Система управления с переменной структурой

 

Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано для управления объектами в условиях действия возмущений, например промышленными роботами или летательными аппаратами. Система управления с переменной структурой обеспечивает повышение точности контура компенсации возмущений, который идентифицирует структуру модели возмущений в классе разностных аналогов полиномиальных моделей и осуществляет компенсацию этих возмущений адекватным компенсирующим сигналом. Устройство содержит объект управления 1, два сумматора 2, 7, два регулятора 3, 8, идентификатор 4 состояния объекта, формирователь 6 сигнала коррекции, измеритель-преобразователь 5, прогнозатор возмущения 9 и измеритель возмущения 10. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5D 4 С 05 В 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4365325/24-24 (22) 30.11 .87 (46) 30.12.89, Бюл. У 48 (72) Г.Ф. Утробин и С.В.1Падрин (53) 62.50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР В 941923, кл. G 05 В 13/00, 1 982.

Авторское свидетельство СССР У И 20283, кл. G 05 В 13!00, 1984 °

I (54) СИСТЕМА УГРАВЛЕННЯ С ПЕРЕМЕННОЙ

СТРУКТУРОЙ (57) Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано для управления объектами в условиях действия

2 возмущений, например промьш5леннымн роботами ипилетательнымн аппаратами.

Система управления с переменной структурой обеспечивает повышение точности контура компенсации возмущений, котоРый идентифицирует структуру модели возмущений в классе разностных аналогов полиноминальных моделей и осуществляет компенсацию этих возмущений адекватным компенсирующим сигналом. Устройство содержит объект управления 1, два сумматора 2, 7, два регулятора 3, 8, идентиФикатор 4 .состояния объекта, формирователь 6 сиг нала коррекции, измеритель-преобразователь 5, прогнозатор возмущения ф ,:9 и измеритель возмущения 10. 4 кп.

1532896

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано дпя управления объектами в условиях действия возмущений напри1

5 мер, в промьппленных роботах или в летательных аппаратах.

Цель изобретения — повьппение точности работы системы в условиях действия возмущений .

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы управления с переменной структурой; на фиг. 2 — функциональная схема прогнозатора возмущений; на фиг. 3 — функциональная схема изl5 мерителя возмущений; на фиг. 4

; функциональная схема второго регулятора.

Система управления (фиг,l) содержит объект 1 управления, первый сум .матор 2, первый регулятор 3, идентификатор 4 состояния объекта, измеритель преобраэователь 5, формирователь 6 сиг1 нала коррекции, второй сумматор 7, второй регулятор 8, прогноз атор 9 воэ-25 мущения и измеритель 10 возмущения.

Прогнозатор возмущс:,ия (фиг.2) содержит r блоков 11...,,12, 13 задерж ки, r релейных элементов 14, 15,...,16, ! (r-l) сумматоров 17,18,...19 на два <, входа, сумматор 20 íà r входов, преоб раэователь 21 кода, r блокбв 22,23,...,, 24 памяти, г преобразователей 25, 26. ..27 информации, r блоков 28, 29,..., 30 умножения и (r -1) блоков 31, °, 5

32,33 задержки, причем г -блоков 13,...,, 31,32,33 задержки соединены последо вательно таким образом,что вход первого

)1

; блока 13 задержки является входом прогноэатора 9, а выходы остальных

40 блоков подключены также соответственно к первым входам, х блоков 30, ...,29,28 уменожения, вьход первого блока 13 задержки подключен также к (г-1) последовательно соединенным 45

1одинаковым звеньям, состоящим иэ оследовательно соединенных блока задержки (например, 12) и сумматора на два входа (например, 19), причем вход блока 12 задержки подключен также к вторым входам сумматоров (например, вход 12 подключен к входу

19), выход первого блока 13 задержки подключен также и первому релейному элементу 16, а остальные (г-l) релейных элемента )5,.„.,16

55 входами подключены к выходам (r- l ) сумматоров 19,..., 18, 17, а выходы всех г репейных элементов 16,...,15, !

4 подключены к г входам преобразователя 21 кода, выход которого через т последовательно соединенных блоков 22, 23,...,24 памяти, преобразователей 25, 26,...,27 информации подключены к вторым входам r блоков

28, 29,...,30 умножения, выходы которых подключены к r входам сумматора 20, выход которого является выходом прогнозатора 9.

Измеритель возмущения (фиг.З) содержит (n+1) блоков 34,35,...,36 задержки, и блоков 37,...,38 умножения на константу, сумматор 39 на (2п+1) входа, и блоков 40,...,41 умножения на константу и п блоков 42,...,43 задержки, причем к первому входу измерителя 10 возмущения подсоединены последовательно соединенные (и+1) блоков 34, 43,. ° .,42 задержки, выход первого из них 34 непосредственно, а выходы остальных и блоков 43, ° ...42 через п блоков 41,..., 40 умножения на константу подключены к (и+1) входам сумматора 39 на (2п+1) вход, а остальные п входов сумматора

39 через и других блоков 37,. ° .,38 умножения на константу подключены к выходам остальных и последовательно соединенных блоков 35,,36 задержки, причем вход первого из них (блок 35) является вторым входом измерителя 1 0 возмущения, а его выходом является выход сумматора 39.

Второй регулятор (фиг.4) coäåp= жит последовательно соединенные (и-1) блоков 44,...,45 задержки,.(n-1) блоков 46,...,47 умножения. на константу, сумматор 48 на (и-1) входов и блок 49 умножения на .константу, причем один из .входов суМматора 48 подключен через блот," 49 умножения на константу к входу второго регулятора 8, а остальные (и-1) входов также подключены через блоки

46,...,47 умножения на константу и выходам (n-1) последовательно соединенных блоков 44,....,45 задержки, первый иэ которых 44 подключен к выкоду сумматора 48 и выход которого является выходом второго регулятора 8, Система управления с переменной структурой работает следующим образом.

В системе создано три контура.

Контур основной обратной связи, состоящий из первого сумматора 2, объекта 1 управления, идентификатора

5 15328

4 состояния объекта и первого регулятора 3. Назначение этого контура— обеспечение больших запасов устойчивости, даже если это потребует эна- чительного уменьшения коэффициента передачи данного разомкнутого конту- ра.

Контур коррекции идентификатора состояния объекта, состоящий из идентификатора 4 состояния объекта, измерителя-преобразователя 5, второго сумматора 7 и формирователя 6 сигнала коррекции. Назначение этого контура — обеспечить желаемое качество демпфирования ошибок идентификатора состояния объекта.

Контур компенсации возмущений, состоящий из первого сумматора 2, объекта 1 управления, измерителя 10 воз- 20

Ф мущения, прогнозатора 9 возмущения

"и второго регулятора 8. Этот контур .предназначен для выработки сигнала компенсации.возмущения, причиной которого являются как изменения окружающей 25 среды, так и параметрическое. отклоне- 1 ния. Причем сигнал компенсации; вырабатываемый этим контуром, по структуре, и величине адекватен уровню и структуре действующих возмущений. Та- 30 ким образом, если возмущение меняет свою структуру, то меняет свою структуру и контур компенсации возмущения, что делает систему переменной структуры. Следовательно, энергия для подавления возмущений расходуется лишь в

35 случае появления таковых ° При отсутствии возмущений (отработка ненулевых начальных условий) работают лишь контур основной обратной связи и контур 4п коррекции идентификатора состояния объекта, в которых параметры выбраны из соображения обеспечения больших запасов устойчивости °

При появлении возмущений вклю- 45 чается в работу контур компенсации возмущений, который вырабатывает адекватный компенсируК1щий сигнал. управления, обеспечивающий высокую точность регулирования. Такая организация работы системы с переменной структурой позволяет экономить энергоемкость на интервалах времени, когда возмущения отсутствуют, и достигать высокой точности в условиях возмущений.

Объект управления и идентификатор состояния объекта управления описываются разностными уравнениями

96 6

Yk m Н Х1,, (2)

Ф хк +г Ф41+u<„) + (3), + K„)Y> - Н (Ф 1 „, + Г, (О + Ua- )Ц где Х„-. n мерный вектор состояния объекта управления;

Y> — выходной сигнал объекта управленияя, t

U>, — сигналы управления, формируе.

U, мые регуляторами 3 и 8, 1„ — оценка вектора состояния объекта управления, F>, -вектор возмущения;

e„, г„, Н„, K> — в общем случае переменные матрицы соответствующей разности.

Регулятор 3 реализует алгоритм с (4) л для чего вектор Х задерживается на

l шаг дискретности, а затем скалярно перемножается с вектором коэффициентов. Измеритель-преобразователь 5 выл числяет прогноз измерения Ф1,. Y1, = Н„ Ф„сХ„,+ Г,(П „, + V „,)t .

В блоке 7 вычисляется разность

У > "Ч „, в блоке 6 вычисляется прос1 иэведение К <(Y — Y <), а в блоке, 4 вычисляется оценка Х, .

Уравнения (1) — (4) можно приве сти к разностной форме для выходной координаты Y > .

+ Е,, (5) где, — коэффициенты раэ но стной мо1 дели объекта управления с учетом идентификатора состояния и первого регулятора, обеспечивающие желаемые запасы устойчивости (п ) n+);

- zoa4$HgHeHvbt эффективности компенсирующих управляющих воздействий;

Ф

f > — суммарное проявление возмущающих воздействий на объект.

Выберем закон формирования сигнала компенсации возмущений в виде: с

11 л и„, = Е ь;u",. +. ь,г„;

1 1

1532896 и где

1 (8) 35 гДе С, =-(-1) биноi!(r-1)!! миальные коэффициенты.

Причем видно, что для f = С первая разность f „- f <.1 = О„й Х =О,r 40 — 1, для f = Co+ С 1, (f „-f„)(f > „— f < ) = О, вторая разность 1 „-д1- „, =gf = О, r = 2 и т.д.

Следонател1но, значение r>(неличина г на К-М шаге) можно автоматически выбирать, исходя из удовлетворения следующим условиям доп

f c ь,-9 I (й,, доп (9) д -, 1 I l fg„1 f g-)I c 1 1, 9 доп9

Если теперь левые части приведенных ныражений поданать на релейные элеиены и считать срабатывание релейного элемента эа 1, а несрабатывапрогноз реакции системы на суммарные возмущения по значениям предыдущих величин

%-т 5

В свою очередь, значения реакции системы на возмущения на предыдущем такте вычисляются по формуле

1191

19

При равенстве f > = f обеспечивается

k абсолютная иннариантность регулятора к озмущениям, В этом легко убедиться, если подставить (6) в (5). Получим

h л 15 .= -(— ) у ;

= 1 Таким образом, задача компенсации во1змущающих воздействий свелась к задаче оперативного прогноза реакции на суммарное возмущение .

20, Прогноз реакции системы на возмуще ние К основан на том, что на ограниченном временном интервале эта реакция может быть аппроксимиронана полиномиальной: моделью r — - го поряд1 ка9 причем r заренее и=известно и буд т определяться при анализе измер нных величин f1,,9

Можно показать, что полиномиальному в ду r-го порядка функции f соответствуе разностная авторегрессивная модель в а ние за О, то линейке Ц f Д11,1,..., )й f1, 1) будет соответствовать код, например,(01101 ..

1) или (110...О), причем старший ненулевой разряд характеризует порядок авторегрессионной прогнозирующей модели п <

f„- 2 С,.Г„, (10)

1=1

Код числа г „ может быть служит адресом ячеек, в которых записаны коды значений коэффициентов С

1 блок 24, С вЂ” блок 23...

Если возмущения отсутствуют, то выходной сигнал может иметь место лишь из-за несоответствия начального состояния объекта управления программному значению. При этом благодаря обратной. связи, обеспечиваемой блоками 3-7, обеспечивается желаемое демпфирование начального рассогласования. Измеритель 1О возмушения (фиг.10) реализует выражение (7) и согласно уравнению (5) (Г „ = О) математическая модель объекта управления с обратной связью будет иметь вид „= 1 (- ) „,"

Второй случай. На объект действует возмущение. Измеритель возмущения

1 вырабатывает сигнал f согласно вы1с ражению(7), который поступает на вход прогнозатора 9 возмущения (фиг.2)

На выходах сумматоров 17, 18,...,19 образуются разности сигнала которые поступают на релейные элементы 14, 15,..., 16, где эти разности сравниваются с допустимыми эначе" ниями согласно соотношениям (9) . Код с выходов релейных элементов поступает на преобразователь 21 кода, который вырабатывает значение кода

r<. Код значения r „ поступает параллельно на все r блоков 22, 23,..., 24 памяти, котбрые вырабатывают коды коэффициентов прогнозирующей модели

С,, поступающие на входы блоков 26, ...,27 преобразователей информации.

Блоки 26,...,27 согласуют разрядность кодов С. и кодов f, которые поступают на входы блоков 28,29,..., 30 умножения. Выходные сигналы с блоков умножения суммируются на суми маторе 20, образуя прогноз f g.

1 и

Ф

Значение прогноза т используется для выработки компенсирующего воэдейй стния U, во втором регуляторе 8

1532896 (фиг.4) . Второй регулятор реализует соотношение { 6 f. Компенсирующий, сиг- нал U поступает на первый сум (- 1 матор 2, где складывается с сигналом обратной связи.

Таким образом, положительный эффект — повышение точности функционирования, либо уменьшение энергозатрат на демпфирование собственного движения (т.е. при отсутствии возмущений); либо разумный компромисс между повышением в точности и уменьшение энергозатрат одновременно— достигается тем, что контур компенса- 5 ции возмущений идентифицирует структуру модели возмущений в классе разностных аналогов полиномиальных моделей и осуществляет компенсацию этих возмущений адекватным компенсиРующим сигналом. формула изобретения

Система управления с переменной структурой, содержащая первый сумма- 25 тор и формирователь сигнала коррекции, выходы которых через идентификатор состояния объекта подключены к входам измерителя-преобразователя и к входам первого регулятора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого через объект управления соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом измерителяпреобразователя, а выход второго сумматора подключен к входу формирователя сигнала коррекции, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности работы системы в условиях действия возмущений, в нее введены второй регулятор, прогнозатор возмущения и измеритель возмущения, выход которого через последовательно соединенные прогнозатор возмущения и второй регулятор соединен с вторым входом первого сумматора, а первый и второй входы измерителя возмущения соединены соответственно с выходом объекта управления и с выходом второго регулятора.

1532896

3-а

Составитель В. Пешков

Редактор О. Спесивых Техред М.Пидык. Корректор В.Кабаций .

Заказ 8098/52 Типаж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101