СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ С ТРАНСПОРТНЫМ ЗАПАЗДЫВАНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к самонастраивающимся системам управления и может быть использовано для построения систем управления техническими объектами, содержащими нестационарные транспортные запаздывания, например системы управления толщиной полосы металла в прокатном производстве, нанесением светочувствительных и магнитных покрытий в линиях химического производства, мелованием бумаги в бумагоделательном производстве и других. Изменения транспортного запаздывания обусловлены изменениями режимов работы технологического оборудования.

Известна система управления [1] содержащая объект управления с запаздыванием, сумматор, модель объекта без запаздывания, модель запаздывания, первый регулятор и второй регулятор, выходы которых суммируются и поступают на объект управления. Второй регулятор это корректирующий регулятор.

К недостаткам такой системы можно отнести то, что система полностью компенсирует запаздывание только при условии постоянства времени запаздывания. Если время запаздывания изменяется, то запаздывание компенсируется только частично и возможны существенные динамические ошибки.

Для разных запаздываний в одном канале регулирования существует устройство компенсации запаздываний [2] В устройстве регулирующее воздействие экстраполируется в экстраполяторе на меньший интервал запаздывания, корректируется в модельном контуре с учетом разницы между большим и меньшим запаздыванием в одном канале регулирования, после чего реализуется исполнительным устройством. Выходной сигнал Y_ск устройства получается в результате суммирования измеренного датчиком значения выходного сигнала объекта и преобразованного в модели инерционной части объекта сигнала об ошибке экстраполяции регулирующего воздействия.

Недостаток устройства заключается в том, что время запаздывания считается разным, что приводит к снижению точности регулирования.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе является система управления с регулятором Смита [3] принятая в качестве прототипа. Система с регулятором Смита содержит последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, регулятор, исполнительное устройство и объект управления с запаздыванием, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, причем выход регулятора соединен с входом модели объекта без запаздывания, выход которого соединен с моделью запаздывания, выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, сигнал задания соединен с вторым входом первого сумматора.

Недостатком такой системы является низкая точность регулирования. В системе считается, что время запаздывания постоянное. При этом условии система скомпенсирована. Но в большинстве технологических процессов время запаздывания не постоянное, а изменяется. При этом неизменяемая модель полностью не компенсирует изменяющееся запаздывание.

Задача создание системы, работающей при изменяющемся запаздывании.

Задача решается путем создания системы, содержащей последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, регулятор, исполнительное устройство и объект управления с запаздыванием, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, а также последовательно соединенные модель объекта управления без запаздывания, модель запаздывания и третий сумматор, причем выход регулятора соединен с входом модели объекта управления без запаздывания, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, а второй вход первого сумматора подключен к входу задания ошибки системы, отличающейся тем, что в нее введены последовательно соединенные блок вычисления ошибки компенсации и блок перестройки модели запаздывания, а также блок включения и отключения тестового сигнала, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления ошибки компенсации, подключенным к выходу первого сумматора, выход соединен с третьим входом первого сумматора, а второй вход подключен к входу тестового сигнала системы.

Отличительные признаки являются существенными, так как новая совокупность введенных блоков, сигнала и связей позволяет практически полностью (90 95% ) устранить динамическую ошибку, обусловленную наличием запаздывания. В системе управления для компенсации изменяющегося запаздывания объекта применяется устройство, изменяющее модель запаздывания.

На фиг. 1 изображена структурная схема системы управления с регулятором Смита (прототип).

На фиг. 2 представлены переходные процессы системы управления с регулятором Смита при разных значениях Δτ=τ₁-τ₂ именно фиг. 2а τ₁>τ₂ фиг. 2б - τ₁<τ₂ где τ₁ время запаздывания, τ₂ время компенсации.

На фиг. 3 изображена функциональная схема системы управления объектом с транспортным запаздыванием, где Y_з(t) сигнал задания; Y_т(t) - тестовый сигнал; ε_т(t) ошибка, вызванная транспортным запаздыванием; ε - ошибка; Z(t) возмущающее воздействие.

На фиг. 4 показана структурная схема системы управления объектом с транспортным запаздыванием.

На фиг. 5 представлена схема алгоритма вычисления ошибки компенсации и перестройки модели запаздывания.

На фиг. 6 а) тестовый сигнал; б), г) реакции выходного координатора на тестовый сигнал в системе с регулятором Смита; в), д) реакция выходного координатора на тестовый сигнал в предлагаемой системе.

На фиг. 1 оператор запаздывания.

Когда τ₁ принято постоянным и τ₂ выбирается из условия τ₂=τ₁ система с регулятором Смита полностью компенсирует запаздывание. Если τ₁ изменяется, а τ₂ постоянное, то невозможна полная компенсация τ₁. Это иллюстрируется на фиг. 2. Исследования показывают, что чем больше отклонения тем хуже компенсация, а при рассогласовании значений больше 2T_μ (T_μ постоянная времени объекта) система становится неустойчивой.

Система управления объектом с транспортным запаздыванием (фиг. 3) содержит подключаемые к объекту управления с запаздыванием 5 исполнительное устройство 4, регулятор 3, второй сумматор 2, первый сумматор 1, модель объекта без запаздывания 6, модель запаздывания 7, третий сумматор 8, а также блок вычисления ошибки компенсации 9, блок перестройки модели запаздывания 10, блок включения и отключения тестового сигнала 11. Ее структурная схема представлена на фиг. 4.

На фиг. 4 обозначено:
оператор запаздывания;
модель запаздывания;
Ф(Р) оператор блока адаптивной настройки;
W_о(Р) передаточная функция объекта без запаздывания;
W_р(Р) передаточная функция регулятора;
W_иу(Р) передаточная функция исполнительного устройства;
f(t) возмущающее воздействие;
WMo

Система работает следующим образом.

Тестовый сигнал это периодический сигнал (фиг. 6а), период которого согласован со временем запаздывания объекта. На первом интервале происходят обработка сигнала и вычисление ошибки компенсации Δτ а в начале третьего интервала T_о перестройка времени компенсации t₂ чтобы иметь равенство τ₂=τ₁ тем самым устраняется динамическая ошибка.

Вычисление ошибки Δτ и перестройка t₂ осуществляются в устройстве адаптивной настройки. Ошибку компенсации Δτ измеряем по методу интегральной оценки:

где σ оценка компенсации, t₁, t₂ нижний и верхний временные пределы оценки динамической ошибки системы.

Если Dt>0, то σ>0 а если Δτ<0 то σ<0 Перестройка τ₂ осуществляется путем умножения σ на масштабный коэффициент K, то есть
t₂=k•σ.
Алгоритм вычисления ошибки компенсации и перестройки модели запаздывания в системе управления реализуется на программируемом контроллере. Схема алгоритма вычисления и компенсации дана на фиг. 5. Поясним назначение блоков этой схемы.

Блок 20 обеспечивает ввод параметров всех звеньев структурной схемы, нижнего и верхнего предела интегральной оценки, начальных значений счетчиков и массивов.

Блок 21 осуществляет контроль выполнения условия того, что текущее время меньше t 2•T₀.

Блоки 22, 32 осуществляют контроль выполнения условия того, что текущее время меньше или равно времени запаздывания.

Блоки 23, 26, 33, 36 осуществляют расчет массивов переменной.

Блоки 24, 27, 34, 37 определяют величину сигнала обратной связи.

Блоки 25, 35 осуществляют контроль выполнения условия того, что текущее время меньше или равно времени компенсации.

Блок 28 производит расчет ошибки компенсации в пределе динамической ошибки системы.

Блок 29 осуществляет контроль выполнения условия того, что текущее время равно t 2•T₀.

Блок 30 устанавливает в состояние <Ноль> счетчики и массивы.

Блок 31 производит перестройку времени компенсации (K оптимальный параметр перестройки).

Тестовый сигнал включается периодически в соответствии с изменением режимов работы технологического оборудования. Включение сигнала происходит по программе, а отключение автоматически после устранения ошибки компенсации. Это обеспечивается блоком включения и отключения тестового сигнала. Техническая реализация вычисления и перестройки выполняется на базе наиболее перспективных средств вычислительной техники, в частности программируемых контроллеров, сопрягаемых с исполнительным устройством системы управления.

Исследования (фиг. 63 б, в, г, д) показывают, что практически полностью удается исключить динамическую ошибку через 3 интервала тестового сигнала. В зависимости от требуемого характера переходного процесса это намного лучше, чем в системе прототипа.

Литература
1. СССР, А.С. N 1674060, кл. G 05B 13/02, 1991.

2. СССР, А.С. N 1409966, кл. G 05B 11/01, 1988.

3. Смит О. Дж. Автоматическое регулирование. М. Госфизматиздат, 1962. С. 429.

Изобретение относится к самонастраивающимся системам управления и может быть использовано для построения систем управления технологическими объектами, содержащими нестационарные транспортные запаздывания, обеспечивающие компенсацию нестационарного запаздывания и повышение динамической точности системы управления. Система содержит сумматоры 1, 2, 8, регулятор 3, исполнительное устройство 4, объект управления с запаздыванием 5, модель объекта без запаздывания 6, формирователь сигнал запаздывания 7, блок вычисления ошибки компенсации 9, блок умножения 10, блок включения и отключения ошибки компенсации 11. 6 ил.

Система управления объектом с транспортным запаздыванием, содержащая первый сумматор, первый информационный вход которого является первым информационным входом системы, служащим для подключения сигнала задания системы, выход первого сумматора соединен с первым информационным входом второго сумматора, подключенного вторым информационным входом к выходу третьего сумматора, а выходом к входу регулятора, соединенного выходом с входом модели объекта без запаздывания, подключенной выходом к первому информационному входу третьего сумматора и к первому входу формирователя сигнала запаздывания, связанного выходом с вторым информационным входом третьего сумматора, объект управления с запаздыванием, подключенный выходом к второму информационному входу первого сумматора, отличающаяся тем, что в систему введены исполнительное устройство, блок вычисления ошибки компенсации, блок умножения и блок включения и отключения тестового сигнала, первый вход которого является вторым информационным входом системы, служащим для подключения тестового сигнала, а выход блока включения и отключения тестового сигнала подключен к третьему информационному входу первого сумматора, соединенного выходом с входом блока вычисления ошибки компенсации, подключенного выходом к второму входу блока включения и отключения текстового сигнала и к входу блока умножения, связанного выходом с вторым входом формирователя сигнала запаздывания, выход регулятора через исполнительное устройство связан с входом объекта управления с запаздыванием.