Способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления

Авторы патента:

Прокопенко Николай Николаевич (RU)

Гайдук Анатолий Романович (RU)

Чумаков Владислав Евгеньевич (RU)

G05F3/00 - Системы без обратной связи для регулирования электрических величин с помощью неуправляемых элементов или неуправляемых комбинаций из саморегулирующихся элементов

G05B15/00 - Системы, управляемые вычислительными устройствами (G05B 13/00,G05B 19/00 имеют преимущество; автоматические регуляторы G05B 11/00; вычислительные устройства как таковые G06)

G05B11/00 - Автоматические регуляторы (G05B 13/00 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2789893:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)

Группа изобретений относится к способу управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления. Для управления по выходу и воздействиям на вход (2) объекта управления (1) подаётся управляющее воздействие (μ), на вход (4) объекта управления (1) поступает возмущающее воздействие (f), а на выходе (3) объекта управления (1) формируется выходная управляемая переменная (y), на вход (6) исполнительного устройства (5) подается сигнал управления (u), а на выходе (7) исполнительного устройства (5), который связан со входом (2) объекта управления (1), формируется управляющее воздействие (μ), на вход (8) системы автоматического управления поступает задающее воздействие (g), а на вход (11) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), введенного в систему автоматического управления, поступает сигнал задающего воздействия (g), на вход (12) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9) со знаком минус подается выходная управляемая переменная (y) с выхода (3) объекта управления (1), при этом на выходе (10) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9) формируется сигнал управления (u), подаваемый на вход (6) исполнительного устройства (5). Обеспечиваются более высокие статические и динамические показатели, характеризующие работу САУ. 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области автоматического управления и регулирования и может найти применение в различных областях науки и техники, где требуется поддержание на заданном уровне или изменение в соответствии с задающим воздействием (g) и заданной статической и динамической точностью выходной управляемой переменной (у) некоторого объекта управления (ОУ), в том числе в условиях внешних возмущающих воздействий (f) на ОУ. При этом в качестве ОУ могут выступать различные летательные аппараты и транспортные средства, сельхозоборудование и ядерные реакторы, электродвигатели и бытовые приборы, технологические агрегаты и т.п. В этой связи заявляемое устройство относится не только к классу G05, но и к другим классам МПК, которые связаны с областью использования систем автоматического регулирования (САР) и управления (САУ).

Известны созданные российскими специалистами системы автоматического управления зенитными ракетами [1-3] и космическими аппаратами [4-11], беспилотниками [12-13] и самолетами [14-18], ядерными реакторами [19-30] и транспортными средствами [31], электродвигателями [32-39] и сельскохозяйственным оборудованием [40], а также другими специальными техническими объектами [41-42]. К зарубежным патентам в области САУ конкретными объектами относятся, например, публикации [43-56].

Ближайшим прототипом заявляемого способа управления (фиг. 1) является патент US 4.442.391, 1984 г., fig. 1. Кроме этого, классическая схема известного способа управления по отклонению-прототипа неоднократно рассматривалась в научной и учебной литературе [см., например, Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. М.–Л.: Госэнергоиздат, 1962. 600 с.; Теория автоматического управления. Под ред. А.В. Нетушила. Учебник для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., «Высшая школа», 1976. 400 с. – С. 191, рис. 9.8; Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы-2-е изд. испр. и доп. М.: Физматлит, 2007. 312 с. – С. 161, рис. 5.1]. Система автоматического управления фиг. 1, в которой реализуется известный способ управления по отклонению-прототип, содержит объект управления 1 со входом 2, на который подаётся управляющее воздействие (µ), входом 4, на который поступает возмущающее воздействие (f), и с выходом 3, на котором формируется выходная управляемая переменная (y), исполнительное устройство 5 со входом 6, на который подается сигнал управления (u), и выходом 7, на котором формируется управляющее воздействие (µ), и который связан со входом 2 объекта управления 1, вход 8, на который поступает задающее воздействие (g).

Следует заметить, что в САУ фиг. 1 реализуется классический принцип управления-прототип, известный как «управление по отклонению» управляемой переменной (у) (температура, скорость, мощность ядерного реактора, обороты стиральной машины или турбины, высота полета самолета и т.д.) того или иного ОУ от задающего воздействия (g). Существенный недостаток САУ с управлением по отклонению-прототипом состоит в том, что эти системы характеризуются противоречием между точностью, устойчивостью и качеством переходного процесса. Так, в книге [57, с. 162] отмечается, что при использовании управления, пропорционального отклонению, «… статическая ошибка убывает с ростом передаточного коэффициента П-закона управления по отклонению (k_п). Однако, начиная сk_п= ς²–1, с ростом k_п увеличивается степень колебательности», т.е. ухудшается устойчивость САУ. Здесь ς – коэффициент демпфирования объекта управления второго порядка.

Об этом же свойстве известного способа управления по отклонению-прототипа, который реализуется в структурной схеме фиг. 1, свидетельствует и замечание на стр. 163 этой же книги относительно интегрального управления по отклонению: «… с увеличением k_и уменьшается скоростная ошибка (здесь k_и – коэффициент при интегральном члене ПИ-закона управления по отклонению). Однако при этом ухудшается качество системы в переходном режиме, и с определенного k_и система становится неустойчивой». При этом на стр. 165 в книге [57] подчеркивается, что «Хотя эти выводы получены на основе исследования системы управления с объектом второго порядка, есть основания считать, что они справедливы и в более общем случае». Это же свойство управления по отклонению-прототипа отмечается и в книге [58, с. 269]: «… увеличение коэффициента передачи П-регулятора (k_рег) ухудшает устойчивость системы …». Заметим, что увеличение указанных выше коэффициентов передачи регуляторов всегда вызывается стремлением увеличить точность отработки САУ задающего воздействия (g) и точность подавления возмущающих воздействий (f).

Основная задача, решаемая в рамках заявляемого способа управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления, состоит в обеспечении более высоких статических и динамических показателей, характеризующих работу САУ, и главное, в устранении указанного выше противоречия между точностью, устойчивостью и требуемыми свойствами системы автоматического управления в переходном и в установившемся режиме. Решение данной задачи, которое сформулировано в виде нового подхода к обработке сигналов при формировании управления, обоснованного математическими условия и ограничениями на операторы основных функциональных узлов САУ, носит фундаментальный характер и может оказать существенное влияние на современную теорию автоматического управления, а также способы построения конкретных автоматических регуляторов различного функционального назначения [1-56].

Поставленная задача решается тем, что в систему автоматического управления, содержащей объект управления 1 со входом 2, на который подаётся управляющее воздействие (μ), входом 4, на который поступает возмущающее воздействие (f), и с выходом 3, на котором формируется выходная управляемая переменная (y), исполнительное устройство 5 со входом 6, на который подается сигнал управления (u), и выходом 7, на котором формируется управляющее воздействие (μ), и который связан со входом 2 объекта управления 1, вход 8, на который поступает задающее воздействие (g), вводится формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям 9 с двумя основными входами: 11, на который поступает задающее воздействие (g), и 12, на который со знаком минус подается выходная управляемая переменная (y) с выхода 3 объекта управления 1, и с выходом 10, на котором формируется сигнал управления (u), подаваемый на вход 6 исполнительного устройства 5. (В общем случае введённый формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям 9 (ФМУВВ, фиг. 5) может иметь два дополнительных входа 13 и 14). Во всех случаях сигнал задающего воздействия (g) обрабатывается одним входным оператором K_g(p), а сигнал обратной связи по выходу (у) объекта управления 1 обрабатывается другим входным оператором K_у(p), причем эти различные операторы, вместе с собственным оператором R(p) ФМУВВ, технически реализуются одним блоком – формирователем многоканального управления по выходу и воздействиям 9. Этим же блоком реализуются и входные операторы K_fф(p), K_uф(p) по дополнительным входам 13 и 14 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, которые он имеет в указанных ниже частных случаях (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4).

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема системы автоматического управления, реализующей классический способ управления по отклонению-прототип, где обозначено: Σ – устройство сравнения выходной переменной (y) объекта управления 1 с задающим воздействием (g); ε – отклонение; μ – управляющее воздействие на объект управления 1, ИУ – исполнительное устройство 5, формирующее управляющее воздействие μ.

На чертеже фиг. 2 показана функциональная схема системы автоматического управления, реализующей частный случай № 1 заявляемого способа управления по выходу и воздействиям, в соответствии с п. 1 формулы изобретения (здесь возмущающее воздействие f и сигнал управления u не поступают на дополнительные входы 13 и 14 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, как это предусмотрено на чертеже фиг. 5 и п.7 формулы изобретения).

На чертеже фиг. 3 приведена функциональная схема системы автоматического управления, реализующей частный случай № 2 заявляемого способа управления по выходу и воздействиям, в соответствии с п. 3 формулы изобретения (здесь возмущающее воздействие f поступает на первый 13 дополнительный вход формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9).

На чертеже фиг. 4 представлена функциональная схема системы автоматического управления, реализующей частный случай № 3 заявляемого способа управления по выходу и воздействиям, в соответствии с п. 5 формулы изобретения (здесь сигнал управления u поступает на второй 14 дополнительный вход формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, а возмущающее воздействие f не поступает на его первый 13 дополнительный вход).

На чертеже фиг. 5 показана функциональная схема системы автоматического управления, реализующей наиболее общий частный случай № 4 заявляемого способа управления по выходу и воздействиям, соответствующего п. 7 формулы изобретения (здесь возмущающее воздействие f и сигнал управления u поступают на первый 13 и второй 14 дополнительные входы формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, соответственно).

Далее, в качестве примера на чертежах фиг. 6 – фиг. 14 приведены результаты компьютерного моделирования в среде MATLAB системы управления тангажем тяжелого самолета, соответствующей чертежу фиг. 2. В приложении 1 даётся строгий математический вывод основных расчетных соотношений, позволяющих определить параметры формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9 на основе заданных уравнений объекта управления (1) и исполнительного устройства (5), а также требований к качеству синтезируемой САУ в переходном и в установившемся режиме.

Процедура синтеза этой системы, основанная на частном случае № 1 заявляемого способа управления по выходу и воздействиям, изложена в Приложении 2 к настоящей заявке.

На чертеже фиг. 6 приведен переходный процесс синтезированной САУ при единичной ступенчатой функции g(t) = 1(t) задающего воздействия.

На чертеже фиг. 7 представлен график переходного процесса синтезированной САУ при задающем воздействии g(t) = 0,25 + 0,5t.

На чертеже фиг. 8 показан график переходного процесса синтезированной САУ при задающем воздействии g(t) = 2 + 0,2 t +0,2 t².

На чертеже фиг. 9 приведен график переходного процесса синтезированной САУ при задающем воздействии

На чертеже фиг. 10 представлен график переходного процесса синтезированной САУ при возмущающем воздействии f(t) = 1(t).

На чертеже фиг. 11 показан график переходного процесса синтезированной САУ при возмущающем воздействии f(t) = 0,25 + 0,5 t.

На чертеже фиг. 12 представлен график переходного процесса синтезированной САУ при возмущающем воздействии f(t) = 0,25 + 0,2 t + 0,2 t².

На чертеже фиг. 13 приведен график переходного процесса синтезированной САУ при синусоидальном возмущающем воздействии f(t) = 0,5sin(1,4 t + 0,2), график которого показан на чертеже фиг. 14.

Система автоматического управления, реализующая частный случай №1 заявляемого способа управления по выходу и воздействиям (фиг. 2), содержит объект управления 1 со входом 2, на который подаётся управляющее воздействие (µ), входом 4, на который поступает возмущающее воздействие (f), и с выходом 3, на котором формируется выходная управляемая переменная (y), исполнительное устройство 5 со входом 6, на который подается сигнал управления (u), и выходом 7, на котором формируется управляющее воздействие (µ), и который связан со входом 2 объекта управления 1, вход 8, на который поступает задающее воздействие (g). В структуру этой САУ в соответствии с заявляемым способом управления по выходу и воздействиям введен формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям 9 со входом 11, на который поступает сигнал задающего воздействия (g), со входом 12, на который со знаком минус подается выходная управляемая переменная (y) с выхода (3) объекта управления 1, и с выходом 10, на котором формируется сигнал управления (u), подаваемый на вход 6 исполнительного устройства 5, причем сигнал задающего воздействия (g) обрабатывается одним входным оператором K_g(p), а сигнал обратной связи по выходу (у) объекта управления 1 обрабатывается другим входным оператором K_у(p), причем эти различные операторы технически реализуются одним введенным блоком – формирователем многоканального управления по выходу и воздействиям 9.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям 9, исполнительное устройство 5 и объект управления 1, описываются уравнениями

R(p)u = K_g(p)g – K_y(p)y, M(p)μ = K_иу(p)u, A(p)y = K_μ(p)μ + K_f(p)f,

и реализуют следующие операторы:

D_g(p) = K_g(p)K_иу(p)K_μ(p),

D_f(p) = R(p)M(p)K_f(p),

D(p) = R(p)M(p)A(p) + K_y(p)K_иу(p)K_μ(p),

где D_g(p) и D_f(p) – входные операторы системы автоматического управления по задающему воздействию (g) и по возмущающему воздействию (f), соответственно; D(p) – собственный оператор системы автоматического управления, причем вышеназванные операторы D_g(p), D_f(p) и D(p) являются полиномами некоторых степеней от оператора р дифференцирования по времени (p = d /dt) с вещественными коэффициентами;

– входной оператор по входу 11 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, на который подаётся сигнал задающего воздействия (g), причем

, при ;

K_иу(p) – входной оператор по входу 6 исполнительного устройства 5, на который подается сигнал управления (u) с выхода 10 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, причем

, при ≠ 0;

K_μ(p) – входной оператор по входу 2 объекта управления 1, на который подается управляющее воздействие (µ) с выхода 7 исполнительного устройства 5, причем

, при ;

R(p) – собственный оператор формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, который определяется выражением

, при ;

M(p) – собственный оператор исполнительного устройства 5, причем

, при ;

K_f(p) – входной оператор по входу 4 объекта управления 1, на который поступает возмущающее воздействие (f), причем

, при ;

A(p) – собственный оператор объекта управления 1, причем

, при ;

K_y(p) – входной оператор по входу 12 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, на который подаётся со знаком минус выходная управляемая переменная (y) с выхода 3 объекта управления 1

, при ;

кроме этого входные операторы D_g(p) и D_f(p) и собственный оператор D(p) системы автоматического управления определяются уравнениями

, при ,

причем: , , , , – численные, вещественные коэффициенты или нули; r_g, r_y, m_иу, m_µ, m_f, n_g, n_f – целые положительные числа или нули; r, n_иу, n, n_с – целые положительные числа; при этом полиномиальные операторы А(р), K_μ(p), , M(p), K_иу(p) определяются заданными математическими моделями (дифференциальными уравнениями) в операторной форме объекта управления 1 и исполнительного устройства 5, полиномиальный оператор D(p) и часть нулей полиномиальных операторов R(p), D_g(p), D_f(p) назначаются, исходя из требований к устойчивости, динамике и точности системы автоматического управления в переходном и в установившемся режимах, а полиномиальные операторы R(p), D_g(p), K_g(p), K_y(p) доопределяются в процессе выбора порядка и параметров конкретной системы автоматического управления.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям 9 имеет первый дополнительный вход 13, на который подается сигнал, пропорциональный возмущающему воздействию (f), причем каждый из сигналов задающего воздействия (g), обратной связи по выходу объекта управления (y) и сигнал по возмущающему воздействию (f) обрабатываются в формирователе многоканального управления по выходу и воздействиям 9 отдельными операторами K_g(p), K_y(p) и K_uф(p), соответственно, причем все эти отдельные операторы технически реализуются одним функциональным блоком – формирователем многоканального управления по выходу и воздействиям 9.

Кроме этого на чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям 9, исполнительное устройство 5 и объект управления 1, описываются уравнениями

R(p)u = K_g(p)g – K_y(p)y + K_fф(p)f,

M(p)μ = K_иу(p)u, A(p)y = K_μ(p)μ + K_f(p)f,

и реализуют следующие операторы:

D_g(p) = K_g(p)K_иу(p)K_μ(p),

D_f(p) = R(p)M(p)K_f(p) + K_fф(p)K_иу(p)K_μ(p),

D(p) = R(p)M(p)A(p) + K_y(p)K_иу(p)K_μ(p),

где D_g(p) и D_f(p) – входные операторы системы автоматического управления по задающему воздействию (g) и по возмущающему воздействию f, соответственно; D(p) – собственный оператор системы автоматического управления, причем вышеназванные операторы D_g(p), D_f(p) и D(p) являются полиномами некоторых степеней от оператора р дифференцирования по времени (p = d /dt) с вещественными коэффициентами;

– входной оператор по входу 11 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, на который поступает сигнал задающего воздействия (g), причем

, при ;

, при ≠ 0;

, при ;

M(p) – собственный оператор исполнительного устройства 5, причем

, при ;

K_fф(p) – входной оператор по входу 12 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, на который поступает сигнал возмущающего воздействия (f), причем

, при ;

A(p) – собственный оператор объекта управления 1, причем

, при ;

, при ,

, при .

причем: , , , , – численные вещественные коэффициенты или нули; r_g, r_y, m_иу, m_µ, m_f, n_g, n_f, r_fф – целые положительные числа или нули; r, n_иу, n, n_с – целые положительные числа; при этом полиномиальные операторы А(р), K_μ(p), , M(p), K_иу(p) определяются заданными математическими моделями (дифференциальными уравнениями) в операторной форме объекта управления 1 и исполнительного устройства 5, полиномиальный оператор D(p) и часть нулей полиномиальных операторов R(p), D_g(p), D_f(p) назначаются, исходя из требований к устойчивости, динамике и точности системы автоматического управления в переходном и в установившемся режимах, а полиномиальные операторы R(p), D_g(p), K_g(p), K_y(p), K_fф(p) доопределяются в процессе выбора порядка и параметров конкретной системы автоматического управления.

На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, формирователь сигналов многоканального управления по выходу и воздействиям 9 имеет второй дополнительный вход 14, на который со знаком минус подается обратная связь по сигналу управления (u) с выхода 10 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, а каждый из сигналов задающего воздействия (g), обратной связи по выходу объекта управления (y) и обратной связи по управлению (u) обрабатывается в формирователе многоканального управления по выходу и воздействиям 9 отдельными операторами K_g(p), K_y(p) и K_uф(p) соответственно, причем все эти отдельные операторы технически реализуются одним функциональным блоком – формирователем многоканального управления по выходу и воздействиям 9.

Кроме этого, на чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям 9, исполнительное устройство 5 и объект управления 1, описываются уравнениями

R(p)u = K_g(p)g – K_y(p)y – K_uф(p)u,

M(p)μ = K_иу(p)u, A(p)y = K_μ(p)μ + K_f(p)f,

и реализуют следующие операторы:

D_g(p) = K_g(p)K_иу(p)K_μ(p),

D_f(p) = [R(p) + K_uф(p)]M(p)K_f(p),

D(p) = [R(p) + K_uф(p)]M(p)A(p) + K_y(p)K_иу(p)K_μ(p),

– входной оператор по входу 11 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, на который поступает задающее воздействие (g), причем

, при ;

, при ≠ 0;

, при ;

R(p) – собственный оператор формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, причем

, при ;

K_uф(p) – входной оператор по входу 14 формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям 9, на который подаётся со знаком минус сигнал управления (u), причем

, при ;

M(p) – собственный оператор исполнительного устройства 5, причем

, при ;

K_f(p) – входной оператор по входу 4 объекта управления 1, на который поступает возмущающее воздействие f, причем

, при ;

A(p) – собственный оператор объекта управления 1, причем

, при ;

, при ,

, при .

причем: , , , , – численные вещественные коэффициенты или нули; r_g, r_y, m_иу, m_µ, m_f, n_g, n_f, r_uф – целые положительные числа или нули; r, n_иу, n, n_с – целые положительные числа, при этом, как показано в Приложении 2, полиномиальные операторы А(р), K_μ(p), , M(p), K_иу(p) определяются заданными математическими моделями (дифференциальными уравнениями) в операторной форме объекта управления 1 и исполнительного устройства 5, полиномиальный оператор D(p) и часть нулей полиномиальных операторов R(p), D_g(p), D_f(p) назначаются, исходя из требований к устойчивости, динамике и точности системы автоматического управления в переходном и в установившемся режимах, а полиномиальные операторы R(p), D_g(p), K_g(p), K_y(p), K_uф(p) доопределяются в процессе выбора порядка и параметров конкретной системы автоматического управления.

В САУ, схема которой показана на чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 7 формулы изобретения, каждый из сигналов: задающее воздействие (g), обратной связи по выходу объекта управления (y), обратной связи по управлению (u) и возмущающее воздействие (f) обрабатываются в формирователе многоканального управления по выходу и воздействиям 9 отдельными операторами K_g(p), K_y(p), K_uф(p) и K_fф(p) а также его собственным оператором R(p), причем все эти операторы технически реализуются одним функциональным блоком – формирователем многоканального управления по выходу и воздействиям 9.

В схеме САУ, показанной на чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 8 формулы изобретения, формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям 9, исполнительное устройство 5 и объект управления 1, описываются уравнениями

R(p)u = K_g(p)g – K_y(p)y – K_uф(p)u + K_fф(p)f,

M(p)μ = K_иу(p)u,

A(p)y = K_μ(p)μ + K_f(p)f,

и реализуют следующие операторы:

D_g(p) = K_g(p)K_иу(p)K_μ(p),

D_f(p) = [R(p) + K_uф(p)]M(p)K_f(p) + K_fф(p)K_иу(p)K_μ(p),

D(p) = [R(p) + K_uф(p)]M(p)A(p) + K_y(p)K_иу(p)K_μ(p),

где D_g(p) и D_f(p) – входные операторы системы автоматического управления по задающему воздействию (g) и по возмущающему воздействию (f) соответственно; D(p) – собственный оператор системы автоматического управления, причем вышеназванные операторы D_g(p), D_f(p) и D(p) являются полиномами некоторых степеней от оператора р дифференцирования по времени (p = d /dt) с вещественными коэффициентами;

, при ;

, при ≠ 0;

, при ;

R(p) – собственный оператор формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), причем

, при ;

M(p) – собственный оператор исполнительного устройства 5, причем

, при ;

K_f(p) – входной оператор по входу 4 объекта управления 1, на который поступает возмущающее воздействие f, причем

, при ;

A(p) – собственный оператор объекта управления 1, причем

, при ;

, при ,

причем: , , , , – численные вещественные коэффициенты или нули; r_g, r_y, m_иу, m_µ, m_f, n_g, n_f, r_uф, r_fф – целые положительные числа или нули; r, n_иу, n, n_с – целые положительные числа, при этом полиномиальные операторы А(р), K_μ(p), , M(p), K_иу(p) определяются заданными математическими моделями (дифференциальными уравнениями) в операторной форме объекта управления 1 и исполнительного устройства 5, полиномиальный оператор D(p) и часть нулей полиномиальных операторов R(p), D_g(p), D_f(p) назначаются, исходя из требований к устойчивости, динамике и точности системы автоматического управления в переходном и в установившемся режимах, а полиномиальные операторы R(p), D_g(p), K_g(p), K_y(p), K_uф(p), K_fф(p) доопределяются в процессе выбора порядка и параметров конкретной системы автоматического управления.

Порядок построения конкретных САУ, реализующих заявляемый способ управления по выходу и воздействиям, и их особенности целесообразно рассмотреть на примере частного случая № 1, представленного на чертеже фиг. 2, с учетом графиков переходных процессов, представленных на чертежах фиг. 6 – фиг. 14.

По существу, в настоящей заявке на патент РФ предлагается новый способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления, при котором положительный эффект достигается за счет нового подхода к обработке сигналов в основных функциональных узлах САУ. Для реализации этого нового подхода к обработке сигналов применяется (фиг. 2) формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям 9, имеющий различные операторы по основным 10, 11 и дополнительным 13, 14 входам, а также собственный оператор. Все эти операторы, в строгом соответствии с заявляемым способом управления по выходу и воздействиям и теорией автоматического управления, определяются аналитическим методом синтеза, основные расчетные соотношения которого приведены в тексте настоящей заявки и в Приложении 1, а пример синтеза конкретной системы автоматического управления тангажем тяжелого самолета, соответствующей частному случаю № 1 изобретения, приведен в Приложении 2.

На фиг. 6 – фиг. 13 представлены результаты моделирования этой САУ, созданной с учетом способа управления по выходу и воздействиям, а также заданных требований к ней в переходном и в установившемся режиме. Из этих результатов следуют следующие выводы об её свойствах:

1. Длительность переходного процесса в САУ (фиг. 6) по задающему воздействию g не превышает 5,5 секунд, а перерегулирование не более 18%, что соответствует заданным требованиям (см. Приложение 2).

2. Ошибки САУ, судя по фиг. 7 – фиг. 13, равны нулю при степени полиномиального задающего воздействия g, равной двум, и степени полиномиальной составляющей возмущающего воздействия f, равной единице. Это свидетельствует о том, что порядок астатизма синтезированной САУ по задающему воздействию равен трем, а по возмущающему воздействию порядок астатизма равен двум, что также соответствует заданным требованиям к данной САУ (см. Приложение 2).

3. При действии синусоидальной составляющей возмущающего воздействия с частотой рад/сек (фиг. 14) ошибка САУ, судя по графикам фиг. 13, равна нулю, что также соответствует требованиям к синтезируемой системе управления углом тангажа тяжелого самолета (см. Приложение 2).

Таким образом, рассмотренный пример САУ показывает, что заявляемый способ управления по выходу и воздействиям имеет существенные преимущества в сравнении с известным в настоящее время способом управления по отклонению [1-56] – в нём устранены противоречия между устойчивостью и требуемыми свойствами САУ в переходном и в установившемся режиме.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

САУ зенитными ракетами

1. Патент RU 2293686, 2007 г.

2. Патент RU 2302358, 2007 г.

3. Патент RU 2293686, 2007 г.

САУ космическими аппаратами

4. Патент RU 2669763, 2018 г.

5. Патент RU 2027645, 1995 г.

6. Патент RU 2104233, 1998 г.

7. Патент RU 2568527, 2015 г.

8. Патент RU 2560204, 2015 г.

9. Патент SU 1839997, 2006 г.

10. Патент RU 2104234, 1998 г.

11. Патент RU 2225811, 2004 г.

САУ беспилотными летательными аппаратами

12. Патент RU 2290346, 2006 г.

13. Патент RU 2152637, 2000 г.

Автопилоты и САУ самолетами

14. Патент RU 2325305, 2008 г.

15. Патент RU 2249540, 2005 г.

16. Патент RU 2383467, 2010 г.

17. Патент RU 2176812, 2001 г.

18. Патент RU 2325305, 2008 г.

САУ ядерными реакторами

19. Патент RU 2482558, 2013 г.

20. Патент RU 2529555, 2014 г.

21. Патент RU 2278427, 2006 г.

22. Патент RU 2565772, 2015 г.

23. Патент RU 2399969, 2010 г.

24. Патент RU 1069562, 1985 г.

25. Патент RU 2672559, 2018 г.

26. Патент RU 2470392, 2012 г.

27. Патент SU 497883, 1978 г.

28. Патент RU 2260211, 2005 г.

29. Патент RU 1596987, 1994 г.

30. Патент RU 2244350, 2005 г.

САУ транспортными средствами

31. EP 1147965, 2005 г.

САУ электродвигателями

32. Патент SU 1205953, 1986 г.

33. Патент RU 2249242, 2005 г.

34. Патент RU 2069793, 1996 г.

35. Патент RU 2098722, 1997 г.

36. Патент RU 2291474, 2007 г.

37. Патент RU 2605946, 2017 г.

38. Патент SU 1504714, 1989 г.

39. Патент RU 2417513, 2011 г.

САУ с/х машинами и оборудованием

40. Патент SU 1259969, 1986 г.

Прочие САУ

41. Патент SU 1029142, 1983.

42. Патент RU 2477919, 2013 г.

Иностранные патенты на САУ

43. Патент US 4442391, 1984 г.

44. Патент US 4338552, 1982 г.

45. Патент US 7521655, 2009 г.

46. Патент US 5822981, 1998 г.

47. Патент US 4582026, 1986 г.

48. Патент US 4098242, 1978 г.

49. Патент US 8301421, 2012 г.

50. Патент WO 2006022576.

51. Патент US 8194038, 2012 г.

52. Патент US 7364116, 2008 г.

53. Патент US 8494684, 2013 г.

54. Патентная заявка US 2005/0246133.

55. Патент CN 102679717, 2012 г.

56. Патент CN 104229092, 2014 г.

Классические монографии по теории автоматического управления

57. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы, - 2-е изд. испр. и доп. М.: Физматлит, 2007. 312 с.

58. Теория автоматического управления. Под ред. А.В. Нетушила. Учебник для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., «Высшая школа», 1976. 400 с.

1. Способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления, заключающийся в том, что на вход (2) объекта управления (1) подаётся управляющее воздействие (μ), на вход (4) объекта управления (1) поступает возмущающее воздействие (f), а на выходе (3) объекта управления (1) формируется выходная управляемая переменная (y), на вход (6) исполнительного устройства (5) подается сигнал управления (u), а на выходе (7) исполнительного устройства (5), который связан со входом (2) объекта управления (1), формируется управляющее воздействие (μ), на вход (8) системы автоматического управления поступает задающее воздействие (g), а на вход (11) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), введенного в систему автоматического управления, поступает сигнал задающего воздействия (g), на вход (12) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9) со знаком минус подается выходная управляемая переменная (y) с выхода (3) объекта управления (1), при этом на выходе (10) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9) формируется сигнал управления (u), подаваемый на вход (6) исполнительного устройства (5), а каждый из сигналов задающего воздействия (g) и обратной связи по выходу объекта управления (y) обрабатывается в формирователе многоканального управления по выходу и воздействиям (9) отдельными входными операторами K_g(p) и K_у(p), соответственно, вместе с его собственным оператором R(p), причем эти различные операторы технически реализуются одним блоком – формирователем многоканального управления по выходу и воздействиям (9).

2. Способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления по п. 1, отличающийся тем, что формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям (9), исполнительное устройство (5) и объект управления (1), описываются уравнениями

R(p)u = K_g(p)g – K_y(p)y, M(p)μ = K_иу(p)u и A(p)y = K_μ(p)μ + K_f(p)f,

и реализуют следующие операторы:

D_g(p) = K_g(p)K_иу(p)K_μ(p),

D_f(p) = R(p)M(p)K_f(p),

D(p) = R(p)M(p)A(p) + K_y(p)K_иу(p)K_μ(p),

K_g(p) – входной оператор по входу (11) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), на который подаётся сигнал задающего воздействия (g), причем

, при ;

K_иу(p) – входной оператор по входу (6) исполнительного устройства (5), на который подается управление (u) с выхода (10) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), причем

, при ≠ 0;

K_μ(p) – входной оператор по входу (2) объекта управления (1), на который подается управляющее воздействие (µ) с выхода (7) исполнительного устройства (5), причем

, при ;

R(p) – собственный оператор формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), который определяется выражением

, при ;

M(p) – собственный оператор исполнительного устройства (5), причем

, при ;

K_f(p) – входной оператор по входу (4) объекта управления (1), на который поступает возмущающее воздействие (f), причем

, при ;

A(p) – собственный оператор объекта управления (1), причем

, при ;

K_y(p) – входной оператор по входу (12) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), на который подаётся со знаком минус выходная управляемая переменная (y) с выхода (3) объекта управления (1), причем

, при ;

, при ,

где: , , , , – численные вещественные коэффициенты или нули; r_g, r_y, m_иу, m_µ, m_f, n_g, n_f – целые положительные числа или нули; r, n_иу, n, n_с – целые положительные числа; при этом полиномиальные операторы А(р), K_μ(p), , M(p), K_иу(p), как показано в Приложении 2, определяются заданными математическими моделями (дифференциальными уравнениями) в операторной форме объекта управления (1) и исполнительного устройства (5), полиномиальный оператор D(p) и часть нулей полиномиальных операторов R(p), D_g(p), D_f(p) назначаются, исходя из требований к устойчивости, динамике и точности системы автоматического управления в переходном и в установившемся режимах, а полиномиальные операторы R(p), D_g(p), K_g(p), K_y(p) доопределяются в процессе выбора порядка и параметров конкретной системы автоматического управления.

3. Способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления по п. 1, отличающийся тем, что на первый дополнительный вход (13) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9) подается сигнал, пропорциональный возмущающему воздействию (f), причем каждый из сигналов задающего воздействия (g), обратной связи по выходу объекта управления (y) и сигнал по возмущающему воздействию (f) обрабатываются в формирователе многоканального управления по выходу и воздействиям (9) отдельными операторами K_g(p), K_y(p) и K_uф(p), соответственно, вместе с его собственным оператором R(p), причем все эти отдельные операторы технически реализуются одним функциональным блоком – формирователем многоканального управления по выходу и воздействиям (9).

4. Способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления по п. 1, отличающийся тем, что формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям (9), исполнительное устройство (5) и объект управления (1), описываются уравнениями

R(p)u = K_g(p)g – K_y(p)y + K_fф(p)f, M(p)μ = K_иу(p)u, A(p)y = K_μ(p)μ + K_f(p)f,

и реализуют следующие операторы:

D_g(p) = K_g(p)K_иу(p)K_μ(p),

D_f(p) = R(p)M(p)K_f(p) + K_fф(p)K_иу(p)K_μ(p),

D(p) = R(p)M(p)A(p) + K_y(p)K_иу(p)K_μ(p),

K_g(p) – входной оператор по входу (11) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), на который поступает сигнал задающего воздействия (g), причем

, при ;

K_иу(p) – входной оператор по входу (6) исполнительного устройства (5), на который подается сигнал управления (u) с выхода (10) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), причем

, при ≠ 0;

, при ;

M(p) – собственный оператор исполнительного устройства (5), причем

, при ;

K_f(p) – входной оператор по входу (4) объекта управления (1), на который

поступает возмущающее воздействие (f), причем

, при ;

K_fф(p) – входной оператор по входу (12) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), на который поступает сигнал возмущающего воздействия (f), причем

, при ;

A(p) – собственный оператор объекта управления (1), причем

, при ;

, при ,

, при .

причем: , , , , – численные вещественные коэффициенты или нули; r_g, r_y, m_иу, m_µ, m_f, n_g, n_f, r_fф – целые положительные числа или нули; r, n_иу, n, n_с – целые положительные числа, при этом полиномиальные операторы А(р), K_μ(p), , M(p), K_иу(p) определяются заданными математическими моделями (дифференциальными уравнениями) в операторной форме объекта управления (1) и исполнительного устройства (5), полиномиальный оператор D(p) и часть нулей полиномиальных операторов R(p), D_g(p), D_f(p) назначаются, исходя из требований к устойчивости, динамике и точности системы автоматического управления в переходном и в установившемся режимах, а полиномиальные операторы R(p), D_g(p), K_g(p), K_y(p), K_fф(p) доопределяются в процессе выбора порядка и параметров конкретной системы автоматического управления.

5. Способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления по п. 1, отличающийся тем, что на второй дополнительный вход (14) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9) со знаком минус подается обратная связь по сигналу управления (u) с выхода (10) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), а каждый из сигналов задающего воздействия (g), обратной связи по выходу объекта управления (y) и обратной связи по управлению (u) обрабатывается в формирователе многоканального управления по выходу и воздействиям (9) отдельными операторами K_g(p), K_y(p) и K_uф(p), соответственно, вместе с его собственным оператором R(p), причем все эти отдельные операторы технически реализуются одним функциональным блоком – формирователем многоканального управления по выходу и воздействиям (9).

6. Способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления по п. 1, отличающийся тем, что формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям (9), исполнительное устройство (5) и объект управления (1), описываются уравнениями

R(p)u = K_g(p)g – K_y(p)y – K_uф(p)u, M(p)μ = K_иу(p)u, A(p)y = K_μ(p)μ + K_f(p)f,

и реализуют следующие операторы:

D_g(p) = K_g(p)K_иу(p)K_μ(p),

D_f(p) = [R(p) + K_uф(p)]M(p)K_f(p),

D(p) = [R(p) + K_uф(p)]M(p)A(p) + K_y(p)K_иу(p)K_μ(p),

K_g(p) – входной оператор по входу (11) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), на который поступает задающее воздействие (g), причем

, при ;

, при ≠ 0;

, при ;

R(p) – собственный оператор формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), причем

, при ;

K_uф(p) – входной оператор по входу (14) формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), на который подаётся со знаком минус сигнал управления (u), причем

, при ;

M(p) – собственный оператор исполнительного устройства (5), причем

, при ;

K_f(p) – входной оператор по входу (4) объекта управления (1), на который поступает возмущающее воздействие f, причем

, при ;

A(p) – собственный оператор объекта управления (1), причем

, при ;

, при ,

, при .

причем: , , , , – численные вещественные коэффициенты или нули; r_g, r_y, m_иу, m_µ, m_f, n_g, n_f, r_uф – целые положительные числа или нули; r, n_иу, n, n_с – целые положительные числа, при этом полиномиальные операторы А(р), K_μ(p), , M(p), K_иу(p) определяются заданными математическими моделями (дифференциальными уравнениями) в операторной форме объекта управления (1) и исполнительного устройства (5), полиномиальный оператор D(p) и часть нулей полиномиальных операторов R(p), D_g(p), D_f(p) назначаются, исходя из требований к устойчивости, динамике и точности системы автоматического управления в переходном и в установившемся режимах, а полиномиальные операторы R(p), D_g(p), K_g(p), K_y(p), K_uф(p) доопределяются в процессе выбора порядка и параметров конкретной системы автоматического управления.

7. Способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления по п. 1, или 3, или 5, отличающийся тем, что каждый из сигналов задающего воздействия (g), обратной связи по выходу объекта управления (y), обратной связи по управлению (u) и по возмущающему воздействию (f) обрабатывается в формирователе многоканального управления по выходу и воздействиям (9) отдельными операторами K_g(p), K_y(p), K_uф(p) и K_fф(p), соответственно, вместе с его собственным оператором R(p), причем все эти отдельные операторы технически реализуются одним функциональным блоком – формирователем многоканального управления по выходу и воздействиям (9).

8. Способ управления по выходу и воздействиям системой автоматического управления по п. 1, или 3, или 5, отличающийся тем, что формирователь многоканального управления по выходу и воздействиям (9), исполнительное устройство (5) и объект управления (1), описываются уравнениями

R(p)u = K_g(p)g – K_y(p)y – K_uф(p)u + K_fф(p)f, M(p)μ = K_иу(p)u,

A(p)y = K_μ(p)μ + K_f(p)f,

и реализуют следующие операторы:

D_g(p) = K_g(p)K_иу(p)K_μ(p),

D_f(p) = [R(p) + K_uф(p)]M(p)K_f(p) + K_fф(p)K_иу(p)K_μ(p),

D(p) = [R(p) + K_uф(p)]M(p)A(p) + K_y(p)K_иу(p)K_μ(p),

, при ;

, при ≠ 0;

, при ;

R(p) – собственный оператор формирователя многоканального управления по выходу и воздействиям (9), причем

, при ;

M(p) – собственный оператор исполнительного устройства (5), причем

, при ;

K_f(p) – входной оператор по входу (4) объекта управления (1), на который

поступает возмущающее воздействие f, причем

, при ;

A(p) – собственный оператор объекта управления (1), причем

, при ;

, при ,

причем: , , , , – численные вещественные коэффициенты или нули; r_g, r_y, m_иу, m_µ, m_f, n_g, n_f, r_uф, r_fф – целые положительные числа или нули; r, n_иу, n, n_с – целые положительные числа, при этом полиномиальные операторы А(р), K_μ(p), , M(p), K_иу(p) определяются заданными математическими моделями (дифференциальными уравнениями) в операторной форме объекта управления (1) и исполнительного устройства (5), полиномиальный оператор D(p) и часть нулей полиномиальных операторов R(p), D_g(p), D_f(p) назначаются, исходя из требований к устойчивости, динамике и точности системы автоматического управления в переходном и в установившемся режимах, а полиномиальные операторы R(p), D_g(p), K_g(p), K_y(p), K_uф(p), K_fф(p) доопределяются в процессе выбора порядка и параметров конкретной системы автоматического управления.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в обеспечении неинвертирующего преобразования входного токового сигнала с коэффициентом передачи по току больше единицы.

Источник опорного напряжения // 2673243

Изобретение относится к электронике и предназначено для использования в интегральных микросхемах на комплементарных транзисторах структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Его технический результат, заключающийся в повышении стабильности выходного напряжения по напряжению питания, достигается введением в устройство четвертого и пятого МДП-транзисторов 6 и 7 с индуцированным каналом первого типа проводимости, третьего и четвертого МДП-транзисторов 10 и 11 с индуцированным каналом второго типа проводимости и выполнением их связей.

Устройство троичной схемотехники на токовых зеркалах // 2648565

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и предназначено для создания цифровых устройств троичной логики. Техническим результатом является повышение быстродействия, снижение размеров и энергопотребления устройства.

Источник опорного напряжения на основе удвоенной ширины запрещенной зоны кремния // 2547227

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. Техническим результатом является упрощение схемы при высокой температурной стабильности выходного напряжения.

Источник опорного напряжения // 2520415

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны. Техническим результатом является повышение выходного напряжения, а также повышение относительной температурной стабильности.

Источник опорного напряжения // 2519270

Устройство относится к области электротехники. Техническим результатом является повышение температурной стабильности при одновременном повышении нагрузочной способности.

Низковольтный температурно стабильный радиационно стойкий источник опорного напряжения // 2517683

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Технический результат заключается в упрощении схемы при высокой температурной стабильности выходного напряжения, а также ее высокая радиационная стойкость.

Способ формирования опорного напряжения // 2466493

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании источников стабильного напряжения постоянного тока. .

Устройство формирования двухполярного опорного напряжения с пониженным уровнем шумов // 2428736

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам формирования опорного напряжения, и может быть использовано при создании малошумящих источников стабильного напряжения постоянного тока. .

Способы регулирования процессов размораживания и приготовления пищевых продуктов в микроволновой печи // 2124280

Изобретение относится к способам обработки пищевых продуктов в микроволновой печи. .

Система оперативного управления оборудованием подвижного объекта // 2773989

Система оперативного управления оборудованием подвижного объекта содержит два четырехпозиционных переключателя с осевым нажатием (4ПП), один из которых установлен на рукоятке управления положением подвижного объекта, а другой – на рукоятке управления двигателем под правую и левую руку соответственно, экран индикатора, вычислитель, выполненная с возможностью выбора задач управления оборудованием подвижного объекта и выполнения их с помощью соответствующих 4ПП.