Прогнозирующий регулятор с переменной структурой

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскнк

Социвлистическнх

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлеио2606,81 (21) 3306605/18-24 Р11М.ХП. с присоединением заявки М—

G 05 В 13/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет—

Р31 УДК 62. 50 (088.8) Опубликовано 07.1282. Бюллетень Йо 45

Дата опубликования опмсания071282

В.П.Авдеев, Л.П.Иышляев, С.К.Коровин, С.P.Çåëüöåð, A.Ñ.Òðîïèí, В.H.Ñîëîâüåâ, М.В.Петрунин И М.Ф.Марьясов (72) Авторы изобретения

Сибирский ордена Трудового Красного Знамени.=., металлургический институт им.Серго Орджонйкидае (71) Заявитель (54) ПРОГНОЗИРУЮЩИЙ РЕГУЛЯТОР С ПЕРЕМЕННОЙ

СТРУКТУРОЙ

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию и может быть использованно для по„"троения систем управления техническими объектами.

Передаточная функция каналов регулирования рассматриваемого класса объектов

Р (Р)= 1- (1-е ), (q ) .% е -Р

Р )Р где К вЂ” коэффициент усиления;Т <„, постоянные времени, представлена последовательным соединением инерционного звена первого порядка, звена,чистого запаздывания и интегрирующего звена с отсечкой.

Объект управления подвержен влиянию контролируемых возмущений, которые характеризуются циклической нестационарностью.

Примером такого рода объектов является современная доменная печь, если рассматривать задачу компенсации контролируемыМ возмущений, влияющих на основность шлака. В этом случае последовательным соединением инерционного звена первого порядка и звена чистого запаздывания аппроксимируется часть доменной печи от колошника до горна. Горн доменной печи аппроксимируется интегрирующим звеном с отсечкой. Контролируемыми возмущениями являются изменения химического состава и массы шихтовых материалов, управляющим воздействием - расход флюсирующих добавок с различным эффектом действия, известняк повышает основность шлака, а кварцит ее понижает. циклическая нестационарность контролируемых возмущений обусловлена такой последовательностью загрузки в печь отдельных видов шихтовых мате риалов, которая образует технологические циклы, причем длительность технологического цикла равна или меньше времени Т .

Задача управления заключается в минимизации величины управляемого воздействия при условии выполнения ограничений на отклонения выходной переменной объекта от заданного значения. Применительно к доменной печи задача управления состоит в минимизации расхода флюсирующих добавок при условии, что основность шлака будет находиться в заданных пределах.

Известна система автоматического управления для компенсации контроли980068 руемых возмущений, содержащая объект управления, быструю модель объекта управления, блок задания .начальных условий, экстраполятор контролируемых возмущений, блок формирования сигнала управления моделью, согласу- 5 ющее устройство, блок синхронизации и контакты(1 3.

Недостатком этой системы являются ее сложность, обусловленная необходимостью моделирования в увеличенном масштабе времени и реализации поисковых процедур оптимизации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является прогнозирующий регулятор, содержащий последовательно включенные первый фильтр низкой частоты, первый масштабирующий блок, первый блок задержки, первый блок сравнения, третий фильтр низкой частоты, первый экстраполятор, второй сумматор, исполнительный блок, четвертый фильтр низкой частоты, четвертый блок задержки, восьмой блок сравнения и блок адаптации, выход которого соединен с выходом первого масштабирующего блока, последовательно включенные пятый блок сравнения, третий блок задержки, третий блок сравнения, инерционное звено первого порядка, второй масштабирующий блок и первый сумматор, 30 последовательно включенные шестой блок сравнения, выход которого соединен с входами первого и восьмого блоков задержки, последовательно включенные вторые экстраполяторы, 3S четвертые блоки сравнения и четвертые масштабирующие блоки, выходы которых подключены к входам первого сумматора, последовательно включенные вторые блоки задержки, вторые 4Q блоки сравнения и вторые блоки адаптации, своими выходами подключенные к дополнительным входам первого и вторых экстраполяторов, выходы которых соединены с входами вторых блоков задержки, пятые блоки задержки, подключенные входами к выходу пятого блока сравнения, а выходами к входам четвертых блоков сравнения, выход первого масштабирующего блока соединен с входом второго сумматора и одним входом пятого блока сравнения, другой вход которого подключен к выходу четвертого фильтра низкой частоты, выход первого блока сравнения соединен с выходом третьего блока сравнения, выход третьего фильтра низкой частоты — с входами вторых экстраполяторов и с входами вторых блоков сравнения, выход четвертого блока задержки — с вхо- 60 дом седьмого блока сравнения, выход пятого блока сравнения — с входом одного из четвертых блоков сравнения, выход первого сумматора — с входом второго сумматора(2 65

Прогнозирующий регулятор предназначен для компенсации как контролируемых„ так и не контролируемых возмущений. С точки зрения подавления контролируемых возмущений в этом регуляторе не минимизируется величина управляющего воздействия с выполнением требований на точность регулирования, что является его недостатком.

Цель изобретения — минимизация величины управляющего воздействия при заданной точности регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в прогнозирующий регулятор, содержащий сумматор, два входа которого через соответствующие масштабные блоки подключены к выходам первого и второго фильтров, а выход — к первому входу первого блока сравнения, второй вход, которого соединен через третий фильтр с выходом исполнительного блоКа, последовательно соединенные первый блок задержки, второй блок сравнения, экстраполятор, второй блок задержки и третий блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго блока сравнения, последовательно соединенные четвертый фильтр, четвертый блок сравнения и третий масштабный блок, а также последовательно соединенные третий блок задержки, пятый блок сравнения, инерционное звено и четвертый масштабный блок, введены два интегратора, опреде-. литель модуля, задатчик, ключ, последовательно соединенные первый умножитель, второй сумматор и пятый масштабный блок, а также последовательно соединенные реле, четвертый блок задержки и второй умножитель, второй вход которого соединен с выходом реле, а выход — с управляющим входом ключа, информационные вход и выход которого подключены соответственно к выходу четвертого масштабного блока и к второму входу второго сумматора, выход пятого масштабного блока подключен к входу исполнительного блока, первый вход первого умножителя соединен с выходом экстраполятора, а второй вход — с выходом третьего масштабного блока, выход задатчика подключен к второму входу четвертого блока сравнения, вход и выход определителя модуля соединены соответственно с выходом третьего блока сравнения и с входом четвертого фильтра, вход первого интегратора соединен с выходом первого сумматора, а выход— с входом первого блока задержки и с вторым входом второго блока сравнения, вход второго интегратора соединен с выходом первого блока сравнения, а выход — с входом третьего блока задержки и с вторым входом пятого блока сравнения, вход реле

980066 соединен с выходом инерцион нерционного зве- интегратора 6, блока 7 задержки и блока 8 сравнения. Сигнал выхода

На чертеже представлена едставлена схема интегратора 6 через блок 7 задержки предлагаемого прогнозирующ ирующего регуля- подается на вход блока 8 сравнения, тора с переменной структурой. где и вычитается из выходного сигна=

Прогнозирующий регулятор с и егулятор содержит э ла интегратора 6. B результате и ты масштаби- на выходе блока 8 сравнения получафильтр 1 низкой частоты, масшта рующий блок 2, фильтр 3 низкой часто- ется сигнал о суммарном за время ты, масштабирующий блок, сумма

4 сумматор 5 технологического цикла изменении управляющего воздействия из-за изинтегратор 6, 7 блок 7 задержки, блок

10 менений контролируемых возмущений.

8 сравнения, экстраполятор 9, блок 10 задержки, блок 1 сравнения, 11 я блок 12 Этот сигнал экстрополируется в экстопределения модуля, фильтр я фильтр 13 низкой раполяторе 9, например в виде форя ий частоты, блок сравнения, 14 ения задатчик сирующего звена, на предстоящи тех15, масштабирующий лок и б к 16 блок 17 нологический цикл и поступает на

18 масштаби- 15 блок 17 умножения, где умножается умножения, сумматор, масшта ирующий блок 19, исполнительны л н и на весовой коэффициент, величина коблок 20, фильтр низко торого адаптируется в зависимости тоты, блок от точности экстраполяции. ратор 23, блок,Цля адаптации весового коэффици2р ента выходной сигнал экстраполятора 9

25 сравнения, инерционное звезадерживается на время экстраполяции но 26, масштабирующий блок 27, реле б . 10 з дужки и вычита28 трехпозиционное, блок 29 задерж- " о и ки, блок 30 умножения, ключ 31. ного сигнала экстраполятора 9. СйгНа чертеже приняты обозначения нал о полученно разн с ой азности с выходе

9;„(a) и И (с) — первое и второе блока 11 сравнения поступает через контролируемые возмущения в е-ый блок определения модуля 12, где устмомент времени, U(с) — управляющее раняется знак этого сигнала, на воздействие. фильтр 13 низкой частоты. В результаРегУлЯтоР Работает следУющим об- а выходе фильтра 13 низкой часразом. тоты получается сигнал о текущем

Измеряемый сигнал об изменениях емодульном отклонении на скольI первого контролируемого возмущения и ервале времени длина кото.—

N4(t) поступает на фильтр 1 низкой рого определяется настройками фильтчастоты, реализованный например в ра 13 низкой частоты. Выходной сигвиде последовательно соединенных у ра блока сРавнениЯ УсилителЯ с насыще- на „ „ „„,,„„ „ и нием и интегратора, выход которого нала поступающего с задатчика 15.

Р соединен с входом блока сравнения.

В фильтре 1 низкой частоты подавляется в масштабирующем блоке 16 íà lloo окочастотная измерительная помеха сигнала И„(t), и далее он вход блока 17 умножения. Таким обпоступает на масштабирующий блок 2, где умножается на постоянный коэффи- оля ии блиь ая то большая и в циент пересчета изменений контроли45 а величина выходного сигнала блока 14 ляющего воздействия. Пересчитанный сравнения станови новится маленькой и

I таким образом в масштаб управляющего сигнал с выхода экстрап траполятора 9 воздействия сигнал поступает на один умножается на маленькую аленькую величину. вход сумматора 5. Аналогично измеряеЕсли же оши ка экс р б экст аполяции маленьмый сигнал об изменениях второго конто ированный сигнал умролируемого возмущения 4 <(t) с помощью фильтра 3 низкой частоты и масшщуюся в пределе к единице. табирующего блока 4 пересчитывается в масштаб управляющего воздействия

Сигнал об управляющем воздействии и поступает на другой вход сумматоБ(т) с выхода исполнительного блока

Ра 5. По аналогии может быть Учтено 55 20 через фильтр 21 низкой ча тоты, и большее количество контролируемых в котором подавляется высокочастотвоэмущений. ная помеха, подается на блок 22 сравВыходной сигнал сумматора 5 о ве- нения, где из него вычитается выходличине УпРавлениЯ, тРебУемого длЯ ком- ной сигнал сумматора 5. В результате пенсации изменений Е„(т) и 1" (Г) получается сигнал о разности между подается на вход интегрального звена требуемым с точки зрения полной комс отсечкой с передаточной функцией пенсации изменений контролируемых возpl мущений и фактически реализованным и Р = (1-в ).

1 управлением. По этой разности п .эгноЭто звено реализуется с помощью 65 зируется с помощью медели канала регу980068 лирования суммарное за технологический цикл отклонение выходной переменной объекта управления. Если сумматорное отклонение превышает на конечном интервале времени допустимый диапазон, то сигнал о разности подсуммируется к выходному сигналу блока 17 умножения, Если суммарное отклонение лежит в допустимом диапазоне, то в последующих расчетах разнОсть между требуемым и фактическим управлением не учитывается.

Выходной сигнал блока 22 сравнения подается на вход интегратора 23(на интеграторе 23,блоке 24 задержки и блоке

25 сравнения реализовано. интегральное 15 звено с отсечкой ). Из выходного сигнала интегратора 23 в блоке 25 сравнения вычитается выходной сигнал этого же интегратора 23, задержанныйв блоке 24 задержки на интервал време-gp ни . На выходе блока 25 сравнения получается сигнал о суммарной на интервале 2 разности между требуемым и фактическим управлением, этот сигнал подается на инерционное звено 26, реализованное в виде интегратора, охваченного отрицательной обратной связью.

С выхода инерционного звена 26 сигнал об отклонении выходной переменной Зо объекта управления подается на вход трехпозиционного реле 28, функционирование которого описывается выражениемI

+1 р БХ() ™ у (t)= 0 при -А 1 „()М, " " -" «" вх () 35 в котором 9aae () и dsx()- соответствен- " но выходной и входной сигналы реле 28 „ о

A - -постоянная величина. (Выходной сигнал трехпозиционного реле 28 задерживается в блоке 29 задержки на интервал времени э и подается на вход блока 30 умножения, 4 где умножается на выходной сигнал трехпозиционного реле 28 в текущий момент времени. При отклонении входного сигнала реле 28 сверх допустимого диапазона в одну сторону в моменты времени t u t- > выходной сигнал второго блока умножения равен величине +1. Во всех других случаях этот сигнал равен величине "0" или "-1".

В случае, когда величина выходного сигнала блока 30 умножения равна "+1" ! ключ 31 замыкается и соединяет выход масштабирующего блока 27 с входом сумматора 18. Тем самым меняется структура всего прогнозирующего регулятора. Выходной сигнал инерци- . онного звена 26 идет на масштабирующий блок 27 (П-регулятор ), где умножается На постоянный коэффициент и поступает (когда ключ 31 замкнут ) на вход сумматора 18, в котором суммируется 65 с выходным сигналом блока 17 умножения. Выходной сигнал сумматора 18 является суммарным управлением на весь технологический цикл. В масштабирующем блоке 19 этот сигнал умножается на величину, обратно пропорциоальную длительности технологического икла, то есть суммарное управление распределяется по длительности цикла.

Сигнал о полученном управлении подается на исполнительный блок 20 для реализации.

Введение новых блоков и связей в предлагаемом регуляторе позволяет .минимизировать величину управляющего воздействия при выполнении ограничений на величину отклонениями выходной переменной объекта управления. Например, при стабилизации основности шлака доменного процесса, как показывают результаты моделирования, применение предлагаемого пронозирующего регулятора позволяет снизить по сравнению с известным регулятором расход флюсующих добавок на 20-30% при заданной точности регулирования. В результате повышается производительность доменной печи на 1-1,5Ъ и с(ижается расход кокса на 0,3-0,5 кг/т, что в свою очередь, дает экономический эффект порядка 200 тыс.руб. в год на одну доменную печь большого объема.

Формлула изобретения

Прогнозирующий регулятор с переменной структурой, содержащий сумматор, два входа которого через соответствующие масштабные блоки подключены к выходам первого и второго фильтров, а выход — к первому входу первого блока сравнения, второй вход которого соединен через третий фильтр с выходОм исполнительного блока, последовательно соединенные первый блок задержки, второй блок сравнения, экстраполятор, второй блок задержки и третий блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго блока сравнения, последовательно соединенные четвертый фильтр, четвертый блок сравнения и третий масштабный блок, а также последовательно соединенные третий блок задержки, пятый блок сравнения, инерционное звено и четвертый масштабный блок, отличающийся тем, что,,с целью минимизации „ правляющего воздействия, в регулятор введены два интегратора, определитель модуля, задатчик, ключ, последовательно соединенные первый умножитель, второй сумматор и пятый масштабный блок, а также последовательно соединенные реле, четвертый блок задержки и вто980068

Составитель В.Грибова

Техред N ° Надь Корректор Г. Решетник

Редактор Ю.Середа

Заказ 9358/37 Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, йосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 рой умножитель, второй вход которого соединен с выходом реле, а выход— с управляющим входом ключа, информационные вход и выход которого подключены соответственно к выходу четвертого масштабного блока и к второму

- ходу второго сумматора, выход пятого масштабного блока подключен к входу исполнительного блока, первый вход первого умножителя соединен с выходом экстраполятора, а второй вход — с выходом третьего масштабного блока, выход эадатчика подключен к второму входу четвертого блока сравнения, вход и выход опреде лителя модуля соединены соответствен- 15 но с .выходом третьего блока сравнения и с входом четвертого фильтра, вход первого интегратора соединен с выходом первого сумматора, а выход — с входом первого блока задержки и с вторым входом второго блока сравнения, вход второго интегратора соединен с выходом первого блока сравнения, а выход — с входом третьего блока задержки и с вторым вхо- дом пятого блока сравнения, вход реле соединен с выходом инерционного звена.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

В 371562, кл. G 05 В 17/00, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

hl 815713, кл. G 05 B 13/02, 1979 (прототип).