Адаптивная цифровая система управления нестационарными технологическими объектами

 

Изобретение относится к системам автоматического цифрового управления объектами с нестационарными динамическими характеристиками и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Технический результат изобретения - повышение качества цифрового управления объектами с нестационарными динамическими характеристиками. Поставленная задача достигается тем, что в адаптивной цифровой системе управления нестационарными технологическими объектами, содержащей последовательно соединенные элемент сравнения, вырабатывающий сигнал рассогласования, равный разности задающего сигнала и текущего значения регулируемой величины, цифровой регулятор, объект управления, блок текущей идентификации, входы которого соединены с входом, выходом объекта и измеряемыми возмущениями, поступающими на объект, новым является то, что в нее дополнительно введены блок оценки настроек цифрового регулятора, блок оптимизации такта квантования, блок коррекции параметров модели объекта и настроек цифрового регулятора, при этом блок оценки настроек цифрового регулятора своим входом соединен с первым выходом блока текущей идентификации, а выходом - с первым входом блока оптимизации такта квантования, второй вход которого соединен со вторым выходом блока текущей идентификации, а выход - с входом блока коррекции параметров модели объекта и настроек цифрового регулятора, первый выход блока коррекции соединен со вторым входом цифрового регулятора, второй - с входом блока текущей идентификации, а третий - с третьим входом блока оптимизации такта квантования. Предложенная адаптивная цифровая система управления нестационарными технологическими объектами позволяет повысить динамическую точность и уменьшить время установления регулируемой переменной за счет варьирования временного квантования измеряемых входных и управляемых параметров и его оптимизации по выбранному критерию управления в процессе функционирования системы. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к системам автоматического цифрового управления объектами с нестационарными динамическими характеристиками и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является адаптивная система управления объектами с запаздыванием, содержащая задатчик, элемент сравнения, регулятор, объект управления, блок идентификации параметров математической модели объекта управления, блоки вычисления весовых функций объекта, блок настройки коэффициентов регулятора (см. а.с. СССР N 1297009, М.Кл.³ G 05 B 13/02 от 31.07.85).

В адаптивной системе рассчитываются параметры регулятора в соответствии с новыми параметрами модели объекта с нестационарными динамическими характеристиками, уточняемыми в результате текущей идентификации по измерениям входа, выхода объекта и возмущающему воздействию.

Недостатком этой системы является неудовлетворительное качество управления в условиях значительного изменения динамических характеристик объекта управления с течением длительного времени его работы, а также при скачкообразном их изменении по каналам управления и возмущения вследствие того, что временное квантование измеряемых входных и управляемых параметров остается неизменным, что в значительной мере снижает динамическую точность и увеличивает время установления регулируемой переменной.

Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение качества цифрового управления объектами с нестационарными динамическими характеристиками.

Поставленная задача достигается тем, что в адаптивной цифровой системе управления нестационарными технологическими объектами, содержащей последовательно соединенные элемент сравнения, вырабатывающий сигнал рассогласования, равный разности задающего сигнала и текущего значения регулируемой величины, цифровой регулятор, объект управления, блок текущей идентификации, входы которого соединены с входом, выходом объекта и измеряемыми возмущениями, поступающими на объект, новым является то, что в нее дополнительно введены блок оценки настроек цифрового регулятора, блок оптимизации такта квантования, блок коррекции параметров модели объекта и настроек цифрового регулятора, при этом блок оценки настроек цифрового регулятора своим входом соединен с первым выходом блока текущей идентификации, а выходом - с первым входом блока оптимизации такта квантования, второй вход которого соединен со вторым выходом блока текущей идентификации, а выход - с входом блока коррекции параметров модели объекта и настроек цифрового регулятора, первый выход блока коррекции соединен со вторым входом цифрового регулятора, второй - с входом блока текущей идентификации, а третий - с третьим входом блока оптимизации такта квантования.

Технический результат изобретения выражается в том, что повышается динамическая точность и уменьшается время установления регулируемой переменной за счет варьирования временного квантования измеряемых входных и управляемых параметров и его оптимизации по выбранному критерию управления в процессе функционирования системы.

Совокупность новых признаков в сочетании с известными сообщают предлагаемому изобретению новые свойства, обеспечивающие повышение качества управления технологическим объектом в условиях нестационарного поведения, за счет введения оптимизации такта квантования и коррекции настроек цифрового регулятора в соответствии с оптимальным тактом.

На чертеже показана функциональная структурная схема для реализации предлагаемой системы. Схема содержит элемент 1 сравнения, цифровой регулятор 2, объект 3 управления, блок 4 текущей идентификации, блок 5 оценки настроек цифрового регулятора, блок 6 оптимизации такта квантования, блок 7 коррекции.

Адаптивная цифровая система управления работает следующим образом.

Элемент 1 сравнения вырабатывает сигнал рассогласования e на цифровой регулятор 2: e_i=y³_i-y_i, (1) где y³_i, y_i - задающий сигнал и текущее значение регулируемой величины; i - текущий индекс такта квантования.

Квантование осуществляется по времени с длительностью такта Т₀.

Цифровой регулятор 2 по сигналу рассогласования e вырабатывает управляющее воздействие u на вход объекта 3 в соответствии с алгоритмом цифрового управления: где m - порядок цифрового регулятора; q_l - настройки цифрового регулятора ().

Блок 4 текущей идентификации по текущим измерениям входа u, выхода у объекта и возмущений f, поступающих на объект, корректирует параметры модели объекта по каналам управления и возмущения. При этом модель объекта представлена в конечно-разностной форме: где a_s, b_h - параметры модели объекта по каналу управления; c_ν,r - - параметры модели объекта по каналам возмущения; n,w,p - порядки полиномов конечно-разностного уравнения; f_ν - возмущения на объект; k - число измеряемых возмущений; d_1,d_2,ν - числа тактов запаздывания по каналу регулирования и каналам возмущения: где τ₁, τ_2,ν - время чистого запаздывания по каналам регулирования и возмущения.

В блоке 4 текущей идентификации коррекция параметров a_s,b_h,c_ν,r осуществляется рекуррентным методом наименьших квадратов.

С выхода блока 4 текущей идентификации скорректированные параметры модели (3) объекта поступают на вход блока 5 оценки настроек q_l цифрового регулятора 2, где осуществляется предварительный расчет настроек при исходном Т₀ (например, методом покоординатного спуска), которые должны соответствовать оптимуму комплексного критерия:
где N - число тактов Т₀ квантования, определяемое временем установления переходного процесса; Δu - отклонение регулирующей переменной от установившегося значения (Δu_i = u_i - u_N), r - весовой коэффициент, учитывающий затраты на управление.

В блоке 6 оптимизации такта Т₀ квантования осуществляется пробный шаг ±ΔТ₀ в двух направлениях и по информации от блоков 4, 5 производится расчет оценок параметров a_s,b_h,c_ν,r,d_1,d_2,ν модели объекта (3) и настроек q_l алгоритма цифрового управления (2) при T₀ + ΔT₀ и Т₀ - ΔT₀. При этом вычисляются соответствующие значения критерия (5) S(+), S(-) и выполняется шаг по Т₀ в направлении убывания критерия S:

где Т^j₀, Т^j-1₀ - такт квантования на текущей и предыдущей итерациях приближения; S^j(0), S^j(-), S^j(+) - значения критерия (5) в исходной точке и в приращениях.

Величина шага Δ Т₀ рассчитывается по алгоритму

где K₁, K₂ - коэффициенты шага (0 < К₁ <1,1 <K < 2).

На первой итерации приближения к оптимуму (j=1) ΔT¹₀ = 0,01·T¹₀.

С выхода блока 6 оптимизации текущие значения оценок параметров модели объекта, настроек алгоритма цифрового управления и рассчитанного такта Т^j₀ квантования поступают на вход блока 7 коррекции, где осуществляется корректировка параметров a_s,b_h,c_ν,r,d_1,d_2,ν,q₁ при новом значении Т₀. В блоке 7 коррекции производится проверка выполнения условия окончания поиска оптимального такта квантования:
ΔT^j₀<ε, (8)
где ε - заданная точность оптимума.

При невыполнении условия (8) скорректированные параметры a_s,b_h,c_ν,r,d_1,d_2,ν,q₁ с выхода блока 7 коррекции поступают на вход блока 6 оптимизации такта Т₀ квантования. При выполнении условия (8) с выхода блока 7 коррекции оптимальное значение такта Т₀ квантования и скорректированные настройки q_l поступают на второй вход цифрового регулятора 2, в соответствии с которыми реализуется алгоритм (2) цифрового управления. Одновременно с выхода блока 7 значение Т₀ и скорректированные параметры a_s,b_h,c_ν,r,d_1,d_2,ν поступают на вход блока 4 текущей идентификации модели (3) объекта управления.

Использование изобретения позволяет повысить динамическую точность и уменьшить время установления регулируемой переменной за счет варьирования временного квантования измеряемых входных и управляемых параметров и его оптимизации по выбранному критерию управления в процессе функционирования системы.

Формула изобретения

Адапативная цифровая система управления нестационарными технологическими объектами, содержащая последовательно соединенные элемент сравнения, вырабатывающий сигнал рассогласования, равный разности задающего сигнала и текущего значения регулируемой величины, цифровой регулятор, объект управления, блок текущей идентификации, входы которого соединены с входом, выходом объекта и измеряемыми возмущениями, поступающими на объект, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены блок оценки настроек цифрового регулятора, блок оптимизации такта квантования, блок коррекции параметров модели объекта и настроек цифрового регулятора, при этом блок оценки настроек цифрового регулятора своим входом соединен с первым выходом блока текущей идентификации, а выходом - с первым входом блока оптимизации такта квантования, второй вход которого соединен со вторым выходом блока текущей идентификации, а выход - с входом блока коррекции параметров модели объекта и настроек цифрового регулятора, первый выход блока коррекции соединен со вторым входом цифрового регулятора, второй - с входом блока текущей идентификации, а третий - с третьим входом блока оптимизации такта квантования.

РИСУНКИ

Рисунок 1