Адаптивная система управления для объектов с изменяющимся запаздыванием

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А ЯО 11918 ц 4605 В 13/02 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ видетельство ССС б 05 В 13/02, 198 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Белорусский ордена Трудового Крас. ного Знамени политехнический институт (72) А. А. Москаленко и А. Т. Кулаков (53) 62-50(088.8)(56) Дралюк Б. Н., Синайский Г, В. Системы автоматического регулирования объектов с транспортным запаздыванием, М.: Энер. гия, 1969, с. 33Авторское с Р968788, кл. 2.(54) (57) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ИЗМЕНЯЮШИМСЯ ЗАПАЗДЫВАНИЕМ, содержашая датчики нагрузки и расхода топлива, последовательно соединенные задатчик и сравниваюший элемент, регулятор, подключенный выходом к входу объекта управления, и последовательно соединенные первый упредитель и модель с регулируемым запаздыванием, подключенную выходом к третьему входу сравниваюшего элемента, четвертый вход которого соединен с выходом объекта, а также блок подстройки запаздывания, подключенный первым входом к выходу объекта управления, а вторым входом и выходом - соответственно к выходу и второму входу модели с регулируемым запаздыванием, отличающаяся тем, что, с целью расширения области применения и повышения точности при отработке основных возмушении, она дополнительно содержит блок умножения, второй упредитель, блок подстройки коэффициентов, дифференциатор, переключатель структуры с нормально открытым и нормально замкнутым контактами и блок управления оператора, причем первый, второй и третий входы блока подстройки коэффициентов подключены соответственно к выходу объекта управления, выходу модели с регулируемым запаздыванием и выходу переключателя структуры, первый выход блока подстройки коэффициентов подключен к второму входу блока умножения, включенному между выходом сравниваюшего элемента и входом регулятора, а второй выход блока подстройки коэффициентов - к второму входу первого упре-дителя, соединенного выходом с нормально Щ открытым контактом переключателя структуры, и к второму входу второго упредителя соединенного первым входом с входом объекта управления, а выходом через нор. мально закрытый контакт переключателя - с вторым входом сравниваюшего элемента, пятый вход которого подключен к первому выходу пульта управления оператора, подключенного вторым выходом к первому входу переключателя структуры, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами объекта управления и дифференциатора, суммирующий и инверсный входы которого подключены соответственно к выходам датчиков нагрузки и расхода топлива, 1191884Изобретение относится к самонастраивающимся системам управления с переменной структурой и может быть использовано для автоматизации технологических процессов с изменяющимся запаздыванием, обусловленным переменным коэффициентом усиления объекта регулирования, в частности для автоматизации управления тепловыми процессами энергоблоков.Цель изобретения - расширение области применения и повышение точности при отработке основных возмущений.На фиг. 1 приведена структурная схема адаптивной системы управления для объектов с изменяющимся запаздыванием; на фиг. 2 - структурная схема блока подстройки запаздывания; на фиг. 3 - структурная схема блока подстройки коэффициентов; на фиг. 4 - функциональная схема переключателя структуры.Система содержит датчик 1 нагрузки, датчик 2 расхода топлива, задатчик 3, сравнивающий элемент 4, регулятор 5, объект 6 управления, первый упредитель 7, модель 8 с регулируемым запаздыванием, блок 9 подстройки запаздывания, блок 10 умножения, второй упредитель 11, блок 12 подстройки коэффициентов, дифференциатор 13, переключатель 14 структуры с нормально разомкнутым и нормально замкнутым контактами 15 и 16, и пульт 17 управления оператора.Первый упредитель 7 реализуется в виде последовательно соединенных нескольких инерционных звеньев и усилительного звена, а второй упредитель 11 - в виде усилительного звена.Блок 9 подстройки запаздывания содержит второй усилитель 18, второй триггер 19, первый усилитель 20, первый триггер 21, дешифратор 22, счетчик 23, задатчик 24 запаздывания, управляемый генератор 25 опорной частоты (УГОЧ) и блок 26 управления.В каждом цикле адаптации (либо при изменении задания с задатчика 3, либо при подаче единичного пробного скачка) на выходе объекта 6 и модели 8 с регулируемым запаздыванием появляется соответственно через время запаздывания то и т, изменение сигналов. Начало изменения сигналов на выходах объекта 6 и модели 8 определяется соответственно с помощью усилителей 18 и 20, которые формируют пороговые потенциалы переключения для триггеров 19 и 21 практически без задержки. При этом, если первым в единичное состояние устанавливается триггер 21, то т (то. В первом случае сигналом с второго выхода дешифратора 22 счетчик 23 устанавливается в режим сложения; с управляемого генератора 25 снимается запрет на генерацию и в счетчик 23 заносится дополнительное количество импульсов, пропорциональное разности то - т Генерация УГОЧ 25 в рас 5 10 сматриваемом случае прекращается, когда триггер 19 также установится в единичное состоя; ие, так как при этом с четвертого выхода дешифратора на него поступает запрещающий сигнал. Во втором случае счетчик 23 устанавливается в режим вычитания сигналом с третьего выхода дешифратора 22, при этом из содержимого счетчика 23 вычитаются импульсы, т. е. реализуется аналогичным образом зависимость тО ттУстановка прогнозируемого первоначально времени запаздывания т О в счетчике 23 производится задатчиком 24 запаздывания. Блок 26 управления осуществляет подстройку запаздывания в модели 8. На его входы поступает код т, + Лт = то. Этот код преобразуется с помощью блока 26 в аналоговый сигнал, который воздействует на модель 8 и изменяет ее запаздывание так, чтобы оно стало равным запаздыванию объекта 6.Блок 12 подстройки коэффициентов содержит блок 27 подстройки коэффициентов упредителей, который состоит из блока 28 аналого-цифрового преобразователя, блока 29 деления, блока 30 умножения, задатчика 31 коэффициентов, первого регистра 32 и первого цифроаналогового преобразователя 33, задатчик 34, второй регистр 35 и второй цифроаналоговый преобразователь 36. Переключатель 14 структуры содержит триггеры 37 и 38 внешних и внутренних возмущений соответственно, усилитель 39, герконовое реле 40, первый и второй формирователи 41 и 42, первый и второй инвертируюшие усилители 43 и 44, элементы ИЛИ 45 - 48, элементы НЕ 49 и 50, первый и второй компараторы 51 и 52, разделительный конденсатор 53, делитель 54 напряжения источника Е,Пульт 17 управления оператором, соединенный первым выходом с пятым входом сравнивающего элемента 4, а вторым выходом - с первым входом переключателя 14 структуры, служит для управления всеми блоками системы управления, для формирования единичного пробного (калиброванного) скачка и контроля состояния системы. 35 4045 5055 15 20 25 30 В основу построения адаптивной системы управления для объектов с изменяющимся запаздыванием положен принцип упреждения запаздывания и компенсации инерционности при адаптивной подстройке коэффициентов усиления первого и второго упредителей и коэффициента усиления регулятора с переключением структуры упредителей в зависимости от вида возмущения. Известно, что сложный объект, содержащий опережающий и инерционный участки,с достаточной степенью точности может быть(Тор + 1)(оор + 1) Х,р+1 =КнноЕ р (1) где К.н, То, оо и То - коэффициент усиления,большая и меньшая постоянные времени, эквивалентная постояннаявремени объекта 6;то в время запаздыванияобъекта;% - передаточная функцияобъекта 6 без запаздывания.Исходя из структурной схемы системы можно записать изображение сигналов в видеХ = Хос = Хр %ин, (2)(4) илиХосф, -- Хоси = ХР%у Я (5) где %, и % - соответственно передаточные функции первого и второго упредителей 7 и 11;Г, - величина времени запаздывания модели 8.Я - переключающая функция,которая согласно структурной схеме, в частности, принимает два значения:9=1, если 1=0 и - ,-=0;о 1 Я = 1, если 1 г == 0 или ф= 0 (6)Передаточная функция первого упредителя 7 выбирается равной передаточной функции объекта 6 без запаздывания, т. е.Т, В", (7) где м обозначает модель.Передаточная функция второго упредителя 11 выбирается равной коэффициенту усиления объекта 6, т. е.Я - Кин (8)Основными параметрами объекта, определяющими работоспособность систем управления для объектов с изменяющимся запаздыванием, являются его время запаздывания и коэффициент усиления.В предлагаемой системе так же, как и в прототипе, время запаздывания. объекта считается переменным, что характерно, например, для систем теплоэнергетических объектов, работающих при переменной нагрузке. При этом время запаздывания объекта с достаточной точностью моделируется с помощью модели 8 с регулируемым запаздыванием, т. е. выполняется следующее соотношение после адаптации:тм = то. (9) Условием компенсации инерционности является равенствофе - Ри = фйй е - Рм - Кйн е Ро (10) а условия упреждения запаздывания принимают видйн = Ю ин = 1 о ин (11)или%и -- Кин = Кин, (12)При выполнении условий (10) - (12) имеет место компенсация инерционности и упреждение запаздывания. При этом сигнал с упредителя является по существу предсказанием значения выходного сигнала на временном 10 интервале то. Он информирует регулятор овлиянииоказанного или управляющего воздействия на регулируемую переменную, и, следовательно, регулятор не вызывает пере- регулирования при заданном значении сигнала рассогласования. Обратная связь по регулируемой переменной необходима для того, чтобы чувствовать влияние возмущений, действующих на объект.Фактически реакция замкнутой системы Хявляется в этом случае задержанной версией реакции системы без запаздывания.Система при этом работает с максимальнои скоростью и имеет лучшую реакцию (при той же передаточной функции регулятора), чем в случае без использования метода компенсации и упреждения.25 Недостатки метода компенсации и упреждения запаздывания при неадекватности модели и объекта устраняются с помощью адаптивных подстроек.Переключение структуры упредителей 7и 11 позволяет повысить точность при отработке как внутренних, так и внешних возмущений.Параметры динамической настройки регулятора 5 могут быть определены с помощью известного компенсационного метода, 35обеспечивающего минимум среднеквадратичной ошибки регулирования.К о То (13)Хи бо КннБоТ= То, (14) 40 причем время изодрома регулятора устанавливается при максимальной нагрузке объекта, тогда Тою имеет минимальное значение.Адаптивная система управления работаетследующим образом.В исходном состоянии системой производится отработка задания, поступающего с задатчика 3. Регулируемая величина Х находится в допустимой зоне регулирования Л 1.Ошибка рассогласования е = 0 и ошибка регулирования в = О. В блоке 9 подстройки хранится код запаздывания: при первоначальном включении системы - п рогнозируемое значение т, а после адаптивной подстройки - т = то Модель 8 с регулируемым запаздыванием настроена. В блоке 2 подстройки коэффициентов хранятся коды 55 усиления упредителей 7 и 11 (при первоначальном включении - прогнозируемые значения Кн =- Кисн, а после адаптивной подстройки - К = К = Ко) и код подстройкикоэффициента усиления регулятора 5. Переключатель 14 находится в исходном состоянии, его контакты 15 и 16 - в положении, как показано на фиг. 1.При возникновении внутренних возмущений 1 переключатель 14 структуры не изменяет своего состояния. Отработка 1 производится по трем контурам регулирования. Второй упредитель 11, нормально закрытый контакт 16 переключателя 14, сравнивающий элемент 4, блок 10 умножения и регулятор 5 представляют первый контур регулирования, который является внутренним быстродействующим контуром. При этом через второй упредитель 1 ф осуществляется упреждение запаздывания объекта 6. Второй контур регулирования - первый упредитель 7, модель 8 с регулируемым запаздыванием, сравнивающий элемент 4, блок 10 умножения и регулятор 5 - вырабатывает сигнал компенсации инерционности. Третий контур регулирования является основным и осуществляет регулирование выходной величины, которая через отрицательную обратную связь подается на вход системы, Объект 6, сравнивающий элемент 4, блок 10 умножения и регулятор 5 образуют третий контур регулирования.Наличие в первом быстродействующем контуре регулирования упредителя 11 с передаточной функцией, равной коэффициенту усиления объекта 6, приводит к повышению динамической точности отработки внутренних возмущений 1 в 1,5 - 7 раза по сравнению с упредителем, имеющим передаточную функцию, равную передаточной функции объекта 6 без запаздывания. При этом повышение точности достигается без подстройки параметров регулятора 5 за счет улучшения переднего фронта выходного сигнала, длительность которого уменьшается. Подстройка коэффициента усиления регулятора 5 блоком 12 приводит к дополнительному улучшению переднего фронта выходного сигнала. При этом динамическая ошиб-. ка уменьшается, но отработка заднего фронта затягивается.35 40 Отработка задания Хз в системе происходит аналогично отработке внешних возмущений 12, но с противоположным знаком, так как задание подается на первый (сумирующий) вход сравнивающего элемента от оператора через задатчик 3. При этом оператором вручную или автоматически в переключатель 14 структуры подается сигнал, аналогичный по действию сигналу с выхода .дифференциатора 13. В случае внешних возмущений Ь, например, при изменении нагрузки с помощью диффегенциатора 13 переключатель 14 изме няет состояние контактов 15 и 16 и к второму входу сравнивающего элемента 4 подключается более инерционный упредитель 7 с передаточной функцией, равной передаточной функции объекта 6 без запаздывания. В этом случае на выходной сигнал К накладывается сигнал Ь 2, который воздействует одновременно на четвертый (инверсный) вход сравнивающего элемента 4, на выходе которого появляется рассогласование в. Первый контур регулирования при возмущении Ь: сравнивающий элемент 4, блок 10 умножения, регулятор 5, первый упреди- тель 7, нормально разомкнутый контакт 15, сравнивающий элемент 4; второй контур: сравнивающий элемент 4, блок 10 умножения, регулятор 5, первый упредитель 7, модель 8 с регулируемым запаздыванием, 20 сравнивающий элемент 4; третий контур;сравнивающий элемент 4, блок 10 умножения, регулятор 5, объект 6, сравнивающий элемент 4. Таким образом, в отличие от случая отработки внутренних возмущений регулятор 5 практически без задержки начинает отработку внешних возмущений 1 г 2 для того, чтобы стабилизировать выходную регулируемую величину Х в допустимой зоне Ь. Поэтому регулирующее воздействие Хр ослабляется за счет более инерционного упредителя 7. При отработке внешних возмущений вводится запрет на адаптацию коэффициента усиления упредителей 7 и 11 и коэффициента усиления регулятора,