Адаптивная система управления объектом с переменным транспортным запаздыванием

Изобретение относится к автоматике, в частности к адаптивным системам автоматического управления, предназначено для управления объектами с переменным транспортным запаздыванием, и может применяться в поточных линиях текстильной, легкой и химической промышленности. Технический результат изобретения заключается в повышении быстродействия системы при отработке возмущений, обеспечении адаптации к изменению величины запаздывания и коэффициентов передачи объекта, сокращении длительности переходных процессов при включении системы. Система содержит задатчик, первый сумматор, регулятор, первую модель объекта, первый элемент задержки, вторую модель объекта, блок настройки, датчик перемещения обрабатываемого продукта, первый квантователь, компенсационный регулятор, второй сумматор, умножитель, экстраполятор, элемент сравнения, второй квантователь, второй элемент задержки, первый, второй, третий и четвертый ключи. 5 ил.

 

Изобретение относится к автоматике, в частности к адаптивным системам автоматического управления, предназначено для управления объектами с переменным транспортным запаздыванием в условиях возмущений случайного характера и может применяться в поточных линиях текстильной, легкой и химической промышленности.

Известно устройство управления объектом с запаздыванием (регулятор Смита) [1], включающее в себя типовой регулятор, модель объекта без запаздывания, элемент задержки, первый, второй и третий сумматоры.

В данной системе высокое быстродействие обеспечивается за счет прогнозирования реакции объекта на управляющее воздействие с помощью модели без запаздывания. При этом сигнал с выхода модели подается на вход регулятора, как правило типового.

Недостатком подобной системы является существенное ухудшение показателей точности и быстродействия даже при небольших вариациях параметров объекта управления, прежде всего величины запаздывания. Кроме того, быстродействие такой системы при отработке возмущений ограничивается величиной 1,5-2 интервала запаздывания.

Известна также система управления сушильно-ширильной машиной (СШМ) [2], представляющей собой объект с транспортным запаздыванием. Данная система включает в себя датчики параметров ткани (ширины, плотности, влажности), прямой канал управления, канал обратной связи с пропорционально-интегральным (ПИ) регулятором, а также подсистему регулирования температуры в сушильной камере машины.

В указанной системе высокое быстродействие при отработке возмущений обеспечивается за счет прямого канала с компенсационным регулятором, а точность стабилизации - за счет канала обратной связи.

Однако подобная система требует длительной настройки при изменении параметров объекта управления, например, при смене артикула обрабатываемой ткани. Кроме того, наличие канала обратной связи с ПИ регулятором приводит к переходному процессу длительностью 5-6 интервалов запаздывания при включении системы.

Наиболее близким техническим решением является адаптивная система управления для объектов с запаздыванием [3], содержащая задатчик, сумматор, регулятор и объект, а также две модели объекта (два упредителя), элемент задержки и блок настройки моделей.

В указанной системе высокое быстродействие обеспечивается за счет применения модели объекта без запаздывания, сигнал которой поступает на вход регулятора, а адаптация к изменению параметров объекта обеспечивается блоком настройки.

Недостатком такой системы является ограничение быстродействия при отработке возмущений величиной 1,5-2 интервала запаздывания и ухудшение качества регулирования при изменении величины запаздывания объекта.

Технический результат изобретения состоит в повышении быстродействия системы при отработке возмущений, обеспечении адаптации к изменению величины запаздывания и коэффициентов передачи объекта, сокращении длительности переходных процессов при включении системы.

Для достижения технического результата в систему, состоящую из задатчика, первого сумматора, регулятора, первый модели объекта и первого элемента задержки, соединенных последовательно, второй модели объекта, блока настройки и объекта с переменным запаздыванием, дополнительно включены датчик перемещения обрабатываемого продукта, первый квантователь, компенсационный регулятор, второй сумматор, умножитель, экстраполятор, элемент сравнения, второй квантователь, второй элемент задержки, первый, второй, третий и четвертый ключи.

На первый вход первого квантователя подан сигнал возмущения, а второй вход соединен с выходом датчика перемещения, выход компенсационного регулятора соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом умножителя, выход экстраполятора соединен с первым входом объекта управления, на второй вход которого воздействует указанный выше сигнал возмущения. Первый вход блока настройки соединен с выходом первого квантователя, второй вход - с выходом второго квантователя, а третий вход - с выходом датчика перемещения, первый выход блока настройки соединен с вторым входом умножителя, при этом первый вход второго квантователя соединен с выходом объекта управления, второй вход - с выходом датчика перемещения. Вход элемента сравнения соединен со вторым входом блока настройки, а выход - с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого ключей. Выход второго квантователя через четвертый ключ соединен со вторым входом первого сумматора, третий вход которого через третий ключ соединен с выходом второго элемента задержки, четвертый вход соединен с выходом первого элемента задержки, пятый вход - с выходом первой модели объекта, второй вход второго сумматора через первый ключ соединен с задатчиком, третий вход через второй ключ соединен с выходом регулятора, вход второй модели объекта соединен с выходом регулятора, а выход - с входом второго элемента задержки.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предлагаемая система управления отличается наличием датчика перемещения, первого и второго квантователей, компенсационного регулятора, второго сумматора, умножителя, экстраполятора, элемента сравнения, второго элемента задержки, первого, второго, третьего и четвертого ключевых элементов, а также связей между ними, а именно следующих.

Соединенные последовательно первый квантователь, компенсационный регулятор, второй сумматор, умножитель и экстраполятор образуют прямой канал компенсации возмущений. Введение такого канала в систему управления с запаздыванием позволяет достичь максимального быстродействия при отработке возмущающих воздействий.

Применение комбинированных регуляторов в системах управления с запаздыванием является известным техническим решением. Однако в данном случае введение новых элементов и связей между ними обеспечивает адаптацию системы к изменениям параметров объекта, а также устойчивость процессов самонастройки.

Умножитель, второй вход которого соединен с первым выходом блока настройки, обеспечивает настройку компенсационного регулятора при изменении коэффициента передачи объекта. Критерием при этом служит коэффициент передачи системы по каналу передачи возмущений, который в процессе настройки сводится к нулю.

Применение первого, второго, третьего и четвертого ключей, управляющих блоком сравнения, обеспечивает отключение регулятора Смита от объекта в режиме настройки, и подключение вместо него второй модели с вторым элементом запаздывания. Такое решение позволяет обеспечить устойчивость процесса настройки, а также исключить переходные процессы при переключении системы в рабочий режим.

Применение датчика перемещения и квантователей с переменным периодом квантования позволяет обеспечить адаптацию системы к изменению времени запаздывания объекта управления. При этом время запаздывания первого и второго элементов задержки задается в относительных единицах - периодах квантования.

Таким образом, отмеченные отличия предлагаемого устройства от аналогов и прототипа являются существенными.

Структурная схема адаптивной системы управления (фиг.1) включает в себя первый квантователь 1, компенсационный регулятор 2, второй сумматор 3, умножитель 4, экстраполятор 5, объект управления 6, датчик перемещения 7, блок настройки 8, блок сравнения 9, второй квантователь 10, задатчик 11, первый ключ 12, второй ключ 13, первый сумматор 14, регулятор 15, первую модель объекта 16 и первый элемент задержки 17, вторую модель объекта 18 и второй элемент задержки 19, третий ключ 20 и четвертый ключ 21.

Возмущающее воздействие поступает на первый вход первого квантователя 1, второй вход (вход управления) которого соединен с выходом датчика перемещения 7. Цифровой сигнал первого квантователя проходит через последовательно соединенные компенсационный регулятор 2, второй сумматор 3, умножитель 4 и экстраполятор 5. Выход компенсационного регулятора 2 соединен с первым входом второго сумматора 3, второй вход которого через первый (нормально-замкнутый) ключ 12 соединен с выходом задатчика 11, а третий вход через второй (нормально-разомкнутый) ключ 13 соединен с выходом регулятора 15. Сигнал с выхода второго сумматора 3 проходит через умножитель 4 и экстраполятор 5, выход которого соединен с входом объекта 6. Выход объекта 6 соединен с первым входом второго квантователя 10, на второй вход которого поступает сигнал датчика перемещения 7.

Выход задатчика 11 подключен к первому входу первого сумматора 14, который последовательно соединен с регулятором 15, первой моделью объекта 16 и первым элементом задержки 17. Выход регулятора 15 соединен также с входом второй модели объекта 18, выход которой соединен с входом второго элемента задержки 19. Второй вход первого сумматора 14 через четвертый (нормально-разомкнутый) ключ 21 соединен с выходом второго квантователя 10, третий вход через третий (нормально замкнутый) ключ 20 - с выходом второго элемента задержки 19, четвертый вход - с выходом первого элемента задержки 17, пятый вход - с выходом первой модели объекта 16.

Первый и второй входы блока настройки 8 подключены к выходам первого (1) и второго (10) квантователей соответственно, третий вход соединен с выходом датчика перемещения 7, первый выход блока 8 соединен со вторым входом умножителя 4, второй выход - с входом блока сравнения 9, выход которого соединен с входами управления первого (12), второго (13), третьего (20) и четвертого (21) ключей.

Объект управления 6 состоит из звена без запаздывания с передаточной функцией H₀₁(s) и звена транспортного запаздывания с передаточной функцией H₀₂(s), соединенных последовательно. На первый вход объекта 6 подается управляющее воздействие u(s), а на второй вход поступает сигнал возмущения x(s):

где y(s) - сигнал на выходе объекта; К₁ и К₂ - коэффициенты передачи; Т₁ - постоянная времени; τ - время запаздывания, s -аргумент Лапласа.

Передаточная функция компенсационного регулятора 2 обратна передаточной функции объекта управления H₀₁(s):

H_KR(z)=I/H₀₁(z); H₀₁(z)=Z{H₀₁(s)H_э(s)}, (2)

где Z - символ условного z - преобразования (по таблицам); H_э(s)=(1-е^-sTo)/s - передаточная функция экстраполятора; Т_о - период квантования времени. С учетом выражения (1) получим

H_KR(z)=1-dz^-1, (3)

где d=Т/Т_о - постоянная времени.

Блок 8 обеспечивает настройку коэффициента передачи компенсационного регулятора К_R[i] в соответствии с рекуррентным выражением

где h - коэффициент, задающий темп настройки; - оценка коэффициента передачи системы по возмущению ΔК=1-К_RК_o; i - номер периода квантования. Оценки вычисляются методом наименьших квадратов (МНК)

где x[i, j] - возмущающее воздействие на объект; y[i, j] - сигнал на выходе объекта; j - номер отсчета, n - число отсчетов в пределах периода квантования; m=int(τ/Т_o) - относительная величина запаздывания. Величина K_R[i] поступает на первый выход блока 8, а величина - на второй выход блока.

В режиме настройки система работает следующим образом. Оценка коэффициента передачи системы по каналу возмущения формируется на втором выходе блока настройки 8 и сравнивается блоком 9 с уровнем значимости δК. При условии блок 9 замыкает первый (12) и третий (20) и размыкает второй (13) и четвертый (21) ключи. При этом объект управления 6 исключается из контура обратной связи и вместо него включается вторая модель 18 и второй элемент задержки 19. На объект воздействуют сигналы компенсационного регулятора 2 и задатчика 11, объединенные вторым сумматором 3. Настройка компенсационного регулятора осуществляется блоком 8, на каждом шаге вычисляется МНК - оценка коэффициента и коррекция величины К_R[i]. Как только оценка становится незначимой, блок 9 переключает структуру системы и переводит ее в рабочий режим.

В рабочем режиме, при , блок 9 замыкает второй (13) и четвертый (21) и размыкает первый (12) и третий (20) ключи. При этом вместо второй модели 18 и второго элемента задержки 19 в контур обратной связи включается объект управления 6. В результате образуется комбинированная система управления с прямым и обратным каналами. Прямой канал системы обеспечивает эффективную компенсацию возмущений, а канал обратной связи - сведение к нулю статической ошибки. Применение второй модели объекта (18) и второго элемента задержки (19) позволяет устранить переходный процесс при переключении структуры системы.

При изменении запаздывания (скорости транспортирования) изменяется период следования импульсов датчика 7, которые управляют квантователями 1 и 10. Таким образом, путем изменения периода квантования осуществляется настройка цифровой системы на фактическую величину запаздывания объекта управления.

Результаты моделирования адаптивной системы управления объектом с запаздыванием в условиях действия возмущений представлены на фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5. Возмущающее воздействие на входе объекта управления (фиг.2) представляет собой случайный процесс восстановления, на который наложен гауссовский случайный процесс.

График изменения коэффициента передачи компенсационного регулятора К_R - приведен на фиг.4, а график изменения коэффициента передачи системы по каналу возмущения ΔK - на фиг.5. Анализ графиков показывает, что переходный процесс в контуре адаптации завершается за время, равное 4÷5 интервалам запаздывания, перерегулирование не превышает 10%.

Переходные характеристики адаптивной системы управления объектом с запаздыванием приведены на фиг.3. Момент завершения процесса адаптации отмечен штрих-пунктирной линией, при этом подключение регулятора Смита не вызывает в системе переходного процесса. Настроенная система практически полностью устраняет влияние возмущений на управляемую величину. Это обусловлено высоким быстродействием прямого канала компенсации, время регулирования которого равно периоду квантования Т_o. Изменение заданного значения плотности в момент времени t=200 с иллюстрирует динамические свойства контура обратной связи системы. Переходный процесс в контуре завершается за время, равное 1,5 интервалам запаздывания, а перерегулирование не превышает 1÷2%.

Таким образом, предлагаемая система обеспечивает высокую точность и быстродействие как при компенсации возмущений, так и при отработке задающего воздействия. Кроме того, система обеспечивает адаптацию к изменению коэффициентов передачи и времени запаздывания объекта управления.

Источники информации

1. Гурецкий X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. - М.: Машиностроение, 1974. - 328 с.

2. Автоматическое управление технологическими процессами отделочного производства. / Л.И.Беленький, Л.А.Омельянчук, С.С.Швырев. - М.: Легпромбытиздат, 1990. - 208 с.

3. А.с. 968788 СССР, МКИ G 05 В 13/02. Адаптивная система регулирования для объектов с изменяющимся запаздыванием. / А.А.Москаленко и др. // Открытия. Изобретения. 1982 г. - №39.

Адаптивная система управления объектом с переменным транспортным запаздыванием, содержащая задатчик, первый сумматор, регулятор, первую модель объекта, первый элемент задержки, соединенные последовательно, блок настройки, вторую модель объекта, а также объект управления с переменным запаздыванием, на который воздействует возмущение, отличающаяся тем, что в систему дополнительно включены первый квантователь, компенсационный регулятор, второй сумматор, умножитель и экстраполятор, соединенные последовательно, импульсный датчик перемещения обрабатываемого продукта, блок сравнения, второй квантователь, второй элемент задержки, первый, второй, третий и четвертый ключи, причем на первый вход первого квантователя подан сигнал возмущения, а второй вход соединен с выходом импульсного датчика перемещения обрабатываемого продукта, выход компенсационного регулятора соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом умножителя, выход экстраполятора соединен с входом объекта управления, первый вход блока настройки соединен с выходом первого квантователя, второй вход - с выходом второго квантователя, а третий вход - с выходом импульсного датчика перемещения обрабатываемого продукта, первый выход блока настройки соединен с вторым входом умножителя, при этом первый вход второго квантователя соединен с выходом объекта управления, второй вход - с выходом датчика перемещения, а выход через четвертый ключ соединен со вторым входом первого сумматора, третий вход которого через третий ключ соединен с выходом второго элемента задержки, четвертый вход соединен с выходом первого элемента задержки, пятый вход - с выходом первой модели объекта, второй вход второго сумматора через первый ключ соединен с задатчиком, третий вход через второй ключ соединен с выходом регулятора, вход второй модели объекта соединен с выходом регулятора, а выход - с входом второго элемента задержки, вход блока сравнения соединен со вторым выходом блока настройки, а выход - с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого ключей.