Самонастраивающаяся система управления для объектов с запаздыванием

союз советскихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 5 В 13/О- с выходом пер вычитающим вход го 3 элемента, вто ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Одесский политехнический институт (72) В.А. Герлига, Н,П. Мороз(80), Рауль Ривас Перес(СО), Е,М, Мацелюк, Е.Д. Пичугин 5 Ц) и Као Тиен Гуинь (Чй)(56) Авторское свидетельство СССР М 648947, кл, 6 05 В 13/02, 1979,Авторское свидетельство СССР ЬЬ 932460, кл. 6 05 В 13/02, 1982.(54) САМОНАСТР МА УПРАВЛЕНИ ПАЗДЦВАНИЕМ (57).Изобретение равления нестаци - паздыванием и м . для управления т саминапример, ской, целлюлозн чвской, горной и д АИВАОЩАЯСЯ СИСТЕЯ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАотносится к системам упнарными обьектами с За. ожет быть использовано хнологическими процес- в металлургии, химичео-бумажной, энвргетиругих отраслях промышМО Ж1714572 А 1 ленности, а также в термических деазрационных установках. Цель изобретения - повышение точности управления, Эта цель достигается теь, .что система, содержащая последовательно соединенные задающее устройство 10 и первый сравнивающий элемент 6, последовательно соединенные элемент 1 запаздывания и первую модель 2 объекта, последовательно соединенные регулятор 7, первый сумматор 8, обьект 9, второй сравнивающий 3 элемент и блок 4 подстройки, соединенный выходом с управляющими входами первой и второй моделей 2, 5 объекта, сигнальный вход второй модели 5 объекта соединен с первым входом первого сумматора 8 и входом элемента запаздывания 1, а выход- с вычитающим входом первого элемента 6 сравнения, второй вход блока 4 подстройки соединен с выходом элемента 1 запаздывания, третий вход й модели 2 обьекта и второго сравнивающей вход первого сумма1714572 тора 8 соединен с выходом источника возмущения, содержит второй сумматор 11, суммирующий вход которого соединен с выходом первого сравнивающего б элемента, вычитающий вход- с выходом второго сравнивающего 3 элемента, а выход - с входом Изобретение относится к системам управления нестационарными объектами с запаздыванием и может быть использовано для управления технологическими процессами, например, в мегаллургии, химиче. ской, целлюлозно-бумажной, энергетической, горной и других отраслях промышленности, а также в термических деазрационных установках.Известна самонастраивающаяся систе ма управления для объектов с запаздыванием, содержащая задающее устройство, блок оптимизации, последовательно соединенные элемент запаздывания и первую модель объекта, последовательно соединен ные первый сравнивающий элемент, регулятор, сумматор, объект, второй сравнивающий элемент, блок подстройки и вторую. модель обьекта, первый вход которой соединен с вторым входом первой модели объ екта и с выходом блока подстройки, второй вход - с выходом сумматора и входом элемента запаздыванияа выход - с входом первого сравнивающего элемента, выход . блока оптимизации подключен к второму 25 входу регулятора, второй вход блока подстройки соединен с выходом элемента запаздывания, третий вход - с выходом первоймодели объекта и вторым входом второго сравнивающего элемента. ЗОНедостатком данного устройства является невысокая точность регулирования,Наиболее близким техническим решением является самонастраивающаяся система управления для объектов с запазды ванием, содержащая последовательно соединенные первый элемент запаздывания и первую модель объекта, последовательно соединенные задающее устройство, первый сравниваюцйй элемент, регулятор, сумма тор, объект, второй сравнивающий элемент, блок подстройки и вторую модель объекта, последовательно соединенные второй элемент запаздывания, третий сравнивающий элемент и блок оптимизации, выход которо го соединен с вторым входом регулятора, вход второго элемента запаздывания соединен с выходом задающего устройства,регулятора,7, Применение предлагаемой системы позволяет повысить качество выпускаемой продукции за счет высокой точности управления, что приносит экономический эффект, зависящий от конкретного процесса производства. 4 ил. второй вход третьего сравнивающего элемента соединен с выходом обьекта, входпервого элемента запаздывания соединен свыходом сумматора и с вторым входом второй модели объекта, второй вход блока подстройки соединен с выходом первогоэлемента запаздывания, третий вход- с вы- .ходом первой модели объекта и вторым входом второго сравнивающего элемента,выход второй модели объекта "соединен свторым входом первого сравнивающегоэлемента.Недостатками известной системы является низкая точность управления, связанная с тем, что в системе регулятор фор- .мирует управляющее воздействие только посигналу ошибки регулирования, состоящегоиз первого сравнивающего элемента, регулятора, сумматора и второй модели объекта,без учета рассогласования между выходными сигналами объекта и первой модели объекта.Цель изобретения - повышение точности управления,В самонастраивающейся системе управления для объектов с запаздыванием,содержащей последовательно соединенные задающее устройства и первый сравнивающий элемент, последовательно соединенные элемент запаздывания и первую модель объекта, последовательно соединенные регулятор, первый сумматор, обьект, второй сравнивающий элемент и блок подстройки, соединенный выходом с управляющими входами первой и второй моделей объекта, сигнальный вход второй модели объекта соединен с первым входом первого сумматора и входом элемента запаздывания, а выход - с вычитающим входом первого элемента сравнивания, второй вход блока подстройки соединен с выходам элемента запаздывания, третий вход-с выходом первой модели объекта и вычитающим входом второго сравнивающего элемента, второй вход первого сумматора соединен с выходом источника возмущения, введен второй суммвтор, суммирующий вход которого сое.винен с выходом первого сравнивающегоэлемента, вычитающий вход - с выходом второго сравнивающего элемента, а выход - с входом регулятора.На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемой самонастраивающейся системы управления для объектов с запаздыванием; на Фиг. 2- схема блока подстройки; на фиг. 3 - Пи-регулятор; на фиг, 4 - модели объекта.Система содержит элемент 1 запаздывания, первую модель 2 объекта, второй сравнивающий элемент 3, блок 4 подстройки, вторую модель 5 объекта, первый сравнивающий элемент 6, регулятор 7, первый сумматор 8, объект 9, задающее устройство 10, второй сумматор 11, на суммирующий вход которого поступает сигнал с выхода первого сравнивающего элемента 6, а на вычитающий вход поступает сигнал с выхода второго сравнивающего элемента 3.Блок 4 подстройки содержит первый 12 и второй 13 делители, третий сумматор 14, первый блок 15 умножения, четвертый сумматор 16, первый элемент 17 задержки, первое запоминающее устройство 18, задатчик 19 коэффициентов, нелинейные элементы 20 и 21 (фиг. 2).Для того, чтобы первый 12 и второй 13 делители не теряли работоспособности в случае, когда сигнал хм 1(т)=х 1(1)=0 (фиг. 2), в блоке 4 подстройки включены нелинейные элементы 20 и 21. При уменьшении сигналов хм 1 х 1(т) ниже установленного уровня Ь выходные сигналы нелинейных элементов 20 и 21 имеют постоянную минимально допустимую величину. При этом ликвидируется возможность получения неопределенности делителями 12 и 13, так как в этом случае величина Щ) имеет конечные значения.Система работает следующим образом.При изменении сигнала 1 и/или задания хзад появляется сигнал . рассогласования Ьх 1.Если параметры моделей 2 и 5 объекта адекватны параметрам объекта 9, то выходные сигналы объекта 9 и первой модели 2 объекта равны между собой, и сигнал хф) на выходе второго сравнивающего элемента 3 равен нулю, Перестройка параметров моделей 2 и Б объекта не производится, Регулятор 7 по сигналу Ь хф(в этом случае Ьх(ф ЬхЩ вырабатывает сигнал управления цВ который управляет не только второй моделью 5 объекта, нои объектом 9 и первой моделью 2 объекта. Сигналы на выходе объекта 9 (хо и на выходе первой модели 2 объекта (х;4 равны сигналу на выходе второй модели 5 объекта(хмф спустя время, равное времени запаздывания х, т,е.хо (т) = хмф) = хм 2 ( - т), (1)а.Ы- - "ф;, И 40 где Ь(с) - коэффициент усиления моделей 2и 5.При использовании одношаговой релаксационной процедуры алгоритм перестройки коэффициента Ью имеет вид 45 аЩ аЩ)(5) 50 где М (1 - й) - коэффициент усиления Км вмомент времени, предшествующий на время т 1.Уравнение (5) может быть представленов виде155(6) мц (1) = км (1 д +(т)Если в силу тех или иных причин параметры объекта 9 изменяются, то параметрымоделей 2 и 5 объекта не адекватны пара-,метрам объекта управления, и на выходе 5 второго сравнивающего элемента 3 появляется рассогласованиехз (т) = хо(т) - хи(т) (2)Рассогласование хз(т) содержит информацию об изменении параметров объекта 9., 10 При этом в самой системе предусматривается оценка и перестройка параметров моделей 2 и 5 объекта. Оценка и перестройкапараметров моделей 2 и 5 объекта производится через блок 4 подстройки согласно оп ределенным алгоритмам по сигналам,поступающим с выхода элемента 1 запаздывания (х 1(т, первой модели 2 объекта (хм 2(ти второго сравнивающего элемента 3 (хз(т.Перестройка параметров моделей 2 и 5 20 может производится различными способами, в частности можно использовать алгоритмы по методу Ляпунова-Красовского,метод градиентного спуска,релаксационную процедуру и другие, Рассмотрим случай 25 применения одношаговой релаксационнойпроцедуры.Динамика широкого класса промышленных объектов достаточно точно описывается оператором вида:1 о 1,-Р Т р+1где 1 о(т), То - коэффициент усиления и посто-янная времени объекта;ю- время чистого запаздывания.35 В этом случае-операторы моделей.2 и 5,имеют вид1714572 В этом случае ошибка регулированияизвестной и предлагаемой систем определяется выражениемЕ (р) = Хзад(р) - Хо(р)5Щ р 1 е"Хзад (Р),1+ВАМ р ЧЧ, р Передаточные функции регуля10 представляют в виде 1 а Ти 5)Ти Р статическу действии е кообоазн д(1)=-1(1) Иэ ю ошибку регудиничного едиого входного 14) получают Определяю 5 лирования приничного ска воздействия хза передачи регулятора; ома регулятора.елен возможный вариегулятора 7 на типовых хники,де 1 в - коэффициен Ти - время изодр На фиг, 3 предстаант реализации ПИ-рблоках аналоговой т На фиг, 3 имеют Ип) Е (1) - Па Р Е20 1- м р-О =11 п) р 1+ ЮЧд (р) Ю (р)(12) нулю, мущений сисГДЕ Г 1-ГЗ - С елителя входного сигнала;С 1, С 2, В - элементы обратной связи операционного усилителя 22.На фиг. 4 представлен возможный вари ант технической реализации. моделей 2, 5 объекта 9 на основе аналоговой техники. Движок потенциометра Р 1 перемещается с помощью электромагнитного преобразователя, преобразующего электрический вы ходной сигнал блока 4 подстройки в соответствующее механическое перемещение,Рассмотрим конкретный объект автоматического управления с запаздыванием. 45В качестве конкретного объекта рассмотрим термическии деаэратор, динамика которого описывается оператором видаИо(р) =-- еР, (13) 50Т. Р+1где Мо(т), То - коэффициент усиления и постоянная времени термического деаэратора;г- временное запаздывание объекта.Система управления термическим деаэратором Работает следующим образом, 55При отсутствии внешнего возмущения ф) выходная координата деаэратора Равна выходной координате модели 2 объекта с ЗаПаэдЫВаНИЕМ, т,Е. Хо(1)=км 1(1) И ХЗ(т)=0. в(Р)+ т(Р)в (Р); 2 (Р) (р) ) нений (18) наты объек си- (Р) Вя(р)ф,хо(р)(20 (21) ад (р) - хо(Р)зад(РЭ+ Ет (Р)1 Яхзад (Р) 11 Выходные сигналы блока 4 подстройки, перестраивают одновременно первую 2 и вторую 5 модели объекта 9. Блок 4 подстройки может быть построен как в аналоговом варианте, так и в цифровом (фиг, 2).Регулятор 7 формирует управляющий сигнал по сигналу ЬхО (с) = Ь(ЬХ(т, Ьх(т) = Лхф)-хз(1) (8) При использовании ПИ-закона регулирования оператор регулятора 7 имеет вид Подставив (13), (15) в (16),ПАВ Е (1)= 0Таким образом, при отсут го возмущения ф) статическа стной и предлагаемой равнаПри наличии внешних во тема описывается уравнение хо(р)=В)о(р) е 1 Р (О Хм 1 (Р) =фо (Р) Е Рхм 2(р) = уело(р) Ов(Р) ЬХ 1(р) =хзад(р) - хм Л х(Р)=Л х 1(Р) - хЗ ХЗ (р) = Хо (Р) Хм 1 (Р Ов(Р)=Ив(р) х(Решив систему урав тельно выходной коорди получают учают выражениедля оши10 1714572 я(р) Ф(р е р 1+Ля(р) 54(р) х я (р) е 1 Р т (р) (23)е(р), р (р) - составляющие ошибки,вызываемые входным воздействием хзад(р)и внешним возмущением т(р) соответственно,Опреде тавляющую статической ошибк мую единичным скачкообразны воздействием хзад- оо ргде хзад (Р) = ("(3 ляют сос и, вызывае м входным татиче- воздейадает с ической ействиВыр ской ош ствием выраже ошибки ем иэве(33) я статической нешним воэмуестной системы 3) и имеет вид е Р 1(р)1 ако составляющ(32), вызываемая м воздействием иэ ся от выражения (2 Е (С) = ВП р ЧЧо (р), что ызыулю,(35) приходят к выводу, в предлагаемой сишних возм щений Сравнивая (27) и (35),35 что точность управлениястеме при действии вне У7) выше, чем в известной,иПреимущество предлагаемой системыие по сравнению с известными состоит в том,д 40, что регулятор 7 вырабатывает сигнал управления не только по сигналу ошибки регулирования системы без запаздывания, но и посигналу рассогласования хэ(т) между выходУ ными сигналами хо(т) и хмф) объекта 9 и45 полной модели 2 объекта 5 соответсвтенно.Это позволяет повысить точность управления, Если учесть, что сигнал хэ(1) содержитинформацию о параметрическом рассогласовании объекта 9 и моделей 2 и 5 объекта.50 то становится очевидным, что точность уп 28) равления в предлагаемой системе выше,статическом, та х составляющ вызываемые вхо твием и внешн емой системе ра ю систем ний сист им теперь извест внешних возмуся уравнениями(2 Составляющая статической ошибываемая внешним возмущающим втвием, определяется выражением Подставив (13), (15) в (26), получа составляющая статической ошибки, ваемая внешним возмущением, равн т.е. 11 ПЪ Е 5 (1) = О,1-р ооТаким образом, какинамическом режимшибки регулирования,ым задающим воздейозмущением в предлагы нулю.РассмотрПри действиима описывает Хо(р)=Э/о(р) Е Р(ОВ(р)+ Хм 1(р) =Хо(р) Е Р Оя(р); х 2 (Р) =а (Р) ив (Р):Ь Х 1 (Р) = Хзад (Р) Хм 1(Р) АХ 2 (р)=хзад (Р) хо (Р)ХЭ(Р) = Хо(Р) - Хм 1(Р).Решив систему уравнений тельно выходной координате о получают Ошибка регулирования определяетсявыражением1(р) Хздд (Р) Хо (Р) Ехзад (Р) ++ е(р), (30)Юо(р) Е Р т(р).ажение (22) составляющей ибки, вызываемой входным предлагаемой системе сов нием(31) составляющей стат вызываемой входным возд стной системы, поэтому .П 1 Ехзад (Ь)т оо оо р-+оо (34)авив (13) в (34), получают, что соая статической ошибки, вызываешним возмущением в известнойтличается от нуля, т.е. ем в известных системах. Кроме того скольку блок 4 подстройки всегда имеет ограниченную чувствительность, то введение второго сумматора 11, на второй вход которого подан инвертированный сигнал с выхода второго сравнивающего элемента 3, позволяет повысить точность управления не только во время перестройки, но и после окончания перестройки.Предлагаемая система по сравнению с известными проще по технической реализации, что повышает надежность функционирования системы,Таким образом, предлагаемая система имеет высокую точность и проста в реализации. Применение предлагаемой системы для управления технологическими процессами позволяет повысить качество выпускаемой продукции за счет высокой точности управления, что приносит значительный экономический эФфект, зависящий от конкретного процесса производства,Формула изобретения Самонастраивающаяся система управ.ления для объектов с запаздыванием, содержащая последовательно соединенные ,задающее устройство и первый сравнивающий элемент, последовательно соединенные элемент запаздывания и первую модель объекта, последовательно соединенные регулятор, первый сумматор, второй сравнивающий элемент и блок подстройки, соединенный выходом с управляющими входами первой и второй 5 моделей объекта. сигнальный вход второймодели объекта соединен с первым входом первого сумматора и входом элемента запаздывания, а выход - с вычитающим входом первого элемента сравнения, второй 10 вход блока подстройки соединен с выходомэлемента запаздывания, третий вход - с выходом первой модели обьекта и вычитающим входом второго сравнивающего элемента, второй вход первого сумматора 15 соединен с выходом источника возмущения, отличающаяся тем,что,сцелью повышения точности управления, введен второй сумматор, суммирующий вход которого соединен с выходом первого сравнива ющего элемента, вычитающий вход - свыходом второго сравнивающего элемента, а выход - с входом регулятора.1714572 едактор О.Головач Заказ 692 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113 О 35, Москва, Ж, Раушская наб., 4/50 мбинат "Патент", г, Ужгород. ул,Гага водственно-издатель П оставитель Рауль ехред М.Моргент с Перес Корректор А.Осаулен