Устройство для моделирования оптимальной системы управления

(22 (46 (71 пол рами при зовые ко повышени Сущность 1 енина им.В.И нина (72) (53) Г, В.". г.стратов62-50 (0888)(56) Авторское свидетельство СССР У 970397, кл. С 06 С 7/66, 1982,Авторское свидетельство СССР У 928378, кл. С 06 С 7/бб, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к област автоматики и предназначено для авто матического решения задач оптимального по быстродействию управления ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ АВТОРСКОМУ СВИДЕТ1254432 об ми с распределенными параметналичии ограничений на фаординаты. Цель изобретения е точности моделированияизобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введен формирователь среднего значения температуры, что позволяет в период форсированного нагревания объекта до средней предельно допустимой температуры ограничивать ее на этом уровне. Введение в устройство еще одного блока дифференциальных усилителей позволяет осуществлять ограничение последних на заданном предельно допустимом уровне и в период форсированного охлаждения (торможения) объекта. 4 ил.Изобретение относится к гибридной вычислительной технике, в частности к Электрическим самонастраивающимся системам управления, ипредназначено для автоматического 5решения задач оптимального по быстродействию угравления объектами сраспределенными параметрами при наличии множества ограничений на фазовые координаты объекта. 10Цель изобретения - повышение точности моделирования оптимальногоуправления.На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, автоматическиосуществляющего поиск оптимальногоуправления объектом с распределенными параметрами; на Фиг, 2 - функциональная схема Формирователя среднего значения температуры тела; на20Фиг. 3 - переходные процессы вточке (точка объекта с максимальнымвременем запаздывания) в процессепоиска оптимального управления; нафиг. 4 - графики переходных процессов при оптимальном управлении объектом с распределенными параметрамипо граничным условиям второго рода.Устройство содержит элемент ИЛИ301, первый компаратор 2, управляемыйстабилизатор 3 тока, КС -сетку 4,первый блок 5 дифференциальных усилителей, первый блок 6 компараторов,блок 7 задержки, триггер 8, генератор 9 импульсов, второй компаратор З 510, первый элемент ИЛ;-НЕ 11, первыйэлемент И 12, второй блок 13 дифференциальных усилителей, второй блок14 компараторов, второй элемент ИЛИНЕ 15, второй элемент И 16, третийкомпаратор 17 и Формирователь 18среднего значения температуры.Блок 7 задержки образует четвергый компаратор 19, второй триггер 20,третий элемент И 21, счетчик 22 им- . 45пульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 23, пятый компаратор24, генератор 25 линейно изменяющегося напряжения и блок 26 заданиявеличины выходного перерегулирования. 50формирователь 18 среднего значения температуры состоит из блока 27аттенюаторов напряжения и сумматора28 напряжения,кС -сетка 4, являющаяся основным 55блс,ом устройства, содержит блок задания граничных и начальных условий,а также узловые резисторы и емкости и предназначена для интегрированияуравнений, описывающих динамику теплового поля в исследуемой области,В результате интегрирования исходныхуравнений на кС -сетке образуютсятекущие значения некоторых компонентвектора состояний управляемого объ-екта с распределенными параметрами.Например, на 1 С -сетке определяетсянестационарное тепловое состояниеэлементов конструкции в процессе выхода на режим термостата, Выходныминаблюдаемыми координатамиобъектас распределенными параметрами являются температура Т в точке Н (навходе объекта), температурные перепады в различных точках М; относительно точки 1, т.е. Т - Т= аТ 1,При решении задач оптимальногоуправления температурными полями втвердых телах возникает необходимость учета ограничений на температурное расширение тела (детали) вопределенном направлении, В предлагаемом устройстве учет такого ограничения осуществляется последовательным соединением блока 27 аттенюаторов напряжения, сумматора 28напряжения и одного из компараторовблока 6 компараторов, на второй входкоторого подается эталонное напряжение, соответствующее допустимомупредельному значению средней темпеАовратуры тела Т, , Блок 18 осуществляет формированйе среднего значениятемпературы тела Т, . При этомсумматор 28 суммирует входные напряжения О; /п, поступающие с выходов аттенюаторов напряжения, такчто напряжение Она выходе сумматора 28 соответствует средней температуре Т, (С) тела, т.е,:де и - количество узлов 8 С -сетки 4,подключаемых к такому же количеству аттенюаторов блока27,На вторые входы блоков 6 и 14 компараторов подаются эталонные напряжения, соответствующие допустимьвчпредельным значениям температурныхперепадов 8 Т; (не показано). На второй вход второго компаратора 10 напряжения подается напряжение, соответствующее предельно допустимой температуре на входе РП-объекта, т,е.1254432 1 О 3соответствующее Т" " , а на второйвход третьего компаратора 17 подается напряжение, соответствующее заданной конечной температуре статирования Тц. Таким образом, на выходахкомпараторов в зависимости от значений наблюдаемых выходных координатобъекта присутствуют "О" и "1",которые далее поступают на логические элементы ИЛИ-НЕ 11 и 15,Пусть 0 О соответственнонижний и верхний уровни сигналов,соответствующие логическим сигналам"О" и "1", поступающим с выхода элемента ИЛИ 1. Тогда на второй вход 15компаратора 2 подается опорное напряжениеО,О Поэтому в зависимости от того, в 20 каком состоянии находится элемент ИЛИ 1, управляемый реверсивный стабилизатор 3 тока выдает ток той ипи иной полярности.Генератор 9 импульсов на первом 25 выходе формирует периодически повторяющуюся временную программу решения и подготовки к решению в виделлУ импульсовИмпульсами , с выхо. да генератора 9 триггер 8 и блок 7 З 0 задержки устанавливаются в исходноесостояние.Устройство работает следующим образом. Генератор 9 импульсов, вырабатывая З 5 импульс времени решения с производит в сетке 4 подключение блоков задания граничных и начальных условий, которые задают в ее узлы начальные и граничные условия, известные из 40 исходных данных задачи, Кроме того, импульсс выхода генератора 9 поступает в блок 7 и своим передним фронтом переводит триггер 8 в исходное состояние. В свою очередь, триг гер 8 разрешает прохождение импульсов с выхода первого элемента ИЛИ-НЕ 11 на вход элемента ИЛИ 1, прохождение импульсов с выхода второго эле,мента ИЛИ-НЕ 15 при этом запрещено. 50Устройство в переходном режиме работает следующим образом.При оптимальном быстродействии на вход объекта с начального моментавремени подается максимальное управляющиее воздействие 0до тех пор, пока хотя бы одна из выходных координат 1; объекта не достигнет своего предельного значения У; , Послеэтого входное воздействие уменьшается и регулируется (релейно) так,чтобы выходная координата не превышала допустимого значения, то естьскользила по границе области допустимых значений координат объектв,И так продолжается до определенногофиксированного момента временис,Е 0, . Темп подвода энергии кобъекту в этот промежуток временипревышает темп распространения тепла (выравнивания) по объекту, поэтому теплота в основном сконцентрирова.на на входе объекта. Этот промежутоквремени назван временем форсированного разгона объекта в режим. К концу этого промежутка времени объектобладает энергией, большей той, которая соответствует его заданномуконечному состоянию,В момент времени задержанныйимпульс "Сброс" с выхода блока 7задержки перебрасывает триггер 8 вдругое состояние. В свою очередь,.триггер 8 запрещает прохождение импульсов с выхода первого элементаИЛИ-НЕ 11 на вход элемента ИЛИ 1,прохождение импульсов с выхода второго элемента ИЛИ-НЕ 15 при этомразрешено.Таким образом, в момент временис, подается предельное управляющеевоздействие О до тех пор, покахотя бы одна из выходных координатобъекта не достигнет предельногозначения. Далее, идет скольжение погранице области допустимых значенийкоординат объекта. Как только последняя координата объекта переместится с границы области Я допустимых значений внутрь этой области,на объект снова подается предельноеуправляющее воздействие О . И такпродолжается до тех пор, пока температура Т на входе объекта (в Йточках) не достигнет заданного конечного значения. Этот промежутоквремени назван временем форсированного торможения объекта.Поиск оптимального управленияобъектом с распределенными параметрами на предлагаемом устройстве заключается в шаговом изменении времени задержки импульса с, с помощьюуправляемого блока 7 задержки, Вначальный момент каждого периодал %решения импульс , с выхода генера1254432 10 20 25 50 5тора 9 импульсов запускает генератор 25 линейно изменяющегося напряжения и поступает на второй вход элемента И 21, а в самом начале решения задачи с другого выхода генератора 9 импульсов на вторые входы счетчика 22 импульсов и управляющего триггера 20 поступает установочный сигнал, котоРый заносит в счетчик начальные условия, а управляющий триггер 20 устанавливается в исходное единичное состояние, В свою очередь, единичный сигнал с выхода управляющего триггера 20 поступает на элемент И 21, разрешая прохождение импульсов с; на вход счетчика 22 импульсов, которыйлФсуммирует импульсы ( (количество периодов решения) с начальными условиями, В. каждом из периодов решения ь, на пятом компараторе 24 происходит сравнение сигнала с выхода ЦАП 23 с сигналом линейно возрастающего напряжения с выхода генератора 25, Момент сравнения на выходе пятого компаратора 24 опт (. ределяет время задержки импульса ,и конец форсированного разгона объекта в режим. Таким образом, за счет , имлульсов , (периодов решения) ипошаговое (итерациями) изменение вре- З 0л Фмени задержки импульса , , происходит до тех пор,пока перерегулирова ние на выходе объекта (ЯС-сетки) в).- точке не превысит допустимое значение, При этом с выхода блока 18 навход компаратора 19 поступает заданная величина предельно допустимогоперерегулирования для ). -точки объекта, а на второй вход компаратора19 поступает напряжение с основного 40 выхода 1 С -сетки , -точка). В момент равенства этих напряжений компаратор 19 срабатывает и пе(ребрасывает управляющий триггер 20 в нулевое состояние, запрещая 45дальнейшее прохождение импульсов Гф на вход счетчика 22 импульсов. Итерационный процесс поиска оптимального управления на этом закончился. На фиг. 3 приведены переходные процессы,в-точке в процессе поиска оптимального управления, Момент достижения кривой разгона 4 уровня Т " (заданной установившейся температуры в ). -точке) является предельно максимальной величиной времени ( р выхода объекта на режим для данной конкретной системы учравления. Кривая 1 соответствует оптимальному переход. ному процессу при ( = ь, . Кривая 2( ,л /%0 л3 при (, =+ Ь( ъ (причем ьь , ), Кривая 2 снята при , = с,- ь(, , кривая 3при 7, = 3( - ьтГрафики переходных процессов вобъекте при оптимальном управленииприведены на фиг, 4. Временной интервал 0,(р) разбит на восемь участков(см, фиг. 4 а). На интервале 0-1 объект движется с максимальной скоростьюпри предельном значении управляющеговоздействия ( 0 ) в сторону максимального увеличения температуры Тна входе объекта. В конце интервала0-1 объект достигает границы областидопустимого температурного перепада8 Т; , в заданных точках и в течениеотрезка времени 1-2 скользит по границе этой области. На интервале 2-3,когда температурный перепад уменьшается, т, е. когда о Т, с 8 Т; объектснова начинает двигаться с максималь "ной скоростью при предельном значении управляющего воздействия до техпор, пока не достигнет предельнодопустимого (граничного) значениявторой координаты, т.едо моментадостижения максимально допустимойтемпературы на входе объектаТ(Т)=Т . На интервале 3-4 объектДоскользит по границе области допустимого значения температуры на еговходе, т.е, поддерживается температура ТЫ) =Т(фиг, 4 г) .На интервале (С, ( с 1 есть одинучасток 5"6 стабилизации (скольжения), на котором температурный перепадьТ поддерживается уже на другом предельно допустимом уровне (Фиг.451,(Графики изменения температурыТ,( .) на входе объекта, изменениятемпературы Т (с) в ). -точках иТь, ,) в одной из промежуточных точек М; объекта приведены на фиг.4 г.Графики изменения количества теплоты Я), содержащейся в РП-объекте в процессе оптимального управления, и ее первой производной Ф)-.=д О/д приведены на фиг. 43.Дляфункции Ьо ,) характерным являетсято, что она в течение времени .с Я 0, 7, ) является положительной,а в момент времени ( меняет свойзнак на обратный и на интервале времениб ( С(, С ) остается отрицательной.Устройство для моделирования оптимальной системы управления, содержащее последовательно соединенные влемент ИЛИ, первый компаратор,управляемый стабилизатор тока, РС -сетку, первый блок дифференциальных усилителей, первый блок компараторов, последовательно соединенные блок задержки и триггер, подключенный вторым входом к первому выходу генератора импульсов и к первому входу блока задержки, второй выход генератора импульсов подключен к второму входу блока задержки, второй выход 1 С -сетки подключен к третьему входу блока задержки, второй вход 1первого блока дифференциальных усилителей подключен к третьему выходу "С-сетки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, дополнительно введены последовательно соединенные второй компаратор, первый элемент ИЛИ-НЕ, первый элемент И, последовательно 25 ч 432 Ясоединенные второй блок дифференциальных усилителей, второй блок компараторов, второй элемент ИЛИ-НЕ и .второй элемент И, третий компаратор,5 а также формирователь среднего значения температуры, подключенный выходом к второму входу первого блокакомпараторов, соединенного выходомс вторым входом первого элемента 1 О ИЛИ-НЕ, второй вход первого элементаИ соединен с первым выходом триггера,выход второго элемента И подключенк второму входу элемента ИЛИ, второйвыход триггера соединен с вторым 15 входом второго элемента И, выходтретьего компаратора подключен квторому входу второго элемента ИЛИНЕ, вход третьего компаратора подключен к второму входу второго блока 20 дифференциальных усилителей, третьему входу КС -сетки и входу второгокомпаратора, а четвертый и пятый выходы 0 С -сетки соединены соответственно с входом формирователя среднего значения температуры и входом второ.- го блока дифференциальных усилителей,/50 . Тираж 836 ВНИИПИ Государственного комитета С по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж"35, Раушская наб, Подписи Заказ 47 1 роизводственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4