Адаптивная система управления потенциально опасным объектом

(5) 4 11 О 1 ГОСУД АРС ПО ДЕЛА ЭОБРЕТ СА 13й ";ч 1, Р,Г Н АВТО У ЛЬСТ а видетельство С 05 В 11/01 с6ЖвиВ нологии,ВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Одесский технологический институт пищевой промышленностиим. М.В. Ломоносова(56) Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. М.: Наука, 1968, с. 78.Авторское с СССР У 970314, кл. 1981, (54) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫМ ОБЬЕ 1(ТОМ(57) Изобретение относится к области автоматики и предназначено для использования в химической, энергетической и т.п. областях, Цель изобретения - повышение эффективности и надежности эксплуатации потенциально опасного объекта в условиях неконтролируемых внешних возмущений и изменения свойств объекта. Система включает объект управления, датчик регулируемой величины, первый измеритель рассогласования, формирователь сигнала управления, оптимизатор заданного значения регулируемой величины, блок ограничения скорости иэменения заданного значения регулируемой величины, второй измеритель р ссогласования и ключ. Новым в системе является первый фильтр низкой частоты и третий измеритель рассогласования, которые определяют случайную составляющую колебаний регулируемой величины; квадратор и второйфильтр низкой частоты, определяющиеоценку дисперсии случайных колебаний регулируемой величины; дифференциатор, второй квадратор и третийфильтр низкой частоты, определяющиеоценку дисперсии производной случайных колебаний регулируемой величинына скользящем интервале; вычислительный блок, состоящий из блока деления,первого и второго блоков извлеченияквадратного корня, блока вычислениялогарифма, блока умножения, четвертого измерителя рассогласовния и бло"ка запоминания аварийного значениярегулируемой величины, который определяет пороговое заданное значениерегулируемой величины в зависимостиот статистических характеристик случайных колебаний регулируемой величины. Система может быть полностьюреализована на серийно выпускаемомрборудовании и удовлетворяет требованиям высокоавтоматиэированной тех12919 Изобретение относится к втоматическому управлению и защите потенциально опасных объектов, работающихв условиях неконтролируемых возмущений, и может быть использовано в химической, пищевой и других отрасляхпромышленности,Целью изобретения является повышение эффективности и надежности эксплуатации потенциально опасного объекта. Достижение цели изобретенияобусловлено тем, что в условиях неконтролируемых внешних возмущений иизменения параметров объекта управления реализуется изменение порогового заданного значения регулируемойвеличины, в зависимости от статистических характеристик случайных колебаний регулируемой величины,На чертеже представлена функциональная схема устройства. Устройствосодержит последовательно соединенныепервый измеритель 1 рассогласования,формирователь 2 сигнала управления,объект 3 управления, датчик 4, которые в совокупности составляют основной контур 5 управления. Выход датчика 4 через последовательно соединенные оптимизатор 6 за О данного значения регулируемой величины, блок 7 ограничения скорости изменения и второй измеритель 8 рассогласования подключен к управляющему входу переключателя 9, блоки 7-9 составляют блок 1 О защиты, первый вход переключателя 9 подключен к выходу бло- ка 7 ограничения скорости изменения, второй вход блока 7 ограничения скорости изменения соединен с выходом переключателя 9 и с первым входом первого измерителя 1 рассогласования, выход датчика 4 соединен с вторым входом первого измерителя рассогласования и третьим входом блока 7 ограниче- д 5 ния скорости изменения. Устройство также содержит три фильтра 11-13 низкой частоты, третий измеритель 14 рассогласования, два квадратора 16 и 17, вычислительный блок 18, причем выход датчика 4 соединен с первым входом третьего измерителя 14 рассогласования и через фильтр низкой частоты - с вторым входом третьего измерителя 14 рассогласования, а выход третьего из мерителя 14 рассогласования через последовательно соединенные первый квадратор 16 и второй фильтр 12 низкой частоты соединен с первым входом вы 26 2числительного блока, а также выход третьего измерителя 14 рассогласования через последовательно соединенные дифференциатор 15, второй квадратор 17 и третий фильтр 13 низкой частоты соединен с вторым входом вычислительного блока 18, выход которого подключен к второму входу второго измерителя 8 рассогласования, к второму входу переключателя 9 и к чет-, вертому входу блока 7 ограничения скорости изменения.В свою очередь вычислительный блок 18 содержит блок 9 деления, первый 20 и второй 21 блоки извлечения квадратного корня, усилитель 22, блок 23 вычисления логарифма, блок 24 умножения, четвертый измеритель 25 рассогласования, блок 26 запоминания аварийного значения регулируемой величины, гервый вход вычислительного блока соединен с первым входом блока 19 деления и первым входом блока 24 умножения, а второй вход вычислительного блока соединен с вторым входом блока 19 деления, выход которого через последовательно соединенные первый блок 20 извлечения квадратного корня, усилитель 22 и блок 23 вычисления логарифма 23 соединен с вторым входом блока 24 умножения, выход которого через второй блок 21 извлечения квадратного корня соедийен с первым входом четвертого измерителя 25 рассогласования, второй вход которого соединен с выходом блока 26 запоминания аварийного значения регулируемой величины, а выход четвертого измерителя 25 рассогласования соединен с выходом вычислительного блока. Блоки 11-26 в совокупности составляют блоки 27 настройки порогового значения регулируемой величины.Устройство работает следующим образом.На практике у значительного большинства объектов управления неконтролируемые внешние возмущения имеют множество независимых друг от друга источников, поэтому изменения регулируемой величины во времени носят случайный характер, т.е. являются случайными процессами. Следовательно, выход регулируемой величины за аварийное значение будет представлять собой случайное событие, вероятност возникновения которого зависит от3 12919 статистических свойств этих случайных процессов. В этом случае и надежность функционирования объекта управления необходимо оценивать также вероятностной мерой, в частности вероятностью невыхода регулируемой величины эа аварийное значение, Случайные колебания регулируемой величины Х во времени С, т.е. случайные процессы Х(С), возникают в результате 10 воздействия на инерционный объект управления множества источников неконтролируемых внешних возмущений, и в силу этого закон распределения этих процессов близок к нормальному, Кор реляционная функция случайных процессов Х(1) характеризует качество работы основного контура управления (локальной системы стабилизации). В частности, время Тс ее спада до пре небрежимо малых значений можно рассматривать как среднее время компенсации возмущений.Реальные процессы Х(1) не являются стационарными вследствие нестационарности во времени параметров, объекта управления и внешних возмущений. Скорость изменения этих параметров может быть оценена также временами спада Т , Тсоответствующих кор реляционных функций параметров до пренебрежимо малых значений.Так как у большого числа объектов управления скорость изменения их параметров и параметров внешних возму щений относительно невысока и времена спада Т , Т значительно большесоТс, т.е. Тс тс, ТсТ то это позволяет принять гипотезу о квазистационарности параметров и на определенном интервале времени считать процессы Х(1) стационарными. Рассматривая случайные процессы Х(г) на скользящем интервале времени Т х можно оперативно (с запаздыванием" на) определять оценки их статистических характеристик - математического ожидания, дисперсии и др. Рекомендуемая величина с = (1-5)Т, 50 т,е; является пренебрежимо малой величиной по сравнению с Т, и ТЭксплуатация потенциально опасного объекта имеет смысл тогда, когда аварии, т.е. выходы (" выбросы" ) регу лируемой величины Х(г.) за аварийное значение Хц являются исключительно редкими событиями. А в этом случае, с позиции теории вероятности, эти со 26 4бытия неэав"имы и вероятность их появления может быть описана законом Пуассона, В частности, вероятность отсутствия события Х(С)Х на инлЦтервале времени с для нормального закона распределения равнаР Я) = ехр - - - х- ехр-Ха ш 4а где б , б - среднеквадратическое отклонения регулируемой величины Х(С) и ее производной за время с;шх - математическое ожидание регулируемой величины Х(1) эа времяо.,Эта вероятность определяет вероятность безаварийной работы на интервале с и является той мерой, которая характеризует надежность (безопасность) эксплуатации потенциально опасного объекта.Теоретически, в силу того, что нормальный закон распределения определен на бесконечных интервалах изменения аргумента, вероятность Р всегда меньше 1, т.е. вероятность возникновения аварии Р = 1 - РО, Однао 6 ко реально значения Х(С) не могут изменяться в бесконечных пределах. Поэтому принято считать, что значения Х(г.) = ш й ЗБ, теоретическая вероятность появления которых составляет 0,003, практически появиться не могут.Во время эксплуатации потенциально опасного объекта изменения его параметров и параметров внешних возмущений приводят к соответствующим изменениям статистических характеристикслучайного процесса Х(г;). Оперативная оценка ш, (р ,6на скользящемХинтервале временипозволяет определить по зависимости (1) вероятностьбезаварийной работы Р (7) практически в реальном масштабе времени, втемпе с технологическим процессом в.объекте,Информация о ш , б , б, РБР ( )может быть использована не только дляоценки надежности, но и для управления потенциально опасным объектом,Так иэ (1) следует, что для обеспечения безаварийной эксплуатации потенциально опасного объекта на интервале времени(те. для обеспеченияРртимая вероятность безаварийной работына этом интервале) математическоеожидание регулируемой вели 1-ны т не должно превышать порогового заданного значения Х= Х - 2 Й 1 п 16/291 п 1 /Р 2 12 12)5При Рь = 0,997 фактическая вероятность безаварийной работы Р, = 1. Значение Рь зависит от вида реального закона распределения регулируемой величины Х(с). 10Оперативно оценивая изменения б, 6 регулируемой величины Х(г.) на скользящем интервале времени о при из - менении параметров объекта и внешних возмущений, предлагаемая система на страивает по (2) пороговое заданное значение Хп для основного контура управления (локальной системы стабилизации), который и поддерживает среднее значени 1 (математическое ожида ние ш) на требуемом уровне,В основном контуре 5 управления формирователь 2 сигнала управления вырабатывает управляющий сигнал на объект 3 так, что рассогласование на выходе первого измерителя 1 рассогласования Я = Х - Х минимально, где) Х - заданное значение регулируемой величины, т.е. основной контур 5 управления отрабатывает изменение сиг нала задания регулятору Х и изме) нение значений внешних возмущений О по зависимостиХ(Р) = Ы,(Р)Х(Р) +И (Р) р(Р),(3) где У,(Р) и Ч (Р) - передаточные фун кции основного контура 5 управления по каналу задания и возмущения.Оптимизатор 6 заданного значения регулируемой величины по значениям регулируемой величины Х, поступающей 40 с датчика 4, и по значениям внешних параметров г. и определяет оптимальное заданное значение регулируемой величины Х, соответствующее экстремуму функции цели. Рассчитанная 45 величина сигнала оптимального заданного значения Хо поступает в блок 10 защиты, а именно на вход блока 7 ограничения скорости изменения заданного значения регулируемой величины, на 50 другие входы которого поступают сигналы регулируемой величины Х с выхода датчика 4, заданного значения Х регулируемой величины с выхода переключателя 9 и порогового заданного 55значения Х регулируемой величины с выхода блока 27. Ограничение скорости изменения оптимального заданного значения Х на определенном расчетном уровне Хр необходимо для того, чтобы, учитывая инерционность объекта 3 управления, ограничить скорость приближения регулируемой величины Х к пороговому значению Х и тем самым не допустить таких выходов Х за Х , которые превышают аварийное значение Хс, . Блок 7 может осуществлять эту функцию, например, по зависимостям 1 Х при Ч - ЧО;Х при Ч Ч О, (4) Ч = К(Х - Х); Х=Х +Ч, где К - коэффициент пропорциональности.Так как оптимизатор заданного значения регулируемой величины 6 определяет оптимальное заданное значение Х 2 по (4) беэ учета ограничения Х(С)Х , то заданное значение Х регулируемой величины необходимо ограничивать на пороговом значении Х, причем из-за наличия неконтролируемых внешних возмущений и инерционности основного контура 5 управления Х должно быть меньше Ха, По знакуи разности Х, - Хр, которая вычисляется на втором измерителе 8 рассогласования и поступает на управляющий вход переключателя 9, последний переключает свой выход на один из входов, куда поступают сигналы Х с выхода блока 27 и Хр с выхода блока 7, т.е, реализуется зависимость.Х при Х - ХОХ р Х - Х ОИзменение интенсивности, спектрального состава неконтролируемых внешних возмущенийи параметров объекта 3 управления во времени вызывают изменения статистических характеристик случайного процесса Х(г.), что требует и соответствующей настройки порогового заданного значения Хпо (2) .Реализацию зависимости (2) выполняет блок 27 настройки порогового заданного значения регулируемой величины. Значения Х(С) с выхода датчика 4 регулируемой величины поступают на вход первого фильтра 11 низкой частоты, который усредняет их на скользящем интервале времени 2 .Технически наиболее просто выполнить фильтр низкой частоты в виде инерционного звена первого порядка-интегра7 1291тора, охваченного единичной отрицательной обратной связью, который реализует эскпоненциально взвешенноеусреднение по зависимостилСХ(,) = -ехр (- )к5т 1ТОх Х(-)йС + Х(Е =О), (6)где Х(,) - усредненный на скользящем интервале времени , сигнал на 10выходе фильтра;Т - постоянная интегрирования(Т:" 0 5-),Х(СД ) - сигнал на входе фильтра;Х(С=О) - значение начальных условий на интеграторе.Третий измеритель 14 рассогласования определяет центрированный относительно Х(С,) случайный процессХ, как разность сигналов Х(т) с 20выхода датчика 4 и Х() с выходапервого фильтра 11 низкой частоты,т.е.Х у(С) Х Х(с)Сигнал Х (Т) с выхода третьего измерителя 14 рассогласования возводится в квадрат первым квадратором 16и усредняется по формуле (6) на втором фильтре 12 низкой частоты, сигнал с выхода которого является оценкой дисперсии регулируемой величинына интервале ь .Этот же сигнал Х(С) поступает навход дифференциатора 16, который совместно с вторым квадратором 17 и третьим фильтром 13 низкой частоты определяют оценку дисперсии производной регулируемой величины б на интервале .Сигналы 0и б с выходов второ 2 2го 12 и третьего 13 фильтров низкойчастоты поступают на соответствующиевходы вычислительного блока 18, который при заданных аварийном значении регулируемой величины Х и допустимой вероятности безаварийной работы Р по зависимости (2) определяет пороговое заданное значение регулируемой величины Х.Усилитель 22 вводит коэффициент,соответствующий , /21 п( в -), а1Бблок запоминания аварийного значения регулируемой величины 26 - значение Хс,. Функции, выполняемые блоком 19 деления, первым 20 и вторым 21 блоками извлечения квадратного корня, блоком 23 вычисления логарифма, бло 926 8 ком 24 умн" ния и четвертым измерителем 25 рассогласования, соответствуют своим наименованиям, а очередность их подключения вытекает из (2),В начальный момент времени привключении объекта 3 управления в работу пороговое заданное значение регулируемой величны Х, устанавливается на безопасном уровне, исключающемвозникновение аварийной ситуации принаихудших реальных внешних возмущениях путем установки начальных условий на интеграторах второго 12 и третьего 13 фильтров низкой частоты,. Принакоплении информации о случайномпроцессе Х(й) в течение скользящегоинтервала временизначение Х корПректируется блоком 27 с учетом вероятностных свойств данного случайногопроцесса.Устройство может быть реализованона базе средств Государственной системы приборов и средств автоматизации, например, агрегатного комплекса электрических средств регулирования в микроэлектронном исполнении(АКЭСР).Эффективность адаптивной системыавтоматического управления потенциально опасным объектом состоит в том,что она позволяет повысить точностьдостижения экстремума функции цели на20-30 за счет увеличения допустимойобласти изменения регулируемой величины и соответственно на 5-107 - технико-экономические показатЕли работыобъекта управления. Кроме того, система устраняет, с вероятностью не менее заданной, возникновение аварийныхситуаций, учитывая при этом вероятностные свойства регулируемой величины и изменение параметров объекта управления,Формула изобретения1. Адаптивная система управления потенциально опасным объектом, содержащая последовательно соединенные первый измеритель рассогласования, формирователь сигнала управления, объект управления, датчик, оптимизатор заданного значения регулируемой величины, блок ограничения ско-, рости изменения и второй измеритель рассогласования, выход которого соединен с управляющим входом переключателя, первый вход которого подключен к выходу блока ограничения/45 ВНИИПИ Гос по делам 13035, МосквТираж 864 Подпиарственного комитета Сзобретений и открытийЖ, Раушская наб д ка н Р/5 олиграфическое предприятие изводств роектная гор 9 12919 скорости измерения, второй вход которого соединен с выходом переключателя и с первым входом первого измерителя рассогласования, выход датчика соединен с вторым входом первого измерителя рассогласования и третьим входом блока ограничения скорости измерения, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эффективности и надежности эксплуатации объ екта, введены три фильтра низкой частоты, третий измеритель рассогласования, дифференциатор, два квадратора и вычислительный блок, причем выход датчика соединен с первым входом третьего измерителя рассогласования и через первый фильтр низкой частоты - с вторым входом третьего измерителя рассогласования, а выход третьего измерителя рассогласования через последовательно соединенные первый квадратор и второй фильтр низкой частоты соединен с первым входом вычислительного блока, а выход третьего измерителя рассогласования через по 25 следовательно соединенные дифференцигтор, второй квадратор и третий фильтр низкой частоты соединен с вторым входом вычислительного блока, выход которого подключен к второму входу второго измерителя рассогласования, к второму входу переключателя и к четвертому входу блока ограничения скорости измерения.2. Система по и, 1, о т л и ч а - ю щ а я с я тем, что вычислительный блок содержит блок деления, первый и второй блоки извлечения квадратного корня, усилитель, блок вычисления логарифма, блок умножения, блок запоминания аварийного значения регулируемой величины, четвертый измеритель рассогласования, причем первый вход вычислительного блока соединен с первым входом блока деления и первым входом блока умножения, а второй вход вычислительного блока соединен с вторым входом блока деления, выход которого через последовательно соединенные первый блок извлечения квадратного корня, усилитель и блок вычисления логарифма соединен с вторым входом блока умножения, выход которого через второй блок извлечения квадратного корня соединен с первым входом четвертого измерителя рассогласования, второй вход которого соединен с вЫходом блока запоминания аварийного значения регулируемой величины, а выход четвертого измерителя рассогласования соединен с выходом вычислительного блока.