Устройство для моделирования системы управления

Устройство для моделирования системы управления относится к технике автоматического управления и регулирования и может быть использовано для испытаний управляющих и регулирующих систем, обладающих существенными нелинейностями и нестационарностями динамических характеристик. Техническим результатом является повышение точности моделирования. Технический результат достигается за счет введения блоков оценки и прогнозирования типопредставительной ситуации на объекте, что позволяет повысить качество адаптируемых коэффициентов настройкой модели в условиях предстоящего периода ее функционирования. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике автоматического управления и регулирования и может быть использовано для испытаний управляющих и регулирующих систем, обладающих существенными нелинейностями и нестационарностями динамических характеристик.

Задачей изобретения является повышение точности моделирования.

Это достигается тем, что устройство для моделирования системы управления содержит блок моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, первый узел моделирования параметров объекта управления, первый, второй и третий масштабирующие элементы, первый и второй блоки вычитания, преобразователь угла поворота вала в напряжение, регулятор, усилитель и исполнительный механизм, блок моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции содержит первый и второй фильтры низкой частоты, первый, второй, третий и четвертый масштабирующие элементы, первый и второй источники постоянного сигнала, первый и второй сумматоры, причем первые входы первого и второго сумматоров блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции подключены к выходам первого и второго источников постоянного сигнала, второй и третий входы первого сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции подключены к выходам первого и второго масштабирующих элементов этого же блока соответственно, входы которых соединены с выходами одноименных фильтров низкой частоты блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, второй и третий входы второго сумматора этого же блока подключены к выходам третьего и четвертого масштабирующих элементов блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, входы которых соединены с выходами первого и второго фильтров низкой частоты того же блока соответственно, первый узел моделирования параметров объекта управления состоит из элемента задержки, блока умножения, блока вычитания, блока деления и интегратора, вход которого подключен к выходу блока деления, вход делимого которого соединен с выходом блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу интегратора, вход уменьшаемого - к выходу блока умножения, первым входом соединенного с выходом элемента задержки, а вторым - с выходом первого сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, выход второго сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции соединен с входом делителя блока деления первого узла моделирования параметров объекта управления, выход интегратора соединен с входом вычитаемого первого блока вычитания устройства, вход уменьшаемого которого подключен к выходу второго масштабирующего элемента и входу второго фильтра низкой частоты блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, входы первого и второго масштабирующих элементов являются первым и вторым информационными входами устройства соответственно, выход первого масштабирующего элемента подключен к входу первого фильтра низкой частоты блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции и входу уменьшаемого второго блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу преобразователя угла поворота вала в напряжение, вал которого соединен жесткой механической связью с выходом исполнительного механизма, вход которого подключен к выходу усилителя, вход усилителя соединен с выходом регулятора, вход задания закона регулирования которого является входом задания эталонного сигнала устройства, выход второго блока вычитания подключен к входу элемента задержки первого узла моделирования параметров объекта управления, выход третьего масштабирующего элемента соединен с информационным входом регулятора, также содержащий третий и четвертый блоки вычитания, второй и третий узлы моделирования параметров объекта управления, первый и второй блоки моделирования изменения коэффициента усиления, каждый из которых содержит фильтр низкой частоты, масштабирующий элемент и сумматор, а блок моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции содержит третий фильтр низкой частоты и пятый масштабирующий элемент, выход которого подключен к четвертому входу первого сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, вход пятого масштабирующего элемента соединен с выходом третьего фильтра низкой частоты того же блока, вход которого подключен к выходу преобразователя угла поворота вала в напряжение, первый вход сумматора каждого блока моделирования изменения коэффициента усиления подключен к выходу масштабирующего элемента того же блока, входом соединенного с фильтром низкой частоты своего блока, вторые входы сумматоров первого и второго блоков моделирования изменения коэффициента усиления подключены к выходу первого сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, входы фильтров низкой частоты первого и второго блоков моделирования изменения коэффициента усиления подключены к выходам первого и третьего блоков вычитания соответственно, выходы сумматоров первого и второго блоков моделирования изменения коэффициента усиления соединены со вторыми входами блоков умножения второго и третьего узлов моделирования параметров объекта управления соответственно, вход элемента задержки каждого 1-го (где i=2, 3) узла моделирования параметров объекта управления подключен к выходу элемента задержки (i-1)-го узла моделирования параметров объекта управления, выходы интеграторов второго и третьего узлов моделирования параметров объекта управления подключены к входам вычитаемого третьего и четвертого блоков вычитания, входы уменьшаемого которых подключены к выходу второго масштабирующего элемента, выход четвертого блока вычитания соединен с входом третьего масштабирующего элемента, входы делителя блоков деления второго и третьего узлов моделирования параметров объекта управления подключены к выходу второго сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, а также содержит блок оценки типопредставительной ситуации на объекте и блок прогнозирования типопредставительной ситуации на объекте, второй вход блока оценки типопредставительной ситуации на объекте соединен с выходом первого, а третий - с выходом второго масштабирующих элементов, а четвертый вход является дополнительно введенным входом контролируемых внешних воздействий устройства, выход блока оценки типопредставительной ситуации на объекте соединен со входом блока прогнозирования типопредставительной ситуации на объекте, выход которого подключен к третьему входу регулятора.

Введение новых блоков и связей позволяет повысить качество адаптируемых коэффициентов за счет настройки модели в условиях предстоящего периода ее функционирования.

На чертеже представлена блок-схема описываемого устройства для моделирования системы управления.

Устройство для моделирования системы содержит блок 1 моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, первый 2, второй 3, третий 4 узлы моделирования параметров объекта управления, первый 5 и второй 6 блоки моделирования изменения коэффициента усиления, первый 7, второй 8 и третий 9 масштабирующие элементы, первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 блоки вычитания, регулятор 14, усилитель 15, исполнительный механизм 16, преобразователь 17 угла поворота вала в напряжение, блок оценки типопредставительной ситуации на объекте 38, блок прогнозирования типопредставительной ситуации на объекте 39, четвертый фильтр низкой частоты 40 и шестой масштабирующий элемент 41.

Блок 1 моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции содержит первый 18, второй 19, третий 20, четвертый 21, пятый 22 масштабирующие элементы, первый 23 и второй 24 сумматоры, первый 25, второй 26 и третий 27 фильтры низкой частоты, первый 28 и второй 29 источники постоянного сигнала.

Каждый из узлов 2-4 моделирования параметров объекта управления состоит из элемента 30 задержки, блока 31 умножения, блока 32 вычитания, блока 33 деления, интегратора 34.

Каждый из блоков 5 и 6 моделирования изменения коэффициента усиления содержит фильтр 35 низкой частоты, масштабирующий элемент 36 и сумматор 37.

Работает устройство для моделирования системы управления следующим образом.

Регулятор 14 вырабатывает командный сигнал на регулирование U_p как реакцию на модельный выход и заданное значение Y* выхода объекта. Воздействие U_p через усилитель 15 поступает в виде усиленного сигнала U_p на исполнительный механизм 16, выходной вал которого связан с преобразователем 17, преобразующим угол поворота вала исполнительного механизма в электрический сигнал, величина которого соответствует моделируемой величине управляющего сигнала U^м объекта. Этот сигнал поступает на вход блока 11 вычитания. Сигнал U^м поступает также на вход фильтра 27 низкой частоты.

На входе блока 11 вычитания коэффициент усиления первой модели вычисляется разность δU^м=U^н-U^м между натурным U^н и модельным U^м регулирующими воздействиями. Полученный сигнал δU^м, проходя через элемент 30 задержки, где задерживается на время запаздывания в объекте, через блок 31 умножения, где умножается на коэффициент усиления первой модели , проходит через блок 32 вычитания, где из него вычитается сигнал, поступающий с интегратора 34, через блок 33 деления, где он делится на величину Т^м постоянной времени инерции модели, и интегрируется интегратором 34, охваченным вместе с блоком 33 деления отрицательной обратной связью. На выходе интегратора 34 в результате перечисленных преобразований формируется реакция первой модели на разность δU^м. Этот процесс может быть описан следующим выражением:

где - реакция первой модели на входное воздействие δU^м;

Т^М - постоянная времени инерции;

- коэффициент усиления первой модели;

τ₀ - время запаздывания первой модели, эквивалентное запаздыванию объекта управления.

Сигнал поступает на вход блока 10 вычитания, на другой вход которого поступает сигнал Y^н с масштабирующего элемента 8. Сигнал Y^н представляет собой преобразованный в масштабирующем элементе 8 сигнал о значении выхода Y натурного управления. В блоке вычитания 10 вычисляется оценка модельного выхода первой модели.

Коэффициенты первой модели определяются следующим образом.

Сигнал U^м, поступающий на вход фильтра 27 низкой частоты, сглаживается и поступает на вход масштабирующего элемента 22, где он умножается на постоянный коэффициент, например α₃, и полученный сигнал поступает на вход сумматора 23. На другие входы сумматора 23 поступают сигналы и с выходов третьего и четвертого масштабирующих элементов 18 и 19 соответственно, и сигнал α₀ с источника 28 постоянного сигнала. В сумматоре 23 рассчитывается значение коэффициента усиления первой модели в соответствии с выражением:

,

где , - сглаженные значения натурного регулирующего воздействия U^Н и натурного выхода Y^Н. Сигнал формируется фильтром 25 низкой частоты; сигнал формируется фильтром 26 низкой частоты; сигнал U^М формируется фильтром 27 низкой частоты.

Сигнал о значении коэффициента с сумматора 23 поступает на блок 31 умножения в составе узла 2 и используется при расчете реакции первой модели на воздействие δU^м, а также на сумматоры 37 блоков 5 и 6, где используется для расчетов коэффициентов и усиления второй и третьей моделей.

Постоянная времени инерции Т^м модели рассчитывается в сумматоре 24 по выражению:

,

где b₀ - постоянный сигнал с источника 29 сигнала;

- выходной сигнал масштабирующего элемента 20;

- выходной сигнал масштабирующего элемента 21;

b₁, b₂ - коэффициенты масштабирования масштабирующих элементов 20 и 21;

, - выходные сигналы фильтров 25 и 26 низкой частоты.

С получением модельного выхода уточняется коэффициент усиления модели и формируется модельный выход с использованием уточненной оценки коэффициента усиления второй модели.

Коэффициент второй модели рассчитывается в сумматоре 37 по выражению:

,

где - сигнал с сумматора 23;

- сигнал с масштабирующего элемента 36 блока 5, а С₁ - масштабирующий коэффициент этого элемента;

- сглаженный сигнал на выходе фильтра 35 блока 5.

Для получения уточненного коэффициента усиления сигнал о модельном выходе с блока 10 вычитания сглаживается фильтром 35 блока 5 и поступает через масштабирующий элемент 36, где умножается на постоянный коэффициент C₁, на сумматор 37 блока 5, где суммируется с сигналом с сумматора 23.

Сигнал об уточненном значении коэффициента с сумматора 37 блока 5 поступает на блок 31 умножения узла 3.

На блок 33 деления узла 3 поступает сигнал с постоянной времени инерции Т^м с сумматора 24.

На блок 31 умножения узла 3 через элемент 30 задержки узла 3 τ_р поступает также сигнал δU^м с блока 30 τ задержки узла 2. Время задержки τ_р блока 30 τ задержки узла 3 выбирают таким, чтобы к моменту поступления сигнала δU^м на блок 31 умножения узла 3 были завершены расчет коэффициента усиления второй модели и его ввод в блок 31 умножения узла 3.

Во второй модели формируется реакция на входное воздействие первой δU^м при новом значении коэффициента усиления . Выражение (1) для этого случая принимает вид:

где - реакция второй модели на входное воздействие δU^м;

Т^м - постоянная времени инерции;

- коэффициент усиления второй модели;

τ₀ - время запаздывания первой модели;

τ_р - время запаздывания второй модели, обеспечивающее задержку δU^м на время выполнения расчетов в блоках первой модели.

Сигнал с интегратора 34 узла 3 поступает на блок 12 вычитания, где вычитается из сигнала Y^н, поступающего с масштабирующего элемента 8. Так формируется оценка модельного выхода второй модели.

Сигнал используется для уточнения коэффициента усиления третьей модели. Расчет происходит аналогично расчету по выражению:

,

где - выходной сигнал сумматора 23;

- выходной сигнал масштабирующего элемента 36 блока 6 с коэффициентом масштабирования С₂;

- выход фильтра 35 блока 6.

Далее моделирование происходит аналогично моделированию с использованием первой и второй моделей.

Коэффициент усиления с сумматора 37 блока 6 поступает на блок 31 умножения узла 4, а сигнал о постоянной времени инерции Т^м с сумматора 24 - на блок 33 деления узла 4.

На блок 31 умножения узла 4 поступает также через элемент 30 задержки узла 4 сигнал δU^м с элемента 30 задержки узла 3. Время задержки τ_р элемента 30 задержки узла 4 выбирают равным времени Тр задержки элемента 30 задержки узла 3. За счет этого обеспечивается одновременное поступление сигналов δU^м и на блок 31 умножения узла 4.

В третьей модели формируется реакция на входное воздействие δU^м при новом значении коэффициента усиления . Выражение (1) для этого случая принимает вид:

где - реакция третьей модели на входное воздействие δU^м;

- коэффициент усиления третьей модели.

Остальные обозначения в (3) те же, что в (1) и (2).

Сигнал с интегратора 34 узла 4 поступает на блок 13 вычитания, где вычитается из сигнала Y^н с масштабирующего элемента 8. Полученный результирующий сигнал разности является оценкой модельного выхода третьей модели.

Сигнал с блока 13 вычитания через масштабирующий элемент 9, предназначенный для согласования входного сигнала регулятора с выходным сигналом блока 13 вычитания, поступает на автоматический регулятор 14 и моделирование продолжается по описанной выше схеме, пока не будет достигнута цель моделирования.

Число моделей и соответствующих блоков настройки коэффициентов усиления определяется требуемой точностью моделирования и максимальным вероятным диапазоном отличий модельных регулирующих воздействий U^м от натурных U^н. При большем числе моделей, чем это показано на чертеже, устройство для моделирования системы управления выполняется и работает аналогичным образом.

Модельный выход является результирующим выхода блока моделей устройства и показывает, что было бы на объекте управления, если бы взамен натурных регулирующих воздействий были реализованы регулирующие воздействия U_p испытываемого и настраиваемого автоматического регулятора.

В общем случае формирование модельного выхода любой j-й модели в составе устройства может быть описано выражением:

,

где находят путем решения следующих уравнений:

,

где - реакция j-й модели на входное воздействие δU^м=U^м-U^м;

U^н, U^м - преобразованные натурные и модельные регулирующие воздействия;

Y^н - преобразованное значение натурного выхода;

Т^м - постоянная времени инерции моделей;

- коэффициент усиления j-й модели;

τ₀, τ_р - время запаздывания моделей (для первой модели при j=1 произведение из выражения (1) равно нулю);

b₀, b₁, b₂ - коэффициенты для расчета Т^м;

α₀, α₁, α₂, с_j-1 - коэффициенты для расчета .

Применение предлагаемого устройства для моделирования системы управления позволяет за счет более высокой точности результатов моделирования получать в ходе испытаний практически отлаженные управляющие системы, пригодные к работе в широком диапазоне изменения входов и выходов объекта управления и не требующие подстройки на натурном объекте.

Устройство для моделирования системы управления, содержащее блок моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, первый узел моделирования параметров объекта управления, первый, второй и третий масштабирующие элементы, первый и второй блоки вычитания, преобразователь угла поворота вала в напряжение, регулятор, усилитель и исполнительный механизм, блок моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции содержит первый и второй фильтры низкой частоты, первый, второй, третий и четвертый масштабирующие элементы, первый и второй источники постоянного сигнала, первый и второй сумматоры, причем первые входы первого и второго сумматоров блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции подключены к выходам первого и второго источников постоянного сигнала, второй и третий входы первого сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции подключены к выходам первого и второго масштабирующих элементов этого же блока соответственно, входы которых соединены с выходами одноименных фильтров низкой частоты блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, второй и третий входы второго сумматора этого же блока подключены к выходам третьего и четвертого масштабирующих элементов блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, входы которых соединены с выходами первого и второго фильтров низкой частоты того же блока соответственно, первый узел моделирования параметров объекта управления состоит из элемента задержки, блока умножения, блока вычитания, блока деления и интегратора, вход которого подключен к выходу блока деления, вход делимого которого соединен с выходом блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу интегратора, вход уменьшаемого - к выходу блока умножения, первым входом соединенного с выходом элемента задержки, а вторым - с выходом первого сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, выход второго сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции соединен с входом делителя блока деления первого узла моделирования параметров объекта управления, выход интегратора соединен с входом вычитаемого первого блока вычитания устройства, вход уменьшаемого которого подключен к выходу второго масштабирующего элемента и входу второго фильтра низкой частоты блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, входы первого и второго масштабирующих элементов являются первым и вторым информационными входами устройства соответственно, выход первого масштабирующего элемента подключен к входу первого фильтра низкой частоты блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции и входу уменьшаемого второго блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу преобразователя угла поворота вала в напряжение, вал которого соединен жесткой механической связью с выходом исполнительного механизма, вход которого подключен к выходу усилителя, вход усилителя соединен с выходом регулятора, вход задания закона регулирования которого является входом задания эталонного сигнала устройства, выход второго блока вычитания подключен к входу элемента задержки первого узла моделирования параметров объекта управления, выход третьего масштабирующего элемента соединен с информационным входом регулятора, также содержащий третий и четвертый блоки вычитания, второй и третий узлы моделирования параметров объекта управления, моделирование происходит аналогично моделированию с использованием первой и второй моделей, первый и второй блоки моделирования изменения коэффициента усиления, каждый из которых содержит фильтр низкой частоты, масштабирующий элемент и сумматор, а блок моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции содержит третий фильтр низкой частоты и пятый масштабирующий элемент, выход которого подключен к четвертому входу первого сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, вход пятого масштабирующего элемента соединен с выходом третьего фильтра низкой частоты того же блока, вход которого подключен к выходу преобразователя угла поворота вала в напряжение, первый вход сумматора каждого блока моделирования изменения коэффициента усиления подключен к выходу масштабирующего элемента того же блока, входом соединенного с фильтром низкой частоты своего блока, вторые входы сумматоров первого и второго блоков моделирования изменения коэффициента усиления подключены к выходу первого сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, входы фильтров низкой частоты первого и второго блоков моделирования изменения коэффициента усиления подключены к выходам первого и третьего блоков вычитания соответственно, выходы сумматоров первого и второго блоков моделирования изменения коэффициента усиления соединены со вторыми входами блоков умножения второго и третьего узлов моделирования параметров объекта управления соответственно, вход элемента задержки каждого i-го (где i=2, 3) узла моделирования параметров объекта управления подключен к выходу элемента задержки (i-1)-го узла моделирования параметров объекта управления, выходы интеграторов второго и третьего узлов моделирования параметров объекта управления подключены к входам вычитаемого третьего и четвертого блоков вычитания, входы уменьшаемого которых подключены к выходу второго масштабирующего элемента, выход четвертого блока вычитания соединен с входом третьего масштабирующего элемента, входы делителя блоков деления второго и третьего узлов моделирования параметров объекта управления подключены к выходу второго сумматора блока моделирования коэффициента усиления и постоянной времени инерции, а также содержит блок оценки типопредставительной ситуации на объекте и блок прогнозирования типопредставительной ситуации на объекте соединен с выходом первого, а третий - с выходом второго масштабирующих элементов, а четвертый вход является дополнительно введенным входом контролируемых внешних воздействий устройства, выход блока оценки типопредставительной ситуации на объекте соединен с входом блока прогнозирования типопредставительной ситуации на объекте, выход которого подключен к третьему входу регулятора.