АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к электрическим самонастраивающимся системам управления, а именно к области адаптивных систем управления с пробным гармоническим сигналом, и предназначено для управления химическими, энергетическими, электромеханическими и другими объектами с переменными или нестационарными параметрами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является самонастраивающаяся система управления с гармоническим пробным сигналом (патент РФ №2068196, кл. G05B 13/02), содержащая регулятор, объект управления, выход которого подключен к первому входу измерителя амплитуды и фазы, первый вход которого соединен с первым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом подстройки параметров регулятора, сигнальный вход которого соединен с выходом устройства сравнения, первый вход которого является входом задания системы, сумматор и генератор пробных гармонических колебаний, блок фазовой подстройки, вход которого соединен с вторым выходом измерителя амплитуды и фазы, заграждающий фильтр и блок вычисления коэффициентов заграждающего фильтра, вход которого соединен с выходом блока фазовой подстройки, подключенным к второму входу вычислительного блока и к входу генератора пробных гармонических колебаний, выход которого соединен с вторым входом измерителя амплитуды и фазы и с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу регулятора, а выход к входу объекта управления, выход которого соединен с информационным входом заграждающего фильтра, подключенного выходом к второму входу устройства сравнения, а управляющим входом к выходу блока вычисления коэффициентов заграждающего фильтра.

Недостатком известной системы являются ее неудовлетворительные динамические характеристики, обусловленные наличием заграждающего фильтра 2-го порядка в контуре управления, что приводит к уменьшению запасов устойчивости системы по амплитуде и фазе и появлению в цепи обратной связи пары комплексных корней, существенно повышающих колебательность и длительность переходных процессов в системе.

Задачей изобретения является улучшение динамических характеристик системы и повышение запасов устойчивости системы.

Техническим результатом является исключение из контура заграждающего фильтра и связанных с его наличием негативных эффектов процесса самонастройки.

Указанный результат достигается тем, что в адаптивную систему управления, содержащую схему сравнения, первый вход которой подключен к входу адаптивной системы управления, а выход через последовательно соединенные регулятор, сумматор, объект управления - к второму входу схемы сравнения, первый измеритель амплитуды и фазы, блок фазовой автоподстройки частоты, выход которого подключен к первому входу вычислительного блока и входу генератора, выход которого подключен к второму входу сумматора и второму входу первого измерителя амплитуды и фазы, первый вход которого подключен к выходу объекта управления, а выход вычислительного блока подключен к входу подстройки регулятора, введены второй измеритель амплитуды и фазы, первый и второй входы которого подключены к выходу сумматора и выходу генератора, соответственно, и вычислитель амплитудно-частотной характеристики, выход амплитуды которого подключен к второму входу вычислительного блока, а первый, второй, третий и четвертый входы подключены к первому и второму выходам второго измерителя амплитуды и фазы и первому и второму выходам первого измерителя амплитуды и фазы, соответственно, выход фазы вычислителя амплитудно-частотной характеристики подключен к входу блока фазовой автоподстройки частоты.

Кроме того, регулятор выполнен на основе цифрового скоростного ПИД-регулятора,

первый и второй измерители амплитуды и фазы выполнены на основе фильтров Фурье.

Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на Фиг.1 показана структурная схема адаптивной системы управления с непрерывным процессом самонастройки, на Фиг.2 - графики работы адаптивной системы управления с объектом управления, имеющим параметры, неизменные во времени, на Фиг.3 - график работы адаптивной системы управления с объектом управления с дрейфующим коэффициентом передачи, на Фиг.4 - график работы адаптивной системы управления при периодических 20-40% скачках коэффициента передачи объекта, на Фиг.5 - график работы адаптивной системы управления с объектом управления с изменяющейся постоянной времени.

Адаптивная система управления включает схему 1 сравнения, первый вход которой подключен к входу адаптивной системы управления, а выход через последовательно соединенные регулятор 2, сумматор 3, объект 4 управления - к второму входу схемы 1 сравнения, первый 5 измеритель амплитуды и фазы, блок 6 фазовой автоподстройки частоты, выход которого подключен к первому входу вычислительного блока 7 и входу генератора 8, выход которого подключен к второму входу сумматора 3 и второму входу первого 5 измерителя амплитуды и фазы, первый вход которого подключен к выходу объекта 4 управления, а выход вычислительного блока подключен к выходу подстройки регулятора, в систему введены второй 9 измеритель амплитуды и фазы, первый и второй входы которого подключены к выходу сумматора 3 и выходу генератора 8, соответственно, и вычислитель 10 амплитудно-частотной характеристики, амплитудный выход которого подключен к первому входу вычислительного блока 7, а фазовый выход подключен к входу блока фазовой автоподстройки частоты, первый, второй, третий и четвертый входы вычислителя амплитудно-частотной характеристики подключены к первому и второму выходам второго измерителя амплитуды и фазы и первому и второму выхода первого измерителя амплитуды и фазы, соответственно. Первый и второй измерители амплитуды и фазы выполнены на основе фильтров Фурье, а регулятор выполнен на основе цифрового скоростного ПИД-регулятора.

Адаптивная система управления работает следующим образом.

Адаптивная система управления с непрерывным процессом самонастройки осуществляет непрерывную оптимальную подстройку цифрового ПИД-регулятора под изменяющиеся динамические характеристики объекта управления. Работа ПИД-регулятора основана на использовании активных частотных методов, а именно пробного синусоидального сигнала, подаваемого на вход объекта управления, и оценки в замкнутом контуре вектора АФХ объекта.

В отличие от прототипа, принцип настройки регулятора в котором базируется на эмпирическом методе Циглера-Никольса, в качестве критерия оптимизации настройки выбран косвенный показатель оптимальности настройки: система регулирования с ПИД-регулятором может считаться настроенной оптимально, если вектор ее частотной характеристики в разомкнутом состоянии, соответствующей периоду Т_рез=mT_и (где Т_и - установленная в регуляторе постоянная интегрирования, m - показатель колебательности, априори выбранный ≈3.5), располагается под углом -150°, и модуль его равен 0.8. При этом если m=3.5, то для оптимально настроенной системы φ₀ - фазовый сдвиг между входом объекта и его выходом, равен 2,11 рад по такому критерию. Это возможно благодаря тому, что вектор частотной характеристики системы регулирования на частоте резонанса, как правило, занимает весьма стабильное положение в комплексной плоскости вне зависимости от того, какими динамическими свойствами обладает объект управления.

В адаптивной системе управления отсутствует необходимость определения вектора АФХ разомкнутой системы, как это сделано в прототипе, путем включения в контур управления заграждающего фильтра, разрывающего замкнутый контур на одной частоте. Фильтр создает негативные эффекты на этапе самонастройки, ограничивающие применение такой адаптации случаями одноразовой настройки. Так как фильтр исключается, и искажения, вносимые фильтром, отсутствуют, то появляется возможность работать на более низких частотах, в существенном их диапазоне, где оценки частотных характеристик более состоятельны.

Для оптимальной настройки ПИД-регулятора необходимо определить вектор АФХ объекта в окрестности одной конкретной частоты, для чего используется воздействие на систему, в виде возбуждения синусоидальных колебаний с помощью специального генератора в канале управления. Применение «гладкого» гармонического сигнала позволяет к тому же минимизировать вмешательство в работу контура управления.

Работа системы основана на использовании активных частотных методов. Настройка в замкнутом контуре осуществляется путем подачи на вход объекта, наряду с управляющим U_p(t) пробного сигнала. Для этого используется гармоническое воздействие U_г(t) на замкнутую систему управления, формируемое цифровым генератором синусоидальных колебаний. С помощью первого фильтра Фурье осуществляется оценка установившихся значений амплитуды R_вх и фазы ϕ_вх пробных колебаний в сигнале управления U(t). Второй фильтр Фурье оценивает R_вых и ϕ_вых в выходном сигнале Y(t) объекта. Соответственно вычислитель АФХ определяет вектор комплексной характеристики объекта R_o, ϕ_o на частоте тестового сигнала ω.

Начальный поиск и дальнейшее отслеживание частоты, на которой фазовый сдвиг ϕ между входом объекта ϕ_вх и его выходом ϕ_вых равен ϕ_з=-2.11 рад, осуществляется блоком фазовой автоподстройки частоты (БФАЧ). Блок изменяет частоту о генератора синусоидальных колебаний таким образом, чтобы обеспечить заданный фазовый сдвиг. Вычислительный блок производит расчет настроек ПИД-регулятора k_p, Т_и, Т_д при захвате БФАЧ фазы ϕ_о=-2.11 с определенной точностью.

Генератор 7 пробных гармонических колебаний формирует пробный сигнал:

U_г[k]=R_гsin(δ[k]),

где k - текущий номер периода квантования;

R_г - заданное значение амплитуды тестовой гармоники;

δ[k] - дискретное время генератора пробных колебаний, зависящее от текущей величины нормируемого периода колебаний N_j и определяющееся соотношением: δ[k]=δ[k]+2π/N_j, при этом если δ[k]≥2π, то δ[k]=δ[k]-2π.

N_j - нормированный период, который связан с частотой пробных колебаний соотношением:

ω=2π/(N_jT_q),

где T_q - период квантования.

Измерители амплитуды и фазы представляют собой дискретные фильтры Фурье, которые по m-периодов пробных колебаний определяет на j-м цикле адаптации оценки амплитуды R(j) и фазы ϕ(j) гармонической составляющей в сигнале Y[k], согласно формулам:

где R_s(j), R_c(j) - синусная и косинусная составляющие сигнала Y[k];

m - число анализируемых периодов колебаний, варьируя которое можно достичь повышения помехоустойчивости контура адаптации в зависимости от «зашумленности» Y[k].

Длительность анализируемой на j-м цикле последовательности, в течение которой не

меняется частота генератора, равна mN_jT_q. При работе адаптивной системы управления в реальном времени текущие значения сигнала с выхода объекта управления Y[k] получают путем аналого-цифрового преобразования.

При настройке в условиях высокого уровня шумов полученные на j-м цикле адаптации величины текущих оценок амплитуды R(j) и фазы ϕ(j) вектора АФХ объекта могут быть подвергнуты сглаживанию, например, методом скользящего среднего. Кроме того, для ослабления шума, создающего помехи наблюдениям, рекомендуется, а в большинстве случаев необходимо, использование совместно с фильтром Фурье дополнительного полосового фильтра, средняя частота которого должна быть жестко связана с частотой пробных колебаний ω. Полосовой фильтр может быть построен на базе уже включенных в структуру системы заграждающих фильтров.

При этом для первого фильтра Фурье в качестве анализируемого выступает сигнал, подаваемый на вход объекта управления U[k], при этом оцениваемые амплитуда и фаза получают индекс «вх». Соответственно для второго фильтра это Y[k], измеряемый на выходе объекта, а индекс - «вых».

Блок вычисления АФХ находит текущую оценку положения вектора АФХ объекта управления на частоте тестового сигнала ω по формулам:

Блок 8 фазовой подстройки работает, в простейшем случае, по интегральному закону управления, так как скачки по пробной частоте нежелательны. Он, путем изменения частоты колебаний ω генератора, отслеживает фазовый сдвиг между входной и выходной гармониками объекта на уровне ϕ_з=-2,11 рад. Используется следующий вид закона управления блока фазовой подстройки частоты:

N_j+1=N_j{βϕ(j)/ϕ_з-(β-1)},

где β выбирается в диапазоне 0.5÷1.5, обеспечивающем устойчивую работу контура адаптации для объектов с различными величинами запаздывания.

Вычислительный блок при достижении или в случае непрерывной адаптации - удержании текущего значения фазового сдвига величины -2.11 рад: , где γ - точность слежения, определяет настройки регулятора согласно косвенному неэкстремальному критерию В.Я.Ротача [1]:

где Т_и и Т_д - параметры настройки адаптивной системы управления, нормированные по периоду квантования T_q,

N_j=2π/(ωT_q) - нормированный период пробных колебаний.

При этом регулятор в адаптивной системе управления должен быть с зависимыми настройками.

Регулятор 1 реализует алгоритм цифрового скоростного ПИД-регулятора с фильтрацией Д составляющей. Он получается путем дискретизации соответствующего непрерывного ПИД-регулятора, и закон управления выглядит следующим образом:

где k_p - коэффициент передачи регулятора, Т_и - постоянная времени изодрома регулятора, Т_д - постоянная времени дифференцирования регулятора.

На вход объекта управления 2 подается сумма сигналов с выхода регулятора U_p(t) и пробное гармоническое воздействие U_г(t) с генератора пробных гармонических колебаний, частота которого может изменяться.

Исследование динамики адаптивной системы управления проводилось путем моделирования на ЭВМ. Предлагаемая адаптивная система управления была реализована в виде программного модуля на языке C++, адаптированного для применения как в составе многоуровневых систем управления, так и на локальном уровне в виде встраиваемых в промышленные контроллеры средств автонастройки. На Фиг.2 изображены результаты исследования адаптивной системы управления, при управлении в реальном масштабе времени объектом, структурно имеющим один вход и один выход. При работе алгоритма в реальном времени сигнал Y[k] брался с аналого-цифрового преобразователя (АЦП), измеряющего выходную величину управляемого процесса, а сигнал U[k] подавался на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и далее через цепи усиления на вход объекта управления.

На графике: ϕ_о - фаза вектора АФХ объекта (нижний на графике сигнал), N_j - нормированный период пробных колебаний (верхний на графике сигнал). В верхней части графиков приведены величины: M_s, Q_s - амплитуда и фаза колебаний на входе объекта; М, Q - амплитуда и фаза колебаний на выходе объекта; А_о, Q_o - вектор АФХ объекта управления; t_k - значение периода квантования в секундах; NF - нормированный период пробных колебаний; A_g - амплитуда пробного сигнала; KP, TI, TD - настройки ПИД-регулятора.

В начале графика показан процесс настройки, причем предуставки параметров регулятора далеки от своих оптимальных значений, а именно k_p=1.6, Т_и=144 с. Затем произошло определение и первое включение оптимальных настроек (t=70 с). Далее (t>200 с) показаны процессы отработки задания при работающем контуре самонастройки.

Как видно, регулятор работает в форсированном режиме, но при этом выход объекта имеет малое перерегулирование, а система высокое быстродействие. Уровень пробных колебаний на выходе объекта не превышает 0.5% диапазона изменения выходной величины. Как показали другие эксперименты на реальных объектах, при разных и достаточно больших величинах запаздывания в объекте (в отличие от большинства существующих систем) качество процессов управления остается оптимальным.

На Фиг.3 приведены графики работы адаптивной системы управления при управлении объектом с дрейфующим коэффициентом передачи k. Сначала идет процесс получения первых настроек, затем с момента времени t=500 мин коэффициент усиления объекта стал линейно увеличиваться от значения k=1.0 со скоростью Δk=0.0005 за T_q и в конце достиг величины 2.702.

Такое гладкое изменение коэффициента характерно для ряда технологических процессов в химической промышленности, может служить моделью старения узлов технологического оборудования и др. Рост коэффициента усиления объекта, который отрабатывала система, наиболее опасен для технологического процесса, так как ведет к уменьшению запасов устойчивости системы. График Фиг.3 показывает высокое качество отработки контуром самонастройки регулятора таких параметрических возмущений (а именно произведение k·k_p мало изменяется).

На графике Фиг.4 представлена работа адаптивной системы управления при периодических 20-40% скачках коэффициента передачи объекта.

На графике Фиг.5 представлена работа адаптивной системы управления с объектом, у которого изменению подвергалась постоянная времени T₁. Подобное поведение характерно для технологических процессов, параметры которых зависят от нагрузки на технологический агрегат, состава и качества сырья, на которых производится замена части оборудования и др.

В верхней части графиков Фиг.4-5 приведены: N - нормированный период пробных колебаний; R_г - амплитуда пробного сигнала; Кр, Ти, Тд - настройки ПИД-регулятора; k-коэффициент передачи объекта управления; Т1 - первая постоянная времени объекта; Rвых - амплитуда колебаний на выходе объекта; Ph - фаза вектора АФХ объекта.

Представленные графики подтверждают работоспособность адаптивной системы управления при управлении объектами с переменными параметрами, даже в условиях наиболее сложных параметрических возмущений в виде скачков.

Использование косвенного неэкстремального критерия повышает качество процессов управления и обеспечивает минимум среднеквадратического отклонения в системе.

Таким образом, предлагаемая адаптивная система управления позволяет обеспечить высокое качество управления широким классом промышленных объектов с переменными параметрами и обладает более высокими динамическими характеристиками и более высоким запасом устойчивости системы по сравнению с прототипом, за счет исключения из контура заграждающего фильтра и связанных с его наличием негативных эффектов самонастройки.

Источники информации

1. Автоматизация настройки систем управления. / Ротач В.Я., Кузищин В.Ф., Клюев А.С. и др.; Под ред. Ротача В.Я. М.: Энергоатомиздат, 1984, 272 с.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в электрических самонастраивающихся системах управления, а именно в адаптивных системах управления с пробным гармоническим сигналом для управления химическими, энергетическими, электромеханическими и другими объектами с переменными или нестационарными параметрами. Техническим результатом является улучшение динамических характеристик и повышение запасов устойчивости. Адаптивная система управления содержит схему сравнения, регулятор, сумматор, объект управления, первый измеритель амплитуды и фазы, блок фазовой автоподстройки частоты, вычислительный блок, генератор. В адаптивную систему управления введены второй измеритель амплитуды и фазы, первый и второй входы которого подключены к выходу сумматора и выходу генератора, соответственно, и вычислитель амплитудно-частотной характеристики, выход амплитуды которого подключен к второму входу вычислительного блока, а первый, второй, третий и четвертый входы подключены к первому и второму выходам второго измерителя амплитуды и фазы и первому и второму выходам первого измерителя амплитуды и фазы, соответственно. Выход фазы вычислителя амплитудно-частотной характеристики подключен к входу блока фазовой автоподстройки частоты. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Адаптивная система управления, включающая схему сравнения, первый вход которой подключен к входу адаптивной системы управления, а выход через последовательно соединенные регулятор, сумматор, объект управления - к второму входу схемы сравнения, первый измеритель амплитуды и фазы, блок фазовой автоподстройки частоты, выход которого подключен к первому входу вычислительного блока и входу генератора, выход которого подключен к второму входу сумматора и второму входу первого измерителя амплитуды и фазы, первый вход которого подключен к выходу объекта управления, а выход вычислительного блока подключен к входу подстройки регулятора, отличающаяся тем, что в нее введены второй измеритель амплитуды и фазы, первый и второй входы которого подключены к выходу сумматора и выходу генератора, соответственно, и вычислитель амплитудно-частотной характеристики, выход амплитуды которого подключен к второму входу вычислительного блока, а первый, второй, третий и четвертый входы подключены к первому и второму выходам второго измерителя амплитуды и фазы, и первому и второму выходам первого измерителя амплитуды и фазы, соответственно, выход фазы вычислителя амплитудно-частотной характеристики подключен к входу блока фазовой автоподстройки частоты.2. Адаптивная система управления по п.1, отличающаяся тем, что регулятор выполнен на основе цифрового скоростного ПИД регулятора.3. Адаптивная система управления по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй измерители амплитуды и фазы выполнены на основе фильтров Фурье.