Система автоматического управления

(51) 4 Ь 05 В 13/02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Киевский институт автоматикиим. ХХЧ съезда КПСС(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ(57) Изобретение предназначено дляавтоматического управления непрерыв.ными или циклическими процессами,в которых ставится задача минимизациивремени переходных процессов. Цельизобретения - повышение точностиработы системы. Она содержит два генератора тактовых импульсов, управляющих импульсными элементами, последовательно включенные объект управления, релейный элемент, фиксирующеезвено, блок логики, блок деления, эле.мент сравнения, задатчик, а такжедве модели объекта, первая из которых входами связана с входом и выходом объекта, а выходом - с вторымвходом элемента сравнения, а входвторой модели соединен с источникомопорного напряжения, Для достиженияцели дополнительно вводятся последовательно включенные третья модельобъекта, второй блок деления и блокумножения, второй вход которого связан с выходом второй модели, а выходс вторым входом первого блока деления. За счет введенных блоков и связей обеспечивается компенсация несоответствия коэффициентов передач моделей объекта и самого объекта управления. 4 ил, 1275370Изобретение относится к автоматическому управлению непрерывными или полунепрерывными технологическими процессами, для которых ставится задача минимизации времени переходного процесса.Целью изобретения является повышение точности работы системы автоматического управления путем обеспечения компенсации несоответствия ко эффициентов передач моделей объекта управления и самого объекта управления.На фиг, 1 представлена структурная схема системы автоматического управ ления; на фиг, 2 - пример реализации моделей объекта; на фиг. 3 - пример реализации блока логики, на фиг, 4 временные диаграммы работы устройства.Устройство содержит первый 1 и 20 второй 2 генераторы тактовых импульсов, десять импульсных элементов 3-12, четыре источника 13-16 опорных напряжений, первую 17, вторую 18 и третью 19 модели объекта, элемент 25 20 памяти, объект 21 управления, задатчик 22, первый 23 и второй 24 блоки деления, элемент 25 сравнения, блок 26 умножения, логический блок 27, фиксирующее звено 28 и релейный ЗО элемент 29, причем управляющие входы первого 3, второго 4, третьего 5 и четвертого 6 импульсных элементов подключены через одновибраторы к выходу первого генератора 1 тактовых импульсов, а управляющие входы осталь ных - к выходу второго генератора 2 тактовых импульсов, выход логического блока через последовательно соединенные третий импульсный элемент 40 5, фиксирующее звено 28 и релейный элемент 29 подключен к входу объекта 21 управления, первый вход логического блока 27 соединен с выходом первого блока 23 деления, а второй и третий входы логического блока 27 подключены через шестой 8 и седьмой 9 импульсные элементы к третьему 15 и четвертому 16 источникам опорного напряжения, первый вход первого блока деления соединен с выходом элемента 25 сравнения, а второй вход - с выходом блока 26 умножения, входы которого связаны с выходами второго блока 24 деления и второй модели 18 объекта, выход первого генератора тактовых импульсов подключен к шестым входам первой 17 и второй 18 мо делей объекта и к пятому входу третьей модели 19 объекта, выход второго генератора 2 тактовых импульсов соединен с пятыми входами первой 17 и второй 18 моделей объекта, а вход: через четвертый импульсный элемент 6 с первым источником 13 опорного напряжения, второй и третий входы пеРвой модели 17 объекта связаны с входом и выходом объекта 21 управления через первый 3 и второй 4 импульсные элементы соответственно, четвертый вход соединен с выходом второго импульсного элемента 4 через элемент 20 памяти, а выход первой модели 17 объекта соединен с первым входом элемента 25 сравнения, второй вход которого связан с выходом задатчика 22 через восьмой импульсный элемент 10, первый вход третьей модели 19 объекта подключен к выходу первого импульсного элемента 3, а ее выход через десятый импульсный элемент 12 к второму входу второго блока 24 деления, первый вход которого через девятый импульсный элемент 11 подключен к выходу объекта 21 управления, первый вход второй модели 18 объекта соединен с вторым источником 14 опорного напряжения через пятый импульсный элемент 7, причем неназванные номера входов моделей 17-19 объекта не задействованы.Каждая из моделей 17-19 объекта (фиг. 2) содержит четыре ключа 30- 33, четыре сумматора 34-37, четыре усилителя 38-41 и три элемента 42- 44 памяти, причем первый вход модели объектачерез последовательно соединенные первый ключ 30 и первый усилитель 38 подключен к первому входу первого сумматора 34, второй вход через последовательно соединенные второй сумматор 35, второй ключ 31 и второй усилитель 39 подключен к второму входу сумматора 34, третий вход - через последовательно соединенные третий сумматор 36, третий ключ 32 и третий усилитель 40 подключен к третьему входу сумматора 34, четвертый вход через последовательно соединенные четвертый сумматор 37, четвертый ключ 33 и четвертый уси литель подключен к четвертому входу сумматора 34, пятый и шестой входы модели блока объекта соединены соответственно с управляющимивходами ключей 30-33 и с входами сброса эле 1275370ментов 43 и 44 памяти, вход первогоусилителя через первый элемент 42 памяти подключен к второму входу второго сумматора 35, вход третьего усилителя 40 через второй 43 элемент 5памяти - к второму входу четвертого37 сумматора, выход первого 34 сумматора, являющийся выходом моделиобъекта, подключен через третий элемент 44 памяти к второму входу тре Отьего сумматора 36.Логический блок 27 (фиг, 3) содержит два элемента 45 и 46 памяти,четыре элемента 47-50 сравнения,четыре релейных элемента 51-54, инвертор 55, три фиксирующих звена (нулевого порядка) 56-58, четыре ключа59-62, два элемента НЕ 63 и 64,ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 65, два элемента И66 и 67 и элемент ИЛИ 68. Выход первого элемента 45 памяти подключен квходу второго элемента 46 памяти,второму входу первого 47 и первымвходам второго 48, третьего 49 и четвертого 50 элементов сравнения, вход 25первого элемента 45 памяти соединенс первым входом первого элемента 47сравнения, а выход второго элемента46 памяти - с вторым входом второгоэлемента 48 .сравнения, выходы третье го 49 и четвертого 50 элементов сравнения через последовательно соединенные соответствующие релейные элементы и ключи подсоединены к двум входамэлемента ИЛИ 68. Выходы первого 47и второго 48 элементов сравнения подключены к соответствующим релейнымэлементам 51 и 52, выход первого изкоторых через последовательно соединенные инвертор 55, первый 59 и второй 60 ключи связан с третьим входомэлемента ИЛИ 68, Кроме того, выходпервого релейного элемента 51 черезпервый элемент НЕ 63 соединен с одним из входов элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕИЛИ 65, другой вход которого связаннепосредственно с выходом второгорелейного элемента 55, Выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 65 через второйэлемент НЕ 64 подключен к входам пер вого 66 и второго 67 элементов И,вторые входы которых связаны с выходами соответствующих релейных элементов. Выход первого элемента И 66через первое фиксирующее звено 56соединен с управляющим входом первого ключа 59, вторым управляющимвходом третьего 61 и первым четвертого 62 ключей. Аналогично выходвторого элемента И 67 через второефиксирующее звено 57 соединен с управляющим входом второго 60 ключа,первым управляющим входом третьего61 и вторым четвертого 62 ключей, Выход элемента ИЛИ 68 соединен с входомтретьего фиксирующего звена 58,На временной диаграмме работы(фиг. 4) устройства для двух тактовуправления обозначено: 69 - тактовые импульсы первого генератора; 70период срабатывания первого-третьегоимпульсных элементов 3-5; 71 - период срабатывания четвертого импульсного элемента 6; 72 - тактовые импульсы второго генератора 2; 73типичная последовательность импульсов на выходе первой модели 17; 74то же, на выходе второй модели 18;75 - то же, на выходе десятого импульсного элемента 12 76 - то же,на первом входе второго блока 24 деления; 77 - то же, на выходе блока26 умножения, 78 - сигнал на выходезадатчика 22; 79 - последовательностьимпульсов на выходе блока 23 деления,80 - постоянные сигналы на третьей15 и четвертой 16 клеммах опорногонапряжения; 81 - сигнал на выходелогического блока 27.11 осредством первого 82, второго83 и третьего 84 одновибраторовустанавливается период срабатыванияимпульсных элементов 3-12, выполненных, например, на электронных ключах,Система автоматического управленияработает следующим образом,Управление циклами формированиясигнала управления осуществляется генератором 1 тактовых импульсов, асинхронизация работы блоков в течение одного цикла - генератором 2тактовых импульсов.Каждая из моделей 17-19 объектаработает следующим образом. В момент,когда на пятый вход модели поступаеттактовый импульс от генератора тактовых импульсов, срабатывают ключи .30-33. При этом сигнал с первого входа модели поступает через усилитель38 на первый вход первого сумматора 34, а сигналы с второго-четвертого сумматоров 35-37 через соответствующие усилители 39-41 - на второйчетвертый входы первого сумматора34, Кроме того, сигналыс входовпервого 38 и третьего 40 усилителей12753 и выходной сигнал первого сумматора 35 поступают на первый 42, второй 43 и третий 44 элементы памяти соответственно, которые работают с небольшой задержкой, Зафиксированные в элементах памяти величины используются на следующем такте работы (при приходе спедующего тактового импульса). ТАким образом, модель объекта реализует рекуррентное соотно" шение Х( =К, у(1)+К у(1 - 1)+К. Х-1)"(1)15где К К ,К ,К - коэффициенты усиления усилителей 3841Х(1),Х(1 - 1)Х(1-2) -выходы первого сумматора 34 на теку Ощем и двух предшествующих тактахработы;у (1), у (1-1) - сигналы на выходепервого ключа 30 25на текущем и предшествующих тактах,На следующем такте работы сигналХ(з) выступает в качестве Х(1-1),Х(1-2)-ХЦ), у(1)-у(з - 1), Формула(1) реализует дискретную модель динамического звена второго порядка.При необходимости апроксимироватьобъект более высоким порядком описанные модели объекта соединяютсяпоследовательно,Поскольку пятый вход третьей модели 19 объекта подключен к первому генератору 1 тактовых импульсов, который также управляет импульсными эле Оментами 3 и 4, передающими информацию об объекте на входы моделей,третья модель 19 объекта работает вреальном масштабе времени. Пятыевходы первой 17 и второй 18 моделей 45объекта подключены к второму генератору 2 тактовых импульсов, и этимодели работают в ускоренном масштабе времени. Масштабы и размерностьвыходных сигналов всех моделей такие 5 Оже как и на объекте, поскольку в качестве входной используется информация, снятая с входа и выхода объекта 21, 1 оскольку первый вход третьеймодели 19 объекта через первый импульсный элемент 3 связан с входомобъекта 21, на выходе третьей модели,19 объекта получают сигнал, представ 70 Ьляющий собой моде.зьное представление выходной регулируемой координаты объекта. Несоответствие выходных сигналов объекта 21 и модели 19 объектасвидетельствует о несоответствии параметров модели и объекта,Ключи 30-33 третьей модели 19объекта выполнены с задержкой на размыкание, несколько большей задержкиимпульсного элемента 6, Поэтому длительность выходных сигналов (импульсов) третьей модели объекта большая,чем у первой 1 и второй 18 моделей.В первой 17 и второй 18 моделях объекта начальные условия работы устанавливаются на каждом такте работыгенератора 1, посредством шестоговхода моделей ранее установленныезначения сбрасываются. На каждом такте работы первого генератора 1 модели17 и 18 начинают работ. в ускоренном масштабе времени (благодаря генератору 2), прогнозируя поведениеобъекта, При этом первая модуль 17объекта каждый раз начинает своюработу с измеренных координат объекта управ, пения,Логический блок 27 работает следующим образом, На первом входе блока последовательна (с частотой, задаваемой вторым генератором 2 тактовых импульсов) появляются импульсы Е(пз). При поступлении очерецногоимпульса его амплитуда запоминаетсяв первом элементе 45 памяти и сравнивается на первом элементе 47 сравнения с амплитудой предыдущего импульса. В зависимости от того положительная эта разность (последовательность возрастающая) или отрицательная (убывающая) первый релейный элемент 51 вырабатывает сигнал+1 или - 1 (первый - логическая "1",второй - логический н 0 ). Этот сигнал на инверторе 55 изменяется напротивоположный и через нормальнозамкнутые первый 59 и второй 60ключи попадает на схему ИЛИ 68 и фиксируется на третьем фиксирующем элементе 58. Таким образом осуществляется анализ монотонной последовательности импульсов. При приход очередного -го импульса на первыйвход логического блока на первом элементе 47 сравнения вычисззяется разность Й(з.)-Е(з.-1)а на втором элементе 48 - Х(з.-1)-з";(з.-2). Если этиразности имеют разный знак, то этоХ (ш)К(ш) Х (ш)м где ш = 1,2,3.Х(ш)- импульсы, амплитуда которыхравна измеренному на выходеобъекта 21 управления значению.40Полученный сигнал используетсядля корректировки вынужденной (разгонной) составляющей переходногопроцесса посредством блока 26 умножения, на выходе которого получаютимпульсы 77 с амплитудой К(ш). Х(ш),Выходные импульсы Х (ш) первойомодели 17 объекта поступают на входэлемента 25 сравнения, на второй входкоторого поступают импульсы 78, соответствующие сигналу задатчика 22,тактированные вторым генератором 2.На выходе элемента 25, таким образом,получают сигналы Хз-Х (ш), а на выходе первого блока 23 деления - импульсы 79, изменяющиеся по закону, свидетельствует, что величина 2(-1)экстремальная,При этом на обоих выходах элемента ИСКЛ 10 ЧАЮЦЕЕ ИЛИ 65имеются или логические "0", или "1",т,е. на выходе элемента 65 имеетсялогический 0 , а на выходе второгоэлемента НЕ - логическая "1", которая поступает на входы двух элементов И 66 и 67, При этом логическая"1" появляется на выходе первого эле мента И 66, если найденный экстремум - максимум, и выходе второго элемента И 67, если минимум. Соответствующая схема.И через фиксирующее звено 56 или 57 размыкает один из ключей 559 или 60. Это свидетельствует о томчто если найден хоть один экстремум,то.анализ на монотонность не производится. Одновременно соответствующее фиксирующее звено подготавливает 20цепь анализа величины экстремума первое звено 56 замыкает третийключ 61 и размыкает четвертый ключ62, если логическая "1" имеется навыходе второго звена 57, то действие 25обратное,Амплитуда найденного экстремального импульса анализируется на третьем 49 и четвертом 50 элементахсравнения, где она сравнивается с11и Б , соответственно,Такое решение логического блокадает возможность фиксировать всепоявляющиеся экстремальные значенияпоследовательности Й(ш), а подключение логического блока к фиксирующему звену 28 через третий импульсныйэлемент 5 позволяет подавать на релейный элемент 29 результат анализа последнего из найденных экстремумов на текущем цикле управления. Таким образом определяется является литекущий момент времени моментом переключения.Каждый цикл работы системы автоматического управления начинаетсяс выработки генератором 1 тактовогоимпульса 69, который обеспечиваеткратковременное замыкание первого. третьего импульсных элементов 3-5(поз, 70) и более длительное замы "кание четвертого элемента 6 (поз,7 1)В период замыкания четвертого импульсного элемента 6 работает второйгенератор 2 тактовых импульсов 72.Импульсные элементы 3 и 4 и элемент20 памяти обеспечивают установку впервой модели 17 начальных условий,370 8соответствующих текущему состояниюобъекта 21, На первых входах первой17 и второй 13 моделей объекта устанавливаются соответственно нулевой иединичный сигналы управления. Такимобразом, с частотой второго генератора 2 тактовых импульсов на выходахпервой 17 и второй 18 моделей объекта появляются импульсы последовательностей, моделирующих свободное и вынужденное изменения управляемой координаты объекта - Х (ш) и Х (ш),ш = 1,2,3, (поз. 73 и 74),На первый вход третьей модели 19объекта поступают импульсы с входаобъекта управления с частотой первого генератора 1 тактовых импульсов.Таким образом, выход модели 19 объекта представляет собой имитацию изменения управляемой координаты объектапри тех же управляющих Воздействиях,что и на объекте 21 управления. Выход модели 19 объекта посредством десятого.импульсного элемента 12 преобразуется в последовательность импуль-.сов 76 Х (ш) ш = 1,2,3 следующих с частотой второго генератора2 тактовых импульсов. Второй блок24 деления вырабатывает импульсы,соответствующие отношению1275370 10 где тп = 1,2,3,Эти импульсы последовательно поступают на первый вход логического блока 27, на второй и третий входы которого поступают сигналы 80 предельнодопустимых управляющих воздействийБ , Ц , полученные на третьейГпаКСИН15 и четвертой 16 клеммах опорногонапряжения, тактированные шестым 8и седьмым 9 импульсными элементами. тоЛогический блок 27 анализируетпоследовательность й(пт) (тп=1,2,3)на предмет наличия экстремума, Еслинайден экстремум - максимум, величинакоторого больше У , или минимум,меньший Б . , то логический блоквырабатывает противоположный по величине сигнал. Если экстремум не найден, логический блок вырабатывает+1, если последовательность Й(тп) мо Онотонно убывающая, и -1 если возрастающая.На временной диаграмме (фиг, 4)на первом цикле последовательностьЙ(ш) (поз, 79) содержит минимум, который не достигает предела 0,, ана втором цикле величина минимумаменьше У . Соответственно логический,блок 27 изменяет свой выходнойсигнал с+1 нана втором цикле при. ЗОобнаружении экстремума (поз, 81 ь.Когда третий импульсный элемент 5замыкается,на фиксирующее звено 28подается сигнал -1, и релейный элемент 29 устанавливает на входе объ 35екта управления, равное Б, которое поддерживается до тех пор, пока логический блок 27 не выработаетсигнал +1,Анализируя временные диаграммы(Фиг. 4),можно проследить, как происходит компенсация несоответствиякоэффициентов передачи моделей иобъекта управления. Из сравнения импульсов Х(а)(выход третьей модели19 объекта) и импульсов Х(тп), соответствующих измеренному значению управляемой координаты Х (поз. 76),следует, что коэффициент передачимоделей. занижен (меньше реального).Поэтому амплитуда импульсов К(та)Х(ш)больше 1 и в результате умХТш)ножения в блоке 26 последовательностьХ (ш), соответствующая разгоннойФункции модели, скорректирована всторону увеличения (сравнить разгонные функции Хт(ш) на выходе второй модели 18 объекта, поз, 74, и КХ (ш)на выходе блока 26 умножения, поз.77),Хотя импульсы на выходе десятогоимпульсного элемента 12 в течение одного цикла работы второго генератора2 тактовых импульсов имеют одинаковуюамплитуду (поз. 75), а измеряемая координата за это время может измениться (поз. 76), этим изменением можнопренебречь, поскольку время замыкания четвертого импульсного элемента6 незначительно по сравнению с длительностью переходных процессов,Таким образом компенсируется несоответствие коэффициентов передачпри получении разгонной функции модели объекта для свободного движенияобъекта управления или модели (величина коэффициента передачи значения не имеет),Формула изобретения Система автоматического управления, содержащая первый генератор тактовых импульсов, выход которого через первый одновибратор подключен к управ. ляющим входам первого, второго и третьего импульсных элементов, а через второй одновибратор - к управляющему входу четвертого импульсного элемента, второй генератор тактовых импульсов, выход которого через третий одновибратор подключен к управляющим входам пятого, шестого, седьмого и восьмого импульсных элементов, первую и вторую модель объекта, снабженных первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым входами, причем второй вход первой моделии соединен через первый импульс-. ный элемент с входом объекта управления, третий вход - через второй импульсный элемент - с выходом объекта управления и входом элемента па - мяти, выход которого подключен к четвертому входу первой модели объекта, а также система содержит три источника опорного напряжения, логический блок, выхоц которого через последовательно соединенный третий импульсный элемент, Фиксирующее звено и релейный элемент подключен к, входу объекта управления, блок деления, выход которого подключен к первому входу логического блока, элемент сравнения, выход которого под 12753ключен к первому входу блока деления, а первый вход - к вых,ру первой модели объекта, первый источник опорного напряжения через четвертый импульсный элемент подключен к входувторого генератора тактовых импульсов, второй источник опорного напряжения через пятый импульсный элемент соединен с первым входом второй модели объекта, третий и четвер тый источники опорного напряжения соответственно через шестой и седьмой импульсные элементы подключены к второму и третьему входам логическо. го блока, второй вход элемента срав нения через восьмой импульсный элемент соединен с выходом задатчика, пятые входы первой и второй модели объекта соединены с выходом второгогенератора тактовых импульсов, Ц шестые входы - с выходом первого генератора тактовых импульсов, с тл и ч а ю щ а я с я тем, что, с ие 70 12лью повышения точности работы системы, в нее введены третья модель обьекта, девятый и десятый импульсные элементы, второй блок деления и блок умножения, причем первый вход третьей модели объекта соединен с вторым входом первой модели объекта, а пятый вход - с выходом первого генератора тактовых импульсов, управляющие входы девятого и десятого импульсных элементов подключены квыходу .второго генератора тактовых импульсов, первый вход второго блока деления через девятый импульсный элемент соединен с выходом объекта управления, а второй вход через деся".ый импульсный элемент - с выхо;-и третьей модели объекта, входы блока умножения подключены к выходам второго блока деления и второй модели обьекта, а выход. блока умножения соединен с вторым входом первого блоделения.1275370 Ь 7 иг Состави Техред Л ель В.ПешкоСердокова ктор О.Го Корректор Г,Решетник аказ 6558 одписное роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4/37 Тираж ВНИИПИ Государственнпо делам изобрете 113035, Москва, Жго комитета СССРий и открытийРаушская наб.,