Адаптивная система управления

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в электрических самонастраивающихся системах управления, а именно в адаптивных системах управления с пробным гармоническим сигналом для управления химическими, энергетическими, электромеханическими и другими объектами с переменными или нестационарными параметрами. Техническим результатом является улучшение динамических характеристик и повышение запасов устойчивости. Адаптивная система управления содержит схему сравнения, регулятор, сумматор, объект управления, первый измеритель амплитуды и фазы, блок фазовой автоподстройки частоты, вычислительный блок, генератор. В адаптивную систему управления введены второй измеритель амплитуды и фазы, первый и второй входы которого подключены к выходу сумматора и выходу генератора, соответственно, и вычислитель амплитудно-частотной характеристики, выход амплитуды которого подключен к второму входу вычислительного блока, а первый, второй, третий и четвертый входы подключены к первому и второму выходам второго измерителя амплитуды и фазы и первому и второму выходам первого измерителя амплитуды и фазы, соответственно. Выход фазы вычислителя амплитудно-частотной характеристики подключен к входу блока фазовой автоподстройки частоты. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к электрическим самонастраивающимся системам управления, а именно к области адаптивных систем управления с пробным гармоническим сигналом, и предназначено для управления химическими, энергетическими, электромеханическими и другими объектами с переменными или нестационарными параметрами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является самонастраивающаяся система управления с гармоническим пробным сигналом (патент РФ №2068196, кл. G05B 13/02), содержащая регулятор, объект управления, выход которого подключен к первому входу измерителя амплитуды и фазы, первый вход которого соединен с первым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом подстройки параметров регулятора, сигнальный вход которого соединен с выходом устройства сравнения, первый вход которого является входом задания системы, сумматор и генератор пробных гармонических колебаний, блок фазовой подстройки, вход которого соединен с вторым выходом измерителя амплитуды и фазы, заграждающий фильтр и блок вычисления коэффициентов заграждающего фильтра, вход которого соединен с выходом блока фазовой подстройки, подключенным к второму входу вычислительного блока и к входу генератора пробных гармонических колебаний, выход которого соединен с вторым входом измерителя амплитуды и фазы и с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу регулятора, а выход к входу объекта управления, выход которого соединен с информационным входом заграждающего фильтра, подключенного выходом к второму входу устройства сравнения, а управляющим входом к выходу блока вычисления коэффициентов заграждающего фильтра.

Недостатком известной системы являются ее неудовлетворительные динамические характеристики, обусловленные наличием заграждающего фильтра 2-го порядка в контуре управления, что приводит к уменьшению запасов устойчивости системы по амплитуде и фазе и появлению в цепи обратной связи пары комплексных корней, существенно повышающих колебательность и длительность переходных процессов в системе.

Задачей изобретения является улучшение динамических характеристик системы и повышение запасов устойчивости системы.

Техническим результатом является исключение из контура заграждающего фильтра и связанных с его наличием негативных эффектов процесса самонастройки.

Указанный результат достигается тем, что в адаптивную систему управления, содержащую схему сравнения, первый вход которой подключен к входу адаптивной системы управления, а выход через последовательно соединенные регулятор, сумматор, объект управления - к второму входу схемы сравнения, первый измеритель амплитуды и фазы, блок фазовой автоподстройки частоты, выход которого подключен к первому входу вычислительного блока и входу генератора, выход которого подключен к второму входу сумматора и второму входу первого измерителя амплитуды и фазы, первый вход которого подключен к выходу объекта управления, а выход вычислительного блока подключен к входу подстройки регулятора, введены второй измеритель амплитуды и фазы, первый и второй входы которого подключены к выходу сумматора и выходу генератора, соответственно, и вычислитель амплитудно-частотной характеристики, выход амплитуды которого подключен к второму входу вычислительного блока, а первый, второй, третий и четвертый входы подключены к первому и второму выходам второго измерителя амплитуды и фазы и первому и второму выходам первого измерителя амплитуды и фазы, соответственно, выход фазы вычислителя амплитудно-частотной характеристики подключен к входу блока фазовой автоподстройки частоты.

Кроме того, регулятор выполнен на основе цифрового скоростного ПИД-регулятора,

первый и второй измерители амплитуды и фазы выполнены на основе фильтров Фурье.

Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на Фиг.1 показана структурная схема адаптивной системы управления с непрерывным процессом самонастройки, на Фиг.2 - графики работы адаптивной системы управления с объектом управления, имеющим параметры, неизменные во времени, на Фиг.3 - график работы адаптивной системы управления с объектом управления с дрейфующим коэффициентом передачи, на Фиг.4 - график работы адаптивной системы управления при периодических 20-40% скачках коэффициента передачи объекта, на Фиг.5 - график работы адаптивной системы управления с объектом управления с изменяющейся постоянной времени.

Адаптивная система управления включает схему 1 сравнения, первый вход которой подключен к входу адаптивной системы управления, а выход через последовательно соединенные регулятор 2, сумматор 3, объект 4 управления - к второму входу схемы 1 сравнения, первый 5 измеритель амплитуды и фазы, блок 6 фазовой автоподстройки частоты, выход которого подключен к первому входу вычислительного блока 7 и входу генератора 8, выход которого подключен к второму входу сумматора 3 и второму входу первого 5 измерителя амплитуды и фазы, первый вход которого подключен к выходу объекта 4 управления, а выход вычислительного блока подключен к выходу подстройки регулятора, в систему введены второй 9 измеритель амплитуды и фазы, первый и второй входы которого подключены к выходу сумматора 3 и выходу генератора 8, соответственно, и вычислитель 10 амплитудно-частотной характеристики, амплитудный выход которого подключен к первому входу вычислительного блока 7, а фазовый выход подключен к входу блока фазовой автоподстройки частоты, первый, второй, третий и четвертый входы вычислителя амплитудно-частотной характеристики подключены к первому и второму выходам второго измерителя амплитуды и фазы и первому и второму выхода первого измерителя амплитуды и фазы, соответственно. Первый и второй измерители амплитуды и фазы выполнены на основе фильтров Фурье, а регулятор выполнен на основе цифрового скоростного ПИД-регулятора.

Адаптивная система управления работает следующим образом.

Адаптивная система управления с непрерывным процессом самонастройки осуществляет непрерывную оптимальную подстройку цифрового ПИД-регулятора под изменяющиеся динамические характеристики объекта управления. Работа ПИД-регулятора основана на использовании активных частотных методов, а именно пробного синусоидального сигнала, подаваемого на вход объекта управления, и оценки в замкнутом контуре вектора АФХ объекта.

В отличие от прототипа, принцип настройки регулятора в котором базируется на эмпирическом методе Циглера-Никольса, в качестве критерия оптимизации настройки выбран косвенный показатель оптимальности настройки: система регулирования с ПИД-регулятором может считаться настроенной оптимально, если вектор ее частотной характеристики в разомкнутом состоянии, соответствующей периоду Т_рез=mT_и (где Т_и - установленная в регуляторе постоянная интегрирования, m - показатель колебательности, априори выбранный ≈3.5), располагается под углом -150°, и модуль его равен 0.8. При этом если m=3.5, то для оптимально настроенной системы φ₀ - фазовый сдвиг между входом объекта и его выходом, равен 2,11 рад по такому критерию. Это возможно благодаря тому, что вектор частотной характеристики системы регулирования на частоте резонанса, как правило, занимает весьма стабильное положение в комплексной плоскости вне зависимости от того, какими динамическими свойствами обладает объект управления.

В адаптивной системе управления отсутствует необходимость определения вектора АФХ разомкнутой системы, как это сделано в прототипе, путем включения в контур управления заграждающего фильтра, разрывающего замкнутый контур на одной частоте. Фильтр создает негативные эффекты на этапе самонастройки, ограничивающие применение такой адаптации случаями одноразовой настройки. Так как фильтр исключается, и искажения, вносимые фильтром, отсутствуют, то появляется возможность работать на более низких частотах, в существенном их диапазоне, где оценки частотных характеристик более состоятельны.

Для оптимальной настройки ПИД-регулятора необходимо определить вектор АФХ объекта в окрестности одной конкретной частоты, для чего используется воздействие на систему, в виде возбуждения синусоидальных колебаний с помощью специального генератора в канале управления. Применение «гладкого» гармонического сигнала позволяет к тому же минимизировать вмешательство в работу контура управления.

Работа системы основана на использовании активных частотных методов. Настройка в замкнутом контуре осуществляется путем подачи на вход объекта, наряду с управляющим U_p(t) пробного сигнала. Для этого используется гармоническое воздействие U_г(t) на замкнутую систему управления, формируемое цифровым генератором синусоидальных колебаний. С помощью первого фильтра Фурье осуществляется оценка установившихся значений амплитуды R_вх и фазы ϕ_вх пробных колебаний в сигнале управления U(t). Второй фильтр Фурье оценивает R_вых и ϕ_вых в выходном сигнале Y(t) объекта. Соответственно вычислитель АФХ определяет вектор комплексной характеристики объекта R_o, ϕ_o на частоте тестового сигнала ω.

Начальный поиск и дальнейшее отслеживание частоты, на которой фазовый сдвиг ϕ между входом объекта ϕ_вх и его выходом ϕ_вых равен ϕ_з=-2.11 рад, осуществляется блоком фазовой автоподстройки частоты (БФАЧ). Блок изменяет частоту о генератора синусоидальных колебаний таким образом, чтобы обеспечить заданный фазовый сдвиг. Вычислительный блок производит расчет настроек ПИД-регулятора k_p, Т_и, Т_д при захвате БФАЧ фазы ϕ_о=-2.11 с определенной точностью.

Генератор 7 пробных гармонических колебаний формирует пробный сигнал:

U_г[k]=R_гsin(δ[k]),

где k - текущий номер периода квантования;

R_г - заданное значение амплитуды тестовой гармоники;

δ[k] - дискретное время генератора пробных колебаний, зависящее от текущей величины нормируемого периода колебаний N_j и определяющееся соотношением: δ[k]=δ[k]+2π/N_j, при этом если δ[k]≥2π, то δ[k]=δ[k]-2π.

N_j - нормированный период, который связан с частотой пробных колебаний соотношением:

ω=2π/(N_jT_q),

где T_q - период квантования.

Измерители амплитуды и фазы представляют собой дискретные фильтры Фурье, которые по m-периодов пробных колебаний определяет на j-м цикле адаптации оценки амплитуды R(j) и фазы ϕ(j) гармонической составляющей в сигнале Y[k], согласно формулам:

где R_s(j), R_c(j) - синусная и косинусная составляющие сигнала Y[k];

m - число анализируемых периодов колебаний, варьируя которое можно достичь повышения помехоустойчивости контура адаптации в зависимости от «зашумленности» Y[k].

Длительность анализируемой на j-м цикле последовательности, в течение которой не

меняется частота генератора, равна mN_jT_q. При работе адаптивной системы управления в реальном времени текущие значения сигнала с выхода объекта управления Y[k] получают путем аналого-цифрового преобразования.

При настройке в условиях высокого уровня шумов полученные на j-м цикле адаптации величины текущих оценок амплитуды R(j) и фазы ϕ(j) вектора АФХ объекта могут быть подвергнуты сглаживанию, например, методом скользящего среднего. Кроме того, для ослабления шума, создающего помехи наблюдениям, рекомендуется, а в большинстве случаев необходимо, использование совместно с фильтром Фурье дополнительного полосового фильтра, средняя частота которого должна быть жестко связана с частотой пробных колебаний ω. Полосовой фильтр может быть построен на базе уже включенных в структуру системы заграждающих фильтров.

При этом для первого фильтра Фурье в качестве анализируемого выступает сигнал, подаваемый на вход объекта управления U[k], при этом оцениваемые амплитуда и фаза получают индекс «вх». Соответственно для второго фильтра это Y[k], измеряемый на выходе объекта, а индекс - «вых».

Блок вычисления АФХ находит текущую оценку положения вектора АФХ объекта управления на частоте тестового сигнала ω по формулам:

Блок 8 фазовой подстройки работает, в простейшем случае, по интегральному закону управления, так как скачки по пробной частоте нежелательны. Он, путем изменения частоты колебаний ω генератора, отслеживает фазовый сдвиг между входной и выходной гармониками объекта на уровне ϕ_з=-2,11 рад. Используется следующий вид закона управления блока фазовой подстройки частоты:

N_j+1=N_j{βϕ(j)/ϕ_з-(β-1)},

где β выбирается в диапазоне 0.5÷1.5, обеспечивающем устойчивую работу контура адаптации для объектов с различными величинами запаздывания.

Вычислительный блок при достижении или в случае непрерывной адаптации - удержании текущего значения фазового сдвига величины -2.11 рад: , где γ - точность слежения, определяет настройки регулятора согласно косвенному неэкстремальному критерию В.Я.Ротача [1]:

где Т_и и Т_д - параметры настройки адаптивной системы управления, нормированные по периоду квантования T_q,

N_j=2π/(ωT_q) - нормированный период пробных колебаний.

При этом регулятор в адаптивной системе управления должен быть с зависимыми настройками.

Регулятор 1 реализует алгоритм цифрового скоростного ПИД-регулятора с фильтрацией Д составляющей. Он получается путем дискретизации соответствующего непрерывного ПИД-регулятора, и закон управления выглядит следующим образом:

где k_p - коэффициент передачи регулятора, Т_и - постоянная времени изодрома регулятора, Т_д - постоянная времени дифференцирования регулятора.

На вход объекта управления 2 подается сумма сигналов с выхода регулятора U_p(t) и пробное гармоническое воздействие U_г(t) с генератора пробных гармонических колебаний, частота которого может изменяться.

Исследование динамики адаптивной системы управления проводилось путем моделирования на ЭВМ. Предлагаемая адаптивная система управления была реализована в виде программного модуля на языке C++, адаптированного для применения как в составе многоуровневых систем управления, так и на локальном уровне в виде встраиваемых в промышленные контроллеры средств автонастройки. На Фиг.2 изображены результаты исследования адаптивной системы управления, при управлении в реальном масштабе времени объектом, структурно имеющим один вход и один выход. При работе алгоритма в реальном времени сигнал Y[k] брался с аналого-цифрового преобразователя (АЦП), измеряющего выходную величину управляемого процесса, а сигнал U[k] подавался на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и далее через цепи усиления на вход объекта управления.

На графике: ϕ_о - фаза вектора АФХ объекта (нижний на графике сигнал), N_j - нормированный период пробных колебаний (верхний на графике сигнал). В верхней части графиков приведены величины: M_s, Q_s - амплитуда и фаза колебаний на входе объекта; М, Q - амплитуда и фаза колебаний на выходе объекта; А_о, Q_o - вектор АФХ объекта управления; t_k - значение периода квантования в секундах; NF - нормированный период пробных колебаний; A_g - амплитуда пробного сигнала; KP, TI, TD - настройки ПИД-регулятора.

В начале графика показан процесс настройки, причем предуставки параметров регулятора далеки от своих оптимальных значений, а именно k_p=1.6, Т_и=144 с. Затем произошло определение и первое включение оптимальных настроек (t=70 с). Далее (t>200 с) показаны процессы отработки задания при работающем контуре самонастройки.

Как видно, регулятор работает в форсированном режиме, но при этом выход объекта имеет малое перерегулирование, а система высокое быстродействие. Уровень пробных колебаний на выходе объекта не превышает 0.5% диапазона изменения выходной величины. Как показали другие эксперименты на реальных объектах, при разных и достаточно больших величинах запаздывания в объекте (в отличие от большинства существующих систем) качество процессов управления остается оптимальным.

На Фиг.3 приведены графики работы адаптивной системы управления при управлении объектом с дрейфующим коэффициентом передачи k. Сначала идет процесс получения первых настроек, затем с момента времени t=500 мин коэффициент усиления объекта стал линейно увеличиваться от значения k=1.0 со скоростью Δk=0.0005 за T_q и в конце достиг величины 2.702.

Такое гладкое изменение коэффициента характерно для ряда технологических процессов в химической промышленности, может служить моделью старения узлов технологического оборудования и др. Рост коэффициента усиления объекта, который отрабатывала система, наиболее опасен для технологического процесса, так как ведет к уменьшению запасов устойчивости системы. График Фиг.3 показывает высокое качество отработки контуром самонастройки регулятора таких параметрических возмущений (а именно произведение k·k_p мало изменяется).

На графике Фиг.4 представлена работа адаптивной системы управления при периодических 20-40% скачках коэффициента передачи объекта.

На графике Фиг.5 представлена работа адаптивной системы управления с объектом, у которого изменению подвергалась постоянная времени T₁. Подобное поведение характерно для технологических процессов, параметры которых зависят от нагрузки на технологический агрегат, состава и качества сырья, на которых производится замена части оборудования и др.

В верхней части графиков Фиг.4-5 приведены: N - нормированный период пробных колебаний; R_г - амплитуда пробного сигнала; Кр, Ти, Тд - настройки ПИД-регулятора; k-коэффициент передачи объекта управления; Т1 - первая постоянная времени объекта; Rвых - амплитуда колебаний на выходе объекта; Ph - фаза вектора АФХ объекта.

Представленные графики подтверждают работоспособность адаптивной системы управления при управлении объектами с переменными параметрами, даже в условиях наиболее сложных параметрических возмущений в виде скачков.

Использование косвенного неэкстремального критерия повышает качество процессов управления и обеспечивает минимум среднеквадратического отклонения в системе.

Таким образом, предлагаемая адаптивная система управления позволяет обеспечить высокое качество управления широким классом промышленных объектов с переменными параметрами и обладает более высокими динамическими характеристиками и более высоким запасом устойчивости системы по сравнению с прототипом, за счет исключения из контура заграждающего фильтра и связанных с его наличием негативных эффектов самонастройки.

Источники информации

1. Автоматизация настройки систем управления. / Ротач В.Я., Кузищин В.Ф., Клюев А.С. и др.; Под ред. Ротача В.Я. М.: Энергоатомиздат, 1984, 272 с.

1. Адаптивная система управления, включающая схему сравнения, первый вход которой подключен к входу адаптивной системы управления, а выход через последовательно соединенные регулятор, сумматор, объект управления - к второму входу схемы сравнения, первый измеритель амплитуды и фазы, блок фазовой автоподстройки частоты, выход которого подключен к первому входу вычислительного блока и входу генератора, выход которого подключен к второму входу сумматора и второму входу первого измерителя амплитуды и фазы, первый вход которого подключен к выходу объекта управления, а выход вычислительного блока подключен к входу подстройки регулятора, отличающаяся тем, что в нее введены второй измеритель амплитуды и фазы, первый и второй входы которого подключены к выходу сумматора и выходу генератора, соответственно, и вычислитель амплитудно-частотной характеристики, выход амплитуды которого подключен к второму входу вычислительного блока, а первый, второй, третий и четвертый входы подключены к первому и второму выходам второго измерителя амплитуды и фазы, и первому и второму выходам первого измерителя амплитуды и фазы, соответственно, выход фазы вычислителя амплитудно-частотной характеристики подключен к входу блока фазовой автоподстройки частоты.

2. Адаптивная система управления по п.1, отличающаяся тем, что регулятор выполнен на основе цифрового скоростного ПИД регулятора.

3. Адаптивная система управления по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй измерители амплитуды и фазы выполнены на основе фильтров Фурье.