Устройство для управления неустойчивым экстремальным объектом Советский патент 1983 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к автомати ческому управлению, в частности к управлению динамическими объектами, имеющими экстремальную зависимость вЫхХодной величины от одной переменной, Известны устройства для экстремального управления объектами с устойчивой линейной частью произвольно го порядка, основанные на принципе синхронного детектирования, ряд из которых обеспечивает максимальное быстродействие и инвариантность к частоте пробного воздействия ij H Однако при неустойчивой линейной части объекта указанные устройства неработоспособны. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для управления неустойчивым экстремальным объектом состоящим из последовательно соединенных неустойчивого линейного динамического звена и нелинейного статического звена, содержащее первый блок усилителей, первый избиратель ный фильтр и последовательно соедине ные генератор пробного воздействия, .первый сумматор, идентификатор состо яния второй блок усилителей, второй сумматор, второй избирательный фильтр, и1:рвый блок y;v HO KeHHfi, усредняющий фильтр и первый интегратор подключенный выходом ко второму входу первого суг.1матора, соединенного выходом со входом объекта, подключен ного выходом через -первый избиратель ный фильтр ко второму входу- первого блока умножения, вход первого блока усилителей подключен к выходу идентификатора состояния, а выход - к третьему входу первого сумматора L- Известное устройство неработоспособно при отсутствии контролируемого выхода линейной части объекта. Цель - расширение функциональных возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем что в устройство введены последовательно соединенные сигнум-реле, второй блок умножения, третий ciTviMaTop и второй интегратор, подключенный выходом к второму входу второго сумматора, соединен.ного выходом со вторым входом третьего сумматора, вход сигнум-реле подключен к выходу усредняющего, фильтра, второй блок умно ясения подключен вторым входом к выходу объекта управления, а выходом к второму входу идентификатора состояния . На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 пример блок-схем1.1 идентификатора состояния; На фиг, 3 - пример блоксхемы усредняющего фильтра; на фиг. 4 - эпюры напряжений. Устройство(фиг. 1) содержит объект управления, состоящий из неустойчивого линейного динамического звена 1 и нелинейного статического звена 2, первый сумматор 3, генератор 4 пробного воздействия, идентификатор 5 состояния, первый и второй блоки б и 7 усилителей 6. , . . . . о . , б- , 7 ,,.., 7у,, второй сумматор 8, первый и второй избирательные фильтры 9 и 10, первый блок 11 умножения, усредняющий фильтр 12, первый интегратор 13,второй блок 14 умножения, сигнум-реле 15, третий сумматор 16, второй интегратор 17, Неустойчивое линейное динамичес кое звено 1 имеет п-ый порядок, а нелинейное статическое звено 2 имеет экстремальную характеристику вида F(x) X + а , где F (х) - выходной сигнал звена; х - входной сигнал; а - неизвестная величина. Генератор 4 генерирует гармоническое пробное воздействие. Идентификатор 5 состояния построен на базе модели линейного динамического звена 1 полной размерности. Идентификатор состояния полной размерности (фиг, 2) содержит сумматоры 18 , . . . , 18У), интеграторы 19, , .,., 19и, усилители 20/,,.,., 20j, ...,2ij ,.,.,21,22., .,,,,2 а,, ,.., 23yi, сумматор 24,инвертор 25, сумматор 26. Блоки 6 и 7 состоят ка;едый из И усилителей. Коэффициентами усиления усилителей 6 , . . . , 6 у задаются желаемые динамические свойства системы, вклю1.агг запас устойчивости. Выбором коэффициентов усиления усилителей 7 , . , . , 7у) обеспечивается формирование на выходе сумматора 8 из оценок переменных состояния линейного динамического звена 1 объекта, получаемых навыходе идентификатора 5 состояния, оценки входного сигнала нелинейного статического звена 2. На частоте пробного воздействия сигналы на выходе нелинейного стати fecKOro звена 2 и выходе сумматора 8 совпадают по фазе или сдвинуты на 180 друг относительно друга в зависимости от того, на какой ветви экстремальной характеристики, восходящей или нисходящей, находится система,что обеспечивает системе максимальное быстродействие и смещение состояния устройства в сторону экстремума. Избирательные фильтры 9 и 10 имеют, одинаковую структуру и настроены на частоту пробного воздействия генератора 4. Блок 11 умножения и усредняющийf фильтр 12 представляет собой реализацию синхронного детектора. Усредняющий на периоде пробного воздействия фильтр 12 (фиг. 3) содержит сумматор 27, звено 28 запаздывания и интегратор 29. Время задержки звена 28 запаздывания равно периоду пробного возлействия. Зависимость выходного сигнала (t) от входного VJ (-t) усредняющего фильт ра 12 имеет вид ())-vnt-T)at-- hwat, о где Т - период пробного воздействия Таким образом фильтр производит усреднение входного сигнала на период пробного воздействия. На фиг. 4 приведены осциллограмм изменения следующих сигналов: сигналов на выходе линейного динамичес кого звена 1 (кривая 1) и его оценки (кривая 2), полученной с помощью идентификатора состояния, выходных сигналов усредняющего.фильтра 12 (кривая 3) и сигнум-реле 15 (кривая 4) сигнала на выходе интегратора 17 (кривая 5), а также выходных сигналов нелинейного статического звена (кривая 6) и сумматора 8 (кривая 7) Всё осциллограммы получены в резуль тате моделирования на-ЦВМ работы данного устройства. При моделировании, например, при нято, что линейное динамическре эве но 1 имеет передаточную функцию ОУ;( ( 1 Нелинейное статическое звено 2 имеет, например, следующую зависимость выходной величины от вх ной: F(x). Гармоническое проб ное воздействие имеет вид: u(-t) . sin Шо-t, где WQ- 15,708 сЧ Переда точная функция избирательных фильтров 9 и 10 выбрана в виде V/ (р), 9,0 1 (р +ОДШор-н«)()Звено 28 запаздывания моделируют четырьмя одинако выми последовательн соединенными звеньями с передаточны ми функциями вида Т Р -бТоЬП а«1Р)т р бТрриагде . При моделировании интегратор 13 заменяют на инерционное звено с передаточной функцией WP) -5+ЫУстройство работает следующим об разом. Из осциллограмм видно, что в момент времени линейно динамичес кое звено 1 объекта и идентификатор 5 состояния имеют разные начальные условия (кривые 1,2). При -Ь70 с сигнал на выходе идентификатора 5 состояния равен сигналу с выхода линейного динс1мического звена 1 объекта, а выходной сигнал интегратора 17 равен величине а -. 2. При этом сигнал на выходе нелинейного статического звена 2 объекта и на выходе сумматора 8 равны или противоположны по знаку (кривые 6 и 7) в зависимости от того, с какой стороны от экстремума находится система Знак частной производной функции F(x) нелинейного статического звена 2 совпадает со знаком выходного сигнала сигнум-реле 15 (кривая 4}. Начиная с момента-Ь-ВО с система осуществляет колебания вокруг точки экстремума функции F(x) нелинейного статического звена 2 объекта. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет оптимизировать выход экстремального объекта как с устойчивым, так и с неустойчивым линейным динамическим звеном произвольного порядка, включенным перед нелинейным-статическим звеном с экстремальной характеристикой вида F(x)|x + а.. Предлагаемое устройство может найти применение для управления положением плазменного шнура с током в тороидальных магнитных системах, так как, во-первых движение шнура относительно управлякадего воздействия описывается дифференциальными уравнениями высокого порядка; во-вторчах, шнур в отсутствие обратной связи, как правило, неустойчив; в-третьих, паргилетры плазмы (температура, активное сопротивление шнура и др.) имеют экстремальную зависимость от положения шнура. Цель управления - обеспечение устойчивости и максимизация термоядерных параметров плазмы (или минимализация потерь). Устройство применимо также в случае управлений неустойчивым объектом, качество управления которым оценивается по экстремальному критерию, формируемому в; системе управления, например, в случае управления движущимся объектом по критерию минимума абсолютной величины отклонения от заданной траектории движения или от направления на цель.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫМ ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ОБЪЕКТОМ, СОСТОЯЩИМ из последовательно соединенных неустойчивого линейного динамического эвена и нелинейного статического эвена, содержащее первый блок усилителей, первый избирательный .фильтр и последовательно соединенные генератор пробного воздействия. Первый сумматор, идентификатор состоя- «etntt « t «if W ч 44 Kf О ния, второй блок ус.илителей, второй . сумма.тор, второй избирательный фильтр первый блок умножения, усредняющий фильтр и первый интегратор, подключен ный выходом ко второму входу первого сумматора, соединенного выходом с входом объекта, подключенного выходом через первый избирательный фильтр ко второму входу первого блока умно.жения,вход первого блока усилителей подключен к выходу идентификатора состояния, а выход - к треть ему входу первого сумматора, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, введены последовательно соединенные сигнум-реле, второй блок умножения, третий сумматор и (/ второй интегратор, подключенный вы:ходом к второму входу второго сумматора, соединенного выходом со вторым входом третьего сумматорЪ, вход сигнум-реле подключен к выходу усредняющего фильтра, второй блок умножения подключен вторым входом к выходу объекта управления, а выходом - к второму входу идентификатора состояния.. .% t Ю 9u.f

fl

j5

фиг.З