Адаптивная система автоматического управления для нестационарных объектов с запаздыванием

с ) ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕВТОРСНОМУ СВИДЕ(71) Одесский политехнический институт(72) Као Тиен Гуинь, Нгуен Ван Дык (ЧБ), Рауль Ривас Перес (СЦ), Е.Д.Пичугин (Яц) и Нгуен Хоа Лы (ЧБ) (53) 62-50(088,8)(56) Авторское свидетельство СССР У 1015336, кл. С 05 В 13/02, 1980.Авторское свидетельство СССР У 16191 7, кл. С 05 В 13/02, 1983. (54) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ОБЬЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ(57) Изобретение относится к самонастраивающимся системам управления объектами с запаздыванием, параметры . которых неизвестны или меняются во времени, и может быть использовано для управления технологическими процессами, например, в металлургии,Р 4 С 05 В 13/02, 13/04 химической, целлюлозно-бумажной, энергетической, горной и других отраслях промышленности. Целью изобретения является повышение быстродействия, точности и помехозащищенности системы. Система содержит задатчик 1, сумматоры 2, 14, 21, регулятор 3, объект 4 управления, диффе- ренциаторы 9, 10 блок 11 управления задержкой, а также блок 7 задержки, эадатчик 19 коэффициентов усиления, модели 5 и 6 объекта управления без о запаздывания, блок 12 деления, блоки 8 и 13 умножения, ключ 15, интегратор 16, масштабирукщий блок 17, формирователь 20 импульсов управления с ключом. Система обеспечивает управление нестационарным технологическим объектом с изменяющимся запаздыванием путем плавной адаптации коэффициента усиления и времени задержки кон" тура с моделью объекта управления, 3 ил, еай4 ьИзобретение относится к самонаст"раивающимся системам управления объектами с запаздыванием, параметрыкоторых неизвестны или меняются вовремени, и может быть использованодля управления технологическими процессами, например, в металлургии, химиЧеской, целюполозко-бумажной, энергетической, горной и других отраслях промышленности.Цель изобретения - повышение быстродействия, точности и домехозащищенности системы,На фиг.1 показана блок-схема системы; на фиг,2 - блок задержки; нафиг.3 блок управления задержкой.Адаптивная система автоматического управления для нестационарных объектов с запаздыванием содержит задатчик 1, первый. сумматор 2, регулятор3, объект 4 управления, первую 5 ивторую 6 модели объекта беэ запаздывания, блок 7 задержки, первый блок8 умножения, первый 9 и второй 10дифференциаторы, блок 11 управлениязадержкой, блок 12 деления, второйблок 13 умножения, второй сумматор14, ключ 15, интегратор 16, масштабирующий блок 17, вход 18 сброса интегратора, эадатчик 19 коэффициентаусиления, формирователь 20 импульсов управления ключом и третий сумматор 21.Блок задержки образуют аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 22,запоминающее устройство (ЗУ) 23,генератор 24, счетчик 25 адресов,мультиплексор 26, вычитающее устройство (ВУ) 27, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 28.Блок 11 управления задержкой состоит из регистра 29, задатчика 30времени задержки, сумматора 31, элементов И 32 и 33, счетчика 34 времени рассогласования задержки, счетчика 35, триггера 36 и элементов ИЛИ37 и 38Блок 7 задержки может быть постро ен как в аналоговом варианте, так и в цифровом. В аналоговом исполнении он может представлять собой ультразвуковую линию задержки с регулируемой характеристикой, В цифровом 55 исполнении блока задержки обладает большими воэможностями, так как задержка сигнала может быть любой длительности. На фиг.2 представлен цифровой вариант блока 7 задержки. АЦП 22 преобразует входной сигнал в цифровой и передает на информационный вход ЗУ 23, которое переходит в режим записи при сигнале "1" на управляющем входе и в режим считывания при сигнале "0", поступающих с выхода генератора 24, ЗУ 23 запоминает входной сигнал по адресам, вырабатываемым счетчиком 25При частоте 2 генератора в запомикающем устройстве 23 будет представлен сигнал в дискретном виде:Х(г ) Х(41 Т) эгде Т =М, - адрес запоминающего устройства.Мультиплексор 26 подключает к ад"ресным входам ЗУ 23 выход счетчика25 или ВУ 27 в зависимости от сигналана выходе генератора 24: при сигнале "1" подключается счетчик 25, присигнале "0" - выход ВУ 27, котороевычитает из значения адреса ЗУ 23,в которое записалось текущее значе"кие входного сигнала и код, пропорциональный времени задержки, поступающий с выхода блока 11 управлениязадержкой, Полученный результат вычисления на выходе ВУ 27 через мультиплексор 26 ("0" на выходе генератора 24), подключается к адресномувходу ЗУ 23; из которого считывается информация Х(,-С ) о входном сигнале в момент временй (й,- ). Считанный из ЗУ 23 задержанный сигналпреобразуется ЦАП 28 в аналоговуюформу и подается на второй выход блока 7 задержки. При переполнении памя"ти ЗУ 23 (фиг.2) запись входного сигнала начинается с первого адреса,т,е. процесс идет циклически. Второйвход ВУ 27 соединен с первым выходомблока 1 управления задержкой фиг.1выход генератора 24 (фиг.2) является управляющим входом блока 11 управления задержкой,Дифферекциаторы 9 и 10 дважды дифФеренцируют сигналы с выхода объекта4 управления и с выхода блока 7 задержки, выделяя начало переходныхпроцессов в выходных сигналах и передают их на информационные входыблока 11 управления задержкой.Блок 11 управления задержкой устраняет рассогласование времени за"держки объекта 4 управления и моделипутем измерения времени между импульсами с выходов дифференциаторов 9 и10. Регистр 29 хранит величину времени задержки, которая в начальныймомент записывается с задатчика 30задержки, а в процессе работы с выхода сумматора 31 по переднему фронту импульса с выхода элемента И 32,Счетчик 34 времени рассогласованиязадержки считывает импульсы с выходагенератора 24 блока 7 задержки посигналу разрешения с первого выходасчетчика 34 и выдает их на второйвход сумматора 31. Установка счетчиков 34 и 35 в "0" происходит позаднему Фронту импульса с выхода элементов 32 или 33 через элемент ИЛИ38, Сумматор 31 производит операциюсложения сигналов с выходов регистра 29 и счетчика 34 или их вычитания в зависимости от управляющегосигнала с единичного выхода триггера36Сложение происходит при управляющем сигнале "1", вычитание - приОнСложение, т.е. увеличение временизадержки, производится в том случае,если первым на входы элемента ИЛИ 37поступает импульс с выхода второгодифференциатора 1 О; вычитание, т.е,уменьшение времени задержки модели,производится при поступлении первогоимпульса с выхода первого дифференциатора 9. В том случае, если импульсы с выходов дифференциаторов9 и 1 О поступают на элементы 33 и37 блока 11 управления задержкой одновременно, т.е, перекрываются вовремени, то элемент И Формирует сигнал по заднему фронту которого счетчики 34 и 35 и триггер 36 устанавливаются в нулевое положение,Счетчик 35 считает два последовательных импульса, поступающих через элемент ИЛИ 37 с дифференциаторов9 и 10. При поступлении первого импульса сигнал появляется на первомвыходе счетчика 35, при поступлениивторого импульса - на втором его выходе. При поступлении первого импульса на вход элемента ИЛИ 37, например,с выхода первого дифференциатора 9 напервом выходе счетчика 35 появляется "1", поступающая на вход разрешения счета счетчики 34 и стробируюший вход триггера 36. В триггер 36с выхода второго дифференциатора 10записывается "0", т.е. на единичном40 45 50 ,55 5 10 20 25 30 35 выходе появляется (или подтверждается) 0, который устанавливает сумматор 3 в режим вычитания, Счетчик 34 начинает считать импульсы с выхода генератора 24 блока задержки, Сумматор 31 вычитает из информации регистра 29, в котором хранится текущее время задержки С , информациюу Ьна выходе счетчика 34 и передает на информационный вход регистра 29.При появлении импульса на выходе второго дифференциатора 10 на первом выходе счетчика 35 появляется "О", а на втором - "1". Счетчик 34 прекращает считать импульсы генератора, В этот момент код в счетчике 34 пропорционален времени 61между импульсами на выходах дифференцирующих устройств 9 и 10. Ь г. = пТ, где и - количество импульсов; Т - период импульсов; ЬС э - время задержки объекта управления и модели, которое вычитается сумматором 31 из времени за-. держкихранимом в регистре 29, и передается на информационный вход регистра 29-Аг.зЭлемент И 32 по сигналам с второго выхода счетчика 35 и выхода элемента ИЛИ 37 формирует сигнал. по переднему фронту которого Формирователь 20 формирует сигнал управления, в регистр 29 записывается значение с., времени задержки, а по заднему фронту происходит установка в нулевое состояние счетчиков 34 и 35 и триггера 36. В том случае, если на входы элемента ИЛИ 37 первым поступает импульс с выхода второго дифференциатора 10, который также поступает и на информационный вход триггера 36, при появлении "1" на первом выходе счетчика 35 в триггер 36 записывается "1" и на управляющий вход сумматора 31 поступает сигнал, устанавливающий его в режим суммирования, 1( моменту прихода ыпульса с выхода первого дифференциатора устройства 9 на информационном входе регистра 29 (фиг.З) будет код, пропорциональньп" новому вреНмени задержки С, =+ Л .Выход триггера 36 является управляющим выходом блока 11 управления задержкой, счетный вход счетчика 34 является входом генератора 24 блока 7 задержки.Процесс подстройки коэффициентаусиления моделей происходит следующим образом.В начале работы выходной сигналинтегратора 16 равен единице, т.е.Е (С) = 1, а коэффициент усиленияустанавливается задатчиком 19 равным К . Пусть параметры моделей 5 и 6объекта управления адекватны параметрам самого объекта 4 управления,Тогда выходной сигнал объекта 4 управления У равен выходному сигналуполной модели У . При этом выходной сигнал блока 12 деления Е157 о1, выходной сигнал блока 8мумноженияЕ,= 22,-120Сигнал 2 з на выходе интегратора16 остается равным единице. Подстройка коэффициентов усиления моделейне производится.Пусть в некоторый момент времениС, коэффициент усиления объекта 4 управления скачкообразно изменяется.Тогда выходной сигнал объекта У (й)отличается от выходного сигнала полной модели У (С). Сигнал на выходеблока 1 2 деления2 ( ) Яай К ( )У с)укВыходной сигнал первого блока 8умножения в момент времени с,35Е (е, )=2,(, ) Е ("., )=К (г) 1=к,(.,).Спустя время 8 , определяемое переходным процессом замкнутого контура, образованного вторым сумматором 4014, ключом 15 и интегратором 16,сигнал Ез становится равнымг,(е, + 8 ) - е,(е,) = к(с ),Подстройка коэффициента усиления 45полной модели осуществляется путемумножения выходного сигнала блока 7на сигнал Е , равный коэффициенту ькоррекции К(С).В блоке 17 определяется текущее 50значение коэффициента усиления объекта путем домножения исходного коэффициента усиления на сигнал Е коррекции24(, +В) = к е,(, 8) =к,.о 55Пусть в некоторый момент времениС (С1 ) коэффициент усиления объ 1екта 4 управления снова скачкообразно изменяется. Сигналы на выходахобъекта и полной модели снова отличаются друг от друга У (С ) 4 У( ).Выходной сйгнал блока 12 деления Е (с ) = -ф - = К (. ) У с ) 1 укг Выходной сигнал первого блока 8 умножения равенЕа("а) 2("г) Еъ("г) (2 ("г) Спустя время о , определяемое переходным процессом замкнутого контура, образованного вторым сумматором 14, ключом 15 и интегратором 16, сигнал Естановится равным2(е + )=е (с ) =к(с,) к(, ).В результате этого уровень сигнала на выходе второго блока умножения 8 увеличивается в К(Т ) К (С,)раз. Сигналы на выходах объекта и гполной модели объекта становятся равными между собой, а выходной сигнал2, блока 12 деления становится равным единице.Блок 17 оценивает текущее значение коэффициента усиления объекта4 управления путем умножения исходного значения коэффициента усилеония объекта 4 управления К на текущее значение сигнала 2. По сигналу 24 осуществляется перестройкакоэффициента усиления второй модели6 объекта 4 управления без запаздыва"ния, Если в дальнейшем коэффициентусиления объекта 4 управления остается неизменным, то сигнал Е на выходе блока 12 деления остается постоянным и равным единице.Если коэффициент усиления объекта4 управления меняется, то процессподстройки коэффициентов усиления моделей объекта снова осуществляется .по изложенному алгоритму,Сигнал 2 1 на втором входе второгоблока 13 умножения можно представитьв виде=7 К,где ; - моменты времени в интервале (С,С), в которые происходит скачкообразное изменение коэффициентаусиления объекта, а сигнал Е 4 на вы.ходе блока 17 определяется выражением:24(Т) = 2(С)К = К К(Т;)Задатчик 19 коэффициентов усиления позволяет установить начальное значение К коэффициента усиления первойО модели 5 объекта и значение К в бло 5 ке 17, Ключ 15 является нормально замкнутым. При появлении сигнала управления на выходе формирователя 20 ключ 15 размыкается, и сигнал 2 э на выходе интегратора 16 остается неиз менным. Следовательно, при появлении сигнала на выходе формирователя 20 перестройка коэффициента усиления не производится. При этом формирователь 20 вырабатывает импульс управления в 15 момент начала очередной подстройки времени задержки блока 7.Повышение помехозащищенности объясняется тем, что второй блок 13 умножения, в котором осуществляется 20 перестройка коэффициента усиления полной модели, стоит за точкой подключения входа второго дифференцирующего устройства 10, Поэтому перестройка коэффициента усиления полной 25 модели объекта не вызывает помехи для блока 11 управления задержкой,Введенный третий сумматор позволяет получить сигнал Я(С), содержащий информацию о параметрическом рассогласовании объекта и его модели, который подается через первый сумматор 2 на вход регулятора 3. Следовательно, сигнал Я(й) участвует в формировании сигнала управления. Это позволяет повысить точность системы,30 35 Формула изобретения 40 Адаптивная система автоматического управления для нестационарных объектов с запаздыванием, содержащая задатчик коэффициента усиления, первую и вторую модели объекта без запазды вания, задатчик, подключенный выходом к первому входу первого сумматора, выход которого соединен через регулятор с входом объекта управления, подключенного выходом через первый диф ференциатор к первому информационному входу блока управления задержкой, второй информационный вход которого соединен с выходом второго дифференциатора, первый выход блока управле ния задержкой соединен с управляюшим входом блока задержки, первыйвыход которого подключен к управляющему входу блока управления задержкой, вход объекта управления подключен к информационному входу второймодели объекта управления без запаздывания, выход которой соединен свторым входом первого сумматора, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, сцелью повышения быстродействия, точности и помехозащищенности системы,она содержит формирователь импульсовуправления ключом, блок деления, первый и второй блоки умножения, второйи третий сумматоры, ключ, интегратор,масштабирующий блок, выход которогосоединен с управляющим входом второймодели объекта управления без запаздывания, информационный вход которойсоединен с информационным входом первой модели объекта управления беззапаздывания, подключенной выходом кинформационному входу блока задержки, выход которого подключен к входувторого дифференциатора и к первомувходу второго блока умножения, второйвход которого соединен с первым входом первого блока умножения, с первым входом второго сумматора, с выхо-дом интегратора, с информационнымвходом масштабирующего блока, входзадания коэффициента масштабированиякоторого соединен с первым выходомзадатчика коэффицента усиления, второй выход кОторого соединен с управляющим входом первой модели объектауправления без запаздывания, выходобъекта управления соединен с входомделимого блока деления и первым входом третьего сумматора, подключенного выходом к третьему входу первого сумматора, а вторым входом - квыходу второго блока умножения и входу делителя блока деления, подключенного выходом к второму входу первогоблока умножения, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, подключенного выходом к информационному входу ключа, выход которого соединен с входом интегратора,а управляющий вход ключа соединен свыходом формирователя импульсов управления ключом, вход которого соединен с вторым выходом блока управлениязадержкой,1451644 Составитель Е.Власов,Редактор Л.Пчолинская Техред А.Кравчук . Корректор С.ЧерниЗаказ 707 б/44 Тираж 788 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по.изобретениям и открытия113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 ри ГКНТ СССР Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектная