Система комбинированного управления объектами двойного интегрирования

 

Использование: в области оптимального управления, в управлении движущимися объектами, двигателями постоянного тока, химико-технологическими процессами. Сущность изобретения: расширение области применения, повышения качества управления, экономия энергетических ресурсов, обеспечение оперативного синтеза оптимального управления, возможность реализации системы управления простыми устройствами, что более экономично, обеспечение функционирования управляющего устройства в реальном времени. Система содержит блок 4 коммутации, анализатор 5, генератор 7 временой зависимости, формирователь 8 синтезирующих сигналов, блок 10 позиционного управления, блок 11 программного управления, ограничитель 3 сигнала, исполнительное устройство 1 объекта 2 управления. 12 ил., 1 табл.

Изобретение относится к системам автоматического управления и может найти применение при разработке оптимальных систем управления объектами двойного интегрирования, в частности для управления летательными аппаратам, двигателями постоянного тока, химико-технологическими процессами.

Известна система программного управления, состоящая из последовательно соединенных программно-задающего блока, блоков сравнения, логических элементов И, ИЛИ, компаратора, формирователя импульсов, блока памяти, реверсивного счетчика, датчиков скорости и положения, усилителя мощности, генератора импульсов, исполнительного механизма и др.

Однако данная система может реализовывать только программную стратегию управления. Кроме того, наличие блока памяти предполагает для реализации системы ЦВМ.

Известна система позиционного управления с коррекцией погрешности для двойных интеграторов.

Однако данная система не может осуществлять управление, оптимальное по минимуму затрат энергии. Кроме того, данная система не обеспечивает устойчивого управления при сбоях в каналах передачи информации.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе является система оптимального управления объектами второго порядка. Система содержит исполнительное устройство, объект управления, дифференциатор, задатчик исходных данных, блок оптимального быстродействия. Система обладает расширенным функциональными возможностями при управлении, оптимальном по быстродействию.

Однако на практике встречают задачи управления, оптимального по минимуму затрат энергии, и задачи программного управления при нарушении обратной связи по фазовым координатам на выходе объекта.

Целю изобретения является расширение области применения, повышение качества управления и экономия энергетических ресурсов во всем диапазоне изменения исходных данных задачи управления, обеспечение оперативного синтеза оптимального управления, возможность реализации системы управления простыми устройствами, что более экономично, обеспечение функционирования управляющего устройства в реальном времени, а также повышение безопасности эксплуатации объектов, предотвращение аварийных ситуаций.

Цель достигается тем, что система оптимального управления, содержащая исполнительное устройство, объект управления, задатчик исходных данных и блок оптимального быстродействия, выход которого соединен с входом исполнительного устройства, выход которого соединен с входом объекта, выход которого подключен к входу дифференциатора и первому входу блока оптимального быстродействия, третий вход которого соединен с первым выходом задатчика, второй выход которого подключен к четвертому входу блока оптимального быстродействия, второй вход которого соединен с выходом дифференциатора, согласно изобретению дополнительно содержит блок коммутации, анализатор, генератор временной зависимости, формирователь синтезирующих сигналов, блок позиционного управления, блок программного управления, ограничитель сигнала управления, причем первый выход объекта управления подключен к первым входам анализатора и блока оптимального быстродействия, к второму входу формирователя синтезирующих сигналов, третий вход которого соединен с вторыми входами анализатора и блока оптимального быстродействия и вторым выходом объекта, первый вход формирователя синтезирующих сигналов соединен с входом генератора временной зависимости и пятым выходом задатчика, второй выход которого соединен с четвертым входом блока оптимального быстродействия и шестым входом анализатора, четвертый выход задатчика подключен к пятому входу блока оптимального быстродействия и четвертому входу формирователя синтезирующих сигналов, пятый вход которого соединен с вторым выходом генератора временной зависимости, первый выход которого соединен с вторым входом блока программного управления, первый вход которого соединен с пятым входом анализатора и первым выходом формирователя синтезирующих сигналов, а первый и второй выходы соответственно с первым и вторым входами блока коммутации, четвертый и третий входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока программного управления, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами формирователя синтезирующих сигналов и третьим и четвертым входами анализатора, первый, второй, третий, четвертый и пятый входы которого подключены соответственно к шестому, седьмому, восьмому, девятому и десятому входам блока коммутации, пятый вход которого соединен с выходом блока оптимального быстродействия, первый и третий выходы задатчика соединены соответственно с седьмым и шестым входами формирователя синтезирующих сигналов, выход блока коммутации соединен с входом ограничителя сигнала управления, выход которого подключен к входу исполнительного устройства.

При анализе известных технических решений не обнаружены, решения, имеющие признаки, сходные с совокупностью отличительных признаков заявляемой системы управления, что позволяет сделать вывод о существенности отличий.

На фиг.1 представлена функциональная схема системы оптимального управления объектом двойного интегрирования; на фиг.2-10 изображены функциональные схемы блоков, раскрытые до уровня известных элементов; на фиг.11 области оптимального управления в пространстве синтезирующих сигналов; на фиг.12 функции оптимального управления.

Система (фиг.1) содержит исполнительное устройство 1, объект 2 управления, ограничитель 3 сигнала управления, блок 4 коммутации, анализатор 5, задатчик 6, генератор 7 временной зависимости, формирователь 8 синтезирующих сигналов, блок 9 оптимального быстродействия, блок 10 позиционного управления, блок 11 программного управления. Выход исполнительного устройства 1 соединен с входом объекта 2 управления, первый выход которого подключен к первым входам анализатора 5 и блока 9 оптимального быстродействия к второму входу формирователя 8 синтезирующих сигналов, третий вход которого соединен с вторыми входам анализатора 5 и блока 9 оптимального быстродействия и вторым выходом объекта 2 управления. Первый вход формирователя 8 синтезирующих сигналов соединен с входом генератора 7 временной зависимости и пятым выходом задатчика 6, первый выход которого соединен с третьим входом блока 9 оптимального быстродействия и седьмым входом формирователя 8 синтезирующих сигналов, второй с четвертым входом блока 9 оптимального быстродействия, третий с шестыми входами анализатора 5 и формирователя 8, а четвертый выход с пятым входом блока 9 оптимального быстродействия и четвертым входом формирователя 8 синтезирующих сигналов. Пятый вход последнего соединен с вторым выходом генератора 7 временной зависимости, первый выход которого соединен с вторым входом блока 11 программного управления. Первый вход блока 11 соединен с пятым входом анализатора 5 и первым выходом формирователя 8 синтезирующих сигналов, а первый и второй выходы соответственно с первым и вторым входами блока 4 коммутации, четвертый и третий входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока 10 позиционного управления. Первый и второй входы блока 10 соединены соответственно с вторым и третьим выходами формирователя 8 синтезирующих сигналов и третьим и четвертым входами анализатора 5, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого подключены соответственно к шестому, седьмому, восьмому, девятому и десятому входам блока 4 коммутации. Пятый вход блока 4 соединен с выходом блока 9 оптимального быстродействия, а выход через ограничитель 3 сигнала управления с входом исполнительного устройства 1.

Для объекта двойного интегрирования = Z₂(t); = bu(t), (1) оптимального по минимуму затрат энергии, управление u*, осуществляющее перевод объекта из начального состояния z(t_o) (z₁₀; 0) в конечное z(t_к) (z_1к; z_2к) на интервале времени [t_o; t_к] при ограничении 1≅u(t)≅1 определяется законом u* u_п3, если имеется информация о фазовых координатах объекта и конечное значение второй фазовой координаты объекта z_2к 0 (область АВСЕ на фиг.11), u* u_пр, если отсутствует информация о фазовых координатах объекта и конечное значение второй фазовой координаты объекта z_2к 0 (отрезок ОD на фиг.11), u* u₅, если конечное значение второй фазовой координаты объекта z_2к≠0 или реализация управления u* невозможна за заданный промежуток времени (внешняя незамкнутая область на фиг.11), где u_пр программное управление; u_п3 позиционное управление; u₅ оптимальное по быстродействию управление.

Для реализации позиционного управления формируют два синтезирующих сигнала: x y (2) где τ= t t_к оставшаяся продолжительность временного интервала управления, по которым вырабатывают оптимальное позиционное управление u^*_п3 (3) Здесь управляющему воздействию u_п31 соответствуют область АВСD (фиг.11) и одна из функций оптимального управления (фиг.12а,б) а управляющему воздействию u_п32 область ADCE (фиг.11) и одна из функций оптимального управления (фиг.12в,г).

Для реализации программного управления вырабатывают синтезирующий сигнал y_o= (4) и комплексный сигнал времени Θ (5) где τ_о= tк to продолжительность временного интервала управления, по которым формируют оптимальное программное управление u^*_пр
(6)
Управляющему воздействию u_пр1 соответствует отрезок OD на фиг.11 (одна из функций оптимального управления на фиг.12а,б), а управляющему воздействию u_пр2 отрезок DE на фиг.11 (однако из функций оптимального управления на фиг. 12в,г).

Для реализации оптимального по быстродействию управления согласно прототипу вырабатывают сигнал
S Z₁-Z_1к+ (Z₂+Z_2к)Z₂-Z, (7) определяющий характер управления, а именно
u_б= (8)
Управление u_Б соответствует внешняя незамкнутая область на фиг.11 (функции оптимального управления на фиг.12д,е).

Необходимость перехода от позиционного управления к программному может быть вызвана следующими обстоятельствами.

В случае автономной системы автоматического управления нарушения датчика текущего значения координаты z₁ (расстояния) или дифференцирующего устройства для вычисления z₂ делают невозможным оптимальное управления с использованием обратной связи. Кроме того, при необходимости экономии энергии вследствие "разрядки" источников питания целесообразно отключить максимальное число узлов.

В случае определения координаты z₁, а также выработки сигнала управления с использованием внешней системы связи и наведения переход к программному управлению может быть обусловлен не только отказами системы связи, но и появлением активных или пассивных помех.

Для определения момента перехода от позиционного управления к программному используется критерий
Z^о₂^б- > ε, т.е. сравнивается значение второй фазовой координаты объекта, полученное с помощью датчиков на объекте, со значением второй фазовой координаты объекта, полученным дифференцированием первой фазовой координаты объекта в системе управления (блок 5). Если значения вторых фазовых координат соизмеримы (различаются не более чем на некоторую величину ε), то информация о фазовых координатах объекта достоверна и в процессе управления используется позиционная стратегия. В противном случае осуществляется переход к программной стратегии управления.

Заявляемая система работает следующим образом.

С выходов задатчика 6 сигналы, соответствующие начальному и конечному (требуемому) значениям первой фазовой координаты объекта z₁₀ и z_1к, конечному значению второй фазовой координаты объекта z_2к, параметру объекта b и продолжительности временного интервала управления τ_о, поступают соответственно на шестой вход формирователя 8 синтезирующих сигналов, на третий вход блока 9 оптимального быстродействия и седьмой вход формирователя 8 синтезирующих сигналов, на первый вход анализатора 5 и четвертый вход блока 9 оптимального быстродействия, на пятый вход блока 9 оптимального быстродействия и четвертый вход формирователя 8 синтезирующих сигналов, на вход генератора 7 временной зависимости и первый вход формирователя 8 синтезирующих сигналов. Сигнал текущего значения первой фазовой координаты объекта z₁ подается на первый вход анализатора 5 и второй вход формирователя 8 синтезирующих сигналов. Сигнал второй фазовой координаты объекта z₂ поступает на второй вход анализатора 5 и третий вход формирователя 8 синтезирующих сигналов, на пятый вход которого поступает также из генератора 7 временной зависимости значение сигнала оставшейся продолжительности временного интервала управления. Генератором временный зависимости вырабатывается комплексный сигнал времени Θ (формула (5)), поступающий на второй вход блока 11 программного управления.

С выходов формирователя 8 синтезирующих сигналов снимаются статический синтезирующий сигнал Y_o (cм.формулу (4)) и два динамических синтезирующих сигнала х и у (формула (3)), которые поступают соответственно на пятый вход анализатора 5 и первый вход блока 11 программного управления, на третий вход анализатора 5 и первый вход блока 10 позиционного управления, на четвертый вход анализатора 5 и второй вход блока 10 позиционного управления. Блоком 9 оптимального быстродействия вырабатывается сигнал управляющего воздействия u_Б в соответствии с выражениями (7) и (8). Блоком 10 позиционного управления формируются два сигнала управляющих воздействий u_п31 и u_п32 (формула (3)), а блоком 11 программного управления вырабатываются два сигнала управляющих воздействий u_пр1 и u_пр2 (формула (6)). Таким образом, на входы блока 4 коммутации поступают пять сигналов управляющих воздействий и в зависимости от состояния пяти управляющих входов 6-10 блока коммутации, на которые поступают сигналы вида управления v₁,v₅, каждый из которых может принимать два значения "0" или "1", на вход исполнительного устройства 1 поступает один из пяти сигналов управляющих воздействий u_пр1, u_п32, u_пр1,u_пр2, u_Б.

Анализатором 5 (фиг. 10) вырабатываются сигналы вида управления v₁,v₅, которые принимают значения v₁ 0, если имеется информация о фазовых координатах объекта z₁ и z₂, поступающих на первый и второй входы анализатора 5, и v₁ 1 в противном случае:
-я)
или y < x+1-2 для x∈[-2,2] или x∉[-2,2] v₃ 0 в противном случае, v₅ 1, если конечное значение второй фазовой координаты объекта z_2к≠0, и v₅ 0 в противном случае.

По сигналам v₁,v₅ блок 4 коммутации (фиг.9), состоящий из коммутаторов и элемента ИЛИ, подает через ограничитель 3 сигнала управления на вход исполнительного устройства 1 один из пяти сигналов управляющих воздействий u_п31, u_п32, u_пр1, u_пр2, u_Б в соответствии с таблицей, обеспечивая тем самым выполнение закона управления.

Блоки 1, 2 системы (фиг.1) не содержат никаких изменений по сравнению с прототипом. Задатчик 6 (фиг.5) представляет собой блок резисторов, с помощью которых обеспечивают необходимые напряжения, пропорциональные задаваемым величинам z_1к, z_2к. Дополнительно включены резисторы, задающие напряжения, соответствующие параметру объекта b, начальному значению первой фазовой координаты z₁₀, а также резистор, задающий необходимую постоянную времени, используемую генератором 7 временной зависимости, и обеспечивающий необходимую продолжительность временного интервала управления τ_о.

Блок 9 оптимального быстродействия 9 (фиг.7) осуществляет синтез оптимального по быстродействию управления согласно прототипу и содержит три сумматора, блок выделения модуля (БВМ), множительное устройство (МУ) и релейный элемент (РЭ). В отличие от прототипа вместо масштабного блока установлено второе множительное устройство, что позволяет производить синтез оптимального по быстродействию управления для объектов с различными параметрами b (значения параметра изменяются в задатчике 6).

Основу генератора 7 временной зависимости (фиг.4) составляет интегрирующий усилитель на основе операционного усилителя (ОУ) и функциональный преобразователь, содержащий два сумматора и делительное устройство (ДУ). Процесс отсчета временных зависимостей начинается при замыкании контактов выключателя.

Формирователь 8 синтезирующих сигналов (фиг.6) содержит масштабный блок (МБ), два сумматора, квадратор (КВ), три множительных устройства (МУ), три делительных устройства (ДУ) и осуществляет выработку синтезирующих сигналов в соответствии с выражениями (2), )4).

Блок 10 позиционного управления (фиг.2) содержит четыре сумматора, квадратор (КВ), делительное устройство (ДУ) и осуществляет синтез двух сигналов позиционного управления u_п31 и u_п32 в соответствии с выражением (3).

Блок 11 программного управления (фиг.3) содержит сумматор, масштабный блок (МБ), множительное устройство (МУ), делительное устройство (ДУ), блок выделения квадратного корня (БВКК) и осуществляет синтез двух сигналов программного управления в соответствии с выражением (6).

Анализатор 5 (фиг.10) содержит дифференциатор (Д), сумматор, блок выделения модуля (БВМ), релейный элемент (РЭ) (данные элементы формируют сигнал v₁); семь диодов, два резистора, четыре сумматора, квадратор (КВ), три релейных элемента (РЭ), элемент ИЛИ (данные элементы формируют сигналы v₂ и v₃), сумматор, диод, релейный элемент (РЭ) (данные элементы формируют сигнал v₄), блок выделения модуля (БВМ) и релейный элемент (РЭ) (данные элементы формируют сигнал v₅).

Блок 4 коммутации (фиг.9) содержит четыре коммутатора (К) и элемент ИЛИ.

Ограничитель 3 сигнала управления (фиг.8) представляет собой двухтранзисторный ограничитель с эмиттерной связью.

Реализация используемых в блоках элементов (сумматоров, дифференциаторов, множительных устройств, делительных устройств) раскрывается в ряде источников. Блоки, выполняющие нелинейные операции (квадраторы, блок выделения квадратного корня), используют кусочно-линейную аппроксимацию требуемой зависимости и выполнены на основе диодных функциональных преобразователей. Реализация масштабных блоков, блоков выделения модуля, релейных элементов полностью соответствует реализации указанных блоков в прототипе.

Таким образом, расширение области применения предлагаемой системы осуществляется за счет выработки синтезирующих сигналов х и у, позволяющих в реальном времени определять как оптимальное по быстродействию, так и оптимальное управление с минимумом затрат энергии. При этом может реализовываться как позиционная, так и программная стратегии управления, за счет чего достигается также повышение качества управления и осуществляется экономия энергетических ресурсов при управлении во всем диапазоне изменения исходных данных. Обеспечение оперативного синтеза оптимального управления осуществляется за счет преобразования формирователем 8 исходных данных, выдаваемых задатчиком 6 и дифференциатором 3, в два синтезирующих сигнала х и у, которые используются анализатором 5 и блоком 10 позиционного управления для выработки непосредственно оптимального управления. Достоинством предлагаемой системы является возможность ее реализации простыми устройствами, что более экономично по сравнению с использованием ЭВМ. В предлагаемой системе управление осуществляется в реальном времени за счет использования предлагаемого набора (фиг. 1) функциональных блоков, т.е. параллельного соединения блоков 9, 10, 11.

Безопасность эксплуатации объектов и предотвращение аварийных ситуаций достигаются возможностью перехода с позиционного управления на программное при непредвиденных исчезновениях сигналов фазовых координат. Кроме того, при ограниченных энергоресурсах система позволяет перейти от управления, оптимального по быстродействию, которое требует значительных затрат энергии, на управление с минимальным расходом энергии.

Формула изобретения

СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ ДВОЙНОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ, содержащая задатчик параметров, блок оптимального быстродействия, первый информационный вход которого является первым информационным входом системы, служащим для подключения выхода первой фазовой координаты объекта управления, исполнительное устройство, выход которого является выходом системы, служащим для подключения управляющего входа объекта управления, отличающаяся тем, что в систему введены анализатор, блок коммутации, формирователь синтезирующих сигналов, блок позиционного управления, блок программного управления, блок коммутации, ограничитель сигнала и генератор временной зависимости, соединенный входом с выходом продолжительности временного интервала задатчика параметров и с первым информационным входом формирователя синтезирующих сигналов, второй информационный вход которого объединен с первым информационным входом анализатора и является первым информационным входом системы, третий информационный вход формирователя синтезирующих сигналов объединен с вторыми информационными входами анализатора и блока оптимального быстродействия и является вторым информационным входом системы, служащим для подключения выхода второй фазовой координаты объекта управления, выход параметра объекта задатчика параметров соединен с третьим информационным входом блока оптимального быстродействия и с четвертым информационным входом формирователя синтезирующих сигналов, подключенного пятым информационным входом к выходу продолжительности временного интервала управления генератора временной зависимости, шестым информационным входом к выходу начального значения первой фазовой координаты и к третьему информационному входу анализатора, а седьмым информационным входом к выходу конечного значения первой фазовой координаты задатчика параметров и к четвертому информационному входу блока оптимального быстродействия, связанного пятым информационным входом с выходом конечного значения второй фазовой координаты объекта управления, а выходом с первым управляющим входом блока коммутации, подключенного вторым и третьим управляющими входами соответственно к первому и второму выходам блока программного управления, а четвертым и пятым управляющими входами соответственно к первому и второму выходам блока позиционного управления, связанного первым и вторым информационными входами соответственно с первым и вторым выходами формирователя синтезирующих сигналов и соответственно с третьим и четвертым информационными входами анализатора, подключенного пятым информационным входом к третьему выходу формирователя синтезирующих сигналов и к первому информационному входу блока программного управления, соединенного вторым информационным входом с выходом комплексного времени генератора временной зависимости, с первого по пятый выходы анализатора подключены к соответствующим информационным входам блока коммутации, связанного выходом с входом ограничителя сигнала, подключенного выходом к входу исполнительного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13