Самонастраивающаяся система управления для объектов с запаздыванием

 

Изобретение относится к системам управления нестационарными объектами с за-- пзздыванием и может быть использовано для управления технологическими процессами, например, в металлургии, химической, целлюлозно-бумажной, энергетической, горной и других отраслях промыш-.<fii) иЮ%5(?Гфие.1|!^СПN4Ю

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

-(иу5 G 05 В 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

f10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4815921/24 (22) 06.03.90 (46) 23.02.92. Бюл. hb 7 (71) Одесский политехнический институт (72) В.А. Герлига, Н.П. Мороз (SU), Рауль

Ривас Перес(СО), Е,М, Мацелюк, Е.Д. Пичу гин (SU) и Као Тиен Гуинь (VN) (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 648947, кл. 6 05 В 13/02, 1979.

Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 932460, кл. G 05 В 13/02, 1982. (54) САМОНАСТРАИВА!ОЩАЯСЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ (57). Изобретение относится к системам управления нестационарными обьектами с за- паздыванием и может быть использовано . для управления технологическими процессами„например, в металлургии, химической, целлюлозно-бумажной, энергетической, горной и других отраслях промышИ) „„5Q„„.1714572 А1 ленности, а также в термических деазрационных установках. Цель изобретения — повышение точности управления, Эта цель достигается теь, .что система, содержащая последовательно соединенные задающее устройство 10 и первый сравнивающий элемент 6, последовательно соединенные элемент 1 запаздывания и первую модель 2 объекта. последовательно соединенные регулятор 7, первый сумматор 8, обьект 9, второй сравнивающий 3 элемент и блок 4 подстройки, соединенный выходом с управляющими входами первой и второй моделей

2, 5 объекта, сигнальный вход второй модели 5 объекта соединен с первым входом первого сумматора 8 и входом элемента запаздывания 1, а выход- с вычитающим входом первого элемента 6 сравнения, второй вход блока 4 подстройки соединен с вико- . дом элемента 1 запаздывания, третий вход — с выходом первой модели 2 обьекта и вычитающим входом второго сравнивающего 3 элемента, второй вход первого сумма1714572 тора 8 соединен с выходом источника возмущения, содержит второй сумматор 11, суммирующий вход которого соединен с выходом первого сравнивающего 6 элемента, вычитающий вход- с выходом второго сравнивающего 3 элемента, а выход — с входом

Изобретение относится к системам управления нестационарными объектами с запаздыванием и может быть использовано для управления технологическими процессами, например, в мегаллургии, химиче- 5 ской, целлюлозно-бумажной, энергетической, горной и других отраслях промышленности, а также в термических деазрационных установках.

Известна самонастраивающаяся систе- 10 ма управления для объектов с запаздыванием, содержащая задающее устройство, блок оптимизации, последовательно соединенные элемент запаздывания и первую модель объекта, последовательно соединен- t5 ные первый сравнивающий элемент, регулятор, сумматор, объект, второй сравнивающий элемент, блок подстройки и вторую. модель обьекта, первый вход которой соединен с вторым входом первой модели объ- 20 екта и с выходом блока подстройки, второй вход — с выходом сумматора и входом элемента запаздывания„а выход — с входом первого сравнивающего элемента, выход . блока оптимизации подключен к второму 25 входу регулятора, второй вход блока подстройки соединен с выходом элемента запаздывания, третий вход — с выходом первой модели объекта и вторым входом второго сравнивающего элемента. ЗО

Недостатком данного устройства является невысокая точность регулирования, Наиболее близким техническим решением является самонастраивающаяся система управления для объектов с запазды- 35 ванием, содержащая последовательно соединенные первый элемент запаздывания и первую модель объекта, последовательно соединенные задающее устройство, первый сравниваюцйй элемент, регулятор, сумма- 40 тор, объект, второй сравнивающий элемент, блок подстройки и вторую модель объекта, последовательно соединенные второй элемент запаздывания, третий сравнивзющий элемент и блок оптимизации, выход которо- 45

ro соединен с вторым входом регулятора, вход второго элемента запаздывания соединен с выходом задающего устройства, регулятора,7, Применение предлагаемой системы позволяет повысить качество выпускаемой продукции за счет высокой точности управления, что приносит экономический эффект, зависящий от конкретного процесса производства. 4 ил. второй вход третьего сравнивающего элемента соединен с выходом обьекта, вход первого элемента запаздывания соединен с выходом сумматора и с вторым входом второй модели объекта, второй вход блока подстройки соединен с выходом первого элемента запаздывания, третий вход- с вы-ходом первой модели объекта и вторым входом второго сравнивающего элемента, выход второй модели объекта "соединен с вторым входом первого сравнивающего элемента.

Недостатками известной системы является низкая точность управления, связанная с тем, что в системе регулятор фор- . мирует управляющее воздействие только по сигналу ошибки регулирования. состоящего из первого сравнивающего элемента, регулятора, сумматора и второй модели объекта, без учета рассогласования между выходными сигналами объекта и первой модели объекта.

Цель изобретения — повышение точности управления, В самонастраивающейся системе управления для объектов с запаздыванием, содержащей последовательно соединенные задающее устройства и первый сравнивающий элемент, последовательно соединенные элемент запаздывания и первую модель объекта, последовательно соединенные регулятор, первый сумматор, обьект, второй сравнивающий элемент и блок подстройки, соединенный выходом с управляющими входами первой и: второй моделей объекта, сигнальный вход второй модели объекта соединен с первым входом первого сумматора и входом элемента запаздывания, а выход — с вычитающим входом первого элемента сравнивания, второй вход блока подстройки соединен с выходом элемента запаздывания, третий вход-с выходом первой модели объекта и вычитающим входом второго сравнивающего элемента, второй вход первого сумматора соединен с выходом источника возмущения, введен второй суммвтор, суммирующий вход которого сое.аинен с выходом первого сравнивающего

1714572 элемента, вычитающий вход — с выходом второго сравнивающего элемента, а выход— с входом регулятора.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемой самонастраивающейся системы управления для объектов с запаздыванием; на фиг. 2 —; на фиг. 3—

Пи-регулятор; на фиг. 4 — модели объекта.

Система содержит элемент 1 запаздывания, первую модель 2 объекта, второй сравнивающий элемент 3, блок 4 подстройки, вторую модель 5 объекта, первый сравнивающий элемент 6, регулятор 7, первый сумматор 8, объект 9. задающее устройство

10, второй сумматор 11, на суммирующий вход которого поступает сигнал с выхода первого сравнивающего элемента 6, а на вычитающий вход поступает сигнал с выхода второго сравнивающего элемента 3.

Блок 4 подстройки содержит первый 12 и второй 13 делители, третий сумматор 14, первый блок 15 умножения, четвертый сумматор 16, первый элемент 17 задержки, первое запоминающее устройство 18, задатчик

19 коэффициентов, нелинейные элементы

20 и 21 (фиг. 2}.

Для того, чтобы первый 12 и второй 13 делители не теряли работоспособности в случае, когда сигнал x«(t)=xp(t)=0 (фиг. 2), в блоке 4 подстройки включены нелинейные элементы 20 и 21. При уменьшении сигналов x«(t), х1(2) ниже установленного уровня

Л выходные сигналы нелинейных элементов 20 и 21 имеют постоянную минимально допустимую величину. При этом ликвидируется возможность получения неопределенности делителями 12 и 13, так как в этом случае величина kk((t) имеет конечные значения.

Система работает следующим образом.

При изменении сигнала f и/или задания хз д(2) появляется сигнал рассогласования

Лх1(t)..Åñëè параметры моделей 2 и 5 объекта адекватны параметрам объекта 9, то вы ходные сигналы объекта 9 и первой модели

2 объекта равны между собой, и сигнал xa(23 на выходе второго сравнивающего элемента 3 равен нулю. Перестройка параметров моделей 2 и 5 объекта не производится.

Регулятор 7 по сигналу Л х(2) (в этом случае

Ьх(2) ЬхЩ вырабатывает сигнал управления н(2), который управляет не только второй моделью 5 объекта,. но и объектом 9 и первой моделью 2 объекта. Сигналы на выходе объекта 9 (xe(t)) и на выходе первой модели 2 объекта (х«(2)) равны сигналу на выходе второй модели 5 объекта(х(2(2)) саустя время, равное-времени запаздывания r т.е. хо (t) = хм1(2) = хм2 (t- т), (1) .

w.(.) - —,-"ф;, (4)

40 где k (t) — коэффициент усиления моделей 2 и 5.

При использовании одношаговой релаксационной процедуры алгоритм перестройки коэффициента мм(2) имеет вид

Ки(1)Км(Е A)+ (() () (5)

50 где М(((2 — т1) — коэффициент усиления k в момент времени, предшествующий на время г1.

Уравнение (5) может быть представлено в виде

55 (6) k (t) = k (t -гД+ k (t), где. м (ф- ((1 — (-) (—: - )) . (7) Если в силу.тех или иных причин параметры объекта 9 изменяются, то параметры моделей 2 и 5 объекта не адекватны пара-, метрам объекта управления, и на выходе

5 второго сравнивающего элемента 3 появляется рассогласование

x3 (t) = хо(2) — х«(2).. (2)

Рассогласование хз(2) содержит информацию об изменении параметров объекта 9., 10 При этом в самой системе предусматривается оценка и перестройка параметров моделей 2 и 5 объекта. Оценка и перестройка параметров моделей 2 и 5 объекта производится через блок 4 подстройки согласно on15 ределенным алгоритмам по сигналам, поступающим с выхода элемента 1 запаздывания (х1(2)), первой модели 2 объекта (хмг(2)) и второго сравнивающего элемента 3 (хз(2)).

Перестройка параметров моделей 2 и 5

20 может производится различными способами, в частности можно использовать алгоритмы по методу Ляпунова-Красовского, метод градиентного спуска, релаксационную процедуру и другие. Рассмотрим случай

25 применения одношаговой релаксационной процедуры.

Динамика широкого класса промышленных объектов достаточно точно описывается оператором вида:

"o (1} - :Р ()

T. p+1 где ko(t), То — коэффициент усиления и посто- янная времени объекта;

t время чистого запаздывания.

В этом случае-операторы моделей 2 и 5, имеют вид

1714572

WR (p) = kR (1+ ), 1

Ти р (д) llrn e (I) Ilm р Е(t)Выходные сигналы блока 4 подстройки, перестраивают одновременно первую 2 и вторую 5 модели объекта 9. Блок 4 подстройки может быть построен как в аналоговом варианте, так и в цифровом (фиг, 2).

Регулятор 7 формирует управляющий сигнал по сигналу Лх

О (t) = fR {Ax(t)), Ах{С) = Лх1(С)-хЗ{С) (8)

При использовании ПИ-закона регулирования оператор регулятора 7 имеет вид где kR — коэффициент передачи регулятора;

Т, — время изодрома регулятора.

На фиг. 3 представлен возможный вариант реализации ПИ-регулятора 7 на типовых блоках аналоговой техники.

На фиг, 3 имеются:

„()аа a+ra . С1, +

1+2+ з сг (1+ — 2)Rc р (10) гг+гз С1

I 1 + г2 + I 3 С2

Ти = (1+ — ) ВС1, (12) гз где r1-rg — сопротивления делителя входного сигнала;

С1, Cz, R — элементы обратной связи операционного усилителя 22.

На фиг. 4 представлен возможный вариант технической реализации. моделей 2, 5 объекта 9 на основе аналоговой техники.

Движок потенциометра R1 перемещается с помощью электромагнитного преобразователя, преобразующего электрический выходной сигнал блока 4 подстройки в соответствующее механическое перемещение.

Рассмотрим конкретный объект автоматического управления с запаздыванием.

B качестве конкретного объекта рассмотрим термическии деаэратор, динамика которого описывается оператором вида

КР (— е Р, (13) — т." . + где ko(t), То — коэффициент усиления и постоянная времени термического деаэратора; с - временное запаздывание объекта.

Система управления термическим деаэратором работает следующим образом.

При отсутствии внешнего возмущения

f(t) выходная координата деаэратора равна выходной координате модели 2 объекта с

ЗаПаэдЫВаНИЕМ, т,Е. Xo(t)=X<1(t) И ХЗ(С)=0.

В этом случае ошибка регулирования известной и предлагаемой систем определяется выражением е (p) = хзад(р) хо(р) 1+ууя р V4 р -WR р V4 pge "р

1+WR(р) Щ(р) (14)

Передаточные функции регулятора

10 представляют s виде

kRТи p+kR

WRр=

Определяют статическую ошибку регу15 лирования при действии единичного единичного скачкообразного входного воздействия х д(с)=-1(с) Из (14) получают

20 1 д> р 0 (1п1 i+ma p у4 р -Мй чч е 11, 1 + WII (p) V4 (p) J р (16)

25 Подставив (13), (15) в (16), получают

Ип1 е (с)= 0 с о (17)

Таким образом, при отсутствии внешнего возмущения f(t) статическая ошибка изве30 стной и предлагаемой равна нулю.

При наличии внешних возмущений система описывается уравнением хо(р)=94(р) Е Р» (UR(p)+ f(p));

35 хм1(р) = М4(р) е Р UR(р); хмг (P) Wo (P) UR (Р);

Л х1 (р) =х д (р) — хна (р):

Л x (P) = h х1{Р) - хЗ (Р): (18) хЗ (p) = хо (p} хм1 (p);

40 (3я {р) = \Чя (р} А х (р), Решив систему уравнений (18) относительно выходной координаты объекта xo(p), получают

45 Вк(РМ,(р)е " (р) „ Х,аа(р)+

"" к(рР 4(р)- к(р) Wo(p) е )

1. W () W () ®о() ()

50 (19)

Из (19) получают выражение для ошибки регулирования

e(p) = х д(р) — хо(р); (20) (р) - Зад (р) + « (я)з (2 1) 55 где р ф(р е4р

Яазад(Р) = 11 1 +,,ч а ар 1) азад(Р); (22) 1714572

М(р} (р}е "

1 + WR (p) N4 (p) = Ilm р 1

1 . (24) р-д (1+ W (p} W (P) J P

Подставив (1 3), (15) в (24), получают й® E„ад(t) — О 20 т— (25)

Составляющая статической ошибки, вызываемая внешним возмущающим воздействием, определяется выражением

} (, М(Р М(Р}6

„-д 1 + WR (р) Nf. (Р) х М4(р}е Р f(p)—

Р (26)

Подставив (13), (15) в (26), получают, что составляющая статической ошибки, вызываемая внешним возмущением, равна нулю, т.е.

Ilm Eg(t) = О, 35

t - +> (27)

Таким образом, как в статическом, так и динамическом режимах составляющие ошибки регулирования, вызываемые входным задающим воздействием и внешним возмущением в предлагаемой системе равны нулю.

Рассмотрим теперь известную систему.

При действии внешних возмущений систе- 45 ма описывается уравнениями хо(Р)= 4(Р) е Р(UR(Р)+ (Р)); хм1 (р) = Wp (р) е UR (р); х 2 (p) =И (p) UR (p};

Л Х1 (P) = Хзад (P) Хм1(Р):

Ь х2 (Р)=хзад (Р} хо (Р)

ХЭ(Р) = Хо(Р) — Хм1(Р). (28) Решив систему уравнений (28) относи- 5 тельно выходной координате объекта хо(р), получают х хзад(Р)+ 1Мо (Р) Е Р (P) . (29) о(р)е "f(p). (23)

Ехзад (р), Ef (р) — СОСтаВЛяЮщИЕ ОШИбКИ, вызываемые входным воздействием хзад(р) и внешним возмущением f(p) соответственно, Определяют составляющую статической ошибки, вызываемую единичным скачкообразным входным воздействием х„д (t)= 1 (t).

Из (22) получают

llm тхаад (t) IiiT P хзад (Р) 15

l оо р- 0

Ошибка регулирования определяется выражением

1(р) = Хзад (p) — Хо (p) :хзад (p) +

+ Г (р), (30) где

R4 р %4 р е" д зад (Р} = (1 1 1 }Ч,д } } дзад(Р) (31) р= Wo(p) е Р f(p) (32)

Выражение (22) составляющей статической ошибки, вызываемой входным воздействием в предлагаемой системе совпадает с выражением (31) составляющей статической ошибки, вызываемой входным воздействием известной системы, поэтому .llm ExÄÄ (t} О.

t оо, (33)

Однако составляющая статической ошибки (32), вызываемая внешним возмущающим воздействием известной системы отличается от выражения (23) и имеет вид

limey(t) = lim р Ф4 (р) е f(p) —.

Р т-оо р-оо (34)

Подставив (13} в (34), получают, что составляющая статической ошибки, вызываемая внешним возмущением в известной системе отличается от нуля, т.е.

iim Ei(t) A 0. т — оо (35)

Сравнивая (27) и (35), приходят к выводу, что точность управления в предлагаемой системе при действии внешних возмущений выше, чем в известной.

Преимущество предлагаемой системы по сравнению с известными состоит в том, что регулятор 7 вырабатывает сигнал управления не только по сигналу ошибки регулирования системы без запаздывания, но и по сигналу рассогласования xz(t) между выходНЫМИ СИГНаЛаМИ Xo(t) И Хм1() ОбЪЕКта 9 И полной модели 2 объекта 5 соответсвтенно.

Это позволяет повысить точность управления. Если учесть, что сигнал xa(t) содержит информацию о параметрическом рассогласовании объекта 9 и моделей 2 и 5 объекта, то становится очевидным, что точность управления в предлагаемой системе выше, чем в известных системах. Кроме того. rioскольку блок 4 подстройки всегда имеет ограниченную чувствительность, то введение второго сумматора 11, на второй вход которого подан инвертированный сигнал с Bblxoда второго сравнивающего элемента 3. позволяет повысить точность управления не только во время перестройки, но и после окончания перестройки.

1I 714572

Предлагаемая система по сравнению с известными проще по технической реализации, что повышает надежность функционирования системы, Таким образом, предлагаемая система имеет высокую точность и проста в реализации. Применение предлагаемой системы для управления технологическими процессами позволяет повысить качество выпускаемой продукции за счет высокой точности управления, что приносит значительный экономический эффект, зависящий от конкретного процесса производства..

Формула изобретения

Самонастраивающаяся система управ.ления для объектов с запаздыванием, содержащая последовательно соединенные .задающее устройство и первый сравнивающий элемент, последовательно соединенные элемент запаздывания и первую модель объекта, последовательно соединенные регулятор, первый сумматор, второй сравнивающий элемент и блок подстройки, соединенный выходом с управляющими входами первой и второй

5 моделей объекта. сигнальный вход второй модели объекта соединен с первым входом первого сумматора и входом элемента запаздывания, а выход — с вычитающим входом первого элемента сравнения, второй

10 вход блока подстройки соединен с выходом элемента запаздывания, третий вход — с выходом первой модели обьекта и вычитающим входом второго сравнивающего элемента, второй вход первого сумматора

15 соединен с выходом источника возмущения, отличающаяся тем,что,сцелью повышения точности управления, введен второй сумматор, суммирующий вход которого соединен с выходом первого сравнива20 ющего элемента, вычитающий вход — с выходом второго сравнивающего элемента, а выход — с входом регулятора.

1714572

Составитель Рауль Ривес Перес

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А.Осауленко

Редактор О.Головач

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

Заказ 692 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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