Адаптивная система регулирования нелинейного объекта, например,шахтной печи

 

Изобретение может быть использовано для построения систем регулирования объектов у которых запаздывание зависит от величины управляющего воздействия. Цель изобретения состоит в повыщении точности регулирования . Сущность изобретения заключается в совместном запаздывающем восстановлении образцовых управляющего воздействия и времени запаздывания с помощью первого 4 и второго 11 блоков регулируемого запаздывгния, шестого 5 блока сравнения, первого интегратора 6, первого 12 и второго 13 масштабирующих блоков, первого 14 и тре-тьего 20 источников постоянного сигнала, третьего 19, четвертого 17 и пятого 16 блоков сравнения,регулятора 18, блока 7 элементов задерж} и, блока 8 интеграторов, первого блока 9 ключей, второго сумматора 20, блока 21 источников постоянных . сигналов, блока 22 элементов задержки , блока 23 компараторов с зоной нечувствительности, второго блока 24 ключей, задатчика 42, первого блока 41 сравнения, фильтра 40 низкой частоты , обратной модели 39 объекта без запаздывания, второго блока 38 сравнения . Определение рабочих управляюс S (Л с 3S-/1 ю со о. о 00 4 4г р.-.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИА.ЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (д) 4 С 05 В 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫИ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3915358/24-24 (22) 24.06.85 (46) 15.03.87. Бюл. № 10 (7i) Оскольский электрометаллургический комбинат им. Л.И. Брежнева (72) Г.А. Юров, Л.П. Иышляев, А.Д. Сыромятников, С.Ф. Киселев, С.А. Пчелкин, С.К. Коровин, Ю.Н. Марченко и В.И. Сизиков (53) 63-50 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 699490, кл. G 05 B 13/02, 1978. (54) AgAHTHBHAH СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ОБЪЕКТА, НАПРИМЕР

ШАХТНОЙ ПЕЧИ (57) Изобретение может быть использовано для построения систем регулирования объектов, у которых запаздывание зависит от величины управляющего воздействия. Цель изобретения состоит в повышении точности регулирования. Сущность изобретения заклю„„SU„„1297008 А1 чается в совместном запаэдывающем восстановлении образцовых управляющего воздействия и времени запаздывания с помощью первого 4 и второго

11 блоков регулируемого эапаздывгния, шестого 5 блока сравнения, первого интегратора 6, первого 12 и второго

13 масштабирующих блоков, первого 14 и третьего 20 источников постоянного сигнала, третьего 19, четвертого

17 и пятого 16 блоков сравнения,регулятора 18, блока 7 элементов задержки, блока 8 интеграторов, первого блока 9 ключей, второго сумматора

20, блока 21 источников постоянных сигналов, блока 22 элементов задержки, блока 23 компараторов с зоной нечувствительности, второго блока 24 ключей, задатчика 42, первого блока

41 сравнения, фильтра 40 низкой частоты, обратной модели 39 объекта без запаздывания, второго блока 38 сравнения. Определение рабочих управляю1297008 щих воздействий осуществляется путем экстрапопяции восстановленного образцового решения на интервал времени, соответствующий времени образцового запаздывания. Для этого используется экстраполятор 37, второй блок 36 ключей, первый 35 сумматор. Управляющее

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию, в частности, к адаптивным системам регулирования, и может быть использовано для построения систем регулирования техническими объектами, которые описываются моделью в виде последовательного соединения звена чистого запаздывания и интегрального звена с отсечкой. Время чистого запаздывания и время отсечки зависит от величины управляющего воздействия. Объект подвержен влиянию неконтролируемых возмущений с нестационарными статистическими свойствами.

Примером такого рода объектов являются проточные аппараты, в частности шахтная печь для производства металлизированных окатышей. Регулирующим воздействием служит производительность шахтной печи, выходной (целевой) переменной — степень металлизации готовых окатышей. Время нахождения материалов в печи, определяемое как сумма времени запаздывания и времени отсечки, зависит от производительности шахтной печи. Объект подвержен действию неконтролируемых возмущений, обусловленных, в частности, изменениями свойств шихты и характеристик газовых потоков.

Цель изобретения — повышение точности регулирования.

На чертеже приведена блок-схема адаптивной системы регулирования нелинейного объекта, например шахтной печи.

Адаптивная система регулирования нелинейного объекта„ например шахтной печи содержит исполнительный орган 1, объект 2 регулирования, датчик

3 управляющего воздействия, первый блок 4 регулируемого запаздывания„ воздействие через исполнительный орган 1 поступает на вход объекта 2 управления. Для контроля входных и выхоцных переменных используется датчик 3 управляющего воздействия и датчик 15 выходной переменной.

1 ил.

2 шестой блок 5 сравнения, первый интегратор 6, блок 7 интеграторов, блок

8 элементов задержки, второй блок 9 ключей, второй сумматор 10, второй блок 11 регулируемого запаздывания, первый масштабирующий блок 12, второй масштабирующий блок 13, первый источник 14 постоянного сигнала,датчик 15 выходной переменной, пятый блок 16 сравнения, четвертый блок 17 сравнения, регулятор 18„ третий блок

i9 сравнения, третий источник 20 постоянного сигнала, блок 21 источников постоянного сигнала, блок 22 элементов сравнения, блок 23 компараторов ,с зоной нечувствительности, блок 24 элементов определения модуля,седьмой блок 25 сравнения, первый блок

26 умножения, блок 27 деления, второй

20 интегратор 28, блок 29 определения знака, третий блок 30 умножения,первый блок 31 определения модуля,третий сумматор 32, второй источник 33 постоянного сигнала, второй блок 34 умножения, первый сумматор 35, первый блок 36 ключей., экстраполятор 37, второй блок 38 сравнения, обратную модель 39 объекта без запаздывания, фильтр 40 низкой частоты, первый блок

30 41 сравнения, задатчик 42.

На чертеже обозначено: U(t) — управляющее воздействие, y(t) — выходная переменная,, - — образцовое и фактическое время нахождения мате35 риала в шахтной печи; U" — оценка восстановленного образцового управляющего воздействия.

Фильтр 40 низкой частоты выполнен в виде последовательно включенных

40 блбка сравнения, ограничителя и интегратора, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения и является выходом фильтра низкой часто1297008 ты. Первый вход блока сравнени.. является входом фильтра низкой частоты.

Блок регулирования с запаздыванием реализован на стандартных элементах и имеет два входа. Один из входов ус- 5 . танавливает величину запаздывания.

На второй вход поступает сигнал,который необходимо задержать на заданное время запаздывания °

Адаптивная система регулирования нелинейного объекта, например шахтной печи реализует следующие функции: определение фактического времени задержки управляющего воздействия в специально организованном модельном контуре регулирования и соответствующего этому времени фактического управляющего воздействия; запаздывающее восстановление образцового управляющего воздействия и образцового времени запаздывания, экстраполяция образцового управляющего воздействия на текущий момент времени, адаптация коэффициента зависимости времени запаздывания от управляющего, 25 воздействия.

Оценка образцового управляющего воздействия определяется о выражению

30 (t- < ) = U(t- ь ) — — ay(t), (1)

Ь b 1 оЕ где U (t- ib) — оценка образцового управляющего воздействия, 35

К вЂ” коэффициент усиления

oS объекта регулирования, ay(t) — сглаженная ошибка регулирования.

Для реализации выражения (1) сиг40 нал об измеренной величине выходной переменной y(t) с выхода датчика 15 выхоДной переменнои подается на вход первого блока 4 1 сравнения, где из

45 него вычитается сигнал о заданном значении выходной переменной y*(t), поступающий с выхода задатчика 42, Сигнал об ошибке регулирования пода ется в фильтр 40 низкой частоты для подавления высокочастотных помех из50 мерения. С выхода фильтра 40 низкой частоты сигнал о сглаженном значении ошибки регулирования поступает на вход обратной модели 39 объекта без запаздывания, в качестве которой

55 взят коэффициент 1/К усиления. На выходе обратной модели 39 объекта получают сигнал a.U(t) о корректировке управляющего воздействия, который вычитается во втором блоке 38 сравнения-из сигнала о фактическом значении управляющего воздействия, задержанного на время " Ha выходе второго блока 38 сравнения получают сигнал об образцовом управляющем воздействии на момент t- ib, где t " "†оценка образцового времени нахождения материала в шахтной печи.

Образцовое время нахождения материала в шахтной печи определяется по выражению а (t) = (t) — K(t) ь U(t)> (2) где (t) — фактическое время эадержки управляющего воздействия;

K(t) — коэффициент зависимости времени задержки от величины управляющего воздействия;

aU(t) — корректировка управляющего воздействия.

Для реализации выоажения (2) сна Р чала оценивается величина i (t) что требует решение интегрального управления относительно одной изменяющейся границы интегрырования. Это решение выполняется неявным образом с помощью модельного контура регулирования, включающего модель объекта с единичным коэффициентом усиления (блоки 4,5,6 и 11), источники 14 и

20 постоянных сигналов, регулятор 18, блоки 17 и 19 сравнения и масштабирующие блоки 12 и 13. С этой целью сигнал с выхода датчика 3 управляющего воздействия задерживается на время 7, (t) в первом блоке 4 регулируемого запаздывания и еще на время (с) — во втором блоке 11 регулируемого запаздывания. В шестом блоке

5 сравнения из выходного сигнала второго блока 11 регулируемого запаздывания вычитается выходной сигнал первого блока 4 регулируемого запаздывания. Полученный сигнал поступает на первый интегратор 6, на выходе которого получают сигнал об оценке, например, объема материала в печи.Эта оценка сравнивается с известным объемом, сигнал о котором идет с третьего источника 20 постоянного сигнала.

Сигнал о полученной разности с выхода третьего блока 19 сравнения подается на вход регулятора 18, напри1?97008 мер, с пропорциональным законом регулирования, который вырабатывает регулирующее воздействие в масштабе времени нахождения материала в печи.

Величина коэффициента усиления регу- 5 лятора с пропорциональным законом регулирования может быть определена по известным методикам.

Сигнал с выхода регулятора 18 вычитается в четвертом блоке 17 сравнения из сигнала о базовом значении поступающего с выхода первого источника 14 постоянного сигнала.На выходе четвертого блока 17 сравнения получают сигнал о фактическом значении времени нахождения материала (г=.) в шахтной печи. Сигнал о фактическом значении 7 (t) времени нахождения материала в шахткой печи поступает на вход пятого блока 16 сравнения, где из него вычитается сигнал 4 У(г.) о корректировке управляющего воздействия, поступающий с выхода второго блока 34 умножения.

25 На выходе пятого блока 16 сравне— ния получают сигнал об оценке образ.—

" цового значения т (t) времени нахождения материала в шахтной печи.

На вход второго блока 34 умножения поступает сигнал nU(t), который ум30 ножается иа адаптируемый коэффициент

К{С). Тем самым сигнал !!U(t) пересчитывается в сигнал об изменении времени нахождения материала в печи.

Адаптация коэффициента К(г-.) осу- 35 ществляется по выражению

1

K(t) т"

t(3) (.(8) — К(О) U(8)j Sign 0(В) !+ U(8)1 где Ти — постоянная времени интегрирования, 8 — переменная интегрирования, у — постоянный коэффициект,подбираемый в процессе настрой" ки системы.

Для реализации выражения (3) сигнал с выхода первого сумматора 10 поступает на входы первого блока 29 определения знака, третьего блока 30 умножения и первого блока 31 определения модуля. На второй вход третьего блока 30 умножения поступает сигвал о текущем значении K(t) с выхода второго интегратора 28. Сигнал с выхода третьего блока 30 умножения сравнивается в седьмом блоке 25 сравнения с сигналом о фактическом i (t) времени нахождения материала в шахтной печи. Сигнал о полученной разности с выхода седьмого блока 25 сравнения поступает на вход первого блока 26 умножения. На второй вход перBoro блока 26 умножения поступает сигнал о знаке фактического управляющего воздействия на момент времеки

t-Т с выхода блока 29 определения знака. В блоке 29 определения знака реализуется функция вида

+1, если U(t- ° ) >, О, S(t) =-1, если U(t-!.) < 0

Выходной сиги 1 блока 31 определения модуля суммируется во втором сумматоре 32 с выходным сигналом о величине с выхода второго источника 33 постоянного сигнала. В блоке 27 деления сигнал с выхода первого блока 26 умножения делится на сигнал с выхода второго сумматора 32. Сигнал с выхода блока 27 деления поступает на вход второго интегратора,, на выходе которого получают сигнал о текущем значении коэффициента K(t).

Для определения фактического управления, задержакного на образцовое время (г.) нахождения материала в шахтной печи, сигнал с выхода датчика 3 управляющего воздействия о фактическом управляющем воздействии

U(t) поступает на входы интеграторов

7-1, 7-2,...,7-п блока 7 интеграторов, в которых осуществляется интегрирование сигнала о фактическом управлении

U(t7 соответственно на интервалах мин н!ин + t мни + !! где !. !. и 10-15 выбирается,экспериментальным путем.

Сигналы с выходов интеграторов поступают на соответствующие входы элементов 8-1, 8-2,...,8-п задержки блока 8 элементов задержки, где задерживаются соответственно на время ИИН МНН +, < " + ! 1 "1 1 " !

Таким образом, на входы ключей 9-1, 9-2,...,9-п второго блока 9 ключей поступают сигналы о фактических управляющих воздействиях, задержанных мин Г мин соответственно на время г!,"" +

1297008

+y7,...,L + baht.К выходу второго сумматора 10 подключается выход того из блоков 8 задержки, время задержки которого наиболее соответствует времени> (t) . Для этого сигнал o76 (t) ь с выхода пятого блока 16 сравнения поступает на вторые входы элементов

22-1, 22-2,...,22-п сравнения блока

22 элементов сравнения, на первые входы которых поступают сигналы с выходов источников 20-1, 20-2,...,20-п постоянных сигналов.

Сигналы о полученных разностях поступают на входы компараторов 23-1, 15

23-2. ..23-и с зоной нечувствительности блока 23 компараторов, закон функционирования которых задан в виде

20 ь

1, если Т; — Т -> ь

L(t) = 0, если -8iT,- — Т iS — 1, если Т. — Т >Я, 1 где 8 — заданная величина, выбираемая из требуемой точности расчетов.

Сигналы с выходов компараторов 23-1, 23-2,...,23-п с зоной нечувствительности через элемент 24-1, 24-2,... ...,24- и определения модулей блока 24 элементов определения модулей подают-30 ся на управляющие входы ключей 9-1, 9-2,...,9-п второго блока 9 ключей.

Ключи работают следующим образом.

При поступлении на управляющий вход ключа сигнала L(t} = 0 ключ за- 35 мыкается и на вход второго сумматора

10 поступает сигнал о фактическом управляющем воздействии, задержанном на время Т (t). При поступлении на управляющий вход ключа сигнала L(t)=140 ключ размыкается. Сигнал с выхода первого сумматора 10 поступает на второй вход второго блока 38 сравнения, на входе которого получают сигнал об образцовом управляющем воздействии U (t - (с)).

Сигнал об экстраполированном знаЭ чении U (t) образцового управляющего воздействия на текущий момент времени формируется следующим образом.

Экстраполятор 37 осуществляет экстраполяцию оценок идеального управляющего воздействия U (t-T )на интерЦИН л МИН МИИ валы 7, =ь,ig= +ь,..., „= +

+> 6, где ai — шаг дискретизации интервала возможных значений, Таким образом, на выходе экстраполятора имеется и экстраполированных значений U (t-y + ) 1 (t=, +7 +д,),...

°, U (t- + „ ) которые поступают на информационные входы соответствующих ключей 36 — 1,36-2,...,36-nпервого блока ключей.На управляющие входы ключей 36-1,36-2,...,36-п поступают сигналы с элементов 24-1,24-2, ...,24-п определения модулей блока

24 элементов определения модуля. Работа ключей 36-1, 36-2,...,36-п первого блока 36 ключей аналогична работе ключей 9 — 1 9-2,...,9-п второго блока 9 ключей.

При поступлении на управляющий вход ключа сигнала L(t) = 0 ключ замыкается и на вход первого сумматора

35 поступает сигнал об экстраполированном значении U (t) образцового управляющего воздействия. При поступлении на управляющий вход ключа сигнала L(t)=1 ключ размыкается и на выход первого сумматора 35 поступает сигнал равный нулю. Таким образом, на выходе первого сумматора 35 пол"чают сигнал

U () об экстраполированном значении образцового управляющего воздействия, который идет на исполнительный орган 1.

Формула из обретения

Адаптивная система регулирования нелинейного объекта, например шахтной печи, содержащая задатчик, датчик управляющего воздействия, последовательно соединенные исполнительный орган, объект регулирования, датчик выходной переменной, первый блок сравнения, фильтр низкой частоты, обратную модель объекта без запаздывания, второй блок сравнения и экстраполятор, причем вход исполнительного органа соединен с входом датчика управляющего воздействия, второй вход первого блока сравнения соединен с выходом задатчика, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью повышения точности регулирования, в нее введены первый и второй источники постоянного сигнала, первый сумматор, блок определения знака, первый блок ключей, последовательно соединенные блок интеграторов, блок элементов задержки и второй блок ключей, последовательно соединенные блок источников постоянного сигнала, блок элементов сравнения, блок компараторов с зоной нечувствительности и блок элементов оп9

1297008

Составитель <А. Лащев

Редактор И. Касарда Техред А.Кравчук Корректор А. 0бручар

Заказ 779/50

Тираж 864 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 ределения модуля, последовательно соединенные третий источник постоянного сигнала, третий блок сравнения, регулятор, четвертый блок сравнения, пятый блок сравнения, последовательно соединенные первый масштабирующий блок, первый блок регулируемого запаздывания, шестой блок сравнения и первый интегратор, последовательно соединенные второй масштабирующий блок и второй блок регулируемого запаздывания, последовательно соединенные седьмой блок сравнения, первый блок умножения, блок деления, второй интегратор и второй блок умножения, последовательно соединенные второй сумматор и третий блок умножения,последовательно соединенные блок определения модуля и третий сумматор, выход датчика управляющего воздействия 20 соединен с входами второго сумматора, вторые входы элементов сравнения блока элементов сравнения соединены с выходом пятого блока сравнения,второй вход которого соединен с выходом

25 второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом обратной модели объекта без запаздывания, выход первого блока регулируемого запаздывания через второй блок регулируемого запаздывания соединен с вторым входом шестого блока сравнения, выход первого интегратора соединен с вторым входом третьего блока сравнения, выход первого источника постоянного сигнала соединен с вторым входом четвертого блока сравнения,выходы элементов определения модуля блока элементов определения модуля соединены с управляющими входами ключей первого и второго блоков ключей, выходы экстраполятора соединены с информационными входами первого блока ключей, выходы которых соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с входом исполнительного органа, вход третьего блока умножения соединен с входами блока определения знака и блока определения модуля и вторым входом второго блока сравнения, выход второго источника постоянного сигнала соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом блока деления, выход блока определения знака соединен с вторым входом первого блока умножения, выход второго интегратора соединен с- вторым входом седьмого блока срав— нения.