Система оптимизации режимов работы объекта

согоэ советснихСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН С 191 ИИ бгг 4 С 05 В 13/02 Я ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Сибирский ордена ТрудовогоКрасного Знамени металлургическийинститут им. Серго Орджоникидзе иКузнецкий ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции, ордена Кутузова 1 степени и ордена ТрудовогоКрасного Знамени металлургическийкомбинат им. В.И.Ленина(56) Авторское свидетельство СССРИф 951237. кл. С 05 В 13/00, 1981.(54) СИСТЕМА ОПТИМИЗАЦИИ РЕгг 1 ИМОВ ЗАБОТИ ОБЪЕКТА(57) Изобретение относится.к технической кибернетике и позволяет повысить быстродеиствие и точность поиска и поддержания оптимальных режимовработы многомерных стохастическихобъектов .управления, подверженныхдействию контролируемых возмущений.В момент. пуска блок планированияэксперимента генерирует входные воздействия согласно матрице насыщенного симплекс-плана, который реалиэуется на объекте управленияСумматор формирует новое значение входного воздействия, координаты новойвершины симплекса путем отражениявершины симплекса, соответствующегонаихудшему отклику. Введение контура, включающего второй датчик, модель и второй сумматор, позволяетпри определении наихудшего отклика,учесть влияние контролируемого возмущения. Это повышает быстродействиеи точность поиска. 9 ил.Изобретение относится к технической кибернетике и предназначено для поддержания оптимальных режимов работы многомерных стохастических объектов управления. 5Объект имеет два действующих аддитивно контролируемых входа: управляемый и неуправляемый, при этом имеется модель объекта по каналу контролируемый (но неуправляемый) вход-выход. Структура й параметры этой модели постоянны при различных значениях управляемого входного воздействия.Цель изобретения - повьппение точности и быстродействщ системы оптимизации режимов работы объекта.На фиг.1 приведена блок-схема системы оптимизации режимов работы объекта; на фиг,2 - структурная схема анализатора выхода объекта; нафиг.З - 20 структурная схема анализатора входа объекта; на фиг.4 - структурная схема переключателя; на фиг.5 - структурная схема первого блока памяти; на фиг.6 - структурная схема второго блока памяти; на фиг,7 - структурная схема блока планирования эксперимента; на фиг,8 - структурная схема первого сумматора; на фиг.9 - структурная схема командного блока. 30Система оптимизации режимов работы объекта (фиг,1) содержит объект 1 управления, вход которого связан с выходом регулятора 2, второй блок 3 памяти, выход которого связан с пер- З 5 вым входом анализатора 4 выхода объекта, анализатор 5 входа объекта выход которого связан с вторым входом первого блока 6 памяти и первым входом сумматора 7, блок 8 планирования 40 эксперимента, выход которого связан с первым входом первого блока 6 памяти и вторым входом командного блока.9, второй датчик 10, выход которого связан с входом модели 11, второй 45 сумматор 12, выход которого связан с вторым входом второго блока 3 памяти, первый вход - с выходом модели 11, а второй вход - с выходом первого датчика 13. 50Устройство и работа системы приведены для К факторов оптимизации.Анализатор выхода объекта 4 (фиг.2) содержит схему выбора максимальной или минимальной из несколь ких переменных 14, К + 1 схем 15 совпадения, К + 1 ключей 16Входы схем выбора максимальной из нескольких переменных 14 и вторые входы схем 15совпадения подключены к первому входу 17 анализатора 4 выхода объекта.Выход схемы выбора максимальной изнескольких переменных 14 соединен спервыми входами схем 5 совпадения,выходы которых соединены с входамиключей 16, управляющие входы которыхподключены к второму входу 18 анализатора выхода объекта, а выходы - кпервому выходу 19 и второму выходу20 анализатора 4 выхода объекта.Анализатор 5 входа объекта(фиг.З) содержит К + 1 генераторовединичных сигналов 21, входы которыхподключены к первому входу 22, а выходы - к выходу 23 анализатора 5 входа объекта,Переключатель (фиг,4) содержитэлемент НЕ 24, первый ключ 25 и второй ключ 26. Вход первого ключа 25связан с первым входом 27, а входвторогоч.ключа 26 - с вторым входом28 переключателя. третий вход 29 переключателя связан с управляющим входом второго ключа 26 и входом элемента НЕ 24, выход которого связан с управляющим входом первого ключа 26.Выход 30 переключателя связан с выходом первого ключа 25 и с выходом второго ключа 26. Первый блок 6 памяти(фиг.5) содержит К + 1 ключей 31,К + 1 ячеек памяти 32, К + 1 звеньевЗЗ запаздывания, К + 1 нормальнозамкнутых реле 34 времени, Входы реле времени связаны с первым входом35 первого блока 6 памяти. Входызвеньев 33 запаздывания связаны свторым входом 36 первого блока 6 памяти, входы клюыей 3 связаны с третьим входом 37 первого блока 6 памяти, Выходы звеньев 33 запаздываниясвязаны с управляющими входами ключей 31, выходы которых связаны с входами ячеек 32 памяти, выходы которыхсвязаны с выходом 38 первого блока 6памяти. Выходы реле 34 связаны с входами ячеек 32 памяти.Второй блок 3 памяти (фиг,6) содержит К + 1 нормально замкнутых реле 39 времени, К + 1 ключей 40,К + 1 ячеек 41 памяти. Управляющие входы ключей 40 связаны с первым входом 42 второго блока 3 памяти. Информационные входы реле 39 и ключей 40 связаны с вторым входом 43 второго блока 3 памяти. Выхо 1260ды реле 39 и ключей 40 связаны с входами ячеек 41 памяти, выходы которых являются выходами 44 второго блока 3 памяти.Блок 8 планирования эксперимента (фиг.7) содержит К + 1 задатчиков 45, подключенных к входам автоматического коммутатора 46, в иод которого является выходом 47 блока 8 планирования эксперимента.Первый сумматор 7 (Фиг.8) содержит К + 1 переключателей 48 (фиг.4), подключенных в обратную сторону, сумматор 49. Первые выходы переключателей 48 соединены с первым входом сумматора 49, вторые выходы - с вторым, третьим , К + 2-м входами сумматора 49, управляющие входы - с первым входом 50, а информационные входы - с вторым входом 51 сумматора 7. Выход сумматора 49 является выходом 52 первого сумматора 7.Командный блок 9 (Фиг.9) содержит переключатель 53 (фиг.4), генератор 54 единичных сигналов (аналогичный генератору 21), мультивибратор 55, счетчик 56, звено 57 запаздывания, переключатель 58 (Фиг.4)Первый и второй вхоДы переключателя 53 являются первым 59 и вторым 60 входами ко- ЗО мандного блока 9. Выход переключателя 53 является первым выходом 61 командного блока 9. Выход генератора 54 единичных сигналов является вторым выходом командного блока 9 д 5Задачей оптимизации является поиск значений факторов, соответствующих экстремуму целевой функции.Работа системы показана на приме- ре задачи поиска минимума целевой 40 функциивВ исходном состоянии на ячейках второго блока 3 памяти и первого блока 6 памяти записаны нули. На первом 59, втором 60 входах (фиг.9) команд ного блока 9, а также на выходах мультивибратора 55, счетчика 56, звена 57 запаздывания, генератора 54 единичных сигналов (Фиг.9) в командном блоке 9, звена 33 запаздывания 50 (Фиг.5), первого блока 6 памяти, генератора 21 единичных сигналов (фиг.3), анализатора 5 входа объекта, а также блока 11 сравнения - нули. Ключи 16 (Фиг.2) анализатора выхода 55 объекта 4, ключи 31 (фиг.5) первого блока 6 памяти, ключи 40 (фиг.6) второго блока 3 памяти закрыты. Лереклю 916 4чатели 53 и 58 (фиг,9) командного блока 9 открыты по второму входы и закрыты по первому.В момент пуска блок планирования эксперимента начинает формировать входные воздействия хсогласно матсрице насыщенного плана (симплекс- план), которые по первоьу входу записываются в первый блок 6 памяти, а также подаются на второй вход командного блока 9.Это происходит следующим образом. В момент пуска автоматический коммутатвр 46 (фиг.7) поочередно подключает задатчики 45 к выходу 47 блока 8 планирования эксперимента через интервалы временипосле чего отключается. Сформированные таким образом сигналы значений х . последовательно1подаются на первый вход 35 (фиг.5) первого блока 6 памяти. Через нормально замкнутые контакты реле 34 времени эти сигналы подаются на вход ячеек 32 памяти первого блока 6 памяти. После размыкания контактов реле 34 времени в моменты времени с, 2 7; (К + 1)с, с начала отсчета происходит запоминание сигналов в ячейках 32 памяти первого блока 6 памяти. Отсчет времени срабатывания реле ведется с момента пуска системы..Сигналы о входных воздействиях х; последовательно подаются на второй вход командного блока 9 и далее через регулятор 2, преобразующий сигналы системы в Физические воздействия, реализуются на объекте управления.Получаемые при этом значения откликов измеряются первым датчиком 13. Сигналы об этих значениях поступают на второй вход второго сумматора 12. Второй датчик 10 измеряет значения контролируемых, но неуправляемых входных воздействий. Сигнал об этих значениях с выхода второго датчика 1 О поступает на вход модели 11В модели рассчитываются оценки эффекталау, влияния на выходную переменную контролируемого, но неуправляемого входного воздействия. Сигнал о значениях этих оценок подается на первый вход второго сумматора 12.Во втором сумматоре 12 происходит вычитание эффектов ь, влияния контролируемого, но неуправляемого входного воздействия из значений откли" ков у;.5 12609лПолученные результаты у. =у. - ь у1 1поступают на второй вход второго блока 3 памяти и записываются в егоячейках.Это происходит следующим образом.Сигналы о значении у, поступают навторой вход 43 (фиг.б) второго блока3 памяти, Далее через нормально замкнутые контакты реле 39 времени этисигналы подаются на вход ячеек 41 10памяти (фиг.б):Реле 39 времени настроены на время срабатывания 1, 27; , (К+1)Т,соответственно и начинают отсчетвремени одновременнр с пуском системы. После размыкания нормально замкнутого контакта реле 39 времени происходит запоминание сигнала о значении отклика в ячейке 41 памяти второго блока 3 памяти, 20Таким образом, исходный план эксперимента реализован. После его реализации во всех ячейках первого блока 6 памяти и второго блока 3 памятизаписаны соответственно значения факторов и откликов. Причем, из значений откликов вычтены эффекты контролируемого, но неуправляемого входного воздействия.После этого командный блок 9 от- ЗОключается по второму входу, а на втором его выходе появляется командныйсигнал. Это происходит следующим образом. Начиная с момента пуска системы мультивибратор 55 (фиг.9) ко- З 5мандного блока 9 генерирует импульсыс периодичностью ,Счетчик 56 (фиг.9) командногоблока 9 считает количество импульсов,сигналы с которых поступают на его 10вход с выхода мультивибратора 55.После генерации К + 1 импульса, аследовательно, после окончания формирования и реализации всех К + 1 воздействий, согласно исходному плану 5эксперимента на выходе счетчика 56появляется управляющий сигнал, который поступает на третий вход переключателя 53 (фиг.9) командного блока9, после чего он закрывается по второму входу и открывается по первому.Управляющий сигнал с выхода счетчика56 через второй вход переключателя58 (фиг.9), который генерирует командный сигнал, поступает на второй 55выход 62 (фиг.9) командного блока 9.Таким образом, командный блок 9отключается по второму входу, а на 16 Ьего втором выходе появляется командный сигнал.Это состояние является исходным для осуществления собственно процесса оптимизации. Начало поиска оптимального режима работы объекта 1 управления начинается в момент подачи командного сигнала с второго выхода командного блока 9 на второй вход анализатора 4 выхода объекта.Этот сигнал дает команду на выделение наихудшего отклика. Сигнал поступает на управляющие входы ключей 16 (фиг,2) в анализаторе 4 выхода объекта и открывает их. На выходе схемы выбора максимальной из нескольких переменных 14 (фиг.2) анализатора 4 выхода объекта формируется сигнал о значении наихудшего отклика лу выбранного из всех значений отокликов у . Сигналы о значении отклилков у, поступают по первому входу 17 (фиг.2). анализатора 4 выхода объекта. Сигнал о значении наихудшего отлклика у, с выхода схемы выбора максимальной из нескольких переменных 4 подается на первые входы схем 15 совпадения (фиг.2). На вторые входы этих схем совпадения поданы сигналыло значениях откликов у.На выходе схемы 15 совпадения, у которой совпали сигналы, поданные на ее входы, появляется управляющий сигнал. Этот сигнал через открытый ключ 16 поступает на первый выход 19 и второй выход 20 (фиг.2) анализатора 4 выхода объекта.Таким образом, анализатор 4 выхода объекта выделил номер наихудшего отклика у . Сиинал о номере наихудшею дго отклика у с второго выхода анаолизатора 4 выхода объекта поступает на первый вход второго блока 3 памяти, При этом в соответствующей ячейке стирается информация об наихудлшем отклике у , Это происходит слеодующим образом. С второго выхода 20 (фиг.2) анализатора 4 выхода объекта сигнал поступает на первый вход 42 (фиг.б) второго блока 3 памяти, открывая соответствующий отклику у ключ 40 (фиг.б). В соответствующей ячейке происходит стирание информации о значении у . Ячейка готова к запоминанию информации, которое про-. исходит при размыкании ключа 40.Сигнал о номере выделенного наилхудшего отклика у с первого выходаанализатора 4 выхода объекта подае - ся на первый вход анализатора 5 входа объекта, в котором происходит выделение значений факторов, соответствующих наихудшему отклику. Это 5 происходит следующим образом. С первого выхода 19 (фиг.2) анализатора 4 выхода объекта сигнал о номере вь 1 деленного наихудшего отклика у посту 10 пает на первый вход 22 (фиг.З) анализатора 5 входа объекта. При этом включается соответствующий номерулнаихудшего отклика у генератор 21оединичных сигналов и на выходе 23 (фиг.З) анализатора 5 входа объекта15 появляется сигнал о номере реализации факторов х соответствующейлнаихудшему отклику у, .Таким образом, анализатор 5 входа70 объекта выделяет номер реализации факторов х , соответствующей наихудшему отклику уСигнал о номере реализации факторов х , соответствующей наихудшему отклику у подается на первый вход первого сумматора 7. На второй выход первого сумматора 7 с выхода первого блока 6 памяти поданы сигналы о значениях всех факторов х . Первый сумматор 7 вычисляет новые значения факторов по формуле2х = - . х + -х.к+о1=1Это происходит следующим образом, 35 На первый вход 50 (фиг.8) первого сумматора 7 поступает сигнал о номере реализации факторов х соответствующей наихудшему отклику у . На второй вход 51 (фиг.8) первого суммато ра 7 поступают сигналы о значении всех факторов х;.На вход одного.из переключателей 48 (Фиг.8) подан сигнал о значениях факторов х,. Сигнал о номере реализации факторов х поступает на управо оляющий вход именно этого переключателя. При этом переключатель переключается на первый выход, и сигнал о значениях Факторов х поступает на 50 первый вход сумматора 49 (Фиг.8). На входы остальных переключателей поданы сигналы о значениях всех факто.ров х . кроме факторов х При поступлении сигнала о номере реализации55 факторов х они переключаются на вторые входы, и сигнал о значении всех Факторов х, кроме факторов х, поступает на остальные входы сумматора 49(фиг.8). Сумматор 49 вычисляет эначения Факторов Х , на следующий шагоптимизации, Таким образом, сумматор7 вычисляет новые значения факторовХна следующий шаг оптимизации.Сигнал о номере реализации факторов Х соответствующей наихудшемулотклику у подается на второй входпервого блока 6 памяти, где информация об этой реализации стирается всоответствующей ячейке, Это происходит следующим образом. С выхода 23(фис.З) анализатора 5 входа объекта сигнал о номере реализации факторов х соответствующей наихудшему откли- кУ Уоо, постУпает на втоРой вход 36 (Фиг,5) первого блока 6 памяти, Далее этот сигнал через звено 33 запаздывания (Фиг,5) поступает на управляющий вход ключа 31 (фиг.5), соответствующего реализации факторов.Время запаздывания звена 33 равноПоступление этого сигнала вызывает открытие ключа 31, соответствующего реализации факторов, и стирание информации об этой реализации н соответствующей ячейке 32 первого блока памяти,Таким образом, информация о реализации Факторов х , соответствующей наихудшему отклику у , стирается во фячейке первого блока 6 памяти.Сигнал о вычисленном значении факторов Х, подается на первый вход командного блока 9 и на третий вход первого блока 6 памяти, где записывается в освободившуюся ячейку.Запись происходит следующим образом.Сигнал о вычисленном значении Х с выхода 52 (фиг.8) первого сумматора 7 подается по третьему входу 37 1 Фиг.5) первого блока 6 памяти и открытому ключу 31 в свободную ячейку 32 ( Фиг,5) первого блока 6 памяти и записывается в ней.Таким образом, в первый блок памяти записан сигнал о значении вычисленных Факторов Х Этот же сигнал подан также на первый вход командного блока 9.Через первый вход командного блока 9 сигнал о значении Х подается на вход регулятора 2 и реализуется на объекте 1 управления. Отклик упоступает на второй вход второго сумматора и после вычитания из него эф12609 9фекта влияния контролируемого, нонеуправляемого входного воздействиязаписывается в свободной ячейке второго блока памяти. На этом первыйшаг поиска оптимального режима закан 5чивается, Последующие итерации осуществляются аналогично первой, начиная с подачи командного сигнала свторого выхода командного блока 9 навторой вход анализатора 4 выхода объекта.Командный сигнал формируется следующим образом,После реализации исходного планаэксперимента и одновременно генера-ции мультивибратором 55 (фиг.9)К + 1 импульса на выходе счетчика 56формируется управляющий сигнал. Этотсигнал поступает на вход звена57 запаздывания (фиг.9), время 20запаздывания которого(( , ),С выхода звена 57 запаздываниясигнал поступает на третий входпереключателя 58, после чего он5закрывается по второму входу и откры-вается по первому. При этом, на входгенератора 54 единичных сигналов подключается мультивибратор 55. С выходамультивибратора 65, генерирующего им 10пульсы с периодичностью 7 черезпервый вход переключателя 58 сигнало импульсе поступает на вход генератора 54 единичных сигналов. На выходе генератора 54 единичных сигналовс периодичностью 1, (т.е. после каждой итерации) формируется командныйсигнал, поступающий на второй вход62 (фиг.9) командного блока 9.Таким образом, в процессе работысистемы осуществляется отражение40симплекса и происходит последовательное улучшение отклика. поскольку привыделении наихудшего отклика учитывается эффект влияния контролируемого, но неуправляемого входного воз 45действия, то по сравнению с прототипом, уменьшается ошибка при выборенаправления движения симплекса. Следовательно, уменьшается отклонениенаправления смещения симплекса отнаправления градиента функции отклика и повьппается скорость поиска. Потой же причине повышается точностьнахождения экстремума целевой функции.В окрестностях экстремума симплекс совершает колебательные движе. -ния. Если оптимальная область объек 16 1 Отивно дрейфует, система отслеживает этот дрейф.Система может быть выполнена на унифицированных элементах, ключах, ячейках памяти, схемах совпадения, коммутаторах, логических элементах, мультивибраторах, счетчиках, звеньях запаздывания, сумматорах и задатчиках.3Таким образом, введение в систему оптимизации режимов работы объекта первого датчика 13, второго датчика 1 О, модели 11 и второго сумматора 12 позволяет снизить ошибку при определении наихудшего отклика, а следовательно, и при выборе направления движения симплекса. Это позволяет, по сравнению с прототипом, повысить быстродействие системы и точность локализации экстремума.Эффективность предлагаемой системы исследуется применительно к периоду чистого кипения мартеновской плавки экспериментальн,щ путем, а также методом имитационного моделирования. Целью оптимизации является определение расходов топлива и газообразных кислородоносителей, обеспечивающих максимальную скорость нагрева металла, Для этой задачи контролируемыми, но неуправляемыми входными воздействиями (возмущениями) являются присадки в мартеновскую печь сыпучих материалов с целью придания необходимых свойств шлаку.1Формула изобретенияСистема оптимизации режимов рабо-,ты объекта, содержащая гервый блок памяти и блок планирования эксперимента, последовательно соединенные второй блок памяти, анализатор выхода объекта, анализатор входа объекта, первый сумматор, командный блок и регулятор, причем выход блока планирования эксперимента связан с вторым входом командного блока и первым входом первого блока памяти, выход анализатора входа объекта связан с вторым входом первого блока памяти, выход которого связан с вторым входом анализатора входа объекта и вторым входом первого сумматора, выход которого связан с третьим входом первого.блока памяти, второй выход командного блока связан с вторым входом анализатора выхода объекта, второй вы12 260916 18 78 18 ход которого связан с первым входом второго блока памяти, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия системы, в нее введены первый датчик, пос ледовательно соединенные второй датчик, модель и второй сумматор, выход которого связан с вторым входом второго блока памяти, а второй вход второго сумматора связан с выходом первого датчика, вход которого связан свыходом объекта управления, вход второго датчика связан с вторым входомобъекта управления.1260916 оставитель А.Лащехред А.Кравчук орректор О.Лугова едактор И.Касарда каз 5230/4 писное д. 4/5 роизводственно-полиграйическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Тираж ИИПИ Государ по делам из 035, Москва 836венного комитета СССРретений и открытийЖ, Раушская наб.,