Адаптивная система управления для объектов с запаздыванием

9)1) А,В 13 02 4 (51) Ши ии00, 1971во СССР1979.во СССР02, 1983 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(54)(57) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ, содержащая задатчик коэффициентов, последовательно соединенные задатчик, сравнивающий элемент, регулятор, блок задержки ипервую модель объекта управления,а также вторую модель объекта, первый вход которой соединен с выходомрегулятора, со входом объекта уп"равления и с первым входом блоказаде 1 йкки, а выход - со вторым входом сравнивающего элемента, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с цельюповьппения точности системы, внее введены первое дифференцирующее устройство и последовательносоединенные генератор импульсов,счетчик, пороговое устройство,второе дифференцирующее устройство, блок управления задержкой и таймер, вход первого дифференцирующегоустройства соединен с выходом объекта управления и первым входом порогового устройства, а выход - совторым входом блока управления задержкой, второй вход порогового устройства соединен с выходом первоймодели объекта управления и входомвторого дифференцирующего устройства, выход порогового устройствасоединен с первым входом счетчика,второй вход которого соединен сзадатчиком коэффициентов, третийвход - с генератором импульсов, четвертый вход - с выходом таймера,а выход - со вторыми входами первой и второй моделей объекта, входтаймера соединен со вторым выходомблбка управления задержкой, первыйвыход которого соединен со вторымвходом блока задержки, первый вход -с выходом второго дифференцирукщего устройства, а третий вход " совторым выходом блока задержки.средств, а также невозможностькоррекции времени задержки, чтоснижает точность регулирования.Наиболее близкой к предлагаемой З 0по технической сущности являетсяадаптивная система управления дляобъектов с запаздыванием, содержащаязадатчик коэффициентов усиления,последовательно соединенные задатчик, сравнивающий элемент, регулятор,блок задержки и первую модель объекта, а также вторую модель объектапервый вход которой соединен свыходом регулятора, входом объектауправления и первым входом блоказадержки, а выход - со вторым входомсравнивающего элемента (31.Система позволяет оперативно подстраивать коэффициент усиления моделей объекта управления,Уравнение динамики любого линейного звена с запаздыванием имеет 0(р)Х - К(р) х,е- выходной сигнал, входной сигнал," время задержки,Изобретение относится к системам автоматического управления объектами с запаздыванием, параметры которых неизвестны или меняются во времени, в частности параметрами 5 биологических объектов, а такжеможет быть использовано в металлургической и других отраслях промышленности.Известна система управления объек О тами с запаздыванием, содержащая основиой контур регулирования, модель объекта без запаздывания и элемент запаздывания 1 .Недостатком известной системы 15 является ухудшение качества регулирования при изменении во времени параметров объекта управления.Известна система управления для объектов с запаздыванием, позволяю щая регулировать коэффициент усиления модели объекта регулирования 21,Недостатком данной системы является использование поискового алгоритма подстройки, что требует при менения сложных вычислительных 8(р)- передаточная функция цЯ(Р)звена без запаздывания,Известная система производит коррекцию коэффициента передачи модели по отклонению выходных сигналов модели и объекта регулирования,УО(Р) =а (Р К, (3)Мгде К - коэффициент коррекции,- выходной сигнал объектарегулирования;Х гм выходной сигнал модели; В О 1 Рь Р 1 - передаточные функцииобъекта и модели.допустим, что М (щ (Р 1= Ф (Р), а вре" мя задержки объекта изменилось и стало равным+ 6, Согласно выражению (3) коэффициент коррекции имеет вид Блок подстройки согласно коэффициенту по выражению (4) изменит коэффициент передачи модели, что приведет к ошибке регулирования,Учитывая, что р =Ю, где Ыкруговая частота входящего сигнала,то с ростом Я ошибка (4) регулирования возрастает.Следовательно, недостатком известной системы является снижениеточности регулирования при изменении времени задержки объекта управления, что особенно сильно проявляется при наличии высокочастотных составляющих сигнала управления.Целью изобретения является повышение точности регулирования.Поставленная цель достигается тем, что система, содержащая эадатчик коэффициентов усиления, последовательно соединенные задатчик, сравнивающий элемент, регулятор, блок задержки и первую модель объекта управления, а также вторую модель объекта, первый вход которой соединен с выходом регулятора, со входом объекта управления и первым входом блока задержки, а выход - со вторым входом сравнивающего элемента, дополнительно содержит первое дифференцирующее устройство и последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик, пороговое устройство, второе дифферекцирующее устройство, блок управления задержкойи таймер, вход первого дифферекцирующего устройства соединен свыходом объекта управления и первымвходе порогового устройстваа выходсо вторым входом блока управлениязадержкой, второй вход пороговогоустройства соединен с выходом первой модели объекта управления ивходом второго дифференцирующегоустройства, выход порогового устрой.ства соединен с первым входом счетчика, второй вход которо"с соединензадатчиком коэффициентов, третийвхоц - " генератором импульсов,четвертый вход - с выходом таймера,а выход -. со вторыми входами первой и второй моделей объекта, входтаймера соединен со вторым выходомблока управления задержкой, первыйвыход которого сседикек со вторымвходом блока задержки, первый вход -с выходом второго дифференцирующегоустройства, а третий вход - со вторым выходом блока задержки.Б основу работы гдаптивкойсистемы положен принцип непрерывкой адаптации коэффициента усилениядвух могелей объекта управленияс запаздыванием и без запаздыванияза счет поддержания равенства сигналов на выходах объекта и модели сзапаздываниемизменением коэффициента усиления моделиХ - к Х, -"Огде Хоь - сигнал ка выходе объекта,Х и - сигнал на выходе модели1(= чанг - коэффициент усилениямое лии 9и принцип адаптации времени задержки модели объекта за счет непрерывного контроля моментов возникновения переходных процессов на выходахобъекта управления и модели, т,е.сравнения момечтов времени, в кото 13 Ьисуществует вторая гроиззодная выход 1 Хкых сигналов иЗ,Для контроля выбрана вторая произ:5 бводная, ,исходя из того что представляет собой короткие импульсы,всзкикающие только в момент началаперехсдкых процессов, в осталькоевремя Ока панка кулюНа фиг. 1 представлена структурнаясхема аредла аемой адаптивной системы, на фиг, 2 - структурная схема блока задержки, на фиг. 3 - структурная схема блока управления задержкой, на фиг. 4. - диаграммы вы,одкых сигналов; а - объекта управления; 8 - первого дифференцирующего устройства; ц - первой моделиобъекта; г - второго дифференцирующего устройства;- на управляющем вхоце счетчика рассогласования задержки,Адаптивная система управления(фиг. 1) для объектов с запаздываниемссцержит задатчик 1 коэффициентов усиления, задатчик 2, сравнивающий зле;акт 3, регулятср 4, объект управле".,ня 5, блок задержки 6, первую модельобъекта 7, вторую модель объекта 8,первое дифференцирующее устройство 9,генератор импульсов 10, счетчик 11,пороговое устройство 12, второе дифференцирующее устройство 13, блокуправления задержкой 14, таймер 5.Блок задержки (фиг. 2) включаетв себя аналого-цифровой преобразователь 16, запоминающее устройство 17,генератор 18, счетчик. 19 адресов,мул ткплексор 20 вычитающее устрой тго 21, цифроаналоговый преобразователь 22.Блок управления задержкой (фиг,3)содержит регистр 23, задатчик 24времени задержки, сумматор 25,=хемы И 26 и 2, счетчик 28 времени рассогласования задержки, счетчик9. триггер 30 и схемы ИЛИ 31 и 32.Известные устройства, задатчиксравнивающий элемент 3, регулятори модели объекта 7 и 8 выполняютте же функции, что и в прототипе,Блок 6 задержки сигналов регулятора 4 управляемый. Он может быть выполнен как в аналоговом варианте, такл ; цифровом. В случае аналоговоговарианта ок может представлятьсобой ультЬозвуковую линию задержки с регулируемой характеристикой.На фиг. 2 представлен цифровойвариант блока задержки, как болеепредпочтительный, так как обладаетбольшими возможностями (задержкасигнала мажет быть реализована любойдлительности). Аналого-цифровойпреобразователь 16 преобразует входксй сигнал с регулятора 4 (фиг. 1)в цифровой и передает на информационный вход запоминающего устройства 17 (фиг, 2). Запоминающееустройство 17 переходит в режимзапсн при сигнале логическаяна управляющем входе и в режим считывания при сигнале логический "0",поступаюцих с выхода генератора 18.Устройство 17 запоминает входнойсигнал по адресам, вырабатываемымсчетчиком 19. При частоте г генератора 18 в запоминающем устройстве17 будет представлен сигнал в дискретном видех(Д = х ( М,1),где Т=1 - адрес запоминающегоустройства.Мультиплексор 20 подключает к15 адресным входам запоминаютего устройства 17 выход счетчика 19 или вычитаю- щего устройства 21 в зависимости от сигнала на выходе генератора 18: при сигнале логическая "1" подключается счетчик 19, при сигнале "д" выход вычитающего устройства 21. Вь- читающее устройство 21 вычитает из значения адреса запоминающего устройства 17, в который записалось текущее значение входного сигнала, код, пропорциональный времени задер,.- ки 1, поступающий с выхода блока 14 (фиг. 1) управления запержкой, Полученный результат вычисления на вьгходе устройства 21 через мультиплексор 20 (в момент логического "0 на выходе генератора 18) подключается к адресному входу запоминающего устройства 17, из которого считывается информация 1 И, -1, а входном 35 сигнале в момент времени гг - .з, Считанный из запоминающего устройства 1; задержанный сигнал преобразуется цифроаналоговым преобразователем 22 в аналоговую форму и пода О ется на вход первой модели 7 (фиг.1),. При переполнении памяти 17 (фиг.2) запись входного сигнала начинается с первого адреса, т.е, процесс идет циклически. Второй вход вычитаюгцего 45 устройства 21 является управляющим выходом блока 14 (фиг. 1), выход генератора 18 (Фиг, 2) является входом генератора блока 14 (Фиг. 1),Дифференцирующие устройства 9 и 13 (фиг. 1) дважды дифференцируют сигналы с выхода объекта 5 управления и его модели 7, выделяя начало переходных процессов (фиг. 48, ц ) в 55 выходньгх сигналах (Фиг. 4 О, Ъ ) и передают их на управляющие входыблока 14 управления задержкой. блок управления задержкой 14устраняет рассогласование времени задержки объекта управления и модели путем измерения времени междуимпульсами с выходов дифференцируюгцих устройств 9 и 13. Регистр 23хранит величину времени задержки,которая в начальный момент записывается с задатчика 24 задержки, а впроцессе работы с выхода сумматора 25 по переднему Фронту импульсас выхода элемента И 26. Счетчик 28времени рассогласования задержкисчитает импульсы с выхода генератора 18 блока задержки по сигналуразреиения с первого выхода счетчика 29 и выдает их на второй входсумматора 25. Установка счетчиков28 и 29 в "0" происходит по заднемуфронту импульса с выхода элементов26 или 27 через схему ИЛИ 32, Сумматор 25 производит операцию сложения сигналов с выходов регистра23 и счетчика 28, или их вычитания в зависимости от управляющегосигнала с единичного выхода триггера 30, Сложение происходит приуправляющем сигнале равном логической 1", вычитание - при логическом1оСложение, т.е. увеличейие времени задержки, производится в томслучае, если первым на входы элемента 31 поступает импульс с выходавторого дифференцирующего устройства 13; вычитание, т.е. уменьшениевремени задержки модели, производится при поступлении первым импульса с выхода первого дифференцирующего устройства 9, В том случае,если импульсы с выходов устройств9 и 13 поступают на элементы 27 и 31блока управления задержкой одновременно, т.е. перекрываются во времени, то элемент И 27 формирует сигнал,по заднему фронту которого счетчики 28 и 29 и триггер 30 устанавливаются в нулевое положение,Счетчик 29 считает два последовательных импульса, поступающих черезэлемент ИЛИ 31 с дифференцирующихустройств 9 и 13. При поступлениипервого импульса сигнал появляетсяна первом выходе счетчика 29, припоступлении второго импульса - навтором его выходе. При поступлениипервого импульса на вход элементаИЛИ 31, например, с выхода первого11 б 1917 Пороговое устройство 12 сравнивает уровни выходных сигналов объекта5 управления и первой модели 7. На5вьжоде устройства 12 формируются сигналы, свидетельствующие о результатесравнения:а) уровень сигнала объекта вышеуровня сигнала модели,20б) равенство уровней сигналов1в) уровень сигнала объекта нижеуровня сигнала модели.Эти сигналы могут быть уровнями напряжения: а) + 5 В, б) 0 В, в) - 5 В.Счетчик 11 реверсивный, с параллельной записью информации, предназначен для хранения текущего значениякоэффициента усиления моделей 7 и 8.Начальная установка коэффициента усиления производится с задатчика 1 коэффициентов. В процессе работы счетчик 11 в зависимости от сигналовна входе управления с выхода порогового устройства 12 увеличивает содержимое или уменьшает путем счета;импульсов генератора 10 или их вычитания. При сигнале + 5 В с выходаустройства 12 (уровень сигнала объекта 5 выше сигнала модели 7) счетчик11 прибавляет к своему содержимомуимпульсы генератора 10, тем самымувеличивая коэффициент усилениямоделей 7 и 8. При сигнале 0 В (уровень сигналов объекта 5 и модели7 одинаковы), который запрещает счетимпульсов генератора 10, счетчик11 своего состояния не изменяет, апри сигнале -5 В (уровень сигналаобъекта ниже модели) вычитает изсодержимого импульсы генератора 10,уменьшая коэффициент усиления, пока на выходе схемы 12 появится сигналравенства уровней. Счетчик 11 неизменяет своего состояния при любыясигналах управления в случае поступления на разрешающий вход сигналазапрета работы с выхода таймера 15.Таймер 15 предназначен для выуаботки сигнала запрета изменения дифференцирующего устройства 9 напервом выходе счетчика 29 появляется логическая "1", поступающая навход разрешения счета счетчика 28и стробирующий вход триггера 30. Втриггер 30 с выхода второго дифференцирующего устройства 13 записывается "0", т.е. на единичном выхо.де появляется (или подтверждается)11 111 Ологический О , который устанавливает сумматор 25 в режим вычитания.Счетчик 28 начинает считать импульсы с выхода генератора 18 блоказадержки. Сумматор 25 вычитает нзинформации регистра 23, в котором1хранится текущее время задержки 1,информацию на выходе счетчика 28н передает на информационный входрегистра 23. При появлении импульса на выходе второго дифференцирующего устройства 13 на первом выхо"де счетчика 29 появляется логический "0", а на втором - " 1". Счетчик28 прекращает считать импульсыгенератора 18. В этот момент кодв счетчике 28 пропорционален времени 65 между импульсами на вьжодахустройств 9 и 13ьъ -в,где 1 - количество. импульсов;ЭО- перчод импульсов,т.е. рассогласованию д 1 Э временизадержки объекта управления и моделикоторое вычитается сумматором 25 извремени задержки 15 , хранимом в ре гистре 23, и передается на информационный вход регистра 23т, э =Э- Э.Схема И 26 по сигналам со второго выхода счетчика 29 и выхода схемы ИЛИ 31 формирует сигнал, по переднему флонту которого запускаетсятаймер 15, в регистр 23 записывает.3. 1ся значение ъЭ времени задержки, апо заднему фронту происходит уставовка .в нулевое состояние счетчиков28 и 29 и триггера 30.В том случае, если на входы схемы ИЛИ 31 первым поступает импульсс вьжода второго дифференцирующего 50устройства 13, который также поступает и на информационный вход триггера 30, при появлении логической "1"на первом выходе счетчика 29 в триггер 30 записывается "1" и на управляющий вход устройства.25 поступаетсигнал, устанавливающий его в режимсуммирования, К моменту прихода импульса с выхода первого дифферспцирующего устройства 9 на информаионном входе регистра 23 (Фиг. 3) будет код, пропорциональный новому времени задержкифъ=Э+Ь ЭВыход триггера 30 является управляющим выходом блока 14, счетный вход счетчика 28 является входом генератора блока 14.состояния счеттика 11 при коррек-.ЦИИ 3 РЕМЕЦИ ЗаДЕРжКИ Ца МЯКСИМ:3 ЛЬЦОЕ время переходных:113 оцессотт Б объекте 5 и моде:и 7, Бызвяцтцзх этой 1(оррет(- цией,Работа адаптивной систем упряв,(1 Рния Осуптствттяесл Г пседуют 15 Обттязом,В счетчи:с 11 с зяг(тчт(Я 1 к( эф -(ЬИЦИЕ 11 ТОБ , Ст.Л(.1 И 51 Зсэ 1 ЗСтттттсяЕТС 5 Нс -тсяГЬ 30 Е ЗЦЯЧ(т(ИЕ КО 3 ффЦИЦЕ Гг ттСЛЕНИя, В рЕГИСтр 23 б:тот(я (И-,тяц:Ец(5ЗадЕржКОЙ С ЗядаТЧИКЯ 2/т 3; р Рржт(цЗаПИСЫВЯЕГСЯ На -ЯЛЬЦОР Зття Стпттт БРРМЕЦИ ЗЯТЭР 3(К 1, К(3 Д С Бг,тХОГтяг Стот тттт -ка 11 гоступяет я и чте Ги 7 ц 8УС Тстца БЛИБс 1 РТ ИХ 3 ЭЕЬ(Ь 111 тст ТЕ/С 3 Л "НИ 51. 3(од С 13 ыхотя ттаИГ.ТГтя 23ПрОПОрцИОс 1;Ьцы;1 Бр(1(3331 Заде ттжКИ,ПОГ 7 УГсЕт НЯ БХОД 13 ЕЛЧГЯЮЦРГО ."С 5330 й т(/ства 21 блока задержки , В зя-омицяюее устр(тйс (во 17 Гто ",тросам счет 53".я19, рябОтахяяСГО цИКЛИС.С "ц, 3 я(ттсывается прсобрязовя и ый Ят:Ягоггг -т 5 гттро гтттм Гр (т (3 б 13;тз 013 Я 7(ьтто: 1 О с: г и 3;Х (т С БЫХО;1 Я р(3 Гуттят 013 Я Ст.,", .т 3Яцртесов ус 3(тйстч 37 т 1.,2) .гци Ц 3 т Т Ь 1 Х Ст Т 110 С И Т (Л Ь и 0 Т Г К т тяп с(т,"3 Ц Г . "4ЗаДЕРжКИ - д, Стцттыцассгтт СЦ. ЦЯ 3,33( 3,5 ЧЕ 3 Г 3 и 3(тоя 1 ятС 1, ттцт Г;т; С,раЗОГ,ПТЕЛЬ 2 ПЕРЕ;т(ется -., я . тС;вой моделт; 7 .135 И.3 ЕНСНИИ И:ттт Зя/тя Итти Сттг 3"ИЯ ця 13 тХ(3 Р 3 ядат 1 К( Гя .,11,тт- ц,цй ЭЛЕМЕ Г 3 т ЫЛЯЕТ И(т.,;3(ц, 370 р СИГНал РЯГСОГЛЯ( ОБЯЦИЛт т(0: 053 Ей тМ ОТ 13 ябят 1 цсРТС 5 г1.ртт 1 я 13(тТ 33 З ПараМЕтрОВ ОбЪЕК Гт уГртгттлетии модели (казффптцептоц уст;Р 3151И ВРЕМЕИ ЗЯДЕРЛ(К 1) СИ: Цал Г Б;г(.гпя второй мо 3 Р и 8 бует и ц ть 3;тг- тя КОБО С ЗттсБЕс С 1 гтттХОЬц: ггИ Ест" ЛОМ ОбЪСЕКтя Э и МОПЕГтц 7 ссОБтБ 13(М 51 ".Зягтязгтвтзя НИ 5 В тс гатт гЕ Вр:нЛЕНИ РЕГУЛЦРОБаЦИЯ УРОБН ИГЦ;тля г:1 а ВтХоття 3, "Стб (тт(тя 5 уЕЭ;т гтетттттМОДЕЛИ / ОДЦят 013 Ы Г(Это 3 ЕГ БЫКО- .тгЕ ПОрОГООГО уСтр(ИСТГ.Я 1 Ит.нсутствует сцгЯл Равен(с л 5 гт "ей11 счет-:итс 1те изметтлет стт 3 го ."т 3состояния, т, е. коэфаттщттент уси.1 С НИ 51 1 Е 13 тР НЛ ЕТСЯ гД БЫХО тат( дифференцитруюг 5 х устройств 9 и 13МОМЕНТЫ ИЗМЕНСтЯ СКСрос 7 ц ттс РаСтаНЦЯ Итп СиаДа Ст:ГЦЯЛОБ Ца т 3 Ы,( ХОдяХ ОбЪЕКта " т МОдЕЛ / ттьттт 3 гт;т, -2Д хсы - " - и " . Олтз 3 яют(.л одцоврс(3 . с (тет 1(3 ц черо.3 эле 3 ецт 1( 27 подтвержГЯЮ т туЛЕ 30(т тостоя 1 Итя СЧЕТЧИКОБ/т .3 .,Г (353333 Гцтт;и; -И , 30 1 ттттт;1 От 3.1(3 Цблттт гч тт -- ,Я т. 3., (3 т - ,;. тЦ Р; т т.т,т-Лт:т.:3 ст С 5 Р(.;:(1. т С 31 ЭЖЕ 3 итт ИЗи ВЧЦгги; у(:тртйствя 25. Г прихо,.ом БтстэоЦ И 1.,;.ЬС Я СИТ т.ЯЛ РЯ СС ОГЛсГОБ с. Цття,ит(яггтттт 3 ясмьй сеет и;ком 28, ск.,я 3",Р."С С ЕКУП 1 М БР("1 ЕЕм За,БРК к 1 тг г ИС Тря 23 тт:тц БЫЧ 11 яЕТСЛ тзГо И тлтотГ(гтЕ 11 Ьй РЕЗУЛЬТят;, РСПЦСЫ- г;с.тся Б 3 ег 1 сь 33:. г.ОБОГ знячР ттт(:3 БЕ 1.3 НИ За 3 Е 3 жт(Ц ПОСТУПаст тг= ц,иявее устрой(.тво 1 блока зяГс -тг. 3 - . и -, т Гтт - т Я гт Ет( БттттХ 0 в (т тттт(3105 гт-Т 5 РТС 5 Г 0 Гк отте К .РОГ Цттот";"дер.П(ой. 1 тгэтт(3(3 тр:т П( тяцттЗ(да ТЧ;т(тгтГтт.гттагт;,:т;т - ттЕ,Еттт 3, О(Гтсятзтор ЧтоцЕ 3 т Г И 8) ГЕЫЕО 33 НяЮ ТСЛ Тст Кими3 Е Кят тт ПрС 0 т.г 1 Е110 ро ГОБ;т тСтро,т .т(то 1 2 дттт(13 фЕ- рзГщтэу(3 ЦИР уст 530 йст 3 ят 9 и 3 моту б,:т, реализованы ця базе Опевяттцоцных усилителей К 140 серии по известным схемам.Запоминающее устройство 17 может быть реализовано на базе оперативного запоминающего устройства К 185серии. Остальные цифровые устройства реализуются на элементах К 564 серии. Технико-экономические преимущества 10 предлагаемой системы по сравнению с базовым объектом выражаются в повышении точности регулирования, особенно в области высоких частот, за счет адаптации времени задержки модели 15 объекта при одинаковых затратахна элементную базу. Действительно, базовый объект содержит сложное 3 устройство подстройки коэффициента усиления, так как в него входят слож ные блоки: аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, деления и умножения, ко торые содержат большое количество элементов (особенно блоки деления и умножения). Предлагаемая система при повышенной точности регулирования содержит меньшее количество элементов. Так, например, один блок . деления чисел в цифровой форме содержит больше элементов, чем блок управления задержкой предлагаемого устройства. В то же время устрой" ство задержки базового объекта при временах задержки более 1 с должно быть цифровым, т.е. практически таким же как в предлагаемой системе.Таким образом, предлагаемая адаптивная система управления для объектов с запаздыванием позволяет повысить точность регулирования за счет непрерывной полной адаптации параметров модели (коэффициента усиления и времени задержки).