Система экстремального регулирования

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 5 В 13/02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНН АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с, 358. 2, Авторс Р 815713, кл(прототип), ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ(72) Н.А.Фомин, В.П.Авдеев. Л.П.Мьиаляев, С,К.Коровин, Н.С.Юдин. И,П.Строков и В.В.Могильный (71) Сибирский ордена Трудового Крас. ного Знамени металлургический институт им. Орджоникидзе(54)(57) СИСТЕМА ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащая последовательно включенные первый сумматор, второй сумматор, исполнительный орган, первый датчик и первыйфильтр низкой частоты, причем выход исполнительного органа соединен с первым входом объекта управле.ния, второй вход которого соединенчерез второй датчик с входом второго фильтра низкой частоты., первыйвыход объекта управления через третий датчик соединен с входом третьего фильтра низкой частоты, второйвыход объекта управления через четвертый датчик соединен с входом четвертого Фильтра низкой частоты, первый блок адаптации, соединенный выходом с дополнительным входом первого масштабирующего блока, второйблок адаптации, соединенный выходомс дополнительным входом экстраполятора, семь блоков сравнения, дваблока задержки, второй и третий масш.табирующие блоки, о т л и ч а ю-:щ а я с я тем, что, с целью расширеиия Функциональных воэможностей, виее введены четыре задатчика постоянных величин, пятый Фильтр низкой час.801029140 А тоты, восьмой блок сравнения, третий блок адаптации, генератор пробных сигналов, последовательно включенные четвертый масштабирующнй блок, девятый блок сравнения и шестой фильтр низкой частоты, последовательно вклю ченные блок выделения модуля, третий сумматор, блок деления, интегратор и первый блок умножения, последовательно включенные сигнум-реле и второй блок умножения, причем выход девятого блока сравнения через последо вательно соединенные пятый и шестой блоки сравнения и второй блок умно.жения подсоединен к второму входу блока деления, выход третьего блока сравнения через последовательно сое-диненные второй масштабирующий блок, первый сумматор и первый блок эадерж ки подключен к входу четвертогомасштабирующего блока, выход первого блока сравнения через последовательно соединенные второй блок за- Я держки, пятый фильтр низкой частоты и седьмой блок сравнения соединен с входом экстраполятора и первыми вхо- ( дами. первого, второго и третьегоблоков адаптации, выход второго бло- фф ка сравнения через первый масштабиру- Я кщий.блок соединен с вторым входом первого сумматора и вторым входом первого блока адаптации, выход второ 4 вРЬ го блока задержки подключен к первому входу четвертого блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом пятого Фильтра низкой частоты, а выход - с входами блока выделения модуля, сигнум-реле и вторым входом первого блока умножения, выход шес- ффффф того Фильтра низкой частоты соединен с вторым входом пятого блока сравнения, выход второго масштабирующего блока - с вторым входом третьего блока адаптации, выход интегратора через последовательно соединенные восьмой блок сравнения и третиймасштабирующий блок - с вторым вхо 10291 дом седьмого блока сравнения, выходэкстраполятора - с вторым входомвторого блока адаптации, выход первого сумматора - с первым входом первого блока сравнения, вьиод первогозадатчика постоянной величины - свторым входом третьего сумматора,выход второго задатчика постояннойвеличины - .с первым входом второгоблока сравнения, выход третьего задатчика постоянной величины - с первым входом третьего блока сравнения,аовыход четвертого задатчика постоянной величины - с вторым входом вось.мого блока сравнения, выход третьего блока адаптации - с дополнительным входом второго масштабирующегоблока, выход генератора пробных сиг."налов - с третьим входом второгосумматора, выходы первого, второго,третьего и четвертого фильтров низкой частоты - с вторыми входами со"ответственно первого, второго, третьего и девятого блоков сравнения.Изобретение относится к автоматическому управленияю и регулированию и может быть использовано для построения систем управления техническими объектами, которые описываются 5 последовательным соединением звена с дрейфующей экстремальной характеристикой, инерционного звена первого порядка и звена чистого запаздыва ния и подвержены влиянию контролируемых и неконтролируемых внешних воздействий с нестационарными статическими свойствами.Примером такого рода объектов являются объекты черной металлургии, если рассматривать задачу оптимизации относительных показателей расходов материалов и энергии, выхода высококачественной продукции, например удельного расхода кокса на доменной печи, выхода жидкой стали в сталеплавильном производстве, "Статическую" зависимость изменений отмеченных показателей в функции отуправляющего воздействия можно представить в видеМ (с) = а (с) ЬО (с- т ), (1) где ЬУ(й) - изменения целевой выходной переменной объекта управления в моментвремени с, 30аЮ(с-Т)- изменения управляющеговоздействия;оЦй) - знакопеременный коэффициент;Т - время чистого запаздывания.Кроме того, рассматриваемые объек ты управления имеют косвенные выходные переменные, которые в отличие от целевых переменных не требуется 4 О оптимизировать.Задача управления заключается в оптимизации выходной переменной объекта с экстремальной характеристикой.45Известна экстремальная система управления, включающая последовательно соединенные объект управления, инерционный блок, полосовой фильтр, формирующее устройство, фазовый детектор, низкочастотный фильтр и интегратор, выход которого подключен к одному входу объекта управления, к другому входу которого подключен выход генератора поисковых колебаний ( 1 .Недостатком этой системы является низкая точность отслеживания экстремума целевой выходной переменной вследствие наличия запаздывания и неконтролируемых возмущений, а также из-за неучета в явном виде контролируемых внешних воздействий.Наиболее близким по принципу пост роения к предлагаемой системе регулирования является прогнозирующий регулятор, содержащий последовательно включенные первый блок сравнения, первый фильтр низкой частоты,.обратную модель объекта без запаздывания, второй блок сравнения, третий блок сравнения, второй фильтр низкой частоты, первый экстраполятор, первый сумматор, исполнительный орган, третий фильтр низкой частоты и первый блок задержки, выход которого подключен к второму, входу второго блока сравнения, последовательно соединениые четвертый фильтр низкой частоты, первый масштабирующий блок, второй блок задержки, подключенный своим выходом к второму входу третье го блока сравнения, последовательно соединенные вторые экстраполяторы, четвертые блоки сравнения, вторые масштабирующие блоки, выходы которых подключены к входам второго сумматора, входы вторых экстраполяторов соединены с выходом второго фильтра низкой частоты, а выход второго сумматора - с одним из входом первого сумматора, последовательно соединенные пятый блок сравнения, инерционное звено первого порядка, третий масштабирующий блок, выходкоторого соединен с одним из входов второго блока суммирования, шестой блок сравнения, подключенный своими входами к выходу третьего фильтранизкой частоты и выходу первого масштабирующего блока, который соединен также,с одним из входов первого сумматора, третьи блоки задерж ки, входы которых соединены с выходом шестого блока сравнения, выход последнего из третьих блоков задерж . ки подключен к входу пятбго блока сравнения, выходы остальных - к входам четвертых блоков сравнения, 1 за исключением первого иэ них, вход которого соединен с выходом пятого блока сравнения, второй вход,пятого блока сравнения. соединен с выходом третьего блока сравнения, пос ледовательно включенные четвертые блоки задержки, седьмые блоки сравнения и первые блоки адаптации, выход первого из которых соединен с дополнительным входом первого экст.раполятора, выходы остальных - с дополнительными входами вторых экстраполяторов, вторые входы седьмых блоков сравнения соединены с выходом второго фильтра низкой частоты, вход первого из четвертых. блоков задержки - с выходом первого экстраполятора, входы остальных четвертых бло- . ков задержки. - с выходами вторыхэкртраполяторов, выход первого блока задержки соединен также через восьмой блок сравнения и второй блок адаптации с дополнительным входом первого масштабирующего блока, второй вход восьмого блока сравнения подключен к выходу второго блокасравнения 2 .Недостаток известного прогнозиру" ющего регулятора при его применении для рассматриваемого класса объекта с экстремальной характеристикой заключается в невозможности восстановления оценок идеальных управляющих . воздействий, так как в явном виде отсутствует задание на выходную переменную объекта управления и коэффициент передачи канала регулирования имеет знакопеременный характер.Целью изобретения является расширение Функциональных воэможностей системы управления.Поставленная цель достигается тем что в прогнозирующий регулятор, со- . держащий последовательно включенные первый .еумматор,.второй сумматор, исполнительный орган, первый датчик и первый фильтр низкой частоты, причем выход исполнительного органа соединен с первым входом объекта управления, второй вход которого соединен через второй датчик с входом второго фильтра. низкой частоты; первый выход объекта управления через третий датчик соединен с входом третьего Фильтра низкой частоты, второй выход объекта управления черезчетвертый датчик соединен с входом .четвертого Фильтра низкой частоты,первый блок адаптации, соединенныйвыходом с дополнительным входомпервого масштабирующего блока-, вто"рой блок адаптации, соединенный выходом с дополнительным входом экстраполятора, семь блоков сравнения, 10 два блока задержки, второй и третиймасштабирующие блоки, введены четыре.задатчика постоянных величин, пятый фильтр низкой частоты, восьмойблок сравнения, третий блок адапта ции, генератор пробных сигналов,последовательно включенные четвертыймасштабирующий блок, девятый блоксравнении и шестой Фильтр низкой частоты последовательно включейные блоквыделения модуля, третий сумматор,блок деления, интегратор и первыйблок умножения, последовательно включенные сигнум-реле и второй блокумножения, причем выход девятогоблока сравнения через последовательно соединенные пятый и шестой блокисравнения и. второй блок умножения .подсоединен к второму входу блокаделения, выход третьего блока .сравнения черезпоследовательно соединенные второй масштабирующий блок, пер-.вый сумматор и первый блок задержкиподключен к входу четвертого масштабирующего блока, выход первого блока сравнения через последовательно 35 соединенные второй блок задержки,пятый Фильтр низкой частоты и седьмой блок сравнения соединен с входомэкстраполятора и первыми входамипервого, второго и третьего блоков 40 адаптации, выход второго блока сравнения через первый масштабирующийблок соединен с вторым входом перво-.го сумматора и,вторым входом первогоблока адаптации, выход второго блоказадержки подключен к первому входучетвертого блока сравнения второйвход которого соединен с выходом пятого фильтра низкой частоты, а выходс входами. блока выделения модуля,сигнум-релЕ и вторым входом первогоблока умножения, выход шестого Фильтра низкой частоты соединен с вторымвходом пятого блока сравнения, выход.второго масштабирующего блока - свторым входом третьего блока адапта-.ции, выход интегратора через:последовательно соединенные восьмой блоксравнения и третий масштабирующийблок - с вторым входом седьмого блокасравнения, выход экстраполятора -60 с вторым входом второго блока адапта ции, выход первого сумматора - с первым входомпервого блока сравне- " ния, выход первого задатчика постоян. ной величины - с вторым входом тре .тьего сумматора, выход второго задатчика постоянной величины - с первым входом второго блока сравнения, выход третьего задатчика постоянной величины - с первым входом третьего блока сравнения, выход четвертого задатчика постоянной величины - с. вторым входом восьмого блока сравнения, выход третьего блока адаптации - с дополнительным входом второго масштабирующего блока, выход генератора пробных сигналов - с третьим входом второго сумматора, выходы первого, второго, третьего и четвертого фильтров низкой частоты - с вторыми входами соответственно первого, второго, третьего и девятого блоков сравнения,Введение новых блоков и связей позволяет оперативно оценивать знакопеременный коэффициент передачи канала регулирования объекта управления с экстремальной характеристикой и, в результате, определять с учетом контролируемого внешнего воздействия и косвенной выходной переменной управляющее воздействие, оптимизирующее с задаваемой точностью значение выходной целевой переменной.На чертеже приведена блоктсхема предлагаемой системы. Система экстремального регулирования содержит объект 1 управления, четвертый датчик 2, четвертый фильтр 3 низкой частоты, четвертый масштабирующий блок 4, девятый блок 5 сравнения, шестой фильтр 6 низкой частоты, пятый блок 7 сравнения, шестой блок 8 сравнения, первый блок 9 умножения, второй блок 10 умножения, блок 11 деления, интегратор 12, четвертый задатчик 13 постоянной величины, восьмой блок 14 сравнения, сигнум-реле 15, блок 16 выделения модуля, первый эадатчик 17 постоянной величины, третий сумматор 18 третий масштабирующий блок 19, седьмой блок 20 сравнения, третий датчик 21, третий фильтр 22 низкой частоты, третий блок 23 сравнения, третий эадатчик 24 постоянной величины, второй масштабирующий блок 25, третий блок 26 адаптации, второй датчик 27, второй фильтр 28 низкой частоты, второй блок 29 сравнения, второй задатчик 30 пос. тоянной величины, первый масштабирующий блок 31, первый блок 32 адаптации, первый сумматор 33, первый блох 34 задержки, исполнительный орган 35, первый датчик 36, первый фильтр 37 низкой частоты, первый блок 38 сравнения, второй блок 39 задержки, пятый фильтр 40 низкой частоты, четвертый блок 41 сравнения, второй блок 42 адаптации, экстраполятор 43, генератор 44 проб ных сигналов, второй сумматор 45. На чертеже обозначено: О - управляющее воздействие, Ч - контролируемое внешнее воздействие; Г - неконтролируемое внешнее воздействие;У - целевая выходная переменнаяобъекта управления; Х - косвеннаявыходная переменная объекта управления,Адаптивная система управленияобъектом с экстремальной характерис 10 тикой работает следующим образом.Величина контролируемого внешнеговоздействия И измеряется вторым датчиком 27 и полученный сигнал подается на второй фильтр 28 низкой час 15 тоты, где усредняется на интервалевремени, приблизительно равном удвоенному максимальному значению постоянной времени Т инерции объектауправления. Тем самйм устраняются"динамические" свойства объекта управления и в дальнейшем производится "статическая" оптимизация, Сигнал об усредненном значении контролируемого возмущения с выхода второгофильтра 28 низкой частоты подаетсяна второй блок 29 сравнения, где иэнего вычитается сигнал о базовом,например среднем, значении И, поступающий с выхода второго задатчика 30постоянной величины, Сигнал о прира"щении контролируемого возмущения в1первом масштабирующем блоке 31 умножается на коэффициент и, как результат, пересчитывается в масштаб управляющего воздействия О,Аналогично сигналу о контролируемом внешнем воздействии Ч пересчитывается в приращения управляющего воздействия О сигнал о косвенной выходной переменной Х объекта управления.40 Для этих целей служат третий датчик 21, третий фильтр 22 низкой частоты, третий блок 23 сравнения, третий эадатчик 24 постоянной величиныи второй масштабирующий блок 25,45 В первом сумматоре 33 алгебраичес.ки суммируются сигналы с выходов первого 31 и второго 25 масштабирующихблоков и в результате получаетсясуммарная корректировка ЛОуправляющего воздействия в зависимостиот приращений контролируемого внешнего воздействия и косвенной выход-ной переменной относительно их базовых значений, т,е.дО (т) = МЯ(с) - И 3+к Гх 7) - х 3,(2)где К (й) и 1(й) - адаптируемыекоэффициенты пересчета приращений соответст-60венно контролируемого внешнего воздействия Чи косвенной выходной перемен 65 ной Х относи1029140 циент, в результате чего пересчиты 10 вается в сигнал о приращении целевой выходной переменной в зависимости от дО(й), Выходной сигнал четвертого.масштабирующего блока 4 вычитается в девятом блоке 5 сравнения иэвыходного сигнала четвертого фильтра 3 низкой частоты,Иэ выходного сигнала девятогоблока 5 сравнения в шестом фильтре 6низкой частоты выделяется сигнал отекущем базовом (среднем ) значении,который вычитается в пятом блоке 7сравнения из выходного сигнала девя"того блока 5 сравнения. На выходепятого блока 7 сравнения получаетсясигнал о приращении приведенногоцелевого выходного сигнала дУ"относительно его текущего базового значения. 30 35 дУ (В)-оС(0- 7)дО (6-с) 84 сдпдО (В-ь)3 )+ ло "(е-ц 1 М-Т 40 где Т - интервал времени интегрирования;8 - переменная интегрирования;2" - постоянный коэффициент,5 ДОЯ сигнум-функция, 45Для реализации выражения (3) выходной сигнал четвертого блока 41 сравнения о ЬО Р(1 - ) подается навходы. первого блока 9 умножения, сигнум-реле 15 и блока 16 выделения модуля. В первом блоке 9 умножения перемножаются сигнал о дО"(с -)с сигналом о о(й - ), поступающимс выхода интегратора 12. Сигнал о полученном произведении вычитается в шестом блоке 8 сравнения из сигнала об дУ", идущего с выхода пятого блока 7 сравнения. Выходной сигнал шестого блока 8 сравнения умножается во втором блоке 10 умноже ния на сигнал о ь) дп дО"р(с - т ), 60который вырабатывается на выходесигнум-реле 15. Выходной сигнал блока 16 выделения модуля суммируется в третьем сумматоре 18 с выходным сигналом у задатчика 17 постоянной 65 тельно их базовых значениИ И"и Х" в моментвремениВеличина управляющего воздействия О измеряется первым датчиком 36и полученный сигнал подается на первый фильтр 37 низкой частоты, гдеусредняется на интервале времени 2 Т , Из выходного сигнала перГЬО 1вого фильтра 37 низкой частоты в первом блоке 38 сравнения вычитаетсявыходнойсигнал дО(т) первого сумматора 33, вследствие чего из сигнала об усредненном значении О(с) исключаются эффекты изменения контроли.руемого внешнего воздействия и косвенной выходной переменной и получается значение приведенного управляющее воздействие О"Р(с),.Выходной сигнал первого блока 38сравнения задерживается во второмблоке 39 задержки на интервал времени чистого запаздывания с и подается на пятый фильтр 40 низкой частоты, в котором выделяется текущеебазовое (среднее ) значение приведенного управляющего воздействия, Вчетвертом блоке 41 сравнения иэ сигнала об Ос - С) вычитается сигналоб его базовом значении и получается сигнал о приращении приведенногоуправления относительно его базового значения - .д О " (- -, ),Величина выходной целевой переменной У объекта 1 управления измеряется четвертым датчиком 2 и .получеинийсигнал подается на четвертый фильтр 3низкой частоты, где усредняетсяна интервале времени 2 Т,Сигнал о дО(с) с выхода первогосумматора 33 задерживается в первомблоке 34 задержки и поступает на чет.вертый масштабирующий блок 4, в котОром умножается на постоянный коэффиБлоки предлагаемой системы управления с 8 по 18 предназначены для текущего оценивания (адаптации ) знакопеременного коэффициента с(. канала регулирования, которое осуществляется по выражению величины, В блоке 11 деления выходной сигнал второго блока умножения 10делится на выходной сигнал третьегосумматора 18 и полученный сигнал по-.дается на интегратор 12 с постояннойвремени интегрирования Т, на выходекоторого получается сигнал о текущем значении энакопеременного коэффициента аС(е -),Иэ сигнала о величине сс(с - Г)в восьмом блоке 14 сравнения вычитается сигнал о заданном значении д.,поступающий с четвертого эадатчика 13 и сигнал о полученной разностиумножается на постояннный коэффициент в третьем масштабирующем блоке 19и тем саМым рассчитывается корректировка оа(1 - 4 управляющего воздействия с целью получения. оценки идеального управляющего воздействия.Сигнал о огО(с - ) вычитается вседьмом блоке 20 сравнения иэ сигнала о текущем базовом значении управляющего воздействия с выхода пятогоФильтра 40 низкой частоты и получается сигнал об оценке идеального10 1029140 управления О"ф(1 - ,) при условии, ного оценивания коэффициента с 1., Вычто Я и Х находятся на базовом , ходной сигнал второго сумматора 45 уровне. Сигнал о Оф (й - с) экстра- подается на вход исполнительного полируется в экстраполяторе 43 на органа 35 для реализации управляю- интервал времении поступает на щей команды. второй сумматор 45, где алгебраичес Иэменчивость характеристик объекки суммируется с сигналом аО, по- та 1 управления по отношению к конт- ступающим с выхода первого суммато- ролируемым внешним воздействиям и ра 33. Таким образом получается косвенным выходным переменным пари- сигнал управляющего воздействия, руется путем адаптации пересчетных пересчитанный на фактические значе коэффициентов К, ив выражения Я .и Х. Кроме того, во втором нии (2), которая осуществляется.с сумматоре 45 подсуммируется еще вы- помощью первого 32 и третьего 2 б ходной сигнал Генератора 44 пробных блоков адаптации. В них реализуется, сигналов, например, двоичного типа в частности, процедура, которую можс целью более эффективноГо оператив но описать выражениемЫао в-ю-к б)аив-ь 11 ьпаж(б-ч),е(6), Офа(в) -О(е),ф (э) 45 Применение предлагаемой адаптив, ной системы управления объектомс экстремальной характеристикойдля управления мартеновскими печамипозволяет, как показывают результаты имитационного моделирования, по О высить главным образом производитель.ность мартеновских печей примернона 2,3, что дает экономическийэффект около 500 тыс. руб,где Офа(6) иО (6). - соответственно входвной и выходной сигнал экстраполятора 43А,В,д - постоянные величиНЫ,.Ы 1 д (В) О 1 д (6) О 1 д+ (б) блока 42 ацаптации. При условии, что где- интервал времени интегри- оператор экстраполятора 43 представлен в виде реального ФорсирующегоИ " базовое значение оденкиу+1идеального управления; Зб ИР г у+1(У 1- постоянный коэффициент, где Г - интервал экстраполяции,9 переменная интегрировайия. Т - постоянная времени форсируНестационарность статических харакФющего звена, теристик неконтролируемых возмуще- во втором блоке 40 адаптации реалиэуний Г учитывается с помощью второго З 5 ется, например, процедура1-АЬ"О(В)а 61- с"щВ)а 611029140 Составитель А.Лащеведактор А,Гулька Техред Т.фантаКорректор О.Билак ПодписноеСР д. 4 ал ППП фПатентф, г.ужгород, ул.Проектная 77/45 ВНИИПИ Госу по делам 113035, Иос 74комитета Си открытийушская наб Тираж арственного изобретений ва, Ж 35, Р