Система автоматического управления

(7 ) Заявите евский институт автоматики нм, ХХ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ится к автоматичес- рерывными или полуами, для которыхизации времени В частности такая использована для ми аппаратами, становками, техноло.шихтоподготовки и бретение отно чт и кому управлениюнепрерывными роцесминим тав тся за ереходного п истема може есса ыть равления летатель сследовательским гическими пртп системы автоются низкая 15 е Нед необхо рова ни чать п ренцо полука),м Известны системы автоматического равления, содержащие блок для получеия гиперповерхностей переключения, вклю ющий в себя блок задания координат модели объекта, блок формирования нака управления, связанный с блоком лучения гиперповерхностей переключения и через релейный элемент - с обътом управления 1 и 12.остатками этих систем являдимость осуществлять диффее регулируемого параметрароюводные различного пор о приводит в условиях наличия помех крезкому снижению точности, а также низкое быстродействие.Наиболее близким техническим решением является система автоматическогоуправления, содержащая задатчик, первыйггенератор тактовых импульсов, первый,второй, третий и четвертый источникиопорных напряжений, последовательно сое.диненные релейный элемент и объект управления, последовательно соединенныепервую модель объекта и элемент сравнения .3.Недостатками известнойматического управления являточность и быстродействие.Цель изобретения - повышение быстродействия и точности системы автомати -ческого управления,Поставленная цель достигается тем,что система содержит дополнительно элеент памяти, второй генератор тактовыхимпульсов, первый, второй, четвертый,3 9724пятый, шестой, седьмой, восьмой импульо.нце элементы, последовательно соединенные вторая модель объекта, блок деления,логический блок, третий импульсный элемент и фиксирующее звено нулевого порядка, выход которого через релейный элемент и первый импульсный элемент соединен с вторым входом первой моделиобъекта, выход объекта управления черезвторой импульсный элемент соединен с 10третьим входом первой модели объекта,соединенным через элемент памяти счетвертым входом первой модели объекта,выход первого источника опорного напряжещи через пятый импульсный алемент 15соединен с первым входом второй моделиобъекта, выход третьего источника опор-ного напряжешщ через шестой импульсный элемент соединен с вторым входомлогического блока, третий вход которого 20через седьмой импульсный элемент соединен с выходом четвертого источникаопорного напряжения, выход задатчикачерез восьмой ммпульсный алемент соединен с вторым входом элемента сравнения, выход которого соединен с вторымвходом блока деления, выход второго,источника опорного напряжения через четвертый импульсный элемент и второй генератор тактовых импульсов соединен с з 0вторыми входами шестого, седьмого ивосьмого импульсных элементов и пятыми входами первой и второй модели объекта, выход первого генератора тактовыхимпульсов подключен к вторым входампервого,.второго, третьего, четвертого ипятого импульсных алементов,При атом каждая модель объекта содержит второй и третий элементы памяти,последовательно соединенные первый ключ,первый усилитель, первый сумматор, четвертый элемент памяти, последовательносоединенные второй сумматор, второйкюпоч, второй усилитель, последовательносоединенные третий сумматор, третийключ, третий усилитель, последовательно ф 5соединенные четвертый сумматор, четвертый ключ, четвертый усилитель, выходкоторого соединен с четвертым входомпервого сумматора, второй вход которогосоединен с выходом второго усилителя,а третий вход - с выходом третьего усилителя, выход первого ключа через второй элемент памяти соединен с вторымвходом второго сумматора, выход третьегоключа через третий алемент памяти соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход четвертого алемента памятисоединен с вторым входом третьего сум 72 ,4матора, причем первый вход модели обьекта подключен к первому входу первогоключа, второй - к первому входу второгосумматора, третий - к первому входутретьего сумматора, четвертый - к первому входу четвертого сумматора,пятый - к вторым входам первого,второго, третьего и четвертого ключей, а выход модели объекта подключен к выходу первого сумматора,1Кроме того, логический блок содержитинвертор, шестой алемент памяти, последовательно соединенные второй элементсравнения, второй релейный алемент, первый элемент И, второе фиксирующее звенонулевого порядка, пятый ключ, шестойключ, элемент ИЛИ, четвертое фиксирующее звено нулевого порядка, последовательно соединенные пятый элемент памяти, третий алемент сравнения, третийрелейный элемент, второй элемент И,третье фиксирующее звено нулевого порядка, последовательно соединенные четвертый элемент сравнения, четвертыйрелейный элемент, седьмой ключ, последовательно соединенные пятый алементсравнения, пятый релейный алемент, восьмой ключ, последовательно соединенныепервый элемент НЕ, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй элемент НЕ, выходкоторого соединен с вторыми входамипервого и второго элементов И, выходвторого фиксирующего звена нулевого порядка соединен с первыми входами седьмого и восьмого ключа, выход которогосоединен с вторым входом элемента ИЛИ,выход третьего фиксирующего звена нулевого порядка соединен с вторыми входами шестого, восьмого и седьмого ключа, выход которого соединен с третьимвходом элемента ИЛИ, вход пятого алемента памяти соединен с первым входомвторого элемента сравнения, выход - свторым входом второго алемента сравнения, первыми входами четвертого и пятого элементов сравнения и с входом шестого алемента памяти, выход которогосоединен с вторым входом третьего элемента сравнения, выход второго релейногоэлемента соединен с входом первого элемента ИЕ и через инвертор - с вторымвходом пятого ключа, причем перый входлогического блока подключен к входупятого алемента памяти, второй - к второму входу четвертого элемента сравнения, третий - к второму входу пятогоэлемента сравнения, а выход логического972472 5блока подключен к выходу четвертого фиксирующего звена нулевого порядка.На фиг. 1 изображена структурная схьма системы автоматического управления; на фиг. 2 - модели объекта; на фиг. 3- модели логического блока; на фиг, 4- временные диаграммы работы блоков сиотемы.Система (фиг 1) содержит два гене. ратора 1 и 2 тактовых импульсов, восемьО импульсных элементов 3-10, четыре ис точника 11-14 опорных напряжений, эле,мент 15 памяти, объект 16 управления,; первую и вторую модели 17 и 18 объекта, элемент 19 сравнения, задатчик 20, 15 блок 21 деления, логический блок 22, фиксирующее звено 23 нулевого порядка и релейный элемент 24.Каждая модель 17 и 18 объекта содег жит (фиг. 2) четыре ключа 25-28, четыре сумматора 29-32, четыре усилителя 33-36 и три элемента 37-39 памяти. Логический блок 22 содержит (фиг. 3)два элемента 40 и 41 памяти, четыре 25элемента 42-45 сравнения, четыре релейных элемента 46-49, инвертор 50,три фиксирующих звена 51-53 нулевогопорядка, четыре коюча 54-57, два элемента НЕ 58 и 59, элемент ИСКЛЮЧА- щЮЩЕЕ ИЛИ 60, два элемента И 61 и 62и элемент ИЛИ 63.На временной диаграмме (фиг. 4)представлены тактовые импульсы 64 первого генератора 1, импульсы 65 на вы-,35ходах первого и второго импульсных элементов 3 и 4, сигналы 66 на выходетретьего импульсного элемента 5, сигналы 67 на выходах четвертого и пятого импульсных элементов 6 и 7, тактовые импульсы 68 второго генератора2, последовательность импульсов 69 навыходах шестого, седьмого и восьмогоимпульсных элементов 8 - 10, последовательность импульсов 70 на выходе45.первой модели объекта 17, последовательность импульсов 71 на выходе второй модели объекта 18, сигнал 72 навыходе эадатчика 20, последовательностьимпульсов 73 на выходе элемента 19Ысравнения, последовательность импульсов74 на выходе блока 21 деления, постоянное напряжение 75 на третьем и четвертом источниках 13 и 14 опорногонапряжения, сигнал 76 на выходе логичес.кого блока 22, сигнал 77 на выходефиксирующего звена 23 нулевого порядка, сигнал 78 на входе объекта 16 управления,6Введение в систему второй модели 18 объекта, первый вход которой через пятый импульсный элемент 7 подключен к первому источнику 11 опорного напряжения 11, пятый вход - к второму генератору 2 тактовых импульсов (второй- четвертый входы этой модели не задействованы, так как на них нулевые сигналы), а выход - к второму входу блока 21 деления, позволяет подавать на второй вход блока 21 деления последовательность сигналов Х (ю ), Ф и 1, 2, 3 которые представляют собой дискретный аналог непрерывной функции Х ( + ) - функции разгона объекта. Соответствие Х (ю ) - дискретный аналог Х ( 6 ) имеет место вследствие того, что на первом источнике 1 1 опорного напряжения присутствует постоянный сигнал единичного напряжения.Подключение второго и третьего входов первой модели 1 7 к входу и выходу объекта 16 управления через первый и второй импульсные элементы 3 и 4, связь четвертого выхода с вторым импульсным элементом 4 через элемент памяти 15, дают возможность получить на выходе модели дискретную последовательность сигналов Х, (и), = 1, 2, 3, , - аналог непрерывной функции Х ( +, ), представляющей собой прогноз изменения выходной координаты объекта при подаче в текущий момент времени нулевого сигнала управления (снятие управления), так как первый вход первой модели 17 не задействован (эаземлен). Соединение выхода первой модели 17с вторым входом элемента 19 сравнения,первый вход которого связан через восьмой импульсный элемент 10 с задатчиком 20, а выход подключен к первому входу блока 21 деления, позволяет получить на первом входе блока 21 деленияпоследовательность сигналов Х - Х, ( Ю),гт 1= 1,2,3, где Х СОИМ. - постоянный сигнал на выходе задатчика 20.Использование блока 21 деления даетвозможность получить на его выходе поаппПппптепппппть( щ) - тт: - "21, .= 1,2,3, )(1(ю)Применение логического блока 22, первый вход которого связан с блоком 21 деления, а второй и третий - с третьими четвертым источниками опорного напряжения через шестой и седьмой импульоные элементы 8 и 9 соответственно, позволяет осуществить анализ характера последователывсти 1 (ии ) на предмет9 9724 на первый вход которого синхронно поступают импульсы Х (щ), а на выходе таким образом получаем последовательность импульсов 1 (в ) = - з.=Ы -(поз ииия 74). )(1 (ф )5Эти импульсы последовательно поступают на первый вход логического блока .22, на.второй и третий вход которого поступают импульсы, амплитуда которых равна максимально и минимально возможным значениям управления (позиция 75).Логический блок анализирует последовательность(1 я) на предмет наличия экстремума. Если находят экстремум- максимум, величина которого больше Ощцу,15 /или минимум, меньший Ото логический блок 22 вырабатывает соответствен- . но сигнал +1 или -1. В противном случае блок вырабатывает противоположный по величине сигнал, Если экстремум 26 не найден, логический блок 22 вырабатывает + 1, если последовательностью) монотонно убывающая, и -1, если возрастаюшая.На временных диаграммах (фиг. 4) 25 представпены два последовательных цикла управления. При этом на первом циклепоследовательность(Ю) (позиция 74) содержит минимум, который не достигает /предела, а на втором такте мини- ЗО мальное значение последовательности меньше О,и. Соответственно логический блок 22 изменяет свой выходной сигнал с +1 на -1 на втором цикле при обнаружении экстремума (позиция 76). Когда третий импульсный элемент 5 замыкается, на фиксирующее звено 23 подается -1, и релейный элемент 24 уста-навливает на входе объекта управление Ц, которое поддерживается до тех пор, пока логический блок 22 не вырабатывает сигнал + 1.Каждая модель объекта работает следующим образом.В момент, когда на пятый вход модели поступает тактовый импульс от второго генератора 2, срабатывают ключи 25-28. При этом сигнал с первого входа модели поступает через усилитель 33 на первый вход первого сумматора 29, а сигналы с второго - четвертого сумматоров 30-32 через соответствующие усилители 34-36 поступают на второйчетвертый входы первого сумматора 29. Кроме того, сигналы с входов первого и третьего усилителей 33 и 35 и выход 55 ной сигнал с первого сумматора 29 поступают на второй, третий и четвертый элементы 37-39 памяти соответственно 72 10которые работают с небольшой задержкой. Зафискированные в элементах 37-39 памяти сигналы используются на следующем такте работы, Таким образом, описанная модель реализуер рекуррентную формудух=кз(1) к,ч(1-)+ ф ъ Х)+ Кд.Х(1-О, С 6)где К,К, К, К, - коэффициенты усиления усилителей 34-36;Х(1),ХБ),Х(1-2) - сигналы на выходепервого сумматора 29 на текущем и двух предшествук- щих тактах работы второго генератора;(1) ( ) - сигналы на выходепервого ключа 33на текуцем и предшествующем такте,Сигнал Х(1 ) на следующем такте ста. новится сигналом Х(1 -1), Х( 1-1) становится Х( 1-2), а у (1 ) -( 1 -1), формула (5) реализует дискретную модель динамического звена второго порядка. При необходимости апрокснмировать объект более высоким порядком, описанные звенья соединяются последовательно.В предлагаемой системе автоматического управления на первый вход первой модели 1 7 объекта подается постоянно нулевой сигнал, а на второй - четвертый входы, в начале каждого такта, подаются сигналы, соответствующие текущим значениям входа и выхода объекта и ыхода объекта на предшествующем такте. Таким образом, в начале каждого цикла первая модель 17 объекта устанавливается в то состояние, в котором находится объект управления, а ее выход Х(1) образу ет последовательность, соответствующую свободной составляющей процесса. Лналогично, на первый вход второй модели 18 объекта подается единичный сигнал (имитируя единичное управляющее воздействие),а посредством второго - четвертого входов в начале каждого цикла устанавливаются нулевые начальные условия, Таким образом на ее выходе получаем последовательность, соответствующую Х ( 1 м).Логический блок 22 работает следуюшим образом.На первом входе блока последовательно (с частотой, задаваемой вторым генератором 2 тактовых юпульсов) появ,ляются импульсы 1 (уи), амплитуда ко 11 972 торых определяется формулой (1). При поступлении очередного импульса его амплитуда запоминается в пятом элементе 40 памяти и сравняется на втором эле менте 42 сравнения с амплитудой предыдуще 1"о импульса. В зависимости от того, положительная эта разность (последовательность возрастающая) или отрицательная (последовательность убывающая), второй релейный элемент 46 вы- О рабатывает сигнал +1 или -1, Первый сигнал считается логической единицей, второй - логическим нулем, Этот сигнал на инверторе 50 изменяется на противо, положный и через нормально замкнутые пятый и шестой ключи 54 и 55 попадает на схему ИЛИ 63 и запоминается на четвертом фиксирующем элементе 53, Таким образом осуществляется анализ монотонной последовательности. 20При приходе очередного 1-го импуль са на первый вход логического блока, на втором элементе 42 сравнения вычисляется разность 1(1) - 1( 1-1), ана третьем элементе 43(-1) -(-2)" Если эти разности имеют разный знак, это свидетельствует о том, что величина экстремальная. При этом на обоихвходах элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 60 будут или логические нули или логиюс- "ЗО кие единицы, т.е. на выходе элемента 60 - логический нуль, а на выходе второго элемента НЕ 59 - логическая единица, которая поступает на входы двух элементов И 61 и 62. При этом логи- з ческая единица появляется на выходе первого элемента И 61, если найденный экстремум - максимум, и на выходе второго элемента И 62 - если минимум. Соответствующий элемент И через фикси рующее звено 51 или 52 размыкает одиниэ ключей 54 или 55. Это свидетельствует о том, что если найден хоть одинэкстремум, то анализ на монотонностьне производится, Одновременно соответствующее фиксирующее звено подготавливает цепь анализа величины экстремума -второе фиксирующее звено 51 замыкаеттретий ключ 56 и размыкает четвертыйключ 57, если логическая единица будетна выходе третьего фиксирующего звена52, то действие будет обратное.Амплитуда найденного экстремального импульса анализируется на четвертом ипятом элементах 44 и 45 сравнения,где она сравнивается с ц О и 3,1 соответственно.Такое решение логического блока дает возможность фиксировать все появляющиеся экстремальные значения последовательности Е(В), а подключение логического блока 22 к фиксирующему звену 23 через третий импульсный элемент5 позволяет подавать на релейный элемент 24 результата анализа последнегоиз найденных экстремумов на текущемцикле управления. Таким образом, предлагаемая система позволяет определить,является ли текущий момент времени моментом переключения,Настота работы первого тактового генератора 1 выбирается, исходя из динамических свойств объекта (в большинствеслучаев в течение переходного процессадолжно быть 30-40 циклов управления),частота работы второго генератора 2выбирается в 50-100 раз большей. Интервал прогноза 7" осуществляемого"быстрыми моделями" 17 и 18, определяется по формуле Г = Т К, где Т -период расчета управляющих воздействий(период работы первого тактового генератора), К - отношение частоты второгогенератора к частоте первого (кратностьвторого генератора),Данная система позволяет осуществлятьоптимальное по быстродействию управление без необходимости дифференцированияуправляемой координаты, измерять промежуточные координаты объекта или вычислять состояние объекта в фазовых пространствах в текущий момент времени соскользящим интервалом оптимизации.формула изобретения1. Система автоматического управления, содержащая задатчик, первый генератор тактовых импульсов, первый, второй, третий и четвертый источники опор ных напряжений, последовательно соединенные релейный элемент и объект управления, последовательно соединенные первую модель объекта и элемент сравнения, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точюсти системы, в ней установлены элемент памяти, второй генератор тактовых импульсов, первый, второй, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой импульсные элементы, последовательно соединенные вторая модель объекта, блок деления, логический блок, третий импульсный элемент и фиксиру 1 ощее звено нулевого порядка, выход которого через релейный элемент и первый импульсный элемент соединен с вторым входом первой модели объ13 972 екта, выход объекта управления через второй импульсный элемент соединен с третьим входом первой модели объекта, соединенным через элемент памяти с четвертым входом первой модели объекта, вы- з ход первого источника Опорного напряжения через пятый импульсный элемент соединен с первым входом второй модели объекта, выход третьего источника опорного напряжения через шестой импульо ный элемент соединен с вторым входом логического блока, третий вход которого через седьмой импульсный элемент соединен с выходом четвертого источника опорного напряжения, выход задатчика че рез восьмой импульсный элемент соединен с вторым входом элемента сравнения, выход которого соединен с вторым входом блока деления, выход второго источника опорного напряжения через четвертый импульсный элемент и второй генератор тактовых импульсов соединен с вторыми входами шестого, седьмого и восьмого импульсных элементов и пятыми входами первой и второй модели объекта, выход 2первого генератора тактовых импульсов подключен к вторым входам первого, второго, третьего, четвертого и пятого импульсных элементов.2. Система по п. 1, о т л и ч а ю - 30щ а я с я тем, что каждая модель объекта содержит второй и третий элементыпамяти, последовательно соединенные первый ключ, первый усилитель, первый сумматор, четвертый элемент памяти, после- Здовательно соединенные второй сумматорвторой ключ, второй усилитель, последовательно соединенные третий сумматор,третий ключ, третий усилитель, последовательно соединенные четвертый сумматор, четвертый ключ, четвертый усилитель,выход которого соединен с четвертым входом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя, а третий вход - с выходом треть его усилителя, выход первого ключа че 45 рез второй элемент памяти соединен с вторым входом второго сумматора, выход третьего ключа. через третий элемент памяти соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход четвертого эле 50 мента памяти соединен с вторым входом третьего сумматора, причем первый вход модели объекта подключен к первому входу первого ключа, второй к первому вхо ду второго сумматора, третий - к первому входу третьего сумматора, четвертыйк первому входу четвертого сумматора, пятый - к вторым входам первого, вто 472 14рого, третьего и четвертого ключей, а выход модели объекта подключен к выходу первого сумматора.3. Система по и. 1, о т л и ч а ю - щ а я с я тем, что логический блок со держит инвертор, шестой элемент памяти, последовательно соединенные второй элемент сравнения, второй релейный элемент, первый элемент И, второе фиксирующее звено нулевого порядка, пятый ключ, шестой ключ, элемент ИЛИ, четвертое фиксирующее звено нулевого порядка, последовательно соединенные. пятый элемент памя ти, третий элемент сравнения, третий " релейный элемент, второй элемент И, тре тье фиксирующее звено нулевого порядка, последовательно соединенные четвертый элемент сравнения, четвертый релейный элемент, седьмой ключ, последовательно соединенные пятый элемент сравнения, пятый релейный элемент, восьмой ключ, последовательно соединенные первый элемент НЕ, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй элемент НЕ, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, выход второго фиксирующего звена нулевого порядка соединен с первыми входами седьмого и восьмого ключа, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход третьего фиксирующего звена нулевого порядка соединен с вторыми входами шестого, восьмого и седьмого ключа, выход которого соединен с третьим входом элемента ИЛИ, вход пятого элемента памяти соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход - с вторым входом второго элемента сравнения, пер выми входами четвертого и пятого элементов сравнения и с входом шестого элемента памяти, выход которого соединен с вторьм входом третьего элемента сравнения, выход второго релейного элемента соединен с входом первого элемента НЕ и через инвертор - с вторым входом пятого ключа, причем первый вход лОгического блока подключен к входу пятого элемента памяти второй к Вто рому входу четвертого элемента сравнения, третий - к второму входу пятого элемента сравнения, а выход логического блока подключен к выходу четвертого фик сирующего звена нулевого порядка,Источники информации,принятые во внимание при экспяртизе1; Авторское свидетельство СССР М 343.013, кл. О 05 В 17/02, 1971.1 Г2. Авторское свидетельство СССР Мц 6 13833, кл. С 05 В .1 3/02, 1,) 7.У,.72472 163. Авторское свидетельство СССРЖ 618721, кл, Я. 05 В 13/02, 1978,