного моделирования.

Целью оптимизации является определение расходов топлива и газообразных кислородоносителей, обеспечивающих максимальную скорость нагрева металла, Для этой задачи контролируемыми, но неуправляемыми входными воздействиями (возмущениями) являются присадки в мартеновскую печь сыпучих материалов с целью придания необходимых свойств шлаку.

1 формулаизобретения

Система оптимизации режимов рабо- . ты объекта, содержащая гервый блок памяти и блок планирования эксперимента, последовательно соединенные второй блок памяти, анализатор выхода объекта, анализатор входа объекта, первый сумматор, командный блок и регулятор, причем выход блока планирования эксперимента связан с вторым входом командного блока и первым входом первого блока памяти, выход анализатора входа объекта связан с вторым входом первого блока памяти, выход которого связан с вторым входом анализатора входа объекта и вторым входом первого сумматора, выход которого связан с третьим входом первого-., блока памяти, второй выход командного блока связан с вторым входом анализатора выхода объекта, второй вы12! 260916

78 78 18 ход которого связан с первым входом второго блока памяти, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия системы, в нее введены первый датчик, пос- 5 ледовательно соединенные второй датчик, модель и второй сумматор, выход которого связан с вторым входом второго блока памяти, а второй вход второго сумматора связан с выходом первого датчика, вход которого связан с выходом объекта управления, вход второго датчика связан с вторым входом объекта управления.! 260916 рие. 7

1260916

Составитель А.Лащев

Техред А.Кравчук

Редактор И. Касарда

Корректор О.Луговая

Заказ 5230/48

Тираж 836 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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