Устройство для поиска экстремума

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИХ 19) 8 В 13/02 ьЪОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ"НауГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ордена Ленина институт проблемуправления(56) 1. Растригин Л.А. Систеэкстремального управления. М.ка", 1974, с. 225-227.2, Гачинский Э,Е. Макаровский С.Н.Фицнер Л.Н. Многоканальный автоматический оптимизатор АО. - "Приборыи системы управления", 1970, У 7,с. 27-29,(прототип).3. Гачинский Э.Е Дроздов А.ИФицнер Л,Н. Автоматическая оптимизация в задачах пространственного распределения. М., "Наука", 1978,с. 34-36,4. Красовский А.А. Динамика непрерывных самонастраивающихся систем.М., Физматгиз, 1963, с. 96-97.5. Казакевич В.В., Родов А.Б. Системы автоматической оптимизации, М"Энергия", 1977, с. 25-26,(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОИСКА ЭКСТРЕМУМА, содержащее последовательно соединенные релаксационный генератор, первый триггер со счетным входом и первый интегратор с изменяемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом объекта управления, и дифференциатор, вход которого подключен к выходу объекта, а выходк входу релаксационного генератора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с . целью повышения его быстродействия при заранее не известных или меняю- щихся динамических параметрах объекта путем автоматического определения наилучшей длительности периода проб-ного воздействия, в него введены стабилизатор амплитуды и последовательно соединенные осредняющий фильтр, определитель знака приращения, второй Сю триггер со счетным входом и второй интегратор, вход осредняющего фильтра соединен с выходом первого триггера, ыыход второго интегратора соединен с управляющим входом релаксационного генератора, а вход стабилизатора амплитуды соединен с выходом первого ин" тегратора и выходом - с управляющим входом первого интегратора.Изобретение относится к автоматическому управлению, в частности к поисковым устройствам управления нелинейными динамическими объектами, динамические параметры которых заранее,неизвестны или меняются в процессеработы непредвиденным образом,Известно устройство для автоматического поиска экстремума выходной10величины одномерного динамическогообъекта при помощи синхронного детектирования с адаптацией частоты проб"ных воздействий 1 .Недостатком является то, что в изо 5вестном устройстве для повышения быстродействия и обеспечения устойчивойработы системы поиска при оптимизации динамических объектов производится изменение частоты модулирующих20сигналов таким образом, чтобы фазовый сдвиг в системе был постоянным нравным наперед заданной величине 4.Величина Ю определяется динамическими свойствами объекта. Устройство уп 25равляет частотной в.зависимости от знака реального и заданного значениясдвига фаз, стремясь свести их разность к нулю, При этом необходимопредварительное определение заданного. сдвига фаз, т.е. нужна предваритель 30ная информация о динамических свойствах объекта. Поэтому в отсутствиетакой информации и при изменении динамических параметров объекта в процессе рабаты, устройство неработоспо. 35собно.Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство автоматическогопоиска экстремума выходной величиныобъекта, содержащее последовательно 40соединенные релаксационный генератор,триггер со счетным входом и интегратор с изменяемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом объекта управления, и дифференци атор, вход которого подключен к выходу объекта, а выход - к входу релаксационного генератора. Это устройствореализует способ автоматического поиска, при котором на вход объекта 50подается периодический широтно-импульсно модулированный пробный сигнал с периодом и длительностью прямопропорциональными производной выходного сигнала объекта по времени. При 55этом способе входная величина объектана каждом периоде пробного воздействия последовательно, в зависимости от состояния триггера, изменяется вдвух, направлениях: приближаясь к точке х соответствующей экстремуму выЭфходного сигнала объекта, и удаляясьот точки хз. При этом для постояннойскорости выходного исполнительногоустроиства время приближения к экстремуму превышает время удаления отнегоВ результате входная величинав среднем за период пробного воздействия приближается к хэ 21Недостаток указанйого устройствасостоит в том, что длительность периодов пробного воздействия, задаваемаягенератором, должна предварительноопределяться из априорного знания динамических параметров объекта и практически мало изменяется в процессепоиска. В результате этого поиск осуществляется практически с постояннойскоростью изменения среднего значения входного сигнала объекта и принеточном знании динамических параметров объекта или при их изменении впроцессе работы, время, затрачивае"мое на достижение экстремума, можетоказаться неоправданно большим.В ГЗ 3 показано, что при оптимизации динамического объекта скоростьизменения среднего значения входногосигнала с изменением длительности периода пробного воздействия не остается постоянной. При сохранении амплитуды пробного воздействия неизменнойсуществует такое значение длительности, при котором эта скорость максимальна. Поэтому в смысле быстродействия, наиболее выгодно осуществлятьавтоматический поиск с периодом пробных воздействий именно указанногозначения,Цель изобретения - повышение быстродействия при заранее не известныхили меняющихся динамических параметрах объекта путем автоматическогоопределения наилучшей длительностипериода пробного воздейетвия,Поставленная цель достигается тем, что в устройство для поиска экстремума, содержащее последовательно соединенные релаксационный генератор, триггер со счетным входом и первый интегратор с изменяемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом объекта управления, и дифференциагор, вход которого подключен к выходу объекта, а выход к входу релаксационного генератора,119 а ла запоминающее устройство не реагирует. Сигнал с запоминающеГо устрой 1ства непрерывно подается на элемент 15 сравнения, где сравнивается с текущим значением входного сигнала. Разность запомненного и текущего значений поступает на сигнум-реле 16, икогда она достигает значения зоны нечувствительности сигнум-реле, последнее срабатывает, и, изменяя свое состояние, одновременно сбрасывает запомненный на запоминающем устройстве 14 сигнал, В схеме самонастраивающегося автоматического устройстваэтот элемент определяет знак прираще"ния средней скорости изменения входного сигнала и переключает второй триггер 8 только в том случае, его скорость уменьшается.Стабилизатор б,амплитуды содержит(фиг,4) последовательно включенныеконденсатор 17, выпрямитель 18,.фильтр19 низких частот, элемент 20 сравненияи интегратор 21. Задача его - поддерживать неизменной амплитуду пробныхвоздействий интегратора 3 основного ;канала при изменении периода пробныхвоздействий. При работе стабилизатора конденсатор 17 выделяет из выходного сигнала интегратора 3 переменнуюсоставляющую, выпрямитель 18 выпрямляет ее, фильтр 19 низких частот выделяет из выпрямленного сигнала постоянную составляющую, которая пропорцио"ндльна амплитуде пробных воздействийЬ на входе объекта, в элементе 20сравнения постоянная составляющаясравнивается с заданным значением амплитуды Ь , результат сравнения интегрируется интегратором 21, и сиг,нал с выходе интегратора, пропорцио;нальный отклонениям амплитуды Ь от :заданного значения Ь , поступаетзябна управляющий вход первого интегратора 3. При.этом изменяется коэффициент усиления интегратора 3 и амплиту. ца"-Ь поддерживается неизменной.Устройство для поиска экстремумаработает .следующим образом.Основной канал оптимизации осуществляет поиск экстремума выхода объекта,работая с каким-то значением периодапробного воздействия, определяемымустановленными при настройке системыпараметрами генератора 1, так же каки в устройстве, принятом за прототип. Осредняющий фильтр 7 содержит (фиг.2) звено 11 запаздывания, сумматор 12 и интегратор 13. Он осущестТ. Ф-Т где Ч(С),щ входной сигнал, и в саУмонастраивающемся автоматическом устройстве предназначен для определе-ф ния средней скорости изменения. входного сигнала объекта. В данном слу- . чае - это сигнал с выхода первого триггера 2.50 Определитель 8 знака приращения содержит (фиг.3) запоминающее устройство 14, элемент 15 сравнения и сигнум - реле 16 53При работе определителя знака при ращения запоминающее устройство 14 запоминает входной сигнал только при его увеличении, на уменьшение снгна 3 1091 введены стабилизатор амплитуды и последовательно соединенные осредняющий фильтр, определитель знака приращения, второй триггер со счетным входом и второй интегратор, вход осредняющего фильтра соединен с выходом первого триггера, выход второго ин" тегратора соединен с управляющим входом релаксационного генератора, а вход стабилизатора амплитуды соединеи 1 б с выходом первого интегратора и выходом - с управляющим входом первого интегратора.,На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для поиска 15 экстремума; на фиг.2-4 - блок-схемы возможных реализаций соответственно осредняющего фильтра, определителя знака приращения и стабилизатора амп- литуды. 20Устройство содержит релаксационный генератор 1, триггер 2 со счетным вхо. дом, первый интегратор 3 с иамейяеиым коэффициентом усиления, объект 4 управления, дифференциатор 5, стабили затор 6 амплитуды, осредняющий фильтр 7, определитель 8 знака приращения, второй триггер 9 со счетным входом и второй интегратор 1 О, Блоки 1,2,3 и 5 образуют основной канал оптимиэации 30 Блоки 7-10 образуют дополнительный канал оптимизации, осуществляющий нахождение оптимальной длительности периода пробного воздействия.35 Дополнительный канал оптимизации в зависимости от начального состояниятриггера 9 будет увеличивать (илииере- пося на состоянии объекта. Если же возникнут отклонения выхода от экстрему ма, весь процесс поиска повторится.Предположим, что линейная часть объекта 4 управления представлена инерционным звеном с передаточной функцией К(р)=К 0/(1+Т 0 р), где Кв - коэффициент усиления, То - постоянная времени. Реальный дифференциатор 5 имеет передаточную функцию К(р)= о / (1+Т р), где,и - коэффициент усиления; Т - постоянная времени дифференциатора. Согласно 1.33 скорость изменения среднего значения входа объ" екта в этом случае определяется выра- жением 35 1091 уменьшать) частоту следования импуль-, сов генератора, чем будет изменяться период пробного воздействия, и, следовательно, скорость изменения вход-, ного сигнала объекта. Осредняющий5 фильтр 7 определит величину среднего значения скорости, определитель 8 знака приращения определит знак приращения средней скорости и.в зависимости от этого знака переключит втоРрой триггер 9 в состояние, соответствующее увеличению скорости изменения входного сигнала объекта, При достижении длительности периода пробного воздействия, обеспечивающей наибольшую скорость, дополнительный канал в дальнейшембудет поддерживать ее. При этом длительность периода бу. дет колебаться вокруг найденного значения. Движение основного канала к экстремуму выхода объекта будет совершаться при этом с максимальной скоростью, что и отличает предлагаемое устройство от известного. После того, как экстремум выхода объекта будет найден и скорость изменения среднего значения входа объекта станет близкой к нулю (теоретическ равной нулю), триггер 8 будет и ключаться случайным образом, НоЗО скольку основной канал уже нашел экстремум выхода объекта, то эти случайные переключения никак не скажут 119а( д"хнейнои- частная производная неличасти объектаминейной части объекта,- частота пробных воздействийосновного канала оптимизации.Положим, для определенности, Т = =0,5, Т, 0,1 и ю =0,5.Тогда вэтом случае скорость определится из выражения(1 х К )и 2 Ь Дд 20 дхОптимальное значение частоты пробных воздействий, обеспечивающее максимальную скорость изменения среднего значения входа объекта, определяется согласно 3 1 из выражения чениях То и 7,у значению час-,корость изменени и при управнототы со мянут опт=2 фЗ. Эт ответствует его значения с 1 х Конг Ь 80- 1,59.2 По д"хОтсюда видно, что при оптимальной частоте пробных воздействий скорость поиска в данном конкретном случае более чем в б раз превышает скорость поиска при выбранном вначале значении ш . Количественный выигрыш в увеличении скорости поиска определяется п 1 Ф- вильностью выбора значения частоты пробных воздействий, которое устанавпивается при настройке системы. Если эта частота при настройке выбрана правильно, то выигрыша в быстродействии системы не будет. Но правильный выбор частоты возможен только при точном знании динамических параметров объекта, которые, как отмечалось выше, неизвестны и могут меняться в процессе работы. Предлагаемое. устрой2 ТдТ 4 Т 2 Т 2 ооздейст основноЭ55 тими йс К Ь " с- х 2 ЙГ 2 Ц, д"х 1+01 где 1 - амплитуда пр вия на входе Б - параметр ген го канала опТ 2+Т 2 )+убногообъектратора 1ство, не требуя априорного значениядинамических параметров, в процессеработы системы устанавливает оптимальное, с точки зрения быстродействия системы, значение частоты (перида) пробного воздействия,1091119 Фиг. П.Кудр ьм 81/43 Тираж 842 ВНИИПИ Государственнопо делам иэобретени 13035, Москва, Ж, Р Подписноекомитета СССРи открытийушская наб д.4/5 аказ 30 4 шююаююеваюше юю Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 Составител едактор Ю.Середа Техред М.