Адаптивная система управления

Адаптивная система управления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к самообучающимся системам автоматического управления и может быть использовано в различных отраслях промьшшенности для управления объектами с тр нспортным запаздыванием и возмущающими воздействиями типа смесей сыпучих материалов . Целью изобретения является повьшение точности работы системы управления . Поставленная цель достигается тем, что введена специальная цепь коррекции, позволяющая осуществить подстройку системы управления при изменении вероятностных характеристик возмущающего воздействия. При этом наблюдается смещанная реализация возмущающего воздействия, производится ее разделение на два класса, определяется вероятность появления значе-§ НИИ возмущающего воздействия из заданного класса и формируется управляющее воздействие таким образом, чтобы среднее значение выходной координаты объекта было равно заданному, 1 з.п. ф-лы, 4 ил. , (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК„„Я0„, 1257 (gg 4 С 05 В 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21.) 381 18 1 1/24-24 (22) 12 ..11.84 (46) 15.09.86. Бюл. N - 34 (71) Ворошиловградский филиал Государственного проектно-конструкторского и научно-исследовательского института по автоматизации угольной промышленности (72) А.С.Меняйленко (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 964573, кл, G 05 В 11/00, 1982.

Авторское свидетельство СССР

N 1 18531 1, кл, G 05 В 17/00, 29 . 10 .84 (54) АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к самообучающимся системам автоматического управления и может быть использовано в различных отраслях промышленности для управления объектами с транспортным запаздыванием и возмущающими воздействиями типа смесей сыпучих материалов. Целью изобретения является повышение точности работы системы управления. Поставленная цель достигается тем, что введена специальная цепь коррекции, позволяющая осуществить подстройку системы управления при изменении вероятностных характеристик возмущающего воздействия. При этом наблюдается смешанная реализация возмущающего воздействия, производится ее разделение на два класса, опре деляется вероятность появления значе- Я ний возмущающего воздействия из заданного класса н Форнг руется управляющее (/) воздействие таким образом, чтобы сред-у нее значение выходной координаты объ- екта было равно заданному. 1 з.п. а ф-лы, 4 ил. In

1 1257607

Изобретение относится к самообуча- (W — значения возмущающего воздей( ствия; F(W ) — совместная плотность распределения вероятности возмущающего воздействия).- Как видно из (фиг,4), изменения величины возмущающего воздействия представляют собой сумму (смесь) двух случайных процессов со средними значениями

t и, закон распределения которых близок K нормальному.

При управлении такими объектами необходимо знать параметры, из которых образована конечная (наблюдаемая) смесь — возмущающее воздействие (например, смесь рядового угля, поступающего на процесс обогащения, и др).

Выражение для функции распределе-. ния вероятности смеси для случая б двух классов (двух составляющих) возмущающего воздействия имеет вид ющим< я системам автоматического управления и может быть использовано в различных отраслях промышленности для управления объектами с транспортным запаздыванием и возмущающими воздействиями типа смесей сыпучих материалов (например, для автоматического управления процессами добычи и обогащения угля) .

Целью изобретения является повышение точности работы системы управ-.

Генератор случайного сигнала состоит (фиг.3) из сумматора 43, генератора 44 шума, ждущего мультивибратора 45, логического элемента И 46, логического элемента И-HE 47 и генератора 48 прямоугольного импульса.

Типичный вид совместной плотносги распределения вероятности возму:цающего воздействия показан на фиг.4 ления.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемой системы управления; на фпг,2 — блок-схема блока управления; на фиг.3 — блок-схема генератора случайного сигнала; на фиг.4 — совместная плотность распределения вероятности возмущающего воздействия.

Лдаптивная система управления содержит (фиг.1) объект 1 управления, в который включен исполнительный орган (не показан), датчик 2 возмущающего воздействия, блок 3 управления, ключи 4 и 5, сумматор 6, статическую модель 7 объекта управления, элемент

8 сравнения, регулятор 9, второй сумматор 10, датчик 11 выходной координаты, второй элемент 12 сравнения, второй регулятор 13, задатчик 14 режима и генератор 15 случайного сигнала. Блок управления (фиг,2) содержит ключ 16, генератор 17 импульсов, блок 18 памяти, элементы 19 и 20 сравнения, умножитель 21, квадратор 22, элемент 23 сравнения, пороговый элемент 24, усилитель 25, сумматор 26, дискретный элемент 27 задержки, второй умножитель 28, второй квадратор

29, элемент 30 сравнения, второй пороговый элемент 31, второй усилитель 32, второй сумматор 33, второй дискретный элемент 34 задержки, счетчик 35 импульсов, элемент 36 сравнения, делитель 37, второй счетчик 38 импульсов, ключ 39, второй блок 40 памяти, задатчик 41 числа импульсов и третий пороговый элемент 42.

F(Wi) = PF, (W< /Р, )+ ((1-Г)Г, W /Р,) (1) где F(W ) — функция распределения параметров смеси возму- щающего воздействия

CV — например зрль ность, влажность сыпуче30 го материала и др.);

F (W, /,) — функция распределения вероятности первого класса составляющей возмущающего воздействия

35 со средним (наиболее вероятным) значением, Г (W< /$ ) — функция распределения вероятности второго класса составляющий возмущающего воздействия со средним (наиболее вероятным) значением

P — вероятность появления значения W< из класса

45 F<(W

Задача управления в этом случае сводится к тому, что требуется, наблюдая смешанную реализацию возмущающего воздействия F(W ), разделить

50 смесь на классы и Определить их параметры,,, и Р, на основании кото- рых скорректировать (случайным образом) значения управляющей координаты объекта управления таким образом, чтобы среднее значение выходной координаты объекта было равно заданному.

Так как параметры смеси — возмущающего воздействия поступают на объз 1257 ект случайным образом, то и коррекция управляющего входа объекта управления также должна производиться случайным образом ° Это соответствует закону адекватности или десятой теореме

Шеннона, когда случайность, вносимая возмущающим воздействием, компенсируется случайностью генератора случайного сигнала, используемого в системе управления. 10

Это позволяет рассматривать управление объектом как статическую игру двух игроков: природы и системы управления, в которой второй игрок система управления, является стати- 15 ческим, а первый игрок — природа.

Стратегиями природы являются средние значения процессов, и, которые появляются с вероятностями P u (1 — Р), а стратегиями системы управ- 2о ления — соответствующие этим режимам значения входной (управляющей) координаты объекта управления S и S .

Управление в этом случае сводится к определению стратегий природы и 25

1 1 и Вероятности их появления Р и (1 — P) определению для этих страте. гий значений входных координат объек та управления S и S которые являются стратегиями системы управления, 30 и смешиванию (рандомизации) страте,гий S, и Б системой управления с вероятностью Р и (1 — Р) таким образом, чтобы среднее значение выходной координаты объекта управления было равно заданному значению выходной координаты (задатчик 14), Система управления работает следующим образом, Сигнал с датчика 2 возмущающего 4р воздействия подается на вход блока 3 управления, в котором он разделяется на два класса (два случайных процесса) и в котором определяются средние значения возмущающего воздействия 4g для этих двух классов (y, и y, ), а также вероятности их появленйя. С этой целью сигнал с генератора 17 импульсов подается на управляющий вход ключа 16, который, замыкаясь, подает сигнал с датчика 2 возмущающего воздействия на вход блока 18 памяти.

Последний запоминает значение сигнала от датчика 2 возмущающего воздействия в момент замыкания ключа 16. у

607 ф ет на сумматор 26, где он суммируется с выходным сигналом дискретного элемента 27 задержки.

Однако на выходе элемента 27 за- ) держки суммарный сигнал с выхода сумматора 26 появляется при следующем поступлении сигнала на вход сумматора 26 с умножителя 21, т.е. происходит задержка дискретного сигнала на

1 шаг.

При отсутствии сигнала с генератора 17 импульсов ключ 16 размыкается, при этом сигнал с датчика 2 возмущаю; щего воздействия на блок 18 памяти не проходит и на выходе блока 18 остается сигнал, соответствующий сигналу с датчика 2 в момент замыкания ключа 16.

При следующем замыкании ключа 16 происходит стирание ранее поступившего сигнала в блоке 18 памяти и запоминание нового значения сигнала от датчика 2 возмущающего воздей- . ствия.

Таким образом, на выходе блока 18 памяти образуются дискретные значения сигнала от датчика 2 возмущаю I щего воздействия, соответствующие момег;.там замыкания ключа 16.

Сигналы с выхода блока 18 памяти подаются на первые входы элементов

19 и 20 сравнения, где из этого сигнала вычитаются сигналы от дискретных элементов 27 и 34 задержки.

Разностный сигнал с выхода элемента 19 сравнения подается на вход квадратора 22, а разностный сигнал с выхода элемента 20 сравнения — на вход квадратора 29.

Квадраты разностных сигналов с блоков 22 и 29 сравниваются между собой на элементах 23 и 30 сравнения.

Если разность квадратов сигнала рассогласования на выходе элемента

23 сравнения меньше нуля, то при попадании этого сигнала на пороговыи элемент 24 на его выходе появляется сигнал, равный единице, и после умножения этого единичного сигнала в умножителе 21 на разностный сигнал с элемента 19 сравнения этот сигнал усиливается усилителем 25 и гоступаЕсли разность квадратов сигнала рассогласования на выходе элемента сравнения 23 больше нуля, то на выходе порогового элемента 24 появляется сигнал, равный нулю, и после умножения нулевого сигнала на разностный сигнал от элемента 19 сравнения на выходе умножителя 21 величина сигнала равна нулю и на вход сумматора 26

5 1 сигнал не поступает, при этом значения сигналов как на входе, так и на выходе дискретного элемента задержки

27 не изменяются.

Однако если разность квадратов сигнала рассогласования на выходе элемента 23 сравнения больше нуля,, то на выходе элемента 30 сравнения она будеп. меньше нуля, так как сигналы с квадраторов 22 и 29 подаются на элементы сравнения 23 и ЗО с разными знаками °

Поэтому сигнал на выходе элемента

30 сравнения будет меньше нуля, а следовательно, и на выходе порогового элемента 31 появится сигнал, равный единице.

После умножения этого единичного сигнала в умножителе 28 на разностный сигнал от элемента 20 сравнения этот сигнал усиливается усилителем

32 и подается «а вход сумматора 33, где он суммируется с выходным сигналом дискретного элемента 34 задержки.

Однако на выходе элемента 34 задержки этот сигнал появится с задержкой на 1 шаг.

Таким 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 27 и 34 задержки, разностный сигнал с выходов элементов 19 и 20 сравнения поступает на соответствующие входы дискретных элементов задержки после усиления усилителями 25 и 32 и корректирует выходные величины дискретных элементов 27 и 34 задержки с задержкой на

i шаг работы ключа 16.

Величина коррекции задается величиной коэффициента усиления усилителей 25 и 32 и выбирается из условия требуемого интервала усреднения.

Следовательно, на выходах дискретных элементов 27 и 34 образуются

1средние значения составляющих возмущающего воздействия f, и (для каждого класса (стратегии природы), которые являются выходными сигналами блока 3 управления. Начальные значения выходных сигналов дискретных элементов 27 и 34 выбираются из условия

id (О) > Р, (0) . ! II

Сигнал с выхода генератора 17 импульсов подается также на вход счетN( тп и (2) где тп — частота появления состав-! ляющих возмущающего воздейотвия первого класса;

N — число значений сигнала с датчика 2, отнесенных к пер25 вому классу;

Il — оotбlщ еeе ч иHс л о o дискретных значений (число импульсов с генератора 17), поступивших на вход блока 3 управления.

Число импульсов на выходе счетчика 35 импульсов сравнивается на элементе 36 сравнения с заданным числом импульсов, которое задается задатчиком 41 числа импульсов и выбирается из требуемого интервала, на котором определяется частота (вероятность появления составляющих из первого класса возмущающего воздействия) . Если число импульсов п больше п,,то на выходе элемента 36 сравнейия появляется отрицательный сигнал, который приводит к появлению единичного сигнала на выходе порогового элемента 42.

Сигнал с порогового элемента 42 замыкает ключ 39 и сигнал с выхода делителя, равный частоте появления составляющих первого класса m„, поступает на вход блока 40 памяти, одновременно сигнал с выхода порогового элемента 42 поступает на управляющие входы счетчиков 35 и 38, с небольшой задержкой времени обнуляет их.

Таким образом на выходе блока 40 памяти образуется сигнал, равный ш, - частоте появления составляющих возмущающего воздействия, принадле„жащих к первому классу.

257607 Ь чика 35 импульсов, который определя— ет число импульсов, генерируемых генератором 17.

Сигнал с выхода порогового элемента 3 1 подается на вход счетчика 38

5 импульсов, который определяет число дискретных значений сигнала с датчика 2 возмущающего воздействия, отнесенных к первому классу 7, Сигналы со счетчиков 35 и 38 импульсов подаются на входы делителя

37, на выходе которого определяется частота появления составляющих пер-. вого класса, значений возмущающего воздействия 4, т ° е. определяется

I выражение нового. 5

Следовательно, частота m, примерно равна вероятности появления составляющих W<(t) из первого класса

F ((,/п ), т е.

< (10 (3) m"-P, (15

125 .Этот сигнал остается неизменным до следующего замыкания ключа 39, при .котором происходит стирание ранее запомненного значения и запоминание и чем больше выбирается интервал (число и на котором определяется с(д > величина ш,, тем с большей степенью выполняется равенство (3) .

Сигналы ((и (с выходов блока 3 (1 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 сйглала.

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 клю, ча 4 на вход сумматора 6 поступает сигнал (7 блока 3 управления, а при ( замыкании ключа 5 — сигнал (и на выходе сумматора 6 последовательно появляются средние значения классов (стратегий природы), и с соответствующими вероятностями P 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 воздействия <, или (в зависимости от того, какой из

2 ключей 4 или 5 замкнут) .

Выходной сигнал статической моде ли 7 объекта управления сравнивается с сигналом задатчика 14 на элементе

8 сравнения и в зависимости от сигнала рассогласования регулятор 9 устанавливает два значения входной координаты объекта S, и S, соответствующих двум значениям стратегий природы, для чего сигнал с выхода регулятора 9 через сумматор 10 подается на управляющий вход объекта управления.

Регулятор 9 представляет собой регулятор прямого типа и в простей7607 шем случае это может быть усилитель.

Входные координаты S< и S определяются из условия инвариантности среднего значения выходной координаты объекта к возмущающему воздействию и вычисляются по выражениям:

S = — — (U -n.ь ) °

1 (4) и »А Е С

$1 и вад в g ) гце п — статический коэффициент усив ления объекта по возмущающему входу (коэффициент усиления статической модели 7);

n — статический-коэффициент усиления объекта по управляющему входу;

1 — — — коэффициент усиления регуля20 и тора 9 прямого типа;

U>ä — заданное значение выходной координаты объекта управления; средние (наиболее вероятные) значения составляющих возму щающего воздействия.

Входные координаты S< и S являются стратегиями системы управления, а так как неизвестно, какая из страте"

30 гий природы будет приложена к объекту 1, то система управления должна производить смешивание (рандомизацию) своих стратегий S< и $ случайным образом для обеспечения равенства среднего значения выходной координаты М (U(t)) заданному значению (задатчик 14).

Равенство М fv(t)) = V„ будетвыполняться, если вероятность P c

40 которой система смешивает свои стратегии, будет равна вероятности Р появления стратегий природы (средних значений классов и ), . т.е.

P =Р.

Поэтому в системе управления ве( роятность Р, вычисляется по частоте тп в блоке 3 управления.

Вычисленное значение Р, = m подается па управляющий вход генерато 0 ра 15 случайного сигнала, что определяет вероятности Р и (1-Р), с которыми замыкаются ключи 4 и 5, т.е. устанавливаются вероятности появления стратегий S, и $ системы управ5 ления, что осуществляется следующим образом.

Сигнал с выхода блока 40 памяти подается на управляющий вход генера9 125 тора 15 случайного сигнала, в котором этот сигнал суммируется с сигналом от генератора 44 шума на сумматоре 43. Суммарный сигнал с сумматора 43,подается на управляющий вход ждущего мультивибратора 45 и изменяет его постоянную времени случайным образом ° На вход ждущего мультивибратора 45 подается сигнал от генератора 48 прямоугольных импульсов, который запускает ждущий мультивибратор 45, при этом длительность импульсов, генерируемых ждущим мультивибратором, является случайной величиной.

Выходные сигналы с генератора 48 прямоугольных импульсов и ждущего мультивибратора 45 подаются на вход логического блока И 46 и на вход логического блока И-НЕ 47.

Если периоды колебаний генератора

48 прямоугольных импульсов и ждущего мультивибратора 45 не совпадают, то на выходе блока И 46 сигнал не появляется, но при этом появляется сигнал на выходе логического блока И-НЕ

47, который через управляющий вход управляемого ключа 5 замыкает его.

Если периоды колебаний генератора

48 прямоугольных импульсов и ждущего мультивибратора 45 сойпадают, то их сигналы на вход логического блока

И 46 приходят одновременно и на выходе этого блока появляется сигнал, который, поступая на управляющий вход ключа 4, замыкает его..

Зтим обеспечивается адаптивность системы управления ыа изменяющиеся вероятностные характеристики возмущающего воздействия, I

Однако в процессе работы могут изменяться также параметры объекта управления, что может приводить к появлению статической ошибки на выходе объекта 1. Для устранения этого влияния в системе управления используется наряду с управлением по возмущению управление по отклонению, которое позволяет устранить также и друпие неконтролируемые возмущения.

Зто осуществляется измерением текущего значения выходной координаты .

U(1:) датчиком 11 выходной координаты, сигнал которого сравнивается на элементе 12 сравнения с сигналом задатчика 14.

Если управляющие воздействия стратегии системы управления S<, S и Р

7607 определены точно, то статическая ошибка Я,на выходе системы управления равна нулю и в системе поддерживается равенство

U„A- м (Я ) = Я = о. (6)

Сигнал рассогласования элемента

12 сравнения подается на регулятор

13, который в простейшем случае пред10 ставляет собой интегрирующее звено °

Если выполняется условие (6), то на выходе регулятора 13 сигнал равен нулю, при нарушении этих условий (инвариантности системы управления к возмущающим воздействиям) на выходе регулятора 12 появляется сигнал, который, пройдя через сумматор 16, попадает на управляющий вход объекта 1 управления °

Сигнал на управляющем входе изменяется до тех пор, пока не будет выполняться равенство среднего значе,ния выходной координаты объекта 1 управления заданному.

Таким образом, на управляющем входе объекта 1 управления образуется суммарный сигнал

8 = Р,я,+ (1 — Р) S+ S,, (7)

30 гце S — суммарный сигнал на управляющем входе объекта i yn1 равления;

Р 8 (1-Р, ) Б — управляющие воздействия сис

35 темы по компенсации возмущающих воздействий (смесей);

S — управляющее воздействие сис-.

3 темы управления по откло нению.

Зтим обеспечивается адаптивность системы .управления на изменяющиеся вероятностные характеристики возмущающего воздействия, а также на изменение параметров объекта управления, 45 что позволяет с более высокой точностью поддерживать среднее значение заданной величины.

Ф о р м у л а и з обретения

1. Адаптивная система управления, содержащая датчик возмущающего воздействия, два ключа, сумматор и два а элемента сравнения, о т л и ч а ю—

5 щ а я с я тем, что, с целью повышения точности, в нее введены блок управления, генератор случайного сигнала, статическая модель объекта управ12576 ления, два регулятора, второй сумматор, датчик выходной координаты и задатчик режима, причем выход датчика возмущающего воздействия подклю- чен к входу блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми вхддами первого и второго ключей, третий выход блока управления связан с входом генератора случайного сигнала, первый Ip и второй выходы которого подключены соответственно к вторым входам первого и второго ключей, выход первого ключа соединен с первым входом первого сумматора, выход второго клю- IS ча — с вторым входом первого сумматора, связанного через статическую модель объекта управления с первым входом первого элемента сравнения, выход датчика выходной координаты подклю- 20 чен к первому входу второго элемента сравнения, выход задатчика режима к вторым входам первого и второго элементов сравнения, выход первого элемента сравнения соединен через первый регулятор с первым входом второго сумматора, выход второго элемента сравнения через второй регулятор — с вторым входом второго сумма30 тора, подключенного выходом к входу объекта.

2, Система управления по п.1, о т1 л и ч а ю щ а я с я тем, что блок управления содержит задатчик числа им- 35 пульсов и последовательно соединенные ключ, блок памяти, элемент сравнения, квадратор, второй элемент сравнения, пороговый элемент, умножитель, усилитель, сумматор и дискрет-40 ный элемент задержки, а также последовательно соединенные третий элемент сравнения, второй квадратор, четвертый элемент сравнения, второй порого07

12 вый элемент, второй уиножитель, второй усилитель, второй сумматор, второй дискретный элемент задержки, а также последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик импульсов, пятый элемент сравнения, третий пороговый элемент, второй счетчик импульсов, делитель, второй ключ и второй блок памяти, причем вход блока управления соединен с первым входом первого ключа, подключенного вторым входом к входу первого счетчика импуль-сов, выход первого дискретного элемента задержки связан с вторым входом первого элемента сравнения, с вторым входом первого сумматора и вторым выходом блока управления, выход первого блока памяти соединен с первым входом третьего элемента сравнения, второй вход которого подключен к выходу второго дискретного элемента задержки, к- второму входу второго сумматора и первому выходу блока управления, выход первого элемента сравнения связан с вторым входом первого умножителя, выход первого квадратора — с вторым входом четвертого элемента сравнения, выход третьего элемента сравнения — с вторым входом второго умножителя, выход второго квадратора — с вторым входом второго элемента сравнения, выход второго порогового элемента — с вторым входом второго счетчика импульсов, выход третьего порогового элемента — с вторым входом первого счетчика импульсов и вторым входом второго ключа, выход первого счетчика импульсов соединен с вторым входом делителя, выход второго блока памяти связан с третьим выходом блока управления, задатчик числа импульсов подключен к второму входу пятого элемента cpasнения.

1257607

1257607

Фиа 4

Составитель С.Никишов

Редактор А.Лежнина Техред И.Ходанич Корректор А.Тяско

Заказ 4955/46 Тираж 836 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород. ул.Проектная, 4