Адаптивная система управления потенциально опасным объектом

(54) АЦАПТИВНАЯ СИСТЕ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫМ (57) Изобретение отно тическому управлению циально опасных объек в условиях неконтролир ний, и может быть исп мичеСкой, пищевой и д промьшшенности. Целью УПРАВЛЕНИЯЕКТОМ ится к автомазащите потенов, работающих уемых возмущельзовано в хиугих отраслях изобретения яв ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Одесский технолтут пищевой промьпцлеим. М,В.Ломоносова(56) АвторскоеФ 970314, кл. САвторское свУ 1291926, кл. ляется повьппение надежности системыпри наличии в изменениях регулируемой величины как случайной, так и периодической составляющей путем изменения порогового заданного значенияв зависимости от вероятностных свойствслучайной и периодической составляющих. Система содержит основной канал5 управления, оптимизатор 6, блок 10защиты, блок 18 оценки статистическихпараметров регулируемой величины,блок 19 оценки статистических параметров, блок 42 коррекции пороговогозаданного значения, вычислительныйблок 55, сумматор 64Система позволяет учесть наличие в изменениях регулируемой величины, кроме случайной,также и периодической составляющей.Зто повышает надежность эксплуатациипотенциально опасного объекта, таккак увеличивается точность определения допустимой области изменений регулируемой величины. 2 з.п. ф-лы,1 илИзобретение относится к автомати 1 гескому управлению и защите патениально опасных объектов, работающихЭ условиях неконтролируемых возмуще 5Ний, и может быть использовано в химической, пищевой и других отрасляхтромьппленнасти.Целью изобретения является повьппеие надежности системы при наличии 10изменениях регулируемой величиныак случайной так и периодическойоставляющей путем изменения порогаого заданного значения в зависимоси от вероятностных свойств случайой и периодической составляющих.Блок"схема системы представленага чертеже,Система содержит измеритель 1 расогласования, формирователь 2 сигналагправления, объект 3 управления, датик 4 регулируемой величины, которыеоставляют основной канал 5 управлеия, оптимизатор 6 заданного значения 25егулируемой величины, блок 7 ограниения скорости изменения, измерительрассогласования и ключ 9, которыеоставляют блок 10 защиты, фильтры1-13 низкой частоты, измеритель 14рассогласования, дифференциатар. 15,вадраторы 16, 17, которые составляютлак 18 оценки статистических парагетров регулируемой величины, блок 19оценки статистических параметров 35случайной и периодических составляюих), содержащий квадраторы 20-25,гильтры 26, 27 низкой частоты усилители 28-32, измерители 33-36 рассоласования, блоки 37-40 извлечения 40Квадратного карня, блок 41 деления,блок 42 коррекции порогового заданнога значения, содержащий усилители 43,, 44, блоки 45, 46 извлечения квадратного корня, блоки 47-49 деления, бло си умножения 50,51, блоки 52, 53запоминания постоянной составляющей,сумматор 54, вычислительный блок 55,состоящий из блока 56 деления, блоков 57, 58 извлечения квадратногокорня, делителя 59, блока 60 вычисления логарифма, блока 61 умножения,измерителя 62 рассогласования и блока63 запоминания аварийного значениярегулируемой величины, сумматор 64,При определенных условиях функциойирования сисгемы плотность вероятггости случайных изменений регулируемой величиных Х ва времени й имеет двумодельный характер, являясь композицией гармонического и нормального законов распределения. Полная модель случайного процесса Х с приемлемой для практики точностью может быть представле,на в виде двух аддитивных составляющихХ(е.) = п(е) + Б(с), (1) где п - нормальный дифференцируемый процесс са средним значением шгг(г.) и корреляционной функцией К( г. ) - 2 Я ()БИ) " периодическая составляющая,Инерционные свойства объекта уп. равления и наличие неконтролируемых внешних возмущений Х(1) позволяет принять следующую модель периодической составляющей:Б = А (е) зз.п(Ы е + ср), (2) где А- амплитуда;Ю - частота;- случайная начальная фаза, равномерно распределенная на интервале ц Е-7, 1 гармонического коле- бания.По отношению к случайной составляющей п(г) задача основного контура управления состоит в ее максимальном подавлении за минимально возможное время. В частности, время спада Т корреляционной функции К(й 1) до пренебрежимо малых значений можно рассматривать как среднее время компенсации случайных возмущений. По от" ношению к периодической составляющей Б основной канал управления может выполнять аналогичную задачу, если Б(С) вызывается периодической составляющей во внешних возмущениях или нелинейнастью самого основного контура управления. С другой стороны, задача основного канала состоит в поддержании периодической составляющей (слежении за ней), когда она вызвана, например, поисковым алгоритмом работы оптимизатора и несет в себе полезную для системы информацию.Реальные процессы Х(г.) не являются стационарными вследствие нестационарнасти во времени параметров объекта управления и внешних возмущений, Скорость изменения этих параметров может быть оценена временами спада Т и Т, соответствующих корреляци" с сонных функций до пренебрежимо малых значений. Но так как у большого числа объектов управления скорость изменения их параметров и параметров= и 1+с5Эта вероятность определяет вероят 15 ность базаварийной работы на интервале Г и является той мерой, котораяхарактеризует надежность (безопасность) эксплуатации потенциал ьно опасного объекта,20 Во время работы объекта измененияего параметров и параметров внешнихвозмущений приводят к соответствующим изменениям статистических характеристик случайного процесса Х(С).25 Оперативная оценка ш бг 6 г, Азь иИ на скользящем интервале с позволяэ(Э) ет определить по зависимости (7) ве, роятность безаварийной работы Р (6)практически в реальном масштабе вре 30 мени, в темпе с технологическим процессом в объекте,Текущая информация об оценках статистических характеристик Х(й) можетбыть использована не только для оцен - З 5 ки надежности, но и для управленияпотенциально опасным объектом. Дляэтого по текущим оценкам Х(й) устанавливаются для основного канала управления такие пороговые заданныеЯ 40 значения Х(а следовательно, в конечном итоге, такие средние значенияш ( Х), при которых вероятностьбезаварийной работы будет не менеедопустимой, т,е. Р 5 (с,)Рр (с)5 Определение Х отдельно для каждойсоставляющей случайного процессаХ(С) производится по формулег х где р ойпроенныхвале 4 з 14 внешних возмущений относительно невысока и времена спада Тс, и Тс значительно больше Т и 2 р/ы 5 т.е. Тс Т, 21 л/ы 5 Т Тс 2 н/аз то со с с,это позволяет принять гипотезу о квазистационарности параметров и на определенном интервале времени считать процессы Х(С) стационарными.Рассматривая случайные процессы Х(Т) на скользящем интервале времени сможно оперативно (с запаздыванием на Г ) определить оценки их статистических характеристик -ш бхг6 б г А, сд и др. Величина(1-5) (Т + 2 ТХ/Ю ) является пренебрежимо малой величиной по сравнению СТ иТ(МПримеры определения оценок параметров ш Бхг 6 г на скользящем интервале времени Г приведены в (2). Вычисление оценок(7 1 У .г, А 5 Ы на скользящем интервале времени произведено по формулам Х 3 РЛ ) -ГАх г Р, (б)) Р 4 .Аг оценки четвертых центральных моментов регули руемой величины Х иее производной ХИ) на интервале ; амплитуда производной гармонического колебани среднеквадратические значения регулируем величины Х(С) и ее изводной ХИ) оцен на скользящем интер времени с . 4ГХО 6 в ая выражени иты е С ер ляющеиРа Г(6 димой то Эксплуатация потенци объекта имеет смысл тогд рии, т.е. выход регулиру ны ХИ) за аварийное зна ляются исключительно ред случае, с позиции теории эти события независимы .и ние может быть описано з сона. В частности, вероя ствиЯ событиЯ Х(1)Х временикогда модель ляется по (1), равна Р р ально опасного а, когда аваемой величи-50 чение Хц яв- х кими. Вэтомвероятности, уч их появле- гдаконом Пуастность отсутна интервале ХИ) опреде-. сматривая С 6 А 5 ыР для практичтью, аппрок(с)т с неских примененийимацию этой функ 6(9) се слагаемые которой безразмерны. В частности, для диапазонов измене)Нийб в= 0,5-3,5,ф Яб-1ГО 1-4 01 1 п(1 Р, (й = 0,0001-0,05, которые охватывают значительную часть встречающихся на практике (в химической и пищевой промьппленееости) объеков управления и условий их функционирования, получена следующая конкретизация уравнения регрессии (9);С = -0,5691 + 1,009 в + 0,1326 хАэ-- " - 4 79 1 п(1/Р (". (",О)ВТаким образом, определив оценки параметров случайного процесса Х(с) на скользящем интервале с, по зависимостям (8)-(10) можно установить таое пороговое заданное значение Хд, которое обеспечит необходимую надежность работы потенциально опасного ,объекта при наличии в изменениях ре"- гулируемой величины, кроме случайной, также и гармонической составляющей,Система работает следующим абра",зом.В основном канале 5 управления Формирователь 2 сигнала управления вырабатывает управляющий сигнал на объект 3 таким образом, чтобы рассогласование на выходе первого измери- теля 1 рассогласования Е = Хэ - Х ,было минимальным, где Х - заданное значение регулируемой величины, т.е. основной канал 5 управления изменение сигнала задания регулятору Х и изменение значений внешних возмущений ециозависимостиХ(р) = М (р)Х, + Ы (р)р(р), (11) где У,(р) и Ы(р) - передаточные Функции основного канала управления 5 по каналу задания и возмущения.Оптимизатор 6 заданного значения регулируемой величины по значениям регулщЕуемой величины Х, поступающей с датчика 4, и по значениям внешних параметров т, , ц определяет оп(13)Ч, = К(Х- Х),35Х, = Х + ЕЕэ эгде К - коэффициент пропорциональности,Функцию блока 7 выполняет инерционное (апериодическое) звено с настраиваемой постоянной времени Т.При этом Т также как и коэффицйентпропорциональности К в (13), зависитот инерционных свойств объекта управления,Так как оптимизатор заданного значения регулируемой величины 6 определяет оптимальное заданное значениеХ по (13) без учета ограниченияХХто заданное значение Хрегулируемой величины необходимо ограничивать на пороговом значении Х,причем из-эа наличия неконтролируемых внешних возмущений и инерционности основного канала управления 5 Хдолжно быть меньше Хе., По знаку разности Х- Х, которая вычисляетсяв измерителе 8 рассогласования и поступает на управляющий вход ключа 9,последний переключает свой выход на 5 10 15 20 25 30 тимальное заданное значение регулируемой величины Х , соответствующее экстремуму Функции цели Е = Г(х,гг), т, е.Х = агя ехс Е(х,г,.,Ч)(12)рассчитанная величина сигнала оптимального заданного значения Х поступает в блок 10 защиты, а именно навход блока 7 ограничения скорости изменения заданногозначения регулируемой величины, на другие входы которого поступают сигналы регулируемой величины с выхода датчика 4 заданногозначения Х регулируемой величины хс выхода ключа 9 и порогового значения Х. регулируемой велйчины с выхода сумматора 64 Ограничение скоростиизменения оптимального заданного значения Х на определенном расчетномуровне Х 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 превьесили бы аварийное значениеХч. Блок 7 может осуществлять этуфункциео, например., по зависимостямХ, при Ч - Ч,ОХ =Х приЧ -Ч 0,один из входов, куда поступают сигналы Хс выхода измерителя рассогласования и Х с выхода блока 7, т.е. реализуется зависимостьХ при Х -Х )О,Х1Х при Х-Х О,Изменение интенсивнос(14)о Сигнал Х (г.) с выхода измерителя 14 рассогласования возводится в квад ти, спектрального состава неконтролируемыхвнешних возмущений ц и параметровобъекта 3 управления во времени вызыРвают изменения статистических характеристик случайного процесса Х(Т),что требует и соответствующей настройки порогового заданного значенияХ , по (8, 9),Реализацию этих зависимостей выполняют блок 18 оценки статистическихпараметров регулируемой величины,блок 19 оценки статистических параметров случайной и периодичегкой составляющих, блок 57, блок 42 коррекции порогового заданного значения иизмеритель 62 рассогласования.Блок 18 на скользящем интервалевремени Г оценивает статистическиепараметры регулируемой величины Х .Значения"Х с выхода датчика 4 по-ступают на вход Фильтра 11 низкойчастоты, который усредняет их на интервале.Фильтр низкой частоты выполнен ввиде инерционного звена первого порядка - интегратора, охваченного единичной отрицательной обратной связью,который реализует экспоненциальновзвешенное усреднение по зависимости1+7лХ(с,л, ) =ехр(- - ) Х(е) снеТ Т,+ Х(г. = О); + (15)где Х(г.,) - усредненный на скользящем интервале временисигнал на выходе фильтра;Т в постоянн интегрироваиния (Т = 0,5 );ХИ) - сигнал на входе фильтра,Х(г. = 0) - значение начальных условийна интеграторе.Измеритель 14 рассогласования определяет центрированный относительноХ(й,) случайный процесс Х какразность сигналов Х(С) с выхода датчика 4 и Х(,) с выхода Фильтра 11низкой частоты,23977рат квадратором 16 и усредняется по(15) на Фильтре 12 низкой частоты,сигнал с ввгхода которого являетсяоценкой дисперсии регулируемой величины б на интервале с . Этот же сигнал Хч(С) поступает на вход дифференциатора 15, которввй определяет егопроизводную Х , а квадратор 17 иФильтр 13 низкой частоты определяютоценку дисперсии производной регулируемой .величины (. на интервале ,хСигналы Х(г.), (5, С Х (1) поступают соответственно на первый-четвертый входы блока 19 оценки статистических параметров случайной и периодической составляющих. Блок 19 наскользящем интервале с по зависимостям (3)-(6) определяет оценки статистических параметров случайной п(Г)и периодической 8(С) состанляющих регулируемой величины Х.ЬСигнал Х(с) с первого входа блока 19 возводится в четвертую степень 25 кнадраторами 20 и 21 и усредняетсяпо (15) на Фильтре 26 низкой частоты, сигнал с выхода которого являетсяоценкой четвертого центрального.моментарегулируемой величины на ин тервале . Функции, выполняемые квадратором 22, усилителями 28 и 29, измерителями 33, 34 рассогласования иблоком 37 извлечения квадратногокорня, соответствуют их наименованиям, а очередность их подключения следует из (3) . КоэФФициенты усиленияусилителей 28 и 29 равны соответственно 1/3 и 2. Таким образом, на выходе блока 37 устанавливается сигнал,равный А /2, а на выходе блока 34сигнал, равный оценке дисперсии Сслучайной составляющей п(с) на скользящем интервале с, который поступаетна второй выход блока 19. Сигнал с 4 Б выхода блока 37 проходит через блок38 извлечения квадратного корня иусилитель 30 (с коэффициентом усиления -Г 2), выходной сигнал которого яв- .ляется оценкой амплитуды Аз гармонической составляющей Я(й) на интервалеи поступает на первый выход блока 19Аналогичные преобразования по зависимости (4) происходят на блоках23-25, 27, 31, 32, 35, 36 и 39 с сиг"налами 6 и Х, которые поступаютхна третий и четвертый входы блока 19.На выходе блока 39 извлечения квадратного корня устанавливается сигнал, 9 14 115 авный А/2 = АЕЭ/2, а на выходе йзмерителя 35 рассогласования - сиг- ееал, равный оценке дисперсии производной 5 случайнои составпяющей е 1 еК) на скользящем интервале временикоторыя поступает на третий выход лока 19. Посгее деления сигналазаевф"ре- из блока 40 на сигнал А /е 2 из12лока 38 извлечени 5 е квядрятнОго кОрняблоке 4 е деления на четвертом выеоде блока "19 установится сигнал1 авный оценке частоты а гармоничес"- бкой составляющей Я(й) на интервапе Г.С второго и третьего вь 1 ходов блоеаза 9 сигналы б- и б; поступают на1ервый и второй входй вычислительеого блока 55 которЙ п 1 эи заданныхварийном значении регулируемой вели ины Х, времени усреднеееегя с, и дотустимой вероятности безаварийнойгаботы Ре",е.,) вычисляе.т вклад слу- айной составл 5 ееощей ее(г.) в определе.ие порогового данного значения Х,Блок 63 запоминания аварийногокачения регулируемой веЕеее-еиееее вводитзначение Х,Функции, выпопееяемъеелоком 56 детеееееея блоками 5/, 5 Я извлечения квадратного корн 5,. блоком 60еычисления логариФма, блском 61 умножения и измерителем 62 рассоглалсова ееия соответствуеот сво 55 е:;аимепова":еиям э1,Сигналы А ,еэ , еэ., 555. с первого:)четвертого выходов блока 19 постуееа=едет на одноименные входы блока 42 кор:11 еекции порогового заданного значения,Который при заданнъех значеееиях времеНи осреднения , и допустимой верояте 1 еости безаварийнои работы 1) позависимости (9) вычисляет в;лад пери"Одической .составляющей Б(:) в Определение порогового заданног: значенияЖпо (8).Усилитель 43 вводит козФ:рициент,1 оответствуеощий козФФициенту Ь ре"1 рессии (9), усилитель 44 - козфФй:1 еиенту Ь регрессии (9), Блок запоминания 52 постоянной составляющей:зводит константу, равную Ь 2 хлок 53 запоминайия постоянной составляющей - конСтанту, равную Ь Ь (9), Функции вьеЕеолняемые блоками 45, 46 извлеченияквадратного корня, блоками 47-49,де,ления, блоком 51 умножения и сумматором 54 соогветствуют своим наимеО10 Фар .ул а 1. Адаптивная система управленияпотенциально опасным Объектом, содержащая основной канал управления. оптимизатор, блок защиты, первый, вто-: ,. г.ой и третий Фильтры низкой частоты, ,ьизмеритель рассогласованияциФФеренееиатор первый и второй квадраторы и Вычислительный блок причем Выход основного канала управления сое,цинен с первым входом измерителя рассогласования, с входом первого Фильтра низких частот, с первъем входомблока защиты и входом Оптимизатора,подключенного выходом к второму входублока защиты, выход которого подключен к входу основного канала управления, выход первого Фильтра низкихчастот подключен к второму входу первого измерителя рассогласованеея, выход которого соединен через первыйквадратор с входом второго Фильтранизких частот, а непосредственно -с входом диФФеренциатора, подключенного выходом через второй квадраторк входу третьего Фильтра низких час- Ятот, о т л и ч а ю щ а я с я тем,10 Ф 20 э новациям, а очередность их подключения вытекает из (9). Блок 50 умножения перемножает сигналы (э с выхода блока 45 и С с выхода сумматора 54 по (а).Окончательное Формирование порогового заданного значения Х выполняет сумматор 64, на котором происходит алгебраическое сложение выходных сигналов из блоков 55 и 42,В начальный момент времени при включении объекта 3 управления в ра" боту пороговое заданное значение регулируемой величины Х устанавливается на безопасном уровне, исключающем возникновение аварийной ситуации при наихудцпех реальееъех внешних возмущениях путем установки начальньех усло- . вий на интеграторах Фильтров низкой частоты 12, 13, 26, 27. При накоплении инФормации о случайном процессе Х в течение скользящего интервала времеееее е. значение Хкорректируется блоками 55 и 42 с учетом вероятност"- ееых свойств данного случайного процесса. изобретения что, с целью повьппения надежности системы при наличии в изменениях регулируемой велеечееееы как случайнойтаки периодической составляющей, в нее введены блок оценки статистических параметров, блок коррекции порогового заданного значения и сумматор, выход которого соединен с третьим входом блока защиты, первый вход сумоматора подключен к выходу вычислительного блока, первый вход которого соединен с вторым выходом блока оцен ки статистических параметров и с вторым входом блока коррекции порогового заданного значения, подключенного третьим входом к второму входу вычислительного блока и к третьему выходу 15 блока оценки статистических параметров, первый и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому и четвертому входам блока коррекции порогового заданного значения, 20 выход которого соединен с вторым входом сумматора.2, Система по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что блок оценки статистических параметров содержит шесть 25 квадраторов, два фильтра низкой частоты, четыре измерителя рассогласования, пять усилителей, шесть блоков извлечения квадратного корня и блокделения, причем первый вход блока 30 оценки статистических параметров через последовательно подключенные первый и второй квадраторы, первыйфильтр низкой частоты и первый усилитель соединен с первым входом первого измерителя рассогласования, второй вход которого через третий квадратор соединен с вторым входом блока оценки статистических параметров, а выход первого измерителя рассогласо вания через последовательно соединенные второй усилитель, первый и второй блоки извлечения квадратного кор" ня и третий усилитель соединен с нервым выходом блока оценки статистичес-,4 ких параметров, второй вход которого подключен к первому входу второго измерителя рассогласования, второй вход которого подключен к выходу первого блока, извлечения квадратного корня, а выход второго измерителя рассогласования подключен к второму выходу блока оценки статистических параметров, третий вход которого соединен с первым входом третьего измерителя рассогласования, выход которого соединен с третьим выходом блока оценки статистических параметров, четвертый вход которого через последовательно соединенные четвертый и пятый квадрторы, второй фильтр низкой частоты ичетвертый усилитель соединен с первьм входом четвертого измерителя рассогласования, второй вход которогочерез шестой квадратор соединен стретьим входом блока оценки статистических параметров, а выход четвертого измерителя рассогласования черезпятый усилитель подключен к входутретьего блока извлечения квадратногокорня, выход которого подключен квторому входу третьего измерителярассогласования и через четвертыйблок извлечения квадратного корня -к входу делимого блока деления, входделителя которого соединен с выходомвторого блока извлечения квадратногокорня, выход блока деления соединенс четвертым выходом блока оценки статистических параметров. 3. Система по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что блок коррекции порогового заданного значения содержит два усилителя, два блока извлечения квадратного корня, три блока де" ления, два блока умножения, два блока запоминания постоянной составляющей и сумматор, причем первый вход блока коррекции порогового заданного значения через первый усилитель соединен с входом делимого первого блока деления, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход блока коррекции порогового заданного значения через первый блок извлечения квадратного корня подключен к входу делимого второго блока деления, к входу делителя первого блока деления и первому входу первого блока умножения, третий вход блока коррекции порбгового заданного значения через второй блок извлечения квадратного корня соединен с входом делителя второго блока деления, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения, второй вход которого подключен к четвертому входу блока, коррекции порогового заданного значения, а выход второго блока умножения через второй усилитель подключен к второму входу сумматора, четвертый вход блока коррекции порогового заданного значения соединен с входом делителя третьего блока деления, вход делимого которого соединен с выходом первого блока запоминания пос13 1423977 14 Составитель Е.ВласовТехред И.Дидык Корректор С.Черни Редактор М.Циткина Заказ 4685/49 Тираж 8 бб Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород ул. Проектная, 4 тоянной составляющей, выход третьего бпока деления соединен с третьим входом сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу второго бло 5 Ма запоминания постоянной составляющей, выход сумматора подключен к второму входу первого блока умножения,выход которого соединен с выходомблока коррекции порогового заданногозначения.