Устройство для моделирования оптимальной системы управления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Соаетскик

Социалистических

Веслублик

<>970397 (б)) Дополнительное к авт, свид-ву(22) Заявлено 23. 04.81 (21) 3277650/18-24 с присоединением заявки М(23) ПриоритетОпубликовано 3ц1082, Бюллетень Hо 40 (513 М. Кп.

G 06 G 7/66

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий ($3) УДК 681.333 (088.8) Дата опубликования описания 30.10.82 т

Г.Н.Азаров, В.Г.Воронов, Л.П.Грабой; Г,В.Евстратов и М.В.Холодов (72) Авторы изобретения

Харьковский ордена Ленина политехничесййй--институт им. В.И. Ленин а (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОПТИИАЛЬНОЙ

CHCTEHH УПРАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к гибридной вычислительной технике, в частности электрическим самонастраивающимся системам управления, и предназначено для автоматического решения задач оптимального по быстродействию управления системами с распределенными параметрами при наличии множества ограничений на входные и выходные координаты объекта.

Известно устройство для .решения задач оптимального управления, содержащее последовательно соединенные формирователь, усилитель и управляемый стабилизатор тока, подключенный к RC-сетке, а также два ограничителя, подключенных к входам усилителя, выход которого соединен с входом первого ограничителя, а вход второго ограничителя соединен с выходом управляемого стабилизатора тока 11).

Недостатками такого устройства являются низкая точность получаемого решения (невозможность получения на нем оптимального решения) и узкий класс решаемых задач, так как на таком устройстве можно решать лишь такие задачи, где управление объектом ведется путем изменения граничных условий второго рода.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для моделирования оптимальной системы управления, содержащее блок задания граничных условий и блок граничных резисторов, выходы, которого подключены к соответствующим входам.RC-сетки, группа выходов которой соединена с соответствую щими входами блока ограничителей, выходы которого подключены к входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу RC-сетки и к управляющему входу блока ограничителей, один выход из группы выходов RC-сетки соединен с первым входом блока задержки, выход которого подключен к нулевому входу триггера, единичный вход которого соединен с вторым входом блока задержки, с управляющим входом RC-сетки и с первым выходом генератора импульсов, второй выход которого подключен к третьему входу, блока задержки, четвертый вход которого соединен с выходом блока задания величины выходного перере970397 гулирования, единичный. и нулевой выходы триггера подключены соответственно к первому и второму управ ляющим входам первого коммутатора, первый и второй коммутируемые входы которого соединены с выходом блока э задания эталонного напряжения и с выходом блока задания величины

1входного перерегулирования соответственно, выход первого коммутатора подключен к третьему входу компаратора. Кроме этого, устройство содержит управляемый стабилизатор тока вход которого подключен к выходу компаратора, выход стабилизатора тока соединен с информационным входом

RC-сетки, а блок задержки содержит усилитель, первый и второй компараторы, триггер, элемент И„ счетчик, генератор линейно изменяющфгося напряжения, цифро-аналоговый преобразова- 2О тель, причем выход усилителя соединен с первым входом первого компаратора, выход которого соединен с первым вхо.L дом триггера, выход которого подкЛючен к первому входу элемента И, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход которого через цифро-аналоговый преобразователь подключен к первому входу второго компаратора, второй вход которого ЗО соединен с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, вход усилителя, вход генератора линейно изменяющегося напряжения вместе с вторым входом элемента И, второй вход3 счетчика вместе с вторым входом триггера и второй вход первого компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока задержки, выход второго. компа- 4п ратора является выходом блока задержки $2).

Недостатком этого устройства является узкий класс решаемых задач, так как на нем можно решать лишь такие задачи оптимального управления, где управляющее воздействие представ- ляет собой граничные условия второго рода.

Цель изобретения — расширение класса решаемых задач.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок задания граничных условий и блок граничных резисторов, выходы которого подключены к соответствующим входам

RC-сетки, группа выходов которой соединена с соответствующими входами блока ограничителей, выходы которого подключены к входам элемента

NJIH, выход которого соединен с пер- 60 вым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу RC-сетки и к управляющему входу блока ограничителей, один выход из группы выходов RC-сетки соединен с первым входом65 блока задержки, выход которого подключен к нулевому входу триггера, единичный вход которого соединен с. вторым входом блока задержки, с управляющим входом RC-сетки и с первым выходом генератора импульсов, второй выход которого подключен к третьему входу блока задержки, четвертый вход которого соединен с выходом блока задания величины выходного перерегулирования, единичный и нулевой выходы триггера подключены соответственно к первому и второму управляющим входам первого коммутатора, первый и второй коммутируемые входы которого соединены с выходом блока задания эталонного напряжения и с выходом блока задания величины входного перерегулирования соответственно, выход первого коммутатора подключен к третьему входу компаратора, введен второй коммутатор, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, выходы блока задания граничных условий подключены соотНетственно к коммутируемым входам второго коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами блока граничных резисторов.

На чертеже изображена функциональная схема устройства, автоматически осуществляющего поиск оптимального управления объектом с распределенными параметрами.

Устройство для моделирования оптимальной системы управления содержит

RC-сетку 1 вместе с узлами задания неуправляемых граничных и начальных условий, блок 2 граничных резисторов, компаратор 3, первый (двухканальный) коммутатор 4, блок 5 задания эталонного напряжения, блок б задания.величины входного перерегулирования, триггер 7, блок 8 ограничителей, элемент ИЛИ 9, генератор 10 импульсов, блок 11 задания (управляе>ых) граничных условий, второй (многоканальный) коммутатор 12, блок 13 задания величины выходного перерегулирования, блок 14 задержки.

Блок 14 содержит первый компаратор 15, триггер 16 элемент И 17, счетчик 18 импульсов, цифро-аналоговый преобразователь 19, второй компаратор 20, генератор 21 линейно изменяющегося напряжения.

RC-сетка 1 является основным блоком устройства. Она включает в себя блоки задания граничных и начальных условий и состоит из узловых резисторов и емкостей. Предназначена

RC-сетка 1 для интегрирования уравнений, описывающих динамику теплового поля в исследуемой области. В результате интегрирования исходных

970397

30 уравнений íà RC-сетке образуются текущие значения некоторых компонент

: вектора состояний управляемого объекта. Например, на RC-сетке определяется нестационарное тепловое состояние элементов конструкции в ,процессе выхода в режим термостата.

Блок 8 состоит из отдельных независимых ограничителей, представляющих собой нелинейности типа зоны нечувствительности. Их выходное напряжение равно нулю, пока входное меньше порога срабатывания Uc . По(рог чувствительности каждого из ограничителей блока 8 равен напряжению, соответствующему допустимому уровню температурного градиента для заданных точек.

Генератор 10 импульсов Формирует периодически повторяющуюся, временную программу решения в виде импульсов подготовки Т и импульсов решения С. . Импульс Xg чение разрядников узловых точек

RC-сетки 1. Импульсами с выхода генератора 10 формирующий триггер 7 и блок 14 задержки устанавливаются в исходное состояние.

С помощью блока 11 можно задавать в RC-сетку 1 граничные условия первого, второго, третьего и четвертого рода. Поэтому в зависимости от ти па граничных условий с его выхода по ступает ток или напряжение. При этом граничные резисторы блока 2 в зависимости от типа граничных условий моделируют или коэффициент теплообмена < (†е ††) прн граннчнын упнпВт м . град. виях третьего рода, или контактное тепловое сопротивление В (м град/Вт при граничных условиях четвертого .ро да а

Рассмотрим работу устройства, где в качестве объекта управления возьмем,например, термостатирующее устройство, у которого управление нагре вом может быть осуществлено по какому-либо одному из граничных условий первого, второго, третьего или четвертого рода.

Генератор 10, вырабатывая импульс времени решения,, производит в

RC-сетке 1 подключение блоков задания граничных и.начальных условий, которые задают в ее узлы начальные и граничные условия, известные иэ исходных данных задачи. Кроме того, импульс Ч:1 с выхода генератора 10 поступает в блок 14 и своим передним фронтом переводит триггер 7 в исходное состояние. После этого коммутатор 4 иод действием управления с триггера 7 подключает выход блока б задания величины входного перерегулирования к входу компаратора 3,, а выход блока 5 задания эталонного напряжения при этом отключает. На остальных входах компаратора 3 напряжение в начальный момент равно . нулю. Компаратор 3, в свою очередь, управляет работой второго коммутатора 12. Таким образом, коммутатор

12 подключает блок ll задания граничных условий к RC-сетке 1 на полную мощность, определяя тем самым начало форсированного выхода объекта в режим.

В начальный момент на вход компаратора 3 с блока 6 задания величины входного перерегулирования подается скачок напряжения заданной

15 амплитуды U Ä, которое соответствует максимально допустимому напряжению на входе объекта U8 o> .

На первый и второй входы комнаратора 3 поступают сигналы отрицатель®0 ной обратной связи с выхода и входа

RC-сетки 1. При этом комнаратор 3 перебрасывается в другое состояние как только напряженке на одном нз входов объекта достигает своего

25 предельного значения, равного ампли-! туде сформированного скачка напряк" гца ПВх ="Вхд,в = с р а также компаратор 3 срабатывает, если сработает. хотя бы один из or раничителей блока 8. Последний срабатывает в тот момент, когда градиент любой выходной точки объекта относительно входной превысит допустимую величину. Таким образом, до то35 го момента, пока входные и выходные координаты объекта не достигают своих предельных значений, объект движется к конечному состоянио с максимальной скоростью при предель) 40 ном значении управляющего воздействия.

Как только хотя бы одна из.координат объекта достигает своего предельного значения, управляющее воздействие на выходе компаратора 3 меняет свой

4 знак на.обратный. Объект начинает двигаться с максимальной скоростью в обратную сторону, и снова при пе- . реходе границы o6ласти допустимых значений его координат. управляющее воздействие меняет свой знак. Таким образом организуют движение объекта по границе области допустимых значений его входных и выходных координат до окончания переходного процесса. В процссе решения этой задачи регулятор и моделируемый объект управления представляют собой замкнутую систему, удерживающую входные и выходные координаты объекта на допустимых значениях. Причем работа бО организована таким образом, что пока входные и выходные координаты объекта не превышают своих предельных.значений, все каналы коммутатора

12 открыты и на RC-сетку 1 подаются

45 максимальные значения граничных ус970397

Формула изобретения ловий первого, второго, третьего или четвертого рода в вице тока или напряжения. Как только величина хотя бы одной из входных или выходных координат объекта превысит свое предельное значение, ком« паратор 3 скачком переходит в дру" гое состояние, запрещая прохождение тока (или напряжения) на вход

RC-сетки 1.

По истечении определенного време- iQ ни с начала переходного процесса задержанный импульс 2 л с выхода блока 14 задержки своим передним фронтом перебрасывает в нулевое состояние триггер 7, который, в свою очередь, производит переключение каналов коммутатора 4. При этом выход блока 6 задания величины входного перерегулирования отключается от входа компаратора 3, а выход 2О ,блока 5 задания эталонного напряжения подключается. Таким сбразом, момент срабатывания триггера 7 и подача напряжения с выхода блока 5 на вход компаратора 3 свидетельст- 75 вуют об окончании форсированного разгона управляемого объекта в режим и начало режима стабилизации его на конечном уровне. Начиная с этого момента компаратор 3 отрабатывает 3() ошибку рассогласования, компенсируя запасенную энергию объекту регулирования. После объекта регулирования с распределенными параметрами (например, температурное поле камеры термостата) начинает выравниваться по всему объему. При достижении равенства потенциалов во всех точках поля заданному переходный процесс заканчивается. 40

Поиск оптимального управления объектами с распределенными параметрами на предлагаемом устройстве заключается в пошаговом (от решения к решению) изменении времени задержки импульса

Фл с помощью блока 14 задержки. Вслед=

craze того, что RC-сеточная гибрид- . ная вычислительная система (ГВС) является моделью с периодизацией решения, на ней легко реализовать такой итерационный метод решения указанных 5О з адач.

После этого, решение задачи оптимального управления объектом с распределенными параметрами получают с выхода компаратора 3 в виде конечно- 55 го.числа интервалов управления, в каждом из которых этот сигнал принимает свое предельное значение, т.е. управление является релейным.

Таким образом, введение второго 6Q многоканального коммутатора 12 позволяет решать такие задачи оптимального по быстродействию управления объектами с распределенными параметрами, где управление может осуществляться по любому из граничных условий первого, второго, третьего или четвертого рода, что значительно расширяет класс решаемых за,цач на таком устройстве. устройство .для моделирования оптимальной системы управления, содержащее блок задания граничных условий и блок граничных резисторов, выходы которого подключены к соответствующим входам RC-сетки, группа выходов которой соединена с соответствующими входамн блока ограничителей, выходы которого подключены к входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу RC-сетки и к управляющему входу блока ограничителей, один выход из группы выходов RC-сетки соединен с первым входом блока задержки, выход которого подключен к нулевому входу триггера, единичный вход которого соединен с вторым входом блока задержки, с управляющим входом RC сетки и с первым выходом генератора импульсов, второй выход которого подключен к третьему входу блока задержки, четвертый вход которого соединен с выходом блока задания величины выходного перерегулирования, единичный и нулевой выходы триггера подключены соответственно к первому и второму управляющим входам первого коммутатора, первый и второй коммутируемые входы которого соединены с выходом блока задания эталонного напряжения и с выходом блока задания величины входного перерегулирования соответственно, выход первого коммутатора подключен к третьему входу компаратора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения класса решаемых задач, в него введен второй коммутатор, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, выходы блока задания граничных условий подключены соответственно к коммутируемым входам второго коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами блока граничных резисторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 374631, кл. G G 7/66, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2913818/18-24, кл. G 06 G 7/66, 29.10.80 (прототип).