Устройство управления инерционным объектом

 

союз советских социАлистичесних

РЕСПУБЛИК

s>)s С О» 2З/19

« Ц ,Ql

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ по изо6Ретенияч и откРытиям

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21 ) 4603.961/24 (22) 09.11,88 (46) 15.08.92. Бюл . Y 0 (71) Машиностроительное конструкторское Ьюро "Радуга" (72) Н.В.Николаев, Н.И.Павлухин, В.N.Áîðèñîâ и Ю.К.Кузин (56) Авторское свидетельство CCCP 855607, кл. G 05 В 13/02, 1980„

Авторское свидетельство СССР

ti 64630Ь, кл. С 05 В 17/OU, 1976 (прототип), (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ИНЕРЦИОНHbiH ОБЪЕКТОМ (5/) ИзоЬретение предназначено для использования в системах управления

Изобретение предназначено для работы в системе управления нагревом, может Ьыть использовано в металлургии и химической промышленности.

Известно устройство, содержащее

Ьлок задания начальных условий, соединенный через перьый ключ с моделями оЬъекта, входы которых сое" динены через вторые ключи с соответствующими источниками постоянного напряжения, а выходы через Ьлоки вычисления критерия оптимальности соединены с оЬъектом, и Ьлок синхронизации, соединенные первым и вторым ключами.

Недостатком устройства является недостаточная точность упр .-ления нагревом. Ы«1755262 А1

2 нагревом и может быть использовано в металлургии, химической промышленности. Цель изоЬретения — повышение точности управления; Цель достигается за счет введения в устройство Ьлока формирования управляющих воздействий и Ьлока задания состояния объекта, а также целенаправ-. ленного переЬора значений управляющего воздействия, управления с учетом будущего прогнозируемого состояния объекта управления на один интервал управления вперед, уменьшения количества моделей объекта управления до одной. 5 ил.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является квазиоптимальный регулятор,содержащий Ьлок задания начальных условий, соединенный через первый ключ с моделями объекта, входы которых соединены через вторым ключи с соответствующими источниками постоянного напряжения, а выходы,через блоки вычисления критерия оптимальности соединены с логическим блоком, выход которого соединен с объектом, блок синхронизации, соединенный с первым и вторым ключами, третий ключ, вход каждой модели объекта соединен через третий ключ с выходом модели регулятора, один вход которого соединен с выходом модели оЬъекта, 1755262 а второй вход соединен с задатчиком выходной величины объекта, а один из выходов блока синхронизации соеди нен с одним из входов третьего ключа. . Недостатком известного квазиоптимального регулятора является недостаточная точность управления.

Цель изобретения - повышение точности управления.

Это достигается за сче1 включения в устройство блока Формирования управляющих. воздействий, блока за- . дания состояния объекта, вход которого подключен к выходу "Цикл" блока синхронизации и к первому управляющему входу блока формирования управляющих воздействий, а выход - к второму информационному входу Ьлока формирования управляющих воздействий, первый информационный вход которого подключен к выходу модели объекта управления, а первый и второй выходы подключены .соответственно к входу объекта управления и к первому информационному входу модели объекта управления, а второй, третий, четвертый управляющие входы подключены соответственно к выходу "Пуск" блока синхронизации и к первому управляющему входу модели объекта управления, к выходу "Останов" Ьлока синхронизации и к второму управляющему входу модели объекта управления, к выходу

"Сброс" блока синхронизации, выход

"Исходное положение" которого под. ключен к третьему управляющему вхо. ду модели объекта управленйя, второй информационный вход которой подключен к выходу объекта управления, а четвертый и пятый управляющие входы " соответственно к выходам

"Запись начальных условий объекта" и "Запись начальных условий модели объекта управления" блока синхронизации.

Объект управления описывается системой обыкновенных дифференциальных управлений х1=а я (х ) х1 +а 2 (Х,) Xz +

4 4...

+a (x1) x> +51 (х ) 11 х а Q.< (х ) х i + gz ° х + zg хз {1) х =а 31 (Х1) х +д г хг +а Э х > где х, хг, x " выходы объекта управления, определяющие его состояние;

40 ловиЯх х1 „ù =х к „,(, +1 J a

Решенйе уравйений {1) прогнозирует состояние объекта управления на момент времени t=f. + при U{ 1 (t ° )

)+i

45 «2Uìàêî .

Точность управления оценивается ошибкой управления ! (1)

50 12 гм +

Е (t qg )=хг q {k )-x (t ) д < (t, +z) - заданное значение выхода объекта управления при

{д t=t 1+2, 2м () г ) решение дифференциальных уравнений. модели объекта yn" равления на интер- вале управления

55 (! (1) а1г {Х1),а 1у(Х1),a 1(х1/ а >,(x1) - переменные коэффициенты уравнений {1);

gz z,,а > " постоянные коэффициенты уравнений (1), U - -управляющее воздействие.

Модель оЬъекта управления (1) адекватна объекту управления На величину управляющего воздействия наложено ограничение

06 U 11макс

Управляющее воздействие определяется следующим оЬразом.

Предположим, что известно значение управляющего воздействия

20 U(r., ), действующее на интервале управления (t;,t;„),i = 0,1,2,...

Необходимо определить значение управляющего воздействия 11(6 ) для

1+1 интервала управления (t;+,,t„+ ).

Уравнения модели объекта управления (1) решаются для интервала управления (;, t;„ ) при U{t, ) и начальных условиях хк„,ц =х к(a)э, к = l„2„3„ определяемых состоянием

30 объекта управления в момент времени

t=c,. Решение уравнений модели объекта управления прогнозирует состояние объекта управления на момент времени = ; 1 . Затем уравнения модели объекта управления решаются для интервала управления {t,,,t 1+Z) при ,{1) 1

U(t;, )=K 211, к и начальных Ус

5262

Разрядность ЦА!! выЬирается из условия обеспечения точности управления, чаще всего не Ьолее 10. Разрядов, n = 1vg х-2 макс

ЬЯ

E макс где х - максимальное значение

2 макс х выходной координаты оЬъекта упРавления; 45

Е - максимальное допустима кс мое значение ошиЬки управления, Найденное значение управляющего воздействия U (п1(с, + ) для интервала . 50 управления (с;+,, с;+ ) в момент времени с=с;+, подается на оЬъект управления. Затем начинается процесс поиска управляющего воздействия для интервала управления (t;,, t! ) и т.д.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства управления нагревом (1 объект управления, 2 - блок задания состояния объекта, 3 - Ьлок формиро=

5 175 (с с gz) при

i-той итерации поиска управления.

Если Е (t, +2 ) О, то k() . принимается равным 1, если Е (с,+ ).С сО, то k(1 =О.

Затем решение уравнений модели объекта управления для интервала управления (с,,, с, ) повторяется при тех же начальных условиях хк„„ „ =х „„(с;,) и управляющем воздействии

m p >1 Ю1 (t;,1) — (k - + -)U a c

1© =1

Точность управления оценивается ошибкой управления

Е < )

Е (с ltl ) = хг зад(r i г)-x г м

Если Е (4 (с, )ъО, о k< i принй-. мается равным 1, если E () (r. )<Ю, то k(2) = О, Количество итераций при поиске управляющего воздействия для интервала управления (с;+,, с; ) определяется разрядностью цифроаналого-. вого преобразователя (ЦАП) и . общем виде 1-итерация 1 = 1,2,... управляющего воздействия для интервала времени (с;+,, с j+2 ) определяется выражением (Е), " (Ц 1 (r- +! ) а» k 2Е "макс е= (Е) 1 при Е (с;+ ) 0 (е) k (е), 0 при Е (с,, qq)ñÎ

10 l5

30 вания управляющих воздействий, 4 модель объекта управления, 5 — блок синхронизации); на Фиг.2 — Ьлок-схема блока задания состояния объекта (6 — блок нелинейный, 7 — первый, цифро-аналоговый преобразователь (ЦА!1), 8 — счетчик импульсов); на фиг.3 - блок-схема блока формирования управляющих воздействий (9— второй ЦЯ(1, 10 — блок-схема записи в ЦА!1, 11 - регистр, 12 - преобразователь код-ток, 13 - первый электронный ключ, 14 — второй электронный ключ, 15 - триггер, 16 - усилитель, 1/ - блок-схема записи в регистр, 18 - Ьлок-схема сравнения, 19 — блок распределения импульсов); на фиг.4 — блок-схема модели оЬъекта управления (20 - диод, 21 - первый квадратор, 22 - первый блок умножения, 23 - первый Ьлок аналогового запоминающего устройства (АЗУ), 24 - второй блок аналогового запоминаюцего устройства, 25 — третий блок аналогового запоминающего устройства, 26 - первый интегратор, 27второй интегратор, 28 - третий интегратор, 29 - второй блок умножения, 30 - третий блок умножения, 31 - четвертый блок умножения, 32, 33 34,35,36,37 — первый, второй, третий, четвертый, пятый, восьмой коэффициенты модели объекта управ-. ления, 38 - второй квадратор, 39-третий квадратор, 40 - пятый блок умножения, 41 — четвертый квадратор, 42 - пятый квадратор, 43 шестой коэффициент модели объекта управления, 44 — седьмой коэффициент модели объекта управления, 45— девятый коэффициент модели объекта управления, 46 - десятый коэффициент модели объекта управления, 47 - шестой квадратор, 48 - седьмой квадратор, 49 - шестой Ьлок умножения); на Фиг.5 - Ьлок-схема Ьлока синхронизации (50 - дешифратор команд, 51 — счетчик импульсов, 52 - генератор импульсов, 53 - формирователь длительности времени цикла).

Блок задания состояния объекта

2 предназначен для генерирования заданного состояния объекта управления. Блок формирования управляющих воздействий 3 предназначен для определения управляющих воздействий.

Модель объекта управления 4 пред1755262 назначена для прогнозирования состояния оЬъекта управления. Блок синхронизации 5 предназначен для синхронизации работы всех блоков устройства путем выдачи команд.

Блок синхронизации 5 подает следующие команды: по первому выходу Ьлока 5 на вход блока 2 и на первый вход блока 3 проходит команда "Цикл"; по второму выходу блока 5 на второй вход блока 3 проходит команда "Сброс"; по третьему выходу блока 5 на третий вход блока

3 и на второй вход Ьлока 4 проходит команда "Пуск"; по четвертому выходу Ьлока 5 на четвертый вход блока

3 и на первый вход блока 4 проходит команда "Останов"; по пятому выходу блока 5 на третий вход блока

4 проходит команда "Исходное поло-. жение"," по шестому выходу блока 5 на четвертый вход блока 4 проходит команда "Запись начальных условий объекта"; по седьмому выходу Ьлока

5 на пятый вход блока 4 проходит команда "Запись начальных условий модели объекта управления".

Устройство работает следующим образом.

Блок синхронизации 5 обеспечивает формирование импульсов - команд в определенной временной послеповательности в течение цикла

В момент времени с; Ьлок синхронизации 5 вырабатывает импульс .

"Цикл", который переписывает код из регистра 11 в ЦАП 9, устанавливает значение х > (с > ) на выходе блока задания состояния объекта 2.

Сигнал управления U((I:;) поступает с выхода ЦАП 9 на вход объекта уп ра влени я 1, а х а* (с;+ < ) на второй информационйый вход Ьлока 3.

Импульс "Цикл" устанавливает триггер 15 блока 3 в единичное состояние, разрешающий сигнал с триггера 15 поступает на первый электронный ключ 13 и открывает его для прохождения U((с;) на усилитель (nI

16, на втором выходе блока 3 устанавливается напряжение U=U "1(с,).

Одновременно с импульсом "Цикл" формируется сигнал "Запись начальных условий объекта"„ В результате действия этого сигнала в АЗУ 23, 24, 25 блока 4 запишутся значения х к(с, ) и следовательно, начальные условия йа интеграторах 26, 27, 28.

Блок синхронизации 5 выдает команду "Пуск", по которой запускается модель объекта управления 4. Модель, !

5 объекта 4 решается при начальных условиях, определяемых состоянием объекта управления 1 s момент вреI мени с=с,, х км HQQ = хк(с ) и управ»

n) °

l ления U1 (с, ), и = 1О»

Решение уравнений модели объекта (4) определяет состояние объекта управления 1 для момент времени с=с„+,. Решение модели оЬъекта управления в блоке 4 длится I Q где

Л

С с (h,ñ/1+ и, п- разрядность ЦАП.

Через с после импульса "Пуск" появляется импульс "Останов", в результате действия которого останавливается решение уравнений модели объекта 4, триггер 15 устанавливается в нулевое состояние, обеспечивая тем самым закрытие ключа 13, открытие ключа 14 и прохождение сигнала с выхода преобразователя

25 12 на вход усилителя 16.

После останова формируется импульс "Запись начальных условий модели объекта управления", в соответствии с которым данные с выхо"

30 да блоков 26,27,28.х м(с;+,) записываются соответствеййо в .первый, второй, третий блоки АЗУ 23, 24, 25.

Затем блок 5 выдает импульс

"Исходное положение", в соответствии

З5 с которым интеграторы 26, 27, 28 блока 4 возвращаются в исходное состояние с начальными условиями хkM IIGII хкм(с + ), Блок 5 формирует импульс "Сброс"

40 который оЬеспечивает обнуление ре-, гистра 11, установку рагпределителя импульсов 19 в исходное состояние.

На выходе усилителя 16 устанавлиI вается сигнал ц(1) (с, ) = —,1U

+(2 маке

После импульса "Сброс" устройство управления вновь готово к поиску итераций управления для интервала управления (с„ <, с; ).

При поиске управления для интервала управления (c.+,, с,+<), импульсы "Сброс", "Запись начальных условий модели объекта управления", "Запись

55 начальных условий объекта" блоком 5 не формируются.

Блок 5 выдает команду "Пуск", запускает интеграторы 26, 27, 28 блока 4 и подготавливает цепь для

1755262!

О сдвига единицы в регистре распределителя импульсов 19 из и -ro разряда в (и-1)-й разряд. Решение модели происходит до появления импульса

"Останов".

На выходе блока 4 устанавливаются значения х „„ (с „,,), т.е. прогноз (<) у хм состояния оЬъекта управления 1 для момента времени с = cII.2 при управляющем воздействии U (с )= "макс (1)

MO KC (11

Значение x д (с „) подается на схему сравнения 18, где сравнивается с х (с;,2). Если Е (с; ) 0, то записанная единица в старшем разряде регистра 11 сохраняется; если

E (cI+Z)z0, то записанная единица (a в старшем разряде регистра 11 сбрасывается; Блок 5 выдает команду "Исходное положение", в соответствии с которой модель объекта управления

4 возвращается в исходное положение.

Блок 5 выдает команду "Пуск", 25 по котор6й записывается единица в триггер регистра ll, повторяется решение модели объекта управления !

4 для интервала управления (с1+1, 1+2) . л

Через время Ьлок 5 выдает коман ду "Останов", в соответствии с кото рой прекращается решение уравнений модели объекта управления 4. На выходе Ьлока 4 устанавливаются зна- 35 чения х „„ (c, ), т.е, прогноз сос(21 тояния оЬъекта управления 1 для момента времени с=с 1,2 при управляющем воздействии U (c ) = (-+-)U (,) 1 1 +1 2 4 макс 4р

Значение х (г .1 +2) подается на (2) схему сравнения 18, где сравнивается х гм c,,,>) 0, то зайисанная единица в разряде регистра 11 сохраняется; если .х, <(c,, ) — х (с, )< (О, то записанная единица в разряде регистра 11 сбрасывается.

Поиск управления для (с, 1,, c14 ) продолжается до тех пор, пока не будет проведено и итераций по числу разрядов в регистре 11

Блок 5 выдает импульс "Цикл", который устанавливает значение х (с, ) на выходе Ьлока 2, про55 изводит перезапись значения управляющего воздействия U ("1(c I I) из регистра 11 во второй ЦАП 9, подачу

Ц (Al(c,, ) на объект управления 1, запись данных с объекта управления

1 в аналоговые запоминающие устройства 23, 24, 25 модели объекта управления 4 и т,п. начинается процесс поиска управления для интервала управления (с;+, с;+, ),.

Предложенное устройство позволяет уменьшить количество моделей оЬъекта управления до одной, избежать трудностей,, связанных с выбором вариантов управляющего воздействия, повысить точность управления за счет целенаправленного перебора значений управляющего воздействия и управления с учетом прогнозируемого состояния объекта управления на один интервал управления вперед.

По сравнению с квазиоптимальным регулятором - базовым объектом устройство управления нагревом позволяет снизить погрешность работы системы управления до 1Ф.

Формула изобретения

Устройство управления инерционным

ОЬъектом, содержащее Ьлок синхронизации, модель объекта управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности управления, дополнительно введены блок формирования управляющих воздействий, блок задания состояния объекта, вход которого подключен к выходу

"Цикл" Ьлока синхронизации и к первому управляющему входу блока формирования управляющих воздействий, а

ВыхОд — к второму информационному входу блока формирования управляющих воздействий, первый информационный вход которого подключен к выходу модели объекта управления, а первый и второй выходы подключены соответст- венно к входу объекта управления и к первому информационному входу модели объекта управления, а второй, третий, четвертый управляющие входы

1 подключены соответственно к выходу

"Пуск" блока синхронизации и к первому управляющему входу модели объекта управления, к выходу "Останов" блока синхронизации и к второму управляющему входу модели объекта управления, к выходу "Сброс" блока синхронизации, выход "Исходное поло12

11

1755262 жение" которого подключен к третье= му управляющему входу модели объекта управления,: второй информационный вход которой подключен к выходу объекта управления, а четвертый и пятый управляющие входы - соответственно к выходам "Запись начальных условий объекта" и "Запись начальных условий модели объекта управления" блока синхронизации.

1755262

Составитель Н.Николаев

Техред М.Моргентал Корректор Л:Лукач

Редактор И.Касарда

Заказ 2893

Ю

Тираж Подписное

Р"ИИПИ Гос а ств н уд рственного комитета по изббретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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