Адаптивная система контроля и регулирования

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК нов,Демичев,тво СССР980,о СССР1980. вклюлок ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ПИСАНИЕ ИЗ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Сибирский ордена Трудового Красного Знамени металлургический институт им. Серго Орджоникидзе и Кузнецкий ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции, ордена Кутузова 1 степени, ордена Трудового Красного Знамени металлургический комбинатим. В.И.Ленина(54)(57) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯИ РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащая первыйблок умножения, последовательноченные первый задатчик, первый бсравнения, первый Фильтр низкойчастоты, первый регулятор, второйблок умножения, первый сумматор иисполнительный орган, подключенныйвыходом к входу объекта управления,последовательно соединенные первыйдатчик и второй сумматор, выходкоторого соединен с вторым входомпервого блока сравнения, последовательно включенные второй датчик,второй блок сравнения и первую модель объекта, подключенную выходомк второму входу второго сумматора,последовательно включенные первыйквадратор, второй Фильтр низкойчастоты, третий сумматор и блокделения, последовательно включенчые четвертый сумматор, третий блоксравнения, третий Фильтр низкойчастоты, второй регулятор, четвертый блок сравнения и вторую модельобъекта, выход которой соединен с,ЯО 1 О 7 ОЬО 7 ИЯ "., .,1ЙИБЯ",;.".: ;1 первым входом четвертого сумматора, последовательно включенные, второй квадратор и четвертый Фильтр низкой частоты, выход которого соединен с вторыми входами его сумматора и бпока деления, выход исполнительного органа соединен через . второй датчик с вторым входом четвертого блока сравнения, вЫход второго регулятора соединен через первый блок умножения с вторьм входом первого сумматора, выход первого регулятора подключен к второму входу второго блока сравнения, выходпервого датчика - к второму входучетвертого суввчатора, выход первогозадатчика - к второму входу третьего блока сравнения, вход первого датчика соединен с выходом объекта управления, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности регулирования и контроля, в нее введены регистратор, пятый и шестой фильтры низкой частоты, первый масштабирукший блок, второй задатчик,источник постоянного сигнала, последовательно включенные седьмой фильтр низкой частоты, пятый блок сравнения, первый блок определения модуля, второй масштабирукщий блок, пятый сумматор, третий масштабирукщий блок, инвертор, шестой сумматор и шестой блок сравнения, последовательно включенные восьмой фильтр низкой частоты, седьмой блок сравнения, второй блок определения модуля и четвертый масштабирукций блок, выход которого соединен с вторым входом пятого сумматора, выход блока деления соединен через первый м сштабирукщий блок с вторьм входом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика, а выход - к второму входу второго блока умножения, выход первого блока сравнения под ключен к входу первого квадратооа,1070507 выход третьего блока сравнения, -к входу второго квадратора, выходпервого эадатчика соединен с. входомседьмого Фильтра низкой частоты ичерез пятый фильтр низкой частоты -с вторым входом пятого блока сравнения, выход первого датчика соединен с входом восьмого Фильтра низИзобретение относится к автоматическому управлению и регулированию, в частности к адаптивнымсистемам управления, и может бытьиспользовано для построения систем 5контроля и регулирования объектов,подверженных влиянию нестационарных возмущений.Известно устройство для контроля сигнала, динамически искаженного и закрытого измерительнойпомехой. Устройство для контролясигнала содержит последовательновключенные измеритель, первыйблок сравнения, пороговый элемент,второй блок сравнения, интегратор,выход которого соединен через первый блок задержки с вторым входомвторого блока сравнения, масштабирующий блок, сумматор, выход которого соединен со своим вторым вхо"дом, и модель измерителя, подключенную выходом к второму входупервого блока сравнения 11.Иедостатком данного устройстваявляется низкая точность контроляиэ-эа того, что не учитывается изменякцаяся сложность измеряемогосигнала,Иаиболее близким к предлагаемомупо технической сущности являетсярегулируюцее устройстйо,содержащеепервый молельный контур регулирования, включакщий последовательно соединенные первый блок сравнения, первый фильтр низкой частоты, первыйрегулятор, второй блок сравнения,первую модель объекта и первый сумматор, выход которого подключенк первому входу первого блока сравнения, второй модельный контур регулирования, включающий последовательно соединенные третий блок сравнения, второй фильтр низкой частоты,второй регулятор, четвертый блоксравнения, вторую модель объекта и 45второй сумматор, выход которого подключен к первому входу третьего блока сравнения, блок оценивания точности модельных контуров регулирования, включающий последовательно 5 О кой частоты и через шестой фильтрнизкой частоты - с вторым входомседьмого блока сравнения, выходисточника постоянного сигнала подключен через шестой блок сравнения квторому входу первого блока умножения, выход первого сумматора - квходу регистратора. 2соединенные пятый блок сравнения, первый квадратор и третий Фильтр низкой частоты, последовательно соединенные шестой блок сравнения второй квадратор и четвертый фильтр низкой частоты, блок выработки натурного управлякщего воздействия, включакщий последовательно соединенные третий сумматор, первый блок деления, первый блок, умножения и четвертый сумматор, последователь- - но соединенные второй блок деления и второй блок умножения, причем выходы первого и второго сумматоров подключены к первьм входам соответственно пятого и шестого блоков сравнения, вторые входы первого, третьего, пятово и шестого блоков сравнения ,связаны в один узел, второй вход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, выход третьего Фильтра низкой частоты подключен к первому входу третьего сумматораи второму.входу первого блока деления, выход четвертого фильтра низкой частоты подключен к первому входу второго блока деления и через третий сумматор к второму входу второго блока деления выход второго блока умножения соединен с вторым входом четвертого суьиатора, выход которого подключен к вторыми входам второго и четвертого блоков сравнения, выходы первого и второго регуляторов подключены к вторым входам соответственно второго и первого блоков умножения.При работе регулирующего устройства первым и вторым (более быстродействующим) регуляторами вырабатываются управляющие воздействия, по которьщ с помощью блоков сравнения, моделей объекта и сумматоров рассчитываются модельные выходы первого и второго модельных контуров,В блокеоценивания точности модельных контуров рассчитываются текущие дисперсии ошибок регулирования каждого контура. В блоке выработки натурного управлякщего воздействия определяется взвешенная сумма пер10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 вого и второго модельных управляющих воздействий. При этом весовые коэффициенты определяются в зависимости от текущих ,дисперсий ошибок регулирования 23.Недостатки регулирукщего устройства заключаются в. низкой точно"ти регулирования, обусловленной запаздыванием в оценке точности регулирования модельных контуров, так как эта оценка рассчитывается на прошедших интервалах времени, а также в невысокой точности контроля, в результате того, что регулирукщее устройство нельзя применять для измерительных. систем с жесткими требованиями по своевременности и достоверности получаемых данных.Цель изобретения - повышение точности регулирования и контроля.Поставленная цель достигается тем, что в регулирукщее устройство, содержащее первый блок умножения, последовательно включенные первый эадатчик, первый блок сравнения, первый Фильтр низкой частоты, первый регулятор, второй блок умноже" ния, первый сумматор и исполнительный орган, подключенный выходом к входу объекта управления, последовательно соединенные первый датчик и второй сумматор, выход которого соединен с вторьм входом первого бло ка сравнения, последовательно включенные второй датчик, второй блок сравнения и первую модель объекта, подключенную выходом к второму входу второго сумматора, последовательно включенные первый квадратрр, второй фильтр низкой частоты, третий сумматор и бдок деления, последовательно включенные четвертый сумматор, третий блок сравнения, третий фильтр низкой частоты, второй регулятор, четвертый блок сравнения и вторую модель объекта, выход которой соединен с первым входом четвертого сумматора, последовательно вклю ченные второй квадратор и четвертый фильтр низкой частоты, выход которого соединен с вторыми входами третьего сумматора и блока деления, выход исполнительного органа соединен -через второй датчик с вторым входом четвертого блока сравнения, выход второго регулятора соединен через первый блок умножения со вторым входом первого сумматора, выход первого регулятора подключен к второму входу второго блока сравнения, выход первого датчика - к второму входу четвертого сумматора, выход первого задатчика - к второму входу третьего блока сравнения, вход первого датчика соединен с выходом объекта управления, введены регистратор, пятый и шестой фильтры низкой частоты, первый масштабнрующийблок, второй задатчик, источникпостоянного сигнала, последовательно включенные седьмой фильтр низкой частоты, пятый блок сравнения,первый блок определения модуля, второй масштабнрующий блок, пятый сумматор, третий масштабирующий блок,инвертор, шестой сумматор и шестойблок сравнения, последовательновключенные восьмой фильтр низкойчастоты, седьмой блок сравнения, второй блок определения модуля и четвертый масштабирующий блок, выходкоторого соединен с вторым входомпятого сумматора, выход блока деления соединен. через первый масштабирующий блок с вторым входом шестого сумматора, третий вход которогоподключен к выходу второго эадатчика, а выход - к второму входу второго блока умножения,.выход первого блока сравнения подключен квходу первого квадратора, выходтретьего блока сравнения - к входувторого квадратора, выход первогоэадатчика соединен с входом седьмогофильтра низкой частоты и через пятыйФильтр низкой частоты - с вторым входом пятого блока сравнения, выходпервого датчика соединен с входомвосьмого фильтра низкой частоты ичерез шестой Фильтр низкой частоты -с. вторым входом седьмого блока сравнения, выход источника постоянногосигнала. подключен через шестой блоксравнения к второму входу первогоблока умножения, выход первогосумматора - к входу регистратора. В адаптивной системе контроляирегулирования определяется показатель сложности, для чего введены спятого ло восьмой Фильтры низкойчастоты пятый и седьмой блоки сравнения, блоки определения модуля, второй и четвертый масиатабирующие блокии пятый сумматор. Показатель сложности используется для уточнениявесовых коэффициентов модельных управлений. Тем самым осуществляется адаптация по свойствам внешнихвоздействий и в результате повыша"ется точность регулирования. Адаптивная система может применяться какдля контроля переменных, так и длярегулирования производственных процессов. В первом случае объектом управления является модель измерителя,первым задатчнком - измеритель, а возмущакщие воздействия на объекТуправления отсутствуют.Во втором случае объектом управления является, например, сталеппавильный агрегатНа чертеже представлена блок-схема адаптивной системы контроля и регулирования.На схеме приняты следующие обозначения:О(с) - управляющее воздействиев 1 -й момент времени У(с) - выходНая переменная объекта управления,Ы(с) - возмущающее воздействие.Адаптивная система контроля и 5регулирования содержит первый блок1 умножения, первый эадатчик 2,первый блок 3 сравнения, первыйфильтр 4 низкой частоты, первыйрегулятор 5, второй блок б умножения, первый сумматор 7., исполни-тельный орган 8, объект управлеиия 9,первый датчик 10, второй сумматор11, второй датчик 12, второй блок13 сравнения, первую модель 14 объек та, первый квадратор 15, второйфильтр 16 низкой частоты, третийсумматор 17, блок 18 деления, четвертый сумматор 19, третий блок 20сравнения, третий Фильтр 21 низкой 20частоты, второй регулятор 22, четвертый блок 23 сравнения, втораямодель 24 объекта, второй квадратор 25, четвертый ФилЬтр 26 низкойчастоты, регистратор 27, пятый 28 ишестой 29, фильтры низкой частоты,первый масштабирующий блок 30,второй задатчик 31, источник 32постоянного сигнала, седьмой Фильтр33 низкой частоты, пятый блок 34сравнения, первый блок 35 определения модуля, второй масштабирующийблок 36, пятый. сумматор 37, третиймасштабирующий блок 38, инвертор39, шестой сумматор 40, шестой блок41 сравнения, восьмой Фильтр 42низкой частоты, седьмой блок 43сравнения, второй блок 44 определения модуля и четвертый масштабирующий блок 45,Адаптивная система контроля и ре Огулирования работает следующим образом.Выходная переменная У(с) объектауправления измеряется первым датчиком 10 (в случае системы контроля 45первый 10 и второй 12 датчики, а также исполнительный орган 8 являютсясогласующими блоками, в частностимасштабирующими блоками,) и полученный сигнал во втором сумматоре 11 5 Оалгебраически суммируется с выходным сигналом первой модели 14 объекта с передаточной Функцией, например, вида 0 Фф(р)= е ", (1 55Т +1где К - коэ Ффициен т передачи, Т и- постоянные времени. В результате на выходе второго сумматора 11 получается выходной сигнал У(с) 60 первого модельного контура регулирования. Сигнал У (с) поступает на первый блок 3 сравнения, где из него вычитается сигнал У (с) о заданном значении т(с). Полученный сигнал об 65 ошибке регулирования подается напервый Фильтр 4 низкой частоты, предназначенный для подавления высокочастотной помехи сигнала, что повышает точность его дальнейшего преобразования. С выхода первого фильтра4 низкой частоты сигнал поступает напервый регулятор 5, например, с пропорционально-интегральным закономрегулирования. Выходной сигнал этогорегулятора является управляющим сигналом О (с) первого модельного контура регулиРования. Из сигнала О(с)во втором блоке 13 сравнения вычитается сигнал О(с) о натурном управляющем воздействии, поступающемс выхода второго датчика 12, и сигнал о полученной разности идет навход первой модели 14 объекта.Аналогичным образом работает ивторой модельный контур регулирования, включающий четвертый сумматор 19, третий блок 20 сравнения,третий фильтр 21 низкой частоты,второй регулятор 22, четвертый блок23 сравнения и вторую модель 24 объекта. Второй регулятор 22 в этом контуре имеет другой, в частности,пропорциональный закон регулирования для того, чтобы компенсироватьв отличие от первого модельного контура более быстрые изменения неконтролируемых возмущений. С целью увеличения быстродействия структураили параметры третьего фильтра 21низкой частоты также отличаются отструктуры или параметров первогоФильтра 4 низкой частоты.Натурное управляющее воздействиеопределяется как взвешенная суммапервого О(с) и второго Оп(с) модельных управляющих воздействий.Для этого сигнал об О (с) умножается во втором блоке б умноженияна сигнал о весовом коэффициентес.й) с выхода шестого сумматора40 и подается на первый сумматор 7.Сигнал об О -"(с) умножается в первомблоке 1 умножения на сигнал 1- сС(цо втором весовом коэффициенте, идущий с выхода шестого блока 41 сравнения. В этом блоке сравнения из выходного сигнала источника 32 постоянного сигнала, равного "1", вычитается сигнал об сИ 1 с выхода шестого сумматора 40. Выходной сигнал первого блока 1 умножения суммируется с выходным сигналом второго блока б в первом сумматоре 7 и подается на исполнительный орган 8 для реализации управляющего воздействия и на регистратор 27. Последний необходим, .когда адаптивная система предназначена для контроля сигнала.Весовые коэффициенты адаптируются в зависимости от точности Регулирования модельных контуров и показателей сложности выходного сигнала У(с) и задающего сигнала Уф(с) по выражениюй(к к+к Р Ф-к к и Ик Р," 1)1, (кгде Рт( с.) - показ атель точности, Р 5 ( с ) Р 1"(с) - показатели сложности сигналов соответственно У(с) и Уф(с), К 1-К - постоянные коэффициенты.,Коэффициенты К -К выбираются из условия, чтобы о 1)е ( 0,1 ) следующим образом.Коэффициенты К 4 и К являются весовыми коэффициентами при показателях Р У и Р" и назначаются при наз 3стройке системы из условия К 4+К =1, в частности, К 4 = К = 0,5.Коэффициенты К - К определяются по выражениямя свах Рвах А пка х пнпт . т(3)2 шах окнах мвх пнитт.пк хк = (4)2 2 кцахрк ах РмоЯеах Аещ 1т тк ккрм х)3 2 Аах Рфа РокМяеак АеЬ)Т ТУ . УЯаКР+КР4 3 % Ямах шю Гтах Уккк 1 к 1 В КОтОРык Рг к Р т к Р 5 к5(пав" - макслмальнЬ и минииРБмально возможные значения соответствующих показателей для конкретных условий.Для .определения точности регулирования первого модельного контура выходной сигнал первого блока 3 срав. нения об ошибке регулирования возводится в квадрат в первом квадраторе 15 и усредняется на скользящем интервале времени с помощью второго фильтра 16 низкой частоты. На выходе этого фильтра получается сигнал Э 1(с) о текущей оценке диспер-сии ошибки регулирования первого модельного контура. Так же определяется сигнал Р(1) об оценке дисперсии ошибки регулирования второго модельного контура, для чего используются второй квадратор 25 и четвертый фильтр 26 низкой частоты.Сигналы РТ(1) и Ъ-"(с) суммируются в третьем сумматоре и в блоке 18 деления выходной сигнал четвертого фильтра 26 низкой частоты делится на сигнал о найденной сумме,. В ре 65 Результаты полунатурного и промышленного испытания адаптивной системы контроля для управления плавкой стали в дуговых электро- печах показывают, что применение зультате получается сигнал Р,)со показателе точностик 81(с)+ э" (цкоторый умножается в первом масштабирующем блоке 30 на коэффициенти подается на шестой сумматор 40.Показатель сложности, сигнала10 оценивается по разности его сглаженных значений, полученных с помощьюдвух Фильтров низкой частоты с отличающимся примерно в два раза быстродействием. Увеличение указаннойразности свидетельствует о повышении сложности сигнала, что вызываетнеобходимость использования болеебыстродействующих контуров регулирования. Последнее обеспечивается засчет увеличения весового коэффициента при управляющем воздействии, вы,рабатываемым более быстродействующимконтуром регулирования.Для определения показателя сложности сигнала У"И) выходной сигналпервого задатчика 2 поступает наседьмой 33 и пятый 28 фильтры низкой частоты, а затем выходной сигнал( более быстродействующего ) вычитает 30 ся в пятом блоке 34 сравнения извыходного сигнала седьмого фильтра33 низкой частоты. Сигнал о полученной разности идет на первый блок35 определения модуля, где устра 35 няется знак этого сигнала, умножа-ется во втором масштабирующем блоке 36 на постоянный коэффициент ки подается на пятый сумматор 37.Для определения показателя слож 40 ности сигнала ЧИ),над ним производятся аналогичные преобразования с использованием восьмого 42и шестого 29 фильтров низкой частоты, седьмого блока 43 сравнения,45 второго блока 44 определениямодуля и четвертого 45 масштабирующего блока суммируются в пятомсумматоре 37, сигнал о полученнойсумме умножается в третьем масштабирующем блоке 38 на постоянныйкоэффициент Кз к инвертируется инвертором 39 и подается на вход шестого сумматора 40. В шестом сумматоре 40 алгебраически суммируются выходные сигналы первого масштабирующего блока 30, инвертора 39и второго задатчика 31 о величинепостоянного коэффициента К, . В результа:-" получается сигнал о весо- вом коэффициенте осИ),601070507 10 Составитель П.КудрявцевРедактор Н.Стащишина Техред С.Мигунова Корректор Г.Решетник Заказ 11680/44 Тираж 842 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 предлагаемой системы позволит повысить точность контроля таких технологических переменных как температура и химсостав металла в среднем на 15 и уменьшить диапазон разброса этих переменных при регулировании процесса плавки металла примерно на 10 по сравнениюс известным регулирующим устройством.5