Адаптивная система управления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 5 В 13 0 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ амоескогозо вано ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Ворошиловградский филиал Государственного проектно-конструкторского и научно-исследовательского института по автоматизации угольной промышленности "Гипроуглеавтоматизация"(56) Авторское свидетельство СССР У 983649, кл О 05 В 13/02, 1982.Авторское свидетельство СССР 9 1257607, кл. 0 05 В 13/00, 1984. (54 ) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к с обучающимся системам автоматич управления и может быть исполь для управления объектом с транспортным запаздыванием и возмущающими воздействиями типа смесей, например, для автоматического управления процессами добычи и обогащения угля. Цель изобретения - повышение точности системы, Система срдержит объект ф управления 1, датчик возмущающего воздействия 2, блок управления 3, два ключа 4 и 5, два сумматора 6, 14, статическую модель 7,.два элемента сравнения 8, 11, регулятор 9, датчик выходной координаты 10, корректирующий регулятор 12, задатчик выходной координаты 13, генератор случайного сигнала 15, блоки выделения минимума 16 и максимума 17 управляющего ф воздействия с эадатчиками 18, 19.1361502 Изобретение относится к самообучающимся системам автоматическогоуправления и может быть использованодля управления объектами с транспортным запаздыванием и возмущающими воздействиями типа смесей сыпучих материалов, например, для автоматического управления процессами добычи иобогащения угля.Цель -повьпление точностй системы.На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 -функциональная схема блока управления; на фиг.3 - функциональная схемагенератора случайного сигнала; нафиг.4 - совместная плотность распределения вероятности возмуц 1 ающего воздействия,Адаптивная система управления содержит объект 1 управления (в объектуправления включен исполнительныйорган), датчик 2 воэмуцаюц 1 его воздействия, подключенный к входу блока3 управления, первый и второй выходыкоторого через первый 4 и второй 5ключи подключены к входам сумматора6, выход последнего через последовательно включенные статическую модель7 объекта управления, первый элемент8 сравнения и регулятор 9 подключенк управляющему входу объекта 1 управления, Выход последнего через последовательно включенные датчик 10 выходной координаты, второй элемент 11сравнения подключен к входу корректирующего регулятора 12. К второмувходу элемента 1.1 сравнения подключен выход задатчика 13 выходной координаты, Выход регулятора 12. соединенс первым входом второго сумматора14, к второму входу которого подключен третий выход блока 3 управления.К управляющим входам ключей 4 и 5подключены соответствующие выходыгенератора 15 случайного сигнала, выход второго сумматора через блокивьщеления минимума 16 и максимума17 управляющего воздействия подключен к входу генератора 15 случайногосигнала, Выход задатчика 18 (верхнейграницы минимума управляющего воздействия) подключен к входу блока 16вьщеления минимума и выход задатчика19 (нижней границы) подключен к входублока 19 выделения максимума управляющего воздействия,Блок 3 управления (фиг.2) содержит ключ 20, на вход которогб подключен выход датчика 2 возмущающего воздействияНа управляющий вход ключа20 подключен выход генератора 21импульсов, а выход этого ключа соединен с блоком 22 памяти. Выход последнего соединен с первыми входами элементов 23 и 24 сравнения. Выход элемента 23 сравнения подключен на вхо 10 ды умножителя 25 и квадратора 26.Выход квадратора 26 через последовательно включенные элемент 27 сравнения и пороговый элемент 28 соединенс вторым входом умножителя 25, выход15 которого через последовательно включенные усилитель 29, сумматор 30,дискретный элемент 31 задержки соединен с вторым входом элемента 33 сравнения и вторым входом сумматора 30.20 Выход элемента сравнения 24 подклю чен на выходы умножителя 32 и второго квадратора 33. Выход квадратора33 через последовательно включенныеэлемент сравнения 34 и пороговый25 элемент 35 соединен с вторым входомвторого умножителя 32, выход которого через последовательно включенныевторой усилитель 36, второй сумматор37 и второй дискретный элемент 3830 задержки соединен с вторым входомэлемента 24 сравнения и вторым входом сумматора 37. Выход квадратора26 соединен также с вторым входомэлемента 34 сравнения, а выход квад 35ратора 33 - с вторым входом элемента 27 сравнения,Выход генератора 21 импульсов так- .же подключен на вход счетчика 39 импульсов, выход которого подключен40 на первый вход элемента 40 сравненияи на первый вход делителя 41, навторой вход которого через последовательно включенный счетчик 42 импульсов подключен выход порогового эле 45 мента 35. Выход делителя 41 черезпоследовательно включенные управляемый ключ 43 и блок 44 памяти, сумматор 14, блоки выделения минимума 16и максимума 17 управляющего воздействия подключен на управляемый входуправляемого генератора 15 случайного сигнала. Задатчик 45 числа импульсов подключен на второй вход элемента 40 сравнения, выход которого че 55 рез последовательно включенный третий пороговый элемент 46 соединен суправляющими входами счетчиков 39 и42 импульсов, а также с управляемымвходом управляемого ключа 43.1361502 Управляемый генератор 15 случайного сигнала (фиг.3) состоит из сумматора 47, на первый вход которого подключен выход дискретного блока 44 памяти, а на второй вход подключен выход генератора 48 шума. Выход сумматора 47 подключен на управляющий вход ждущего мультивибратора 49, выход которого соединен с первым входом элемента И 50 и первым входом элемента И-НЕ 51. На вход ждущего мультивибратора 49 и на вторые входы элементов И 50 и И-НЕ 51 подключен, выход генератора прямоугольных импульсов 52. Выходы элементов И 50 и И-НЕ 51 подключены к управляющим входам ключей 4 и 5.Адаптивная система управления работает следующим образом.На фиг.4 обозначены: У - значения1 возмущающеговоздействия, Р(И )2 совместная плотность распределения вероятности возмущающего воздействия./Изменения величины возмущающего воздействия представляют собой сумму (смесь ) двух случайных процессов со средними значениями , изакон распределения которых близок к нормальному.При управлении такими объектами важно знать параметры, из которых образована конечная (наблюдаемая) смесь - возмущающее воздействие (например, смесь рядового угля, поступающего на процесс обогащения). Выражение для функций распределения вероятности смеси для случая двух классов (двух составляющих) возмущающего воздействия имеет вид(1) где РЯ ) - Функция распределенияпараметров смеси возмущающего воздействия(У - зольность влажность сыпучего материала и др.),Рг(У,(7,) - Функция распределениявероятности первогокласса составляющейвозмущающего воздействия со средним (наиболее вероятным) значением ,;Рг(и 1,) - Функция распределения .вероятности второгокласса составляющей возмущающего воздействия со средним (наиболее вероятным) значе",5 нием у,;Р - вероятность появлениязначения 11 иэ классаР, Я,/д,);Задача управления в этом случае10 ставится следующим образом: требует-:ся, наблюдая, смешанную реализациювозмущающего воздействия Р(М,) разделить смесь на классы и определитьих параметры ,и Р, на основанииг15 которых корректировать (случайнымобразом) значения управляющей координаты объекта управления таким образом, чтобы среднее значение выходной координаты объекта было равно20 заданному, Это позволяет рассматрйвать управление объектом, как статистическую игру двухигроков: природы и систеж управления, в которойигрок 11 - система управления являет 25 ся статистиком, а игрок 1 - природа.В качестве стратегий природы выступают средние значения процессов ,и и которые появляются с вероятно(гстями Р и (1-Р), а для системы управ 30,ления - соответствукицие этим режимамзначения входной ( управляющей) координаты объекта управления.Управление в этом случае сводитсяк определению стратегий природы ,З 5 и и вероятности их появления Р и(1-Р), определения для этих стратегий значений входных координат объекта управления Я, и Яг, которые являются стратегиями системы управле 40 ния и смешивания (рандомизации)стратегий Я, и Яг системой управления с вероятностью Р и (1-Р), так,что среднее значение выходной координаты объекта управпения равно за 45 данному значению выходной координаты(задатчик 13),Сигнал с датчика 2 возмущающеговоздействия подается на вход блока3 управления, в котором этот сигналразделяется на два класса (два случайных процесса) и определяются средние значения возмущающего воздействия для этих двух классов: , иа также вероятности их появле"ния Р и 1-Р.Сигнал с генератора 2 1 импульсовподается иа управляющий вход ключа20, который, замыкаясь, подает сиг"нал с датчика 2 возмущающего воздей 1361502ствия на вход блока 22 памяти. Этот блок запоминает значение сигнала от датчика 2 возмущающего воздействия в момент замыкания ключа 20. При от 5 сутствии сигнала с генератора 21 импульсов ключ 20 размыкается, при этом сигнал с датчика 2 возмущающего воздействия на блок 22 памяти не проходит и на выходе блока 22 остает ся сигнал, соответствующий еигналу с датчика 2 в момент замыкания ключа 20При следующем замыкании ключа 20 происходит стирание ранее посту- . пившего сигнала в блоке 22 памяти и 55 запоминание нового значения сигнала от датчика 2 возмущающего воздействия.Таким образом, на выходе блока 22 памяти образуются дискретные значения сигнала от датчика 2 возмущающего воздействия, соответствующие моментам замыкания ключа 20. Сигналы с выхода блока 2 памяти подаются на первые входы элементов 23 и 24 срав нения, где из этого сигнала вычитаются сигналы от дискретных элементов 31 и 38 задержки.Разностный сигнал с выхода элемента 23 сравнения подается на вход квадратора 26, а разностный сигнал с выхода элемента 24 сравнения подается на вход квадратора 33. Квадраты разностных сигналов с блоков 26 и 33 сравниваются между собой на35 элементах 27 и 34 сравнения.Если разность квадратов сигнала рассогласования на выходе элемента 27 сравнения меньше нуля, то при попадании этого сигнала на поРоговый 40 элемент 28 на его выходе появляется сигнал, равный единице, и после умножения этого единичного сигнала в умножителе 25 на разностный сигнал с элемента 23 сравнения этот сигнал .усиливается усилителем 29 и поступает на сумматор 30, где он суммируется с выходным сигналом дискретного элемента 31 задержки. Однако на выходе элемента 31 задержки суммарный сигнал с выхода сумматора 30 появляется при следующем поступлении сигнала на вход сумматора 30 с умножителя 25, т.е, происходит задержка дискретного сигнала на один шаг.Если, разность квадратов сигнала рассогласования на выходе элемента 27 сравнения больше нуля, на выходе порогового элемента 28 имеется сигнал, равный нулю, и после умноженияэтого нулевого сигнала на разностныйсигнал от элемента 23 сравнения навыходе умножения 25 величина сигналаравна нулю и на вход сумматора 30сигнал не поступает, при этом значения сигналов как на входе, так и навыходе дискретного элемента 31 задержки не изменяются, Однако, еслиразность квадратов сигнала рассогласования на выходе элемента 27 сравнения больше нуля, на выходе элемента34 сравнения она меньше нуля, таккак сигналы с квадраторов 26 и 33подаются на элементы 27 и 34 сравнения с разными знаками,Поэтому сигнал на выходе элемента34 сравнения меньшенуля, а следовательно, и на выходе порогового элемента 35 появляется сигнал, равныйединице. После умножения этого единичного сигнала с умножителем 32на разностный сигнал от элемента 24сравнения этот сигнал усиливается.усилителем 36 и подается на вход сумматора 37, где он суммируется с выходным сигналом дискретного элемента38 задержки. Однако на выходе элемента 38 задержки этот сигнал появляется с задержкой на один шаг,1Таким образом, в зависимости от соотношения величин квадратов разностного сигнала рассогласования между поступившим дискретным сигналом от датчика 2 возмущающего воздействия и выходными сигналами с дискретных элементов 31 и 38 задержки, разност - ный сигнал с выходов элементов 23 и 24 сравнения поступает на соответствующие входы дискретных элементов задержки, после усиления усилителями 29 и 36 и корректирует выходные величины дискретных элементов 31 и 38 задержки с задержкой на один шаг работы ключа 20, Величина коррекции задается величиной коэффициента усиления усилителей 29 и 36 и выбирается из условия требуемого интервала усреднения.Следовательно, на выходах элементов 31 и 38 образуются средние значения составляющих возмущающего воздействия 7,.и 2 для каждого класса (стратегия природй), которыеявляются выходными сигналами блока 3 управления. Начальные значения выходных сигналов элементов 31 1и 38 выбираются из условияСигнал с выхода генератора 21 импульсов подается также на вход счетчика импульсов 39, который определяет число импульсов гейерируемых генера 5 тором 21, Сигнал с выхода порогового элемента 35 подается на вход счетчика 42 импульсов, который определяет число дискретных значений сигнала с датчика 2 возмущающего воздействия, 10 отнесенных к первому классуСигналы со счетчиков 39 и 42 импульсов подаются на входы делителя41, на выходе которого определяется.частота появления составляющих первого класса , значений возмущающеговоздействия И т.е. определяетсявыражением(2) Ии 20 частота появления составгде ш 130 55 ляющих возмущающего воздействия первого класса;И - число значений сигнала сдатчика 2, отнесенных, кпервому классу;и - общее число дискретныхзначений (число импульсовс генератора 21), поступивших на вход блока 3управления.Число импульсов на выходе счетчика 39 импульсов сравнивается на элементе 40 сравнения с заданным числом импульсов, которое задается задатчиком 45 числа импульсов и выбирается из требуемого интервала, на котором определяется частота (вероятность появления составляющих из первого класса возмущающего воздействия), 40 Если число импульсов и стало больше и , то на выходе элемента 40 сравненйя появляется отрицательный сигнал, который приводит к появлению единичного сигнала на выходе порогового 45 элемента 46. Сигнал с порогового элемента 46 замыкает ключ 43 и сигнал с выхода делителя, равный частоте появления составляющих первого класса ш поступает на вход блока 44 памяти, одновременно сигнал с выхода порогового элемента 46 поступает на управляющие входы счетчиков 39 и 42 с небольшой задержкой времени и обнуляет их.Таким образом, на выходе блока 44 памяти образуется сигнал, равный ш - частоте появления составляющих возмущающего воздействия, принадлежащих к первому классу. Этот сигнал ,остается неизменным до следующего замыкания ключа 43, при котором происходит стирание ранее запомненного значения и запоминание нового.Следовательно, частота ш, примерно ранна вероятности появления составляющих М, И ) из первого класса Е,(У/ у,), т.е.т, Р, (3) и чем больше выбран интервал (число и ), на котором определяется величи) 9на ш тем с большей степени выполняется равенство (3).Сигналы , ис выходов блокаг3 управления через ключи 4 и 5 подаются на входы сумматора 6. На управляющие входы ключей 4 и 5 подаются сигналы с выхода генератора 15 случайного сигнала.Таким образом, ключи 4 и 5 замыкаются случайным образом с вероятностями Р и (1-Р), которые определяются состоянием управляющего входа генератора 15 случайного сигнала.Следовательно, при замыкании кпюча 4 на вход сумматора 6 поступает сигнал , блока 3 управления, а при замыкании ключа 5 - сигнали наг выходе сумматора 6 последовательно появляются средние значения классов (стратегий природы) Р, иг с соответствующими вероятностями Р и (1-Р).Выходной сигнал с сумматора 6 подается на статическую модель 7 объекта 1 управления по возмущающему входу, на выходе которой появляется сигнал, соответствующий выходной координате. объекта управления при поступлении на объект среднего значения класса возмущающего воздействияили Д (в зависимости от того, какой из ключей 4 или 5 замкнут). Выходной сигнал статической модели 7 объекта управления сравнивается с сигналом задатчика 13 на элементе 8 сравнения и в зависимости от сигнала рассогласования, регулятор 9 устанавливает два значения входной координаты объекта Б и Я , соответствующих двум значениям стратегий природы, для чего сигнал. с выхода регулятора 9 подается на управляющий вход объекта управления. Регулятор 9 представляет собой регулятор прямого типа и в простейшем случае это может быть усилитель.Входные координаты Б, и Б определяются из условия инвариантности среднего значения выходной координаты объекта к возмущающему воздейст 5 :вию и вычисляются по выражениямБ, = (Ц - Ь);1"Б = - (Н -Ь),110 где Й в . статический коэффициентусиления объекта по возмущающему входу (коэффициентусиления статической модели 7);- статический коэффициент усиления объекта по управляющему входу;120коэффициент усиления регу 11лятора 9 прямого типа;П - заданное значение выходнойкоординаты объекта управления; 25средние (наиболее вероятные)значения составляющих возмущающего воздействия.Входные координаты Б 1 и Б являются стратегиями системн управления, З 0 а так как не известно какая из стратегий природы , илибудет прило.,жена к объекту 1, то система управления должна производить смешивание (Рандомиэация) своих стратений Б, и 35 Б случайным образом, для обеспечения равенства среднего значения выходной координаты М(Б(Сзаданному значению.Вычисленное значение Р, = ш, через сумматор 1 4, блок 16 вь 1 целения минимума и блок 17 выделения максимума подается на управляющий вход генератора 15 случайного сигнала, чтоопределяет вероятности Р и (1-Р, ), 45 с которыми замыкаются ключи 4 и 5, т.е. устанавливаются вероятности появпения стратегий Б и Б системы управления.Сигнал с выхода блока 14 памяти подается на управляющий вход генератора 15 случайного сигнала, в котором этот сигнал суммируется с сигналом от генератора 48 шума на сумматоре 47. Суммарный сигнал с сумматора 47 подается на управляющий вход .ждущего мультивибратора 49 и изменяет его постоянную времени случайным образом. На вход ждущего мультивибратора 49 подается сигнал от генератора 52 прямоугольных импульсов, который запускает ждущий мультивибратор 49, при этом длительность импульсов, генерируемых ждущим мультивибратором является случайной величиной. Выход-, ные сигналы с генератора 52 прямоугольных импульсов и ждущего мультивибратора 49 подаются на вход элемента И 50 и на вход элемента И-НЕ 51.Если периоды колебаний генератора 52 прямоугольных импульсов и ждущего мультивибратора 49 не совпадают, на выходе элемента И 50 сигнал не появляется, но при этом появляется сигнал на выходе элемента И-НЕ 51, который через управляющий вход ключа 5 замыкает его.Если периоды колебаний генератора 52 прямоугольных импульсов и ждущего мультивибратора 49 совпадают,их сигналы на вход элемента И 50приходят одновременно и на его выходе появляется сигнал, который, поступив на управляющий вход ключа 4,замыкает его.Этим обеспечивается адаптивностьсистемы управления на изменяющиесявероятностные характеристики возмущающего воздействия,Однако в процессе работы могутизменяться также параметры объектауправления, что может приводить кпоявлению статической ошибки на вы -ходе объекта 1, Для устранения этоговлияния в системе управления используется коррекция вероятности по отклонению выходной координаты объекта,которая позволяет устранить также идругие неконтролируемые возмущения.Это осуществляется измерением текущего значения выходной координатыН(С ) датчиком 10 выходной координаты,сигнал которого сравнивают на элементе 11 сравнения с сигналом задатчика 13.Если управляющие воздействия стратегии системы управления Б Б иР, определены точно, то статическаяонибка Е на выходе системы управления равна нулю и в системе поддерживается равенство- МО(С) =Е= О. (6)Сигйал рассогласования элемента 11 сравнения подается на регулятор 12, который в простейшем случае136 502 представляет собой интегрирующеезвено.Если выполняются условия (6), то на выходе регулятора 12 сигнал равен5 нулю, при нарушении этих условий на выходе регулятора 12 появляется сигнал ЬР, который в сумматоре 14 алгебраически суммируется с сигналом, поступающим с выхода блока 3 управ ления.Таким образом, на выходе суммато - ра 14 сигнал равенР, =Р, +ЬР (7)Этим изменяется задание генерато ру 15 случайного сигнала и на его выходах соответственно изменяются ве- роятности Р, =Р+дР; (8)Р =1 - Р 202фВ блоке 3 .управления разделениесигнала возмущающего воздействия наклассы производится так, что всегда2 И) М 1,1 ) ,(9)Поэтому, еслиЯ = Ц - И Ц(С)о, (1 О)где Б - заданное значение выходнойкоординаты объекта управления;Б(С) - текущее значение выходной30координаты объекта,то ЬРО, т.е. вероятность Р, замыкания ключа 4 убывает и соответственно вероятность Р 2 замыкания ключа 5возрастает. В силу (9),математичес- З 5кое ожидание сигнала на выходе сумматора 6 возрастает, что приводит кувеличению сигнала У с выхода статической модели 7 объекта и увеличению сигнала на входе регулятора 9 и,40соответственно, к увеличению входнойкоординаты Б на входе объекта управления:2 й ф(11)Рсли Е = И - 1 ф 1(1) с О, тоРО, т.е. вероятность замыканияключа 4 возрастает, соответственноубывает вероятность Р замыкания ключа 5. Это приводит к снижению сигнала на выходе сумматора 6 и статической модели 7 и объекта управления исоответствующему уменьшению входнойкоординаты на входе объекта управления,55Этим обеспечиваются адаптивность системы управления на изменяющиеся вероятностные характеристики возмущающего воздействия, а также на изменение параметров объекта управления, что позволяет с более высокой точностью поддерживать среднее значение заданной координаты.Для сохранения работоспособности системыпри значительных колебаниях выходной координаты объекта управления введены блоки выделения минимума 16 и максимума 17 управляющего воздействия на входе генератора 15 случайного сигнала. Задатчиком 18 устанавливается максимально допустимая вероятность Р = 1,О, а задатчиком 19 - минимально допустимая вероятность Р, = О, это позволяет ограничить сигналы с сумматора 14 и обеспечить устойчивую работу генератора 15 случайного сигнала. Техническим пр еимуще ст вом данной адаптивной системы управления является более точное поддержание заданного значения выходной координаты объекта управления. Это достигается тем, что после сравнения выходной координаты объекта управления с ее заданным значением корректируют вероятность стратегии управления по соответствующему классу. Отсутствие замкнутого контура управления по отклонению не создает условия для авто- колебаний выходной координаты при больших величинах транспортного запаздывания и его изменениях в процессе функционирования объекта управления. Формула изобретения Адаптивная система управления, содержащая регулятор, датчик возмущающего воздействия, подключенный к входу блока управления, первый и второй выходы которого через первый и второй ключи подключены к входам первого сумматора, выход которого через статическую модель объекта управления соединен с первым входом первого элемента сравнения, выход которого подключен к входу регулятора, выход объекта управления через датчик выходной координаты соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход которого через корректирующий регулятор подключен к первому входу второго.сумматора, управляющий вход первого ключа связан с первым выходом управляемого генератора случайноного сигнала, второй и третий выходы которого подключены к управляющим входам второго ключа, а вторые входы первого и второго элементов сравне 5 ния соединены с выходом задатчика выходной координаты, о т л и ч а ю - щ а я с я тем, что, с целью повышения точности системы, в нее введены блок выделения минимума управляющего воздействия с подключенным к нему задатчиком и блок выделения максимума управляющего воздействия с йодключенным к нему задатчиком, причемвыход второго сумматора через последовательно соединенные блоки выделения минимума и максимума управляю"щего воздействия подключен к входугенератора случайного сигнала, второй вход второго сумматора соединенс третьим выходом блока управления,а выход регулятора подключен к входуобъекта управления.1361502 17 Риа ставитель В.Пешк анар Техред Л.Сердюкова Коррект Редакт цов ктная, 4 оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул э 6281/46 ВНИИПИ Государ по делам иэо 113035, Москва