Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным объектом

Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным объектом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано при проектировании систем автоматического управления нестационарными и параметрически неопределенными объектами.

Известна система координатно-параметрического управления нестационарным объектом [Емельянов С.В. и др. Принципы построения и свойства систем с интегральной координатно-параметрической обратной связью // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1981, № 6, с.141. А также: Емельянов С.В., Коровин С.К. Новые типы обратной связи: Управление при неопределенности. - М.: Наука. Физматлит, 1997, с.181, рис.4.5], которая содержит объект, ко входу которого подключен множительный элемент, первый элемент сравнения, который подсоединен первым входом к выходу задатчика, вторым входом к выходу объекта и выходом к первому входу множительного элемента, второй элемент сравнения, который подключен одним входом через преобразователь ошибки и другим входом непосредственно к выходу первого элемента сравнения, а выходом через последовательно соединенные релейный элемент и интегратор ко второму входу множительного элемента.

Описанная система координатно-параметрического управления нестационарным объектом имеет один основной контур управления по отклонению компонент вектора состояния, параметр которого в виде коэффициента усиления прямой цепи системы регулируется с помощью множительного элемента в функции того же преобразованного соответствующим образом отклонения. Такая система обеспечивает требуемое качество процесса управления в ее свободном движении, т.е. при отсутствии внешних возмущающих воздействий. Но она не может гарантировать достаточно высокие показатели качества переходных процессов и точность в установившемся режиме при существовании внешних возмущающих воздействий.

Кроме того, эта система предназначена для управления только такими объектами, у которых доступны измерению все переменные состояния.

Известна также комбинированная система координатного управления нестационарным объектом n-го порядка [Патент RU 2150728, G 05 В 17/00, опубл. 10.06.2000, Бюл. № 16], которая содержит объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности, задатчик, два дифференцирующих фильтра, сумматор и элемент сравнения, который подсоединен одним входом через инерционный фильтр к задатчику и другим входом к выходу объекта, первый дифференцирующий фильтр подключен первым входом к выходу задатчика, вторым входом непосредственно и третьим входом через интегральный регулятор к выходу элемента сравнения, второй дифференцирующий фильтр подсоединен первым входом к выходу объекта, вторым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра и выходом через предварительный усилитель к второму входу сумматора, который подключен первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра и выходом ко входу усилителя мощности.

Рассматриваемая система построена по комбинированному принципу управления, так как помимо основного координатного контура регулирования с интегральным законом регулирования по отклонению компонент вектора состояния содержит дифференциальную компенсирующую связь по косвенно измеренному возмущению старшей (n-й) производной выходной величины. Причем указанное возмущение может быть обусловлено не только действием внутренних обратных связей объекта, но и внешними возмущающими воздействиями на входе объекта.

Однако и данная система управления не может гарантировать достаточно высокое качество процесса управления. Это обусловлено тем, что значение коэффициента усиления предварительного усилителя в контуре локализации возмущений, образованного введением дифференциальной компенсирующей связи, ограничено условиями устойчивости этого контура.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому техническому решению является система координатно-параметрического управления нестационарным объектом n-го порядка [Патент RU 2039371, G 05 В 13/00, опубл. 09.07.95, Бюл. № 19], которая содержит объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности и выходом к первому входу дифференцирующего фильтра, три суммирующих элемента, четыре инерционных фильтра, два блока выделения модуля, источник напряжения смещения, последовательно соединенные задатчик, первый инерционный фильтр, элемент сравнения и корректирующее устройство, подключенное вторым входом к выходу задатчика и третьим входом к выходу объекта, блок деления и блок умножения, подсоединенный первым входом к выходу корректирующего устройства, вторым входом к выходу блока деления и выходом ко входу усилителя мощности, элемент сравнения подключен вторым входом к выходу объекта, первый суммирующий элемент подключен первым входом через последовательно соединенные второй инерционный фильтр и первый блок выделения модуля к выходу блока умножения, вторым входом к выходу источника напряжения смещения и выходом к первому входу блока деления, второй суммирующий элемент подсоединен первым входом через второй блок выделения модуля к выходу дифференцирующего фильтра, вторым входом к выходу источника напряжения смещения и выходом ко второму входу блока деления, третий суммирующий элемент подключен первым входом к выходу задатчика, вторым входом к выходу корректирующего устройства и выходом через третий инерционный фильтр ко второму входу диффернцирующего фильтра, который подсоединен третьим входом через четвертый инерционный фильтр к выходу объекта, при этом диффернцирующий фильтр выполнен в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, выход которого подключен ко второму входу каждого интегросумматора и является выходом дифференцирующего фильтра, первый, второй и третий входы дифференцирующего фильтра образуют соответственно второй вход суммирующего усилителя, первый вход первого интегросумматора и третьи входы всех его остальных интегросумматоров, корректирующее устройство выполнено в виде последовательно соединенных интегратора, m-1 интегросумматоров и суммирующего усилителя, выход которого подключен к третьему входу последних n-1 интегросумматоров и является выходом корректирующего устройства, причем первый, второй и третий входы корректирующего устройства образуют соответственно вход интегратора со вторыми входами первых n-1 интегросумматоров, четвертый вход n-го интегросумматора и вторые входы последних m-n интегросумматоров и суммирующего усилителя, а n≤m≥2n.

Эта система, как и ранее рассмотренная система координатно-параметрического управления, имеет один основной контур координатно-параметрического управления по отклонению компонент вектора состояния, коэффициент усиления прямой цепи которого регулируется с помощью блока умножения. Правда это регулирование осуществляется в функции вычисленного косвенным способом обратного коэффициента усиления объекта. При наличии внешних возмущающих воздействий данная система будет отрабатывать их только за счет отклонения переменных состояния от их заданных значений. Поэтому при действии указанных возмущений она тоже не может гарантировать достаточно высокое качество процесса управления.

Задача изобретения - построение системы координатно-параметрического управления нестационарным объектом, обеспечивающей повышение качества переходных процессов и точности в установившемся режиме при отработке внешних возмущающих воздействий.

Решение поставленной задачи достигается тем, что система координатно-параметрического управления нестационарным объектом n-го порядка, содержащая последовательно соединенные задатчик, инерционный фильтр и элемент сравнения, блок умножения, блок выделения модуля, два суммирующих элемента, объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности и выходом ко входу первого дифференцирующего фильтра, выполнена комбинированной и снабжена пропорционально-интегральным регулятором, нелинейным усилителем и вторым дифференцирующим фильтром, причем первый дифференцирующий фильтр подключен выходом к второму входу элемента сравнения и через блок выделения модуля к первому входу блока умножения, который подсоединен вторым входом к выходу пропорционально-интегрального регулятора, первый суммирующий элемент подключен первым входом к выходу блока умножения, вторым входом к выходу элемента сравнения и выходом ко входу усилителя мощности, второй суммирующий элемент подсоединен первым входом к выходу инерционного фильтра, вторым входом через нелинейный усилитель к выходу пропорционально-интегрального регулятора, третьим входом через второй дифференцирующий фильтр к выходу объекта и выходом ко входу пропорционально-интегрального регулятора, при этом первый дифференцирующий фильтр выполнен в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и усилителя, выход которого подключен ко второму входу каждого интегросумматора и является выходом первого дифференцирующего фильтра, и входом первого дифференцирующего фильтра служит вход первого интегросумматора, соединенный с третьими входами остальных интегросумматоров.

Второй дифференцирующий фильтр выполнен в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, выход которого подключен к второму входу каждого интегросумматора и является выходом второго дифференцирующего фильтра, а входом второго дифференцирующего фильтра служит первый вход первого интегросумматора, соединенный с третьими входами остальных интегросумматоров и вторым входом суммирующего усилителя.

На чертеже приведена функциональная схема комбинированной системы координатно-параметрического управления нестационарным объектом.

Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным объектом n-го порядка содержит последовательно соединенные задатчик 1, инерционный фильтр 2 и элемент 3 сравнения, блок 4 умножения, блок 5 выделения модуля, два суммирующих элемента 6 и 7, объект 8, подключенный входом к выходу усилителя 9 мощности и выходом ко входу первого дифференцирующего фильтра 10, пропорционально-интегральный регулятор 11, нелинейный усилитель 12 и второй дифференцирующий фильтр 13, причем первый дифференцирующий фильтр 10 подключен выходом к второму входу элемента сравнения 3 и через блок 5 выделения модуля к первому входу блока 4 умножения, который подсоединен вторым входом к выходу пропорционально-интегрального регулятора 11, первый суммирующий элемент 6 подключен первым входом к выходу блока 4 умножения, вторым входом к выходу элемента 3 сравнения и выходом ко входу усилителя 9 мощности, второй суммирующий элемент 7 подсоединен первым входом к выходу инерционного фильтра 2, вторым входом через нелинейный усилитель 12 к выходу пропорционально-интегрального регулятора 11, третьим входом через второй дифференцирующий фильтр 13 к выходу объекта 8 и выходом ко входу пропорционально-интегрального регулятора 11, при этом первый дифференцирующий фильтр 10 выполнен в виде последовательно соединенных n интегросумматоров 10/1÷10/n и усилителя 10/(n+1), выход которого подключен ко второму входу каждого интегросумматора 10/1÷10/n и является выходом первого дифференцирующего фильтра 10, и входом первого дифференцирующего фильтра 10 служит первый вход первого интегросумматора 10/1, соединенный с третьими входами остальных интегросумматоров 10/2÷10/n.

Второй дифференцирующий фильтр 13 выполнен в виде последовательно соединенных n интегросумматоров 13/1÷13/n и суммирующего усилителя 13/(n+1), выход которого подключен к второму входу каждого интегросумматора 13/1÷13/n и является выходом второго дифференцирующего фильтра 13, а входом второго дифференцирующего фильтра 13 служит первый вход первого интегросумматора 13/1, соединенный с третьими входами остальных интегросумматоров 13/2÷13/n и вторым входом суммирующего усилителя 13/(n+1).

Комбинированная система координатно-параметрического управления имеет следующее математическое описание:

- для объекта управления

- для управляющего устройства

где , причем

, причем ,

а

В уравнениях (1) и (2) приняты следующие обозначения: Y - вектор состояния объекта; u - управляющее воздействие; λ - приведенное ко входу объекта внешнее возмущающее воздействие; f₁(Y, u), f₂(Y, λ, t) - нелинейные функции, аналитические относительно своих аргументов, причем зависимость функции f₂(Y,λ,t) от времени t отражает действие параметрических возмущений; μ - "малая" постоянная времени, значение которой обратно пропорционально граничной частоте требуемой полосы равномерного пропускания инерционного фильтра 2; σ, τ_i () - постоянные коэффициенты, которые определяются следующими соотношениями:

σ=2nμ; τ₁=2ⁿσ; τ_j+1=/2τ_j-1 ();

причем u₀ и Y₀ - номинальные значения управляющего воздействия и вектора состояния.

Комбинированная система координатно-параметрического управления работает следующим образом. Сигнал задания с выхода задатчика 1 поступает через инерционный фильтр 2 на первый вход элемента 3 сравнения и на первый вход второго суммирующего элемента 7, на второй вход которого поступает через второй дифференцирующий фильтр 13 выходной сигнал объекта 8, а на третий вход - выходной сигнал нелинейного усилителя 12. Нелинейный усилитель 12 имеет нелинейную характеристику (3) типа "зона нечувствительности" и может быть реализован аналогично известному техническому решению [см., например, кн. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. - М.; Энергия, 1978, с.68, схема 2-8-1]. Причем нелинейный усилитель 12 необходим для ограничения коэффициента усиления и обеспечения, тем самым, устойчивости координатного контура локализации возмущений, который образуют последовательно соединенные блок 4 умножения, первый суммирующий элемент 6, усилитель 9 мощности, объект 8, первый дифференцирующий фильтр 10 и блок 5 выделения модуля.

Суммарный сигнал с выхода второго суммирующего усилителя 7 поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора 11, в котором преобразуется соответствующим образом. Сигнал с выхода пропорционально-интегрального регулятора 11 поступает на второй вход блока 4 умножения, в котором изменяет усиление сигнала, поступающего на его первый вход через блок 5 выделения модуля с выхода первого дифференцирующего фильтра 10. Выходной сигнал блока 4 умножения поступает через первый суммирующий элемент 6 и усилитель 9 мощности на вход объекта 8 и начинает компенсировать эквивалентное возмущение f₂(Y, λ, t) объекта 8 (см. уравнение (1)) до тех пор, пока выходной сигнал второго суммирующего элемента 7 не станет равным нулю.

В то же время на второй вход элемента 3 сравнения поступает через первый дифференцирующий фильтр 10 выходной сигнал объекта 8. Сигнал рассогласования с выхода элемента 3 сравнения поступает через первый суммирующий элемент 6 и усилитель 9 мощности на вход объекта 8 и изменяет его выходной сигнал до тех пор, пока не станет равным нулю выходной сигнал рассогласования элемента 3 сравнения.

Заметим, что инерционный фильтр 2 комбинированной системы координатно-параметрического управления необходим для компенсации форсирующего действия ее основного контура регулирования и контура локализации возмущений, которое обусловлено наличием в обратных связях указанных контуров инерционности дифференцирующих фильтров 10 и 13. В свою очередь, дифференцирующие фильтры 10 и 13 необходимы для формирования соответствующих сумм компонент соответственно вектора состояния объекта 8 и вектора состояния параметрического контура локализации возмущений, которые образуют последовательно соединенные второй суммирующий элемент 7, пропорционально-интегральный регулятор 11, блок 4 умножения, первый суммирующий элемент 6, усилитель 9 мощности, объект 8 и второй дифференцирующий фильтр 13.

Качество процесса управления комбинированной системы координатно-параметрического управления исследовалось методом ее моделирования на ПЭВМ. В результате такого исследования установлено, что при отработке внешних возмущающих воздействий система имеет апериодические переходные процессы и обеспечивает нулевую установившуюся ошибку.

Благодаря изменению структуры и введению в комбинированную систему координатно-параметрического управления нестационарным объектом дополнительных элементов обеспечивается повышение качества переходных процессов и точности в установившемся режиме при отработке ею внешних возмущающих воздействий.

1. Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным объектом n-го порядка, содержащая последовательно соединенные задатчик, инерционный фильтр и элемент сравнения, блок умножения, блок выделения модуля, два суммирующих элемента, объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности и выходом ко входу первого дифференцирующего фильтра, отличающаяся тем, что снабжена пропорционально-интегральным регулятором, нелинейным усилителем и вторым дифференцирующим фильтром, причем первый дифференцирующий фильтр подключен выходом к второму входу элемента сравнения и через блок выделения модуля к первому входу блока умножения, который подсоединен вторым входом к выходу пропорционально-интегрального регулятора, первый суммирующий элемент подключен первым входом к выходу блока умножения, вторым входом к выходу элемента сравнения и выходом ко входу усилителя мощности, второй суммирующий элемент подсоединен первым входом к выходу инерционного фильтра, вторым входом через нелинейный усилитель к выходу пропорционально-интегрального регулятора, третьим входом через второй дифференцирующий фильтр к выходу объекта и выходом ко входу пропорционально-интегрального регулятора, при этом первый дифференцирующий фильтр выполнен в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и усилителя, выход которого подключен ко второму входу каждого интегросумматора и является выходом первого дифференцирующего фильтра, и входом первого дифференцирующего фильтра служит первый вход первого интегросумматора, соединенный с третьими входами остальных интегросумматоров.

2. Комбинированная система по п.1, отличающаяся тем, что второй дифференцирующий фильтр выполнен в виде последовательно соединенных n интегросумматоров и суммирующего усилителя, выход которого подключен к второму входу каждого интегросумматора и является выходом второго дифференцирующего фильтра, а входом второго дифференцирующего фильтра служит первый вход первого интегросумматора, соединенный с третьими входами остальных интегросумматоров и вторым входом суммирующего усилителя.