Интеллектуальная система регулирования

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию, в частности к системам с координатными и параметрическими обратными связями, и может быть использовано для построения систем управления техническими объектами, например шахтными печами, агломерационными машинами, которые характеризуются значительным запаздыванием и расстройствами технологического процесса под влиянием неконтролируемых возмущений с существенно нестационарными статическими свойствами. Техническим результатом является повышение точности и расширение диапазона регулирования за счет своевременного обнаружения и предотвращения развития расстройства объекта. Устройство содержит объект регулирования, два исполнительных блока, датчик выходной координаты, датчик значения координатного регулирующего воздействия, блок задержки, регулирующий блок, фильтр низкой частоты, сумматор, три блока сравнения, модель объекта без запаздывания, два блока экстраполяции, задатчик выходной координаты, блок датчиков параметров состояния объекта, блок задатчиков параметров состояния объекта, робастный фильтр, блок оценки состояния объекта, блок пороговых элементов, формирователь управляющих параметрических воздействий. 1 ил.

 

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию, в частности к системам с координатной и параметрической обратными связями, и может быть использовано для построения систем управления техническими объектами, например шахтными печами, агломерационными машинами, которые характеризуются значительными запаздываниями и расстройствами технологического процесса под влиянием неконтролируемых возмущений с существенно нестационарными статистическими свойствами.

Известна экспертная система управления нагревом доменной печи, использующая продукционные правила для регулирования выходной координаты - нагрева печи [1].

Однако такая система управления не обеспечивает высокой точности и диапазона регулирования, т.к. не учитывает текущее параметрическое состояние печи (нормальный ход технологического процесса и его расстройства).

Наиболее близкой к изобретению является система регулирования, относящаяся к системам регулирования с координатной и параметрической обратными связями [2], содержащая объект регулирования, первый и второй исполнительные механизмы, датчик координаты, первый и второй блоки задержки, первый регулятор для регулирования модели объекта без запаздывания, второй регулятор для стабилизации параметров объекта регулирования, первый и второй фильтры низкой частоты, первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки сравнения, модель объекта без запаздывания, первый и второй сумматоры, первый и второй задатчики, экстраполятор, масштабирующий блок и источники постоянного сигнала. Вырабатываемый регулятором сигнал о регулирующем воздействии U^M(t-τ) содержит эффекты координатных и параметрических неконтролируемых возмущений и изменений заданий на выходную координату объекта, а их выделение производится путем вычитания их опорных значений из регулирующего воздействия. При этом опорные значения параметрического и координатного возмущения определяются при запуске системы.

Недостатками известной системы регулирования являются невысокая точность и недостаточный диапазон регулирования, которые обусловлены тем, что:

а) не учитываются в явном виде параметры состояния объекта;

б) невозможно оценить текущее состояние объекта регулирования;

в) невозможна практическая реализация системы регулирования, если количество контролируемых параметров состояния объекта превышает единицу.

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона регулирования за счет своевременного обнаружения и предотвращения развития расстройства объекта.

Интеллектуальная система регулирования содержит первый задатчик, последовательно включенные второй датчик, блок задержки, второй блок сравнения, модель объекта без запаздывания, сумматор, первый блок сравнения, фильтр низкой частоты, регулирующий блок, первый блок экстраполяции, первый исполнительный блок, объект регулирования и первый датчик, выход первого задатчика соединен со вторым входом первого блока сравнения, выход регулирующего блока - со вторым входом второго блока сравнения, блок третьих задатчиков, последовательно соединенные блок третьих датчиков, робастный фильтр, третий блок сравнения, блок оценки состояния объекта регулирования, второй блок экстраполяции, блок пороговых элементов, формирователь параметрических управляющих воздействий и второй исполнительный блок.

На чертеже приведена блок-схема интеллектуальной системы регулирования.

Система регулирования содержит объект 1 регулирования, первый 2 и вторые 14 исполнительные блоки, первый датчик 5 выходной координаты, второй датчик 3 значения координатного регулирующего воздействия, блок задержки 4, регулирующий блок 10, фильтр низкой частоты 11, сумматор 9, первый 12 и второй 7 блоки сравнения, модель 8 объекта без запаздывания, первый блок 6 экстраполяции, первый задатчик 13 выходной координаты, блок 15 третьих датчиков параметров состояния объекта, блок 17 вторых задатчиков параметров состояния объекта, робастный фильтр 16, третий блок 18 сравнения, блок 19 оценки состояния объекта, второй блок 20 экстраполяции, блок 21 пороговых элементов, формирователь 22 управляющих параметрических воздействий. Кроме того, обозначены первое U_к (координатное) и вторые U_п (параметрические) регулирующие воздействия, Y-выходная регулируемая координата, S-параметры состояния объекта. Регулирующий блок 10 работает в соответствии, например, с пропорционально-интегральным законом регулирования. Блоки 6 и 20 экстраполяции могут быть представлены реальными форсирующими звеньями. Модель 8 объекта представляется в виде инерционного звена. Датчиками Y-координат объекта могут служить, например, температура чугуна на выпуске доменной печи или производительность любой шахтной печи; датчиками S-параметров состояния объекта могут быть, например, перепады давлений по высоте печи, температуры внутри печи, скорость схода шихты и другие измеряемые параметры объекта. Координатными управляющими воздействиями U_к могут быть, например, расход кокса в подачу, расход пара на увлажнение дутья, а параметрическими управляющими воздействиями U_п - высота уровня засыпи шихты в печи, порядок загрузки компонентов шихты в печь, расход и давление дутья в печь.

Интеллектуальная система регулирования работает следующим образом.

Сигнал об измеренной первым датчиком 5 выходной координате y(t) объекта 1 регулирования в сумматоре 9 алгебраически суммируется с сигналом модели 8 объекта регулирования без запаздывания и в результате получается сигнал y^m(t) о выходной координате модельного контура регулирования. Сигнал y^m(t) вычитается в первом блоке 12 сравнения из сигнала первого задатчика 13 о заданном значении выходной координаты объекта 1 регулирования. В фильтре 11 низкой частоты подавляется высокочастотная помеха выходного сигнала первого блока 12 сравнения. С выхода фильтра 11 низкой частоты сигнал проходит на регулирующий блок 10 с пропорционально-интегральным законом регулирования, в котором вырабатывается образцовое регулирующее воздействие U

m

k

(t-τ) на момент времени (t-τ). Для выработки координатного регулирующего воздействия U_k(t) на текущий момент времени сигнал о U

m

k

(t-τ) экстраполируется в первом блоке экстраполяции на время τ и подается на первый исполнительный блок 2 для реализации. Сигнал второго датчика 3 об измеренном значении реализованного регулирующего воздействия U_k(t) задерживается в блоке 4 задержки на время τ и вычитается во втором блоке 7 сравнения из сигнала об U

m

k

(t-τ). Сигнал о полученной разности преобразуется в модели 8 объекта в сигнал о приращении выходной координаты, и, таким образом, получается замкнутый контур модельного регулирования.

В свою очередь, значения параметров состояния объекта 1 регулирования, например перепады давления в печи, скорость и характер схода шихты, температуры внутри печи, измеряются в блоке 15 третьих датчиков параметров состояния и сглаживаются затем робастным фильтром 16, где подавляются высокочастотные и грубые помехи. Сглаженные в фильтре 16 сигналы вычитаются в третьем блоке 18 сравнения из заданных значений параметров состояния объекта 1 регулирования, поступающих с выходов блока 17 вторых задатчиков параметров состояния. Значения параметров состояния объекта 1 регулирования задаются в блоке 17 задатчиков состояния исходя из требований технологических инструкций по ведению процесса и определяют нормальный режим функционирования объекта регулирования. Для шахтных печей - это ровный ход и нормальный нагрев печи, для агломерационных машин - оптимальная скорость спекания.

Сигналы полученной разности о параметрах состояния поступают на вход блока 19 оценки состояния объекта 1 регулирования, который осуществляет диагностирование состояния объекта по выявлению расстройства работы объекта под влиянием возмущений. Для шахтных печей такими расстройствами могут быть, например, периферийный, тугой, канальный ход, разогрев или похолодание печи. Обнаружение соответствующего расстройства хода объекта производится с помощью алгоритмов нечетной логики, определяющих вероятность его появления и дальнейшего развития.

В системе интеллектуального регулирования вероятность развития расстройства объекта 1 задается следующими формулами:

1. При связи логического И вероятность предпосылки

Р_{предпосылки}=Р[Х И Y,.]=min{P[X,.], P[Y,.]}

2. При связи ИЛИ

Р_{предпосылки}=Р[Х ИЛИ Y,.]=max{P[X,], P[Y,.]}

3. При комбинированной логической связи

где

Р[А,Х] - вероятность вывода А при появлении предпосылки Х,

P[A,Y] - то же при появлении предпосылки Y.

Эти вероятности устанавливаются экспортно исходя из требований технологических инструкций.

P[A,X,Y] - вероятность вывода А при одновременном действии двух предпосылок Х и Y. Вероятность Р, полученная из трех и более независимых доказательств, выводится последовательно, используя указанные выше формулы.

Под предпосылками X, Y и т.д. понимаются отклонения параметров состояния объекта от заданных значений, поступающих одновременно на блок 19 оценки состояния объекта 1. Сигнал с выхода блока 19 оценки состояния объекта о значении вероятности развития соответствующего расстройства экстраполируется затем во втором блоке 20 экстраполяции на время ω соответствующего минимальному запаздыванию по каналу параметрического управляющего воздействия из множества U_п. Экстраполированное значение вероятности развития соответствующего расстройства поступает на вход блока 21 пороговых элементов, на выходе которого появляется логический сигнал “1”, если экстраполированное значение вероятности соответствующего расстройства превысит установленное значение. Сигнал о выявленном расстройстве объекта поступает на формирователь 22 управляющих параметрических воздействий, которыми могут быть, например, изменения порядка загрузки шихты в печь, высоты уровня засыпи шихты, расхода и давления дутья в печь, давления газа на колошнике печи. Правила по определению вида и изменению величины параметрического управляющего воздействия при конкретном расстройстве печи закладываются в формирователь 22 управляющих воздействий из технологической инструкции в части мер по ликвидации намечаемых расстройств работы объекта. Сформулированные в цифровом виде формирователем 22 управляющих параметрических воздействий, например, “Увеличить высоту засыпи шихты на 0.5 метра”, “Изменить систему загрузки в сторону загрузки периферии печи”, “Уменьшить расход дутья на 100 м³/мин” подаются на вход второго исполнительного блока 14, изменяющего в требуемом направлении параметрические управляющие воздействия, направленные на ликвидацию намечающегося расстройства функционирования объекта 1 регулирования.

Введение новых интеллектуальных блоков и связей, обеспечивающих предотвращение расстройства функционирования объекта, позволяет расширить диапазон и повысить точность регулирования.

Источники информации

1. Прикладные нечеткие системы. Под редакцией Т.Терано, К.Асаи, М.Сугэно. М.: Мир, 1993, с.76-88.

2. Авторское свидетельство СССР №1298711, кл. G 05 В 13/00, 1985.

Интеллектуальная система регулирования, содержащая первый задатчик выходной координаты, последовательно включенные второй датчик значения координатного регулирующего воздействия, блок задержки, второй блок сравнения, модель объекта без запаздывания, сумматор, первый блок сравнения, фильтр низкой частоты, регулирующий блок, первый блок экстраполяции, первый исполнительный блок, предназначенный для выработки координатного регулирующего воздействия на текущий момент времени, объект регулирования и первый датчик выходной координаты объекта регулирования, выход первого задатчика выходной координаты соединен со вторым входом первого блока сравнения, выход регулирующего блока - со вторым входом второго блока сравнения, сигнал с выхода первого датчика суммируется в сумматоре с сигналом модели объекта без запаздывания, второй датчик предназначен для измерения регулирующего воздействия, реализованного первым исполнительным блоком, отличающаяся тем, что в нее введены блок вторых задатчиков параметров состояния объекта, последовательно соединенные блок третьих датчиков параметров состояния объекта, предназначенных для измерения значений параметров состояния объекта регулирования, робастный фильтр, третий блок сравнения, блок оценки состояния объекта регулирования, предназначенный для диагностирования состояния объекта по выявлению расстройства работы объекта под влиянием возмущений, второй блок экстраполяции, блок пороговых элементов, формирователь параметрических управляющих воздействий, второй исполнительный блок, предназначенный для изменения параметрических управляющих воздействий, направленных на ликвидацию намечающегося расстройства функционирования объекта регулирования, выход блока вторых задатчиков параметров состояния объекта регулирования соединен с третьим блоком сравнения.