СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G05B11/01 

Изобретение относится к области систем автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов.

Наиболее близкими к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту являются способ автоматического управления в системе с люфтом и следящая система для его осуществления [1]. Способ заключается в том, что при суммировании сигнала ошибки с импульсным сигналом коррекции, который формируют в момент наличия люфта путем вычитания текущего значения люфта из сигнала, равного значению полузоны люфта и имеющего знак, совпадающий со знаком сигнала ошибки, сигнал, равный значению полузоны люфта и имеющий знак, совпадающий со знаком сигнала ошибки, формируют путем непрерывного запоминания предыдущей максимальной величины текущего значения люфта.

Недостатками данного способа являются узкая направленность способа на коррекцию нелинейностей только типа «люфт», возможность реализации лишь в системах с заранее известными параметрами люфта, сложность априорного выбора величины коэффициента пропорционального звена регулятора, неэффективность компенсации люфта с изменяющимися параметрами, трудность реализации вследствие большого числа элементов.

Техническим результатом данного изобретения являются расширение функциональных возможностей, повышение точности компенсации нелинейностей, улучшение динамических характеристик следящей системы, содержащей нелинейность с изменяющимися параметрами.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматического управления задающий сигнал суммируют с сигналом коррекции, который формируют нечетким образом, путем фаззификации задающего сигнала и полученной с запаздыванием суммы сигнала ошибки и сигнала коррекции с последующим нечетким логическим выводом с помощью продукционных правил и дефаззификацией. При этом модуль сигнала коррекции равен полученной с запаздыванием сумме ошибки и сигнала коррекции, знак определяется задающим сигналом (при компенсации «зоны нечувствительности») или его производной (при компенсации «люфта»), а значение ошибки формируется вычитанием выходного сигнала из задающего.

Отличительным от прототипа признаком является применение нечеткой логики для анализа сигнала ошибки, задающего сигнала и его производной, а также для формирования сигнала коррекции, что обеспечивает простоту реализации, сокращение элементной базы без потери эффективности и исключает возникновение в системе нелинейностей, обусловленных использованием релейных элементов и негативно влияющих на точность коррекции системы. При этом в качестве сигнала, определяющего знак сигнала коррекции, используется задающий сигнала (при компенсации зоны нечувствительности) или его производной (при компенсации люфта). Совокупность перечисленных признаков позволяет расширить функциональные возможности способа, повысить точность и улучшить его динамические характеристики.

Предлагаемый способ реализуется в следящей системе с люфтом и следящей системе с зоной нечувствительности.

Следящая система с люфтом содержит измеритель рассогласования задающего и выходного сигналов, суммирующий вход которого соединен с суммирующим входом первого сумматора, последовательно соединенного с нелинейным звеном типа «люфт» и объектом управления с датчиком выходного сигнала, выход которого соединен с вычитающим входом измерителя рассогласования, второй сумматор, первый суммирующий вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования, а второй - со вторым суммирующим входом первого сумматора. В следящую систему с люфтом дополнительно введены блок запаздывания, вход которого соединен с выходом второго сумматора, компенсатор, выполняющий фаззификацию входных сигналов с последующим формированием компенсирующего сигнала на основе базы правил нечеткой логики и дефаззификацией, первый (задающий) вход которого соединен с выходом блока запаздывания, а выход - со вторым суммирующим входом первого сумматора и вторым суммирующим входом второго сумматора, блок дифференцирования, вход которого соединен с суммирующим входом измерителя рассогласования, а выход - со вторым (характеристическим) входом компенсатора.

Следящая система с зоной нечувствительности содержит измеритель рассогласования задающего и выходного сигналов, суммирующий вход которого соединен с суммирующим входом первого сумматора, последовательно соединенного с нелинейным звеном типа «зона нечувствительности» и объектом управления с датчиком выходного сигнала, выход которого соединен с вычитающим входом измерителя рассогласования, второй сумматор, первый суммирующий вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования, а второй - со вторым суммирующим входом первого сумматора. В следящую систему с зоной нечувствительности дополнительно введены блок запаздывания, вход которого соединен с выходом второго сумматора, и компенсатор, выполняющий фаззификацию входных сигналов с последующим формированием компенсирующего сигнала на основе базы правил нечеткой логики и дефаззификацией, первый (задающий) вход которого соединен с выходом блока запаздывания, второй (характеристический) вход - с суммирующим входом измерителя рассогласования, а выход - со вторым суммирующим входом первого сумматора и вторым суммирующим входом второго сумматора.

Таким образом, предложенный способ отвечает критериям изобретения «новизна» и «положительный эффект».

На фиг.1 представлена структурная схема следящей системы, реализующей способ автоматического управления в системе с люфтом; на фиг.2 - характеристика нелинейного звена типа «люфт»; на фиг.3 приведены временные диаграммы работы следящей системы с люфтом, где:

а - диаграмма кривой задающего воздействия α_з(t);

б - диаграмма кривой выходного сигнала при отсутствии коррекции α_вых0(t);

в - диаграмма кривой выходного сигнала при автоматическом управлении предложенным способом α_вых(t);

г - диаграмма кривой сигнала ошибки при автоматическом управлении предложенным способом ε(t);

д - диаграмма кривой сигнала коррекции α_к(t).

На фиг.4 представлена структурная схема следящей системы, реализующей способ автоматического управления в системе с зоной нечувствительности; на фиг.5 - характеристика нелинейного звена типа «зона нечувствительности»; на фиг.6 приведены временные диаграммы работы следящей системы зоной нечувствительности, где:

а - диаграмма кривой задающего воздействия α_з(t);

б - диаграмма кривой выходного сигнала при отсутствии коррекции α_вых0(t);

в - диаграмма кривой выходного сигнала при автоматическом управлении предложенным способом α_вых(t);

г - диаграмма кривой сигнала ошибки при автоматическом управлении предложенным способом ε(t);

д - диаграмма кривой сигнала коррекции α_к(t).

На фиг.7 представлено распределение функций принадлежности для обоих входных сигналов компенсатора: n - отрицательная область входного сигнала; p - положительная область входного сигнала.

Следящая система с люфтом (фиг.1) содержит измеритель рассогласования 1 задающего и выходного сигналов, суммирующий вход которого соединен с суммирующим входом первого сумматора 2, последовательно соединенного с нелинейным звеном типа «люфт» и объектом управления За с датчиком выходного сигнала, выход которого соединен с вычитающим входом измерителя рассогласования 1, второй сумматор 4, первый суммирующий вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования 1, а второй - со вторым суммирующим входом первого сумматора 2. В следящую систему с люфтом дополнительно введены блок запаздывания 5, вход которого соединен с выходом второго сумматора 4, компенсатор 6, первый (задающий) вход которого соединен с выходом блока запаздывания 5, а выход - со вторым суммирующим входом первого сумматора 2 и вторым суммирующим входом второго сумматора 4, блок дифференцирования 7, вход которого соединен с суммирующим входом измерителя рассогласования 1, а выход - со вторым (характеристическим) входом компенсатора 6.

Следящая система с зоной нечувствительности (фиг.4) содержит измеритель рассогласования 1 задающего и выходного сигналов, суммирующий вход которого соединен с суммирующим входом первого сумматора 2, последовательно соединенного с нелинейным звеном типа «зона нечувствительности» и объектом управления 3б с датчиком выходного сигнала, выход которого соединен с вычитающим входом измерителя рассогласования 1, второй сумматор 4, первый суммирующий вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования 1, а второй - со вторым суммирующим входом первого сумматора 2. В следящую систему с зоной нечувствительности дополнительно введены блок запаздывания 5, вход которого соединен с выходом второго сумматора 4, и компенсатор 6, первый (задающий) вход которого соединен с выходом блока запаздывания 5, второй (характеристический) вход - с суммирующим входом измерителя рассогласования 1, а выход - со вторым суммирующим входом первого сумматора 2 и вторым суммирующим входом второго сумматора 4.

По предложенному способу в случае появления в системе нелинейности ее компенсация будет произведена следующим образом.

Пусть начальное состояние следящей системы с люфтом (фиг.1) характеризуется точкой 1 (фиг.2) при t=t₁, α_з(t₁)=0, α_к(t₁)=0. При разомкнутом люфте и увеличении сигнала задающего воздействия α_з (при движении системы «вверх» от точки 1 до точки 2 на интервале времени t₁-t₂) на выходе измерителя рассогласования 1 возникает ошибка ε=α_з-α_вых (фиг.2 и 3). Эта ошибка поступает на второй сумматор 4, на выходе которого формируется сигнал β=ε+α_к. Затем этот сигнал β поступает в блок запаздывания 5. Через время τ, т.е. при t=t₁+τ, где τ - время задержки сигнала в блоке запаздывания 5, сигнал β поступает на первый (задающий) вход компенсатора 6. На второй (характеристический) вход компенсатора поступает продифференцированный задающий сигнал. В компенсаторе осуществляется фаззификация входных сигналов. Затем на основе базы правил осуществляется формирование компенсирующего сигнала, который поступает на первый сумматор 2, где складывается с задающим сигналом. Сформированный таким образом сигнал поступает на нелинейное звено типа «люфт» и объект управления 3а, в результате чего происходит компенсация ошибки, возникшей на предыдущем шаге коррекции. Таким образом, при условии постоянства параметров люфта через определенное число итераций на первый (задающий) вход компенсатора начинает поступать величина, равная полузоне люфта b (β=b), a ошибка ε становится равной нулю. Если параметры люфта начинают изменяться, то осуществляется автоматическая подстройка и вновь возникшая ошибка компенсируется. Коррекция системы происходит еще до момента времени, соответствующего точке 3 на фиг.2, когда сигнал задающего воздействия α_з достигает максимального значения. При уменьшении сигнала задающего воздействия α_з (благодаря анализу текущего значения производной задающего воздействия) происходит мгновенная смена направления сигнала коррекции (фиг.3), что позволяет эффективно компенсировать люфт объекта управления.

Рассмотрим процесс компенсации нелинейности в следящей системе с зоной нечувствительности (фиг.4). Пусть начальное состояние следящей системы характеризуется точкой 1 (фиг.5) при t=t₁, α_з(t₁)=0, α_к(t₁)=0. При разомкнутом люфте и увеличении сигнала задающего воздействия α_з (при движении системы «вверх» от точки 1 до точки 2 на интервале времени t₁-t₂) на выходе измерителя рассогласования 1 возникает ошибка ε=α_з-α_вых (фиг.5 и 6). Эта ошибка поступает на второй сумматор 4, на выходе которого формируется сигнал β=ε+α_к. Затем этот сигнал β поступает в блок запаздывания 5. Через время τ, т.е. при t=t₁+τ, где τ - время задержки сигнала в блоке запаздывания, сигнал β поступает на первый (задающий) вход компенсатора 6. На второй (характеристический) вход компенсатора поступает задающий сигнал. В компенсаторе происходит фаззификация входных сигналов. Затем на основе базы правил осуществляется формирование компенсирующего сигнала, который поступает на первый сумматор 2, где складывается с задающим сигналом. Сформированный таким образом сигнал поступает на нелинейное звено типа «зона нечувствительности» и объект управления 3б, в результате чего происходит компенсация ошибки, возникшей на предыдущем шаге коррекции. Таким образом, при условии постоянства параметров зоны нечувствительности через определенное число итераций на первый (задающий) вход компенсатора начинает поступать величина, равная половине ширины зоны нечувствительности b (β=b), а ошибка ε становится равной нулю. Если параметры зоны нечувствительности начинают изменяться, то осуществляется автоматическая подстройка и вновь возникшая ошибка компенсируется. Коррекция системы происходит еще до момента времени, соответствующего точке 3 на фиг.6, когда сигнал задающего воздействия α_з достигает максимального значения. При смене знака сигнала задающего воздействия α_з (при переходе через точку 1 на фиг.6) благодаря анализу текущего значения задающего воздействия происходит мгновенная смена направления сигнала коррекции (фиг.6), что позволяет эффективно компенсировать зону нечувствительности объекта управления.

Поведение скорректированных нелинейных следящих систем с люфтом или зоной нечувствительности по предложенному способу полностью совпадает с поведением линейных систем (без люфта или зоны нечувствительности), если величина задержки сигнала в блоке запаздывания достаточно мала.

Время настройки компенсатора, в течение которого происходит формирование сигнала коррекции, определяется следующим образом:

1. Находится наименьшее целое число n, являющееся решением неравенства (1):

где b - половина ширины зоны нечувствительности (люфта);

f(t) - функция времени, описывающая поведение входного сигнала;

n - число итераций, необходимых для определения величины управляющего сигнала, требующегося для предупреждения нелинейности;

τ - время задержки сигнала в блоке запаздывания.

В случае, если найденное решение не удовлетворяет равенству (1′), следует прибавить к нему единицу.

2. Вычисляется время настройки компенсатора по формуле (2):

Для оценки каждого входного сигнала компенсатора используются две треугольные функции принадлежности. Треугольный вид функций обеспечивает более жесткую оценку, а их число - возможность определения нахождения каждого из входных сигналов компенсатора в положительной или отрицательной области. Распределение функций принадлежности входных сигналов компенсатора одинаково и представлено на фиг.7.

Диапазон распределения функций принадлежности для первого (задающего) входа должен быть не меньше предполагаемой ширины зоны нечувствительности (люфта), а для второго (характеристического) - предельных значений входного сигнала системы (при компенсации зоны нечувствительности) или его производной (при компенсации люфта). Для компенсации динамических нелинейностей следует выбирать более широкий, симметричный относительно нуля диапазон распределения функций принадлежности первого входа.

В качестве выходного сигнала используется сигнал, линейный относительно первого (задающего) входного сигнала с коэффициентом пропорциональности, равным 1 или -1. Соответственно, выходная переменная имеет две функции принадлежности p и n, описывающие эти линейные зависимости. Алгоритмом нечеткого вывода данного компенсатора может быть, например, Сугено 1-го порядка. В качестве метода дефаззификации в примере используется метод «wtaver» - взвешенное среднее. Нечеткая база правил, необходимых для выработки управляющих сигналов, имеет вид:

1. Если (вход 2 есть n) и (вход 1 есть n), то (выход есть p).

2. Если (вход 2 есть n) и (вход 1 есть p), то (выход есть n).

3. Если (вход 2 есть p) и (вход 1 есть n), то (выход есть n).

4. Если (вход 2 есть p) и (вход 1 есть p), то (выход есть p).

где вход 1 - первый (задающий) вход компенсатора,

вход 2 - второй (характеристический) вход компенсатора.

Достоинством предлагаемого способа являются простота реализации, плавность и быстрота настройки компенсатора на параметры нелинейности, что позволяет использовать данный способ не только для коррекции систем, обладающих нелинейностью данных типов вследствие износа механизмов или особенности конструкции, но и рекомендовать его внедрение на стадии проектирования изделий, содержащих узлы, подверженные риску возникновения нелинейности в процессе эксплуатации, с целью увеличения срока службы и эффективности работы таких изделий.

Источник информации:

1. Авторское свидетельство №2114455, кл. G 05 В 11/01, 5/01. // Сухинин Б.В., Нечепуренко Ю.Г., Ловчаков В.И., Сурков В.В. Способ автоматического управления в системе с люфтом и следящая система для его осуществления. Заявлено 18.02.97 (21) 97102401/09, опубл. 27.06.98.

Изобретение относится к области систем автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов. Техническим результатом данного изобретения является повышение точности компенсации нелинейностей типа "люфт" и "зона нечувствительности", а также улучшение динамических характеристик следящих систем. Отличительной особенностью способа является применение нечеткой логики для анализа сигнала ошибки, задающего сигнала и его производной, а также для формирования сигнала коррекции. Следящая система содержит измеритель рассогласования задающего и выходного сигналов, сумматоры, блок запаздывания, нечеткий компенсатор, нелинейное звено типа "люфт" или "зона нечувствительности" с объектом управления и датчиком выходного сигнала, блок дифференцирования (только в системе с люфтом). 4 н. п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ автоматического управления, заключающийся в суммировании задающего сигнала с сигналом коррекции, отличающийся тем, что сигнал коррекции формируют нечетким образом путем фаззифицикации входного сигнала и полученной с запаздыванием суммы ошибки и сигнала коррекции с последующим нечетким логическим выводом с помощью продукционных правил и дефаззификацией, причем упомянутые продукционные правила имеют следующий вид: если входной сигнал соответствует функции принадлежности отрицательной области и полученная с запаздыванием сумма сигнала ошибки и сигнала коррекции соответствует функции принадлежности отрицательной области, то выходной корректирующий сигнал соответствует функции принадлежности положительной области, если входной сигнал соответствует функции принадлежности отрицательной области и полученная с запаздыванием сумма сигнала ошибки и сигнала коррекции соответствует функции принадлежности положительной области, то выходной корректирующий сигнал соответствует функции принадлежности отрицательной области, если входной сигнал соответствует функции принадлежности положительной области и полученная с запаздыванием сумма сигнала ошибки и сигнала коррекции соответствует функции принадлежности отрицательной области, то выходной корректирующий сигнал соответствует функции принадлежности отрицательной области, если входной сигнал соответствует функции принадлежности положительной области и полученная с запаздыванием сумма сигнала ошибки и сигнала коррекции соответствует функции принадлежности положительной области, то выходной корректирующий сигнал соответствует функции принадлежности положительной области.2. Следящая система с зоной нечувствительности, содержащая измеритель рассогласования задающего и выходного сигналов, суммирующий вход которого соединен с суммирующим входом первого сумматора, последовательно соединенного с нелинейным звеном типа «зона нечувствительности» и объектом управления с датчиком выходного сигнала, выход которого соединен с вычитающим входом измерителя рассогласования, второй сумматор, первый суммирующий вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования, а второй - со вторым суммирующим входом первого сумматора, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены блок запаздывания, вход которого соединен с выходом второго сумматора, и компенсатор, выполняющий фаззификацию входных сигналов с последующим формированием компенсирующего сигнала на основе базы правил нечеткой логики и дефаззификацией, первый (задающий) вход которого соединен с выходом блока запаздывания, второй (характеристический) вход - с суммирующим входом измерителя рассогласования, а выход - со вторым суммирующим входом первого сумматора и вторым суммирующим входом второго сумматора, причем упомянутая база правил имеет следующий вид: если (вход 2 есть n) и (вход 1 есть n), то (выход есть p), если (вход 2 есть n) и (вход 1 есть p), то (выход есть n), если (вход 2 есть p) и (вход 1 есть n), то (выход есть n), если (вход 2 есть p) и (вход 1 есть p), то (выход есть p), где вход 1 - первый (задающий) вход компенсатора, вход 2 - второй (характеристический) вход компенсатора, выход - выходной сигнал компенсатора, линейный относительно первого (задающего) входного сигнала, n - функция принадлежности отрицательной области сигнала; p - функция принадлежности положительной области сигнала.3. Способ автоматического управления, заключающийся в суммировании задающего сигнала с сигналом коррекции, отличающийся тем, что сигнал коррекции формируют нечетким образом путем фаззифицикации производной входного сигнала и полученной с запаздыванием суммы ошибки и сигнала коррекции с последующим нечетким логическим выводом с помощью продукционных правил и дефаззификацией, причем упомянутые продукционные правила имеют следующий вид: если производная входного сигнала соответствует функции принадлежности отрицательной области и полученная с запаздыванием сумма сигнала ошибки и сигнала коррекции соответствует функции принадлежности отрицательной области, то выходной корректирующий сигнал соответствует функции принадлежности положительной области, если производная входного сигнала соответствует функции принадлежности отрицательной области и полученная с запаздыванием сумма сигнала ошибки и сигнала коррекции соответствует функции принадлежности положительной области, то выходной корректирующий сигнал соответствует функции принадлежности отрицательной области, если производная входного сигнала соответствует функции принадлежности положительной области и полученная с запаздыванием сумма сигнала ошибки и сигнала коррекции соответствует функции принадлежности отрицательной области, то выходной корректирующий сигнал соответствует функции принадлежности отрицательной области, если производная входного сигнала соответствует функции принадлежности положительной области и полученная с запаздыванием сумма сигнала ошибки и сигнала коррекции соответствует функции принадлежности положительной области, то выходной корректирующий сигнал соответствует функции принадлежности положительной области.4. Следящая система с люфтом, содержащая измеритель рассогласования задающего и выходного сигналов, суммирующий вход которого соединен с суммирующим входом первого сумматора, последовательно соединенного с нелинейным звеном типа «люфт» и объектом управления с датчиком выходного сигнала, выход которого соединен с вычитающим входом измерителя рассогласования, второй сумматор, первый суммирующий вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования, а второй - со вторым суммирующим входом первого сумматора, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены блок запаздывания, вход которого соединен с выходом второго сумматора, компенсатор, выполняющий фаззификацию входных сигналов с последующим формированием компенсирующего сигнала на основе базы правил нечеткой логики и дефаззификацией, первый (задающий) вход которого соединен с выходом блока запаздывания, а выход - со вторым суммирующим входом первого сумматора и вторым суммирующим входом второго сумматора, блок дифференцирования, вход которого соединен с суммирующим входом измерителя рассогласования, а выход - со вторым (характеристическим) входом компенсатора, причем упомянутая база правил имеет следующий вид: если (вход 2 есть n) и (вход 1 есть n), то (выход есть p), если (вход 2 есть n) и (вход 1 есть p), то (выход есть n), если (вход 2 есть p) и (вход 1 есть n), то (выход есть n), если (вход 2 есть p) и (вход 1 есть p), то (выход есть p), где вход 1 - первый (задающий) вход компенсатора, вход 2 - второй (характеристический) вход компенсатора, выход - выходной сигнал компенсатора, линейный относительно первого (задающего) входного сигнала, n - функция принадлежности отрицательной области сигнала; p - функция принадлежности положительной области сигнала.