Самонастраивающаяся система управления с градиентной адаптацией регулятора состояния
Владельцы патента RU 2574283:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Конструкторско-технологический институт научного приборостроения Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области систем автоматического управления электромеханическими объектами, в частности объектами с неконтролируемыми возмущениями и неизвестными переменными параметрами. Технический результат, заключающийся в уменьшении времени переходного процесса и увеличении запаса устойчивости конечной системы управления, достигается за счет того, что сигнал, пропорциональный вектору состояния объекта управления, поступает на регулятор состояния, коэффициенты которого перестраиваются методом наименьших квадратов, сводя к минимуму разность между эталонной и измеренной координатами. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области систем автоматического управления электромеханическими объектами, в частности объектами с неконтролируемыми возмущениями и неизвестными переменными параметрами.
Известна Самонастраивающаяся система управления для астатических объектов с запаздыванием по управлению (патент на изобретение №2437137 RU), содержащая объект управления, сумматоры, блок задания коэффициентов - регулятор состояния. Недостатки известного устройства - большое время переходного процесса и неустойчивость итоговой системы управления.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой системы является Параметрически адаптивная электромеханическая следящая система высокой динамической точности (Крутько П.Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. Лекция №9, с. 192. - М.: Машиностроение, 2004), содержащая входной сумматор и интегратор, блок эталонной модели, регулятор состояния, блок коэффициента усиления, объект управления.
Недостатками данной системы являются большое время переходного процесса и неустойчивость итоговой системы управления в случае высокого значения рассогласования между измеренной координатой объекта управления и желаемой координатой, формируемой блоком эталонной модели. Данные недостатки связаны с использованием интегратора после входного сумматора, вычисляющего величину ошибки между эталонной и измеренной координатами. Третьим недостатком данной системы является зависимость структуры системы управления от абсолютного порядка объекта управления, то есть количество сигналов, поступающих в регулятор состояния, равно абсолютному порядку объекта управления.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи расширения функциональных возможностей заявляемой системы путем построения унифицированной и независимой от объекта управления структуры системы управления.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в уменьшении времени переходного процесса и увеличении запаса устойчивости конечной системы управления.
Существо заявляемого изобретения поясняется Фиг. 1 и 2.
На Фиг. 1 приведена структурная схема прототипа, Фиг. 2 содержит структурную схему заявляемой системы.
Прототип (Фиг. 1) содержит входной сумматор 1, объект управления 2, блок эталонной модели 3, регулятор состояния 4, интегратор 5 и блок коэффициента усиления 6.
Заявляемая система (Фиг. 2) содержит входной сумматор 1, объект управления 2, блок эталонной модели 3, регулятор состояния 4 и отличается от прототипа тем, что содержит дополнительно выходной сумматор 7 и блок алгоритма настройки 8. При этом выход входного сумматора 1 подключен к входам объекта управления 2 и блока эталонной модели 3, выходы которых подключены соответственно к отрицательному и положительному входам выходного сумматора 7, выход которого через блок алгоритма настройки 8 соединен с функциональным входом регулятора состояния 4. Выход регулятора состояния 4 подключен к отрицательному входу входного сумматора 1. Кроме того, объект управления 2 имеет от одного до N выходов состояния, которые подключены к соответствующим от одного до N входам регулятора состояния 4. Регулятор состояния 4 выполнен в виде адаптивного линейного сумматора.
В электромеханических следящих системах, как правило, полностью доступен для измерения полный вектор состояния (ток, скорость, угол вращения вала) объекта управления. В заявляемой системе сигнал, пропорциональный вектору состояния объекта управления 2, поступает на регулятор состояния 4, представляющий собой адаптивный линейный сумматор, коэффициенты которого перестраиваются методом наименьших квадратов, через блок алгоритма настройки 8, сводя к минимуму разность между эталонной и измеренной координатами (Уидроу Б. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с англ. /Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 1988).
Функционирует заявляемая система управления следующим образом: управляющее воздействие «и» через входной сумматор 1 подается на объект управления 2 и блок эталонной модели 3. Измеренный сигнал, пропорциональный вектору состояния объекта управления 2, поступает на входы регулятора состояния 4, функциональный выход регулятора состояния 4 соединен с отрицательным входом входного сумматора 1 и вычитается из управляющего воздействия «и», тем самым производя регулирование состояния объекта управления; величина отклонения между измеренным выходом объекта управления 2 и выходом блока эталонной модели 3 формируется выходным сумматором 7 и подается на блок алгоритма настройки 8, который методом наименьших квадратов производит градиентную адаптацию регулятора состояния 4, другими словами, настраивает весовые коэффициенты регулятора состояния 4 (адаптивного линейного сумматора), сводя к минимуму данное отклонение объекта управления от эталонной модели, обеспечивающей желаемую динамику системы управления в целом.
Входной сумматор 1 и выходной сумматор 7 могут быть реализованы на операционных усилителях AD8571, подключенных в схему суммирования. Объектом управления 2 может быть любой электромеханический преобразователь (сервопривод с измеряемыми током, скоростью и положением), блок эталонной модели 3 может быть выполнен на микроконтроллере ADUC841 с программным обеспечением, реализующим численным методом дифференциальное уравнение динамики эталонной модели. Регулятор состояния 4 может быть выполнен на микроконтроллере ADUC7026 (на входы встроенного АЦП приходят измеренные сигналы тока, скорости и координаты сервопривода, с выхода встроенного ЦАП идет итоговый сигнал управления на входной сумматор 1) с управляющей программой, реализующей алгоритм блока алгоритма настройки 8. Блок алгоритма настройки 8 также может быть выполнен на микроконтроллере ADUC7026 (на вход встроенного АЦП приходит сигнал от выходного сумматора 7, равный ошибке рассогласования, через встроенный блок SPI подается управляющий сигнал на микроконтроллер регулятора состояния 4) с управляющей программой, реализующей алгоритм дельта-коррекции метода наименьших квадратов.
Заявляемая система, в частности, для объекта управления третьего порядка обеспечивает уменьшение времени переходного процесса на 30%, увеличение запаса устойчивости на 70%, а также позволяет унифицировать структуру системы управления.
В заключение необходимо отметить, что преимущества заявляемого изобретения наиболее ощутимы по сравнению с прототипом, когда неизвестны не только параметры объекта управления, но и сама структура объекта управления. Наиболее предпочтительным применением самонастраивающейся системы управления с градиентной адаптацией регулятора состояния являются прецизионные электромеханические системы воспроизведения движения.
1. Самонастраивающаяся система управления с градиентной адаптацией регулятора состояния, содержащая входной сумматор, объект управления, блок эталонной модели, регулятор состояния, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит выходной сумматор и блок алгоритма настройки, причем выход входного сумматора подключен к входам объекта управления и блока эталонной модели, выходы которых подключены соответственно к отрицательному и положительному входам выходного сумматора, выход которого через блок алгоритма настройки соединен с функциональным входом регулятора состояния, выход которого подключен к отрицательному входу входного сумматора, кроме того, от одного до N выходов состояния объекта управления подключены к соответствующим от одного до N входам регулятора состояния.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что регулятор состояния выполнен в виде адаптивного линейного сумматора.
