Адаптивная система управления

(5 фарук, в чр,ц ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВИДЕТЕЛ Т ВТОРСНОМ удовогоческий(57) Изонастрива, и может вано для кими обърасширенишение бы ТИВНАЯ СИСТЕМА ретение относи щимся системам быть,в частност управления тепл ктами. Цель из е области прим тродействия. С УПРАВЛЕНИЯ ся к самоуправления и, использо- оэнергетичесбретения -кения и повыстема содерГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Белорусский орденаКрасного Знамени политехинститут(72) А,А.Москаленко, А.ТА.Н.Вексин, Е.А.Воблови(56) Авторское свидетель9 1015336, кл. С 05 В 13Авторское свидетельстР 174902, кл. С 05 В 13 жит три основных контура управления.Первый контур управления (основнаяобратная связь) содержит сравнивающийэлемент, блок умножения, регулятор,опережающее звено объекта и второйупредитель, Первый контур являетсяконтуром упреждения. Второй контуруправления включает в свой состав,кроме основной обратной связи, следующую цепь сравнивающий элемент,блок умножения, регулятор, опережающее и инерционное звенья объекта.Третий контур (контур компенсацииинерционности) содержит сравнивающийэлемент, блок умножения, регулятор,опережающее и инерционное звеньяобъекта, первый упредитель, аналогоцифровой преобразователь и модель запаздывания. Система позволяет осуществлять управление объектами с переменными параметрами, в том числес переменным запаздыванием. 2 ил12576Изобретение относится к самонастраивающимся системам управления иможет быть использовано для автоматизации нестационарных технологических процессов, параметры которых изменяются в широком диапазоне приэксплуатации или изменении нагрузки,в частности для управления теплоэнергетических процессов котлоагрегатови энергоблоков. 10Цель изобретения - расширение области применения и повышения быстродействия.На фиг. 1 показана структурнаясхема адаптивной системы управления 15для объектов с переменными параметрами на фиг, 2 - графики, поясняющиепринцип работы системы.Система содержит датчик 1 нагрузки, задатчик 2, сравнивающий элемент 3, регулятор 4, опережающее звено 5 объекта, инерционное звено 6объекта, аналого-цифровой преобразователь 7, блок 8 определения коэффициентов усиления, первый цифроаналоговый преобразователь 9, первый и второй Формирователи 10 и 11 сигнала упреждения (упредители), блок 12 определения запаздывания, блок 13 регулирования, модель 14 запаздывания, задатчик 15 единичного кода, блок 16деления, регистр 17 коэффициента коррекции, второй цифроаналоговый преобразователь 18, блок 19 умножения, .задатчик 20 направления экстремума,блок 21 определения эквивалентной постоянной времени, третий цифроаналоговый преобразователь 22 и блок 23 управления.1На фиг. 1 и 2 обозначены: Х, и Уввнутренние и внешние возмущения, Оп -оператор, хэ - возмущение заданием,Я - ошибка рассогласования, Г- ошибка управления (регулирования); х, их - промежуточная и основная регули-45руемые величины; х хс, и хссах соответственно сигналы основной обратной связи, компенсации инерционностии упреждения запаздывания, х - хсссигнал с выхода полной модели объекта,Блок 8 определения коэффициентовусиления служит для нахожденияв каждый момент времени квантованияТ; (где з. = 1,2,3. т) текущихзначений коэффициентов усиления формирователей 10 и 11, Информационныйвыход блока 8 определения коэффициентов усиления соединен с входом 12 2первого цифроаналогового преобразователя 9 (ЦАП 1), а также с четвертым и третьими входами соответственно блока 16 деления и блока 21 определения эквивалентной постояннойвремени.Первый и второй формирователи 10 и 11 сигнала упреждения предназначены для моделирования объекта согласно выбранной аппроксимирующей передаточной функции объекта, В аналоговом исполнении формирователи 10 и 11 реализуются, например, как одно усилительное звено с переменным коэффициентом усиления.Блок 12 определения запаздывания служит для определения величины времени запаздывания.Задатчик 15 единичного кода используется для задания и хранения кода, условно принятого в данной системе за единицу. Он может быть выполнен, например, в виде набора тумблеров или кнопок.Блок 16 деления предназначен для определения коэффициента коррекции по формулес (Т ) =Ы (Т ) - -э (1)к х,(Т;)с 1 С 11 х (Т )ф где Мс - коэффициент коррекции коэффициента усиления регулятора 4 в цифровом виде.Из формулы (1) видно, что коэффи" циент коррекции, а значит и коэффициент усиления регулятора 4 изменяются обратно пропорционально изменению коэффициента усиления упредителей 1 О и 11.Блок. 21 определения постоянной времени предназначен для определения кода эквивалентной постоянной времени звена 6 и передачи его в третий цифроаналоговый преобразователь 22.Блок 21 реализует формулуТ (с ) = И ( ) =- у (2)Т(с,)м фф о и 8 где Тм и Тс - :эквивалентные постоянные времени модели иобъекта соответственно,г., и т; - предыдущий и очереднойциклы адаптации, причемд8 =(3)КэГь.Кэ - экстремальный динамическийкоэффициент отношения выходных сигналов объекта и модели объекта:+упрощения,Т - постоянная времени инерционного звена первого порядка,55 х,(Т;)= К - порядковый номер циклаизмерения, при которомотношение принимает экстремальное значение.Если вычисляется отношение выходного сигнала объекта к выходному сигналу модели объекта, а не наоборот,и если надо получить переходный процесс в замкнутой системе с постоянной времени, меньшей чем эквивалентная постоянная времени объекта . то3в этом случае К = ш 1 п.3В основу построения адаптивнойсистемы управления для объектов спеременными параметрами положен принцип упреждения запаздывания и компенсации инерционности при непрерывнойадаптивной подстройке коэффициентовусиления модели объекта и коэффициента коррекции, коэффициента усиления регулятора с периодической адаптивной подстройкой времени запаздывания и эквивалентной постоянной времени модели объекта и времени изодрома регулятора,Принцип работы системы поясняютграфики, показанные на фиг. 2, гдех(С) - х - переходная характеристика ЗОзамкнутой системы управления при подаче на вход единичного калиброванного сигнала Ь(г.) = Ь, а х,(г) = х -переходная характеристика на выходемодели. Кривая х обозначена через00, АВ, а кривая х через ОО АВ,;3 - некоторое заданное пороговоезначение или допустимая зона регулирования, обусловленная. чувствительностью реальной регулирующей аппаратуры, 3, - измененное значение заданного порогового значения (8 Ц );ь - запаздывание объекта; ьм - запаздывание модели объекта. На фиг.2показан случай, когда45Теплоэнергетические объекты являются сложными объектами и в общем случае могут быть промоделированы передат оч ной функци ей вида(8) СКР и - показатель степени,Н - передаточная функция объеката без запаздывания.Моделирование объекта в виде (5)приводит к сложным поисковым алгоритмам, которые обладают потерей временина поиск и требуют использованиямощных средств вычислительной техники.При использовании адаптивныхалгоритмов могут использоваться упрощенные модели, напримерлР"нлК е % -Рм1 =-"- - -=И е (6)1+Т р%нлгде с, К, Т - соответственно времязапаздывания, коэффициент усиленияи эквивалентная постоянная временимодели объектаУ - передаточная функция моделибез запаздывания.Для упреждения запаздывания и компенсации инерционности должны выполняться условия:(7)Применительно к схеме, изображенной на фиг. 1, условие (7) можно записать следующим образом:1 у 1 опт 1 ол Л(11)Известно, что если условия (9-11)выполняются, то система управленияможет работать с максимальным быстродействием, как если бы она не имела запаздывания. В этом случае динамические параметры настройки системы управления могут быть рассчитаныс помощью любого известного методадля систем управления без запаздывания, например с помощью метода компенсированной настройки, при котором,в частности, для ПИ-закона управления время изодрома (постоянная.интегрирования ошибки управления) Т равна эквивалентной постоянной времениобъекта Т, а коэффициент усилениярегулятора К с точностью до постоянной С - обратно пропорционален коэффициенту усиления объекта К , т.е.Т= Т;. (12)17 = - - - = Ъ 7, (14)5,с, 1 +1,) Я ч,т.у огде М - передаточная функция эталонного процесса замкнутой системы управления, причем О 1Иэт ТР+ 1 Из (14) имеем 15(19)РТэ 25Постоянная С в Формуле (19) определяет первоначальное заданное (выбранное) произведение коэффициента усиления объекта и пропорциональной составляющей управляющего воздействия, которые соответствуют определенному критерию качества, в частности минимуму среднеквадратичной ошибки управления при требуемом быстродействии с учетом ограничения управляющего воздействия, например, на перемещение регулирующего клапана.Уравнения (17), (18) и (19) требуют, чтобы при любом состоянии объекта его точность и быстродействие сох ранялись и соответствовали точности, и быстродействию при состоянии объекта, выбранном эа первоначальное (например, при 1002-ной нагрузке) В отличие от текущих зна 45 чений введем другие обозначения для параметров, которые имеют место при первоначальном состоянии объекта:Т = Т;% Т0 Т Проведенные рассуждения для объектов первого порядка оказываются справедливыми и для объектов более высокого порядка при использовании адаптивного алгоритма управления и выполнении условия упреждения за 5 12576Условия (12) и (13) соответствуют минимуму среднеквадратичной ошибкиуправления,Потребуем, чтобы передаточная Функция замкнутой системы имела вид паздывания и компенсации инерционности. В этом случае в выражении (17) должна учитываться эквивалентная постоянная объекта ТэоАдаптивная система управления работает следующим образом.В исходном статическом состоянии (первоначальном) системой произведена отработка задания х, поступающего с задатчика 2. Ошибка рассогласования с выхода сравниваощего элемента 3 сведена к нулю: с = О, ошибка регулирования также равна нулю: ГР й 0, Коэффициент усиления и время изодрома регулятора 4 установлены согласно формуле (21), В блоке 12 определения запаздывания хранится код времени запаздывания модели 14, равный коду условного запаздывания объекта, В модели 14 скорректировано время запаздывания по коду блока 12 через блок 13 регулирования, Аналого-цифровой преобразователь 7 работает непрерывно с частотой Г = 1/Т, где Т период квантования или цикла измерения и адаптации.1На третьем входе блока 12 определения запаздывания и на втором входе блока 21 определения эквивалентной постоянной времени находятся запрещающие сигналы соответственно на измерение условного времени запаздывания и на занесение кода эквивалентной постоянной времени моделей объекта. На вторых входах первого цифроаналогового преобразователя 9 и блока 16 деления присутствуют разрешающие сигналы, разрешающие соответственно подстройку коэффициентов усиления формирователей сигнала 10 и 11 упреждения и коэффициента коррекции к . Блок 8 определения коэффициентов хранит код формирователей 10 и 11, равный коэффициенту усиленияообъекта в статике Ко= Ка . Во втором цифроаналоговом йреобразователе 18 установлен код коэффициента коррекции К, который в статике при первоначальном состоянии объекта (например, при 1002-ной нагрузке) равен единице. В задатчике 20 направления экстремума установлен код, указывающий направление движения к экстремуму, в частности к мимнимуму так как при изменении нагрузки в сторону уменьшения при выравненных коэффициентах усиления объекта и модели кривая переходного процесса15 20 25 30 35 40 45 50 55 7 12576 системы будет лежать ниже кривой эталоцного переходного процесса (в част- кости, при 100 .-ной нагрузке). В задатчике 20 установлен код ь допус тимого значения экстремального динамического отношения выходных сигналов объекта и модели.Рассмотрим работу системы, когда характеристики объекта в какой-то момент времени изменились, что харак терно для теплоэнергетических объектов, работающих при переменных нагрузках.При изменении нагрузки в блок 23 управления поступают сигналы, Сигналы -преобразуются в блоке 23, индицируя оператору изменение нагрузки.В этом случае возможны два режима работы системы, которые могут быть заданы оператором (Оп): с адаптивной подстройкой динамических параметров путем грубой коррекции в процес-се перехода с нагрузки на нагрузку с последующей точной коррекцией и без подстройки по ходу процесса: т.е.при параметрах настройки, соответствующих предыдущей нагрузке, но с пос.ледующей точной коррекцией, В первом случае переход ца другую нагрузку ближе к оптимальному является предпочтительным, хотя и имеются небольшие потери качества переходного процесса оц предпочтителен при плавном, например, 10 -ном изменении нагрузки. Так как изменение нагрузки во избежание усталости металла из-за температурных напряжений производится плавно в течение заданного интервала времени, то ограничимся рассмотрением первого режима работы. К тому же второй режим работы - второй этап первого режима.1Таким образом, сигнал изменения нагрузки запрещает все адаптивные подстройки, кроме подстройки времени запаздывания. Поэтому разрешающий сигнал подается только в блок 12 определения времени запаздывания припоявлении индикации об изменении нагрузки. Изменение нагрузки является параметрическим возмущением и стремится изменить выходную велцчицу Хтак как оно действует через определенную передаточную функцию (как правило, первого порядка) и прикладывается одновременно как к выходу системы, так и к ее входу через отрпцательцую обратную связь, т.е. со стороны 128входя действует аналогично изменению задания, цо с противоголожцым знаком, Однако пороговое значение Я , используемое прц работе блока 12 определения запаздывания, выбирается равным зоне нечувствительности регулятора и зависит как от аппаратуры регулирования, так ц от величины возмущения. Величина зоны Б ьыбирается из условия единичного калиброванного скачка, а це любого произвольного. Поэтому использование зоны ЯД при другом скачке будет вносить некоторую погрешность, что приведет к грубой подстройке. При 10 -цом изменении нагрузки для выполнения равенства х = х неточность за счет грубого измерения времени запаздывания будет компенсироваться эа счет других коррекций (в частности, адаптивных подстроек коэффициентов усиления упредителей 10 и 11 и коэффициента коррекции в ), цо при этом грубая коррекция ведет к некоторой потере качества регулирования, Что касается зависимости 8 от вида регулирующец аппаратуры, то оца легко устра- . няется при реализации блока 12 определения запаздывания, Таким образом, в результате адаптивной подстройки времени запаздывания осуществляется грубая коррекция времени запаздывания в модели 14 через блок 13 регулирования. По окончании подстройки времени запаздывания блок 12 вырабатывает сигнал в блок 23 управления, который формирует разрешающий сигнал в первый цифроаналоговый преобразователь 9, блок 16 деления и регистр 17 коррекции, при этом производится адаптивная подстройка. Отработка возмущения Й осуществ 7ляется по трем контурам регулирования: 1) основная обратная связь - сравнивающий элемент 3, блок 19 умножения, регулятор 4, опережающее звено 5, второй Формирователь 11, сравнивающий элемент 3 - представляют контур упреждения, 2) основная обратная связь, сравнивающий элемент 3, блок 19 умножения, регулятор 4, звенья 5 и 6 объекта основная обратная связь представляют основной контур регулирования; 3) обратная связь - сравнивающий элемент 3, блок 19 умножения, регулятор 4, звенья 5 и 6 объекта, первый Формирователь 10, аналого-цифровой прсобразо 1257612 10ватель 7, модель 14 запаздывания, сравнивающий элемент 3 представляет контур компенсации инерционности,По возвращении системы в статическое состояние будет иметь место равенство х = х но в отличие отФ опервоначального состояния статичес 9 а кие коэффициенты усиления К = К, будут другими, при этом изменитсяа и коэффициент корреции М,(К,4 = - К ) Ко, р. ( 1) при уменьшениионагрузки от первоначальной 100%-цой).На втором этапе производится точная корекция путем подачи разрешающего сигнала в блок 12. Дальше система работает аналогичным образом, В результате выполнения этого этапа уточняются время запаздывания коэффициенты усиления и коэффициент коррекции.По окончании точной подстройки выполняется третий этап - коррекция эквивалентной постоянной времени формирователей 10 и 11 сигнапа управления и времени изодрома регулятора 4, Для этого производится исходный сброс, подается разрешающий сигнал только на блок 21 определения эквивалентной постоянной времени. Так как при исходном сбросе все подстройки запрещены, а работа блока 21 разрешена, то блок 21 определяет эквивалентную постоянную времени объекта и через цифроаналоговый преобразователь 22 осуществляет подстройку постоянных времени формирователей 10 и11 сигнала упреждения и времен изодрома регулятора 4 по трем независимым каналам.В результате трех этапов адаптации при изменении состояния объекта динамические параметры настройки приводятся в заданное соответствие,Формула из обретенияАдаптивная система управления, содержащая. датчик нагрузки, последовательно соединенные задатчик и сравнивающий элемент, регулятор, подключецный выходом к входу опережающего звена объекта, выход которого соединен с входом инерционного звена объекта, последовательно соединенные аналогоцифровой преобразователь, блок определения коэффициентов усиления и первый цифроаналоговый преобразователь, подключенный выходом к первым входам10 15 20 первого и второго Формирователейсигнала упреждения, подключенных вторыми входами к выходу опережающего звена объекта, третий вход первогоформирователя сигнала упреждения соединен с третьим входам второго формирователя сигнала упреждения, соединенного выходом с вторым входом сравнивающего элемента, и последовательносоединенные блок определения запаздывания, блок регулирования и модель 1запаздывания, соединенную вторым входом с вторым выходом аналого-цифрового преобразователя, первым выходом - с вторым входом блока определения запаз,цывания и с четвертым входом сравнивающего элемента, а вторым выходом - с вторым входом блока определения коэффициентов усиления, первый вход блока определения запаздывания подключен к выходу инерционного звена объекта, к третьему входусравнивающего элемента и к входу аналого-цифрового преобразователя, вы 25 ход опорной частоты блока определе -ния запаздывания подключен к второму входу блока регулирования и третьемувходу модели запаздывания, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью З 0 расширения области применения и повьпдения быстродействия, в нее введены последовательно соединенные задатчик единичного кода, блок деления, регистр коэффициента коррекции, вто рой цифроаналоговый преобразовательи блок умножения, последовательно соединенные задатчик направления экстремума, блок определения эквивалентной постоянной времени и третий 40 цифроаналоговый преобразователь, иблок управления, первый вход которого соединен с выходом датчика нагрузки, первый выход - с пятым входом1сравнивающего элемента, второй выход в . с третьим входом блока определения запаздывания, третий выходс вторыми входами первого цифроаналогового преобразователя, блока деления, блока определения эквивалентной50 постоянной времени и регистра коэффициента коррекции, выход которого подключен к третьему входу блока деления, четвертый вход которого подключен к третьему входу блока определе ция эквивалентной постоянной времении к второму выходу блока определения коэффициента усиления, выход третьего цифроаналогового преобразователя1 12576122соединен с вторым входом регулятора второй вход блока умножения соедии третьими входами первого и второгс нен с выходом сравнивающего элемента, формирователей сигнала упреждения, а выход - с первым входом регулятора,Составитель П.КудрявцевТехред М.Ходанич рректор М. Самборская Редактор А.Лежнина Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,аказ 4955/46 ВНИИПИ Государств по делам изобр 113035, Москва, Ж