Прогнозирующий регулятор Советский патент 1988 года по МПК G05B13/02 

У/г /0-1 Ш

UW

00

оо

05 СО

сл

СХ)

Изобретение относится к самонастраивающимся системам управления и может быть использовано для построения систем управления техническими объектами, содержащими значительные запаздывания и подверженными влиянию неконтролируемых внешних воздействий.

Цель изобретения - упрощение регулятора.

Динамика, объекта по каналам регулирования достаточно хорошо аппроксимируется оператором

К

w(p) р

-Р б

Ю

30

коэффициент усиления К и постоянные времени которого незначительно меняю - .я в течение длительности протекания переходного процесса. Характеристики объекта управления по отношению к контролируемым внешним воздействия изменяются существенно. Характеристики внешних сил претерпевают также существенные изменения на ин-25 тервчлах времени длительностью S . Задача управления состоит в обеспечении инвариантности регулируемой координаты от внешних сил. Один из подходов в таких ситуациях состоит в кос- венрюм измерении характеристик внешних сил., прогнозировании результатов этих измерений на интервал длительности б и использовании полученных оценок в функции управления.

На чертеже приведена блок-схема прогнозирующего регулятора.

На чертеже обозначены; y(t) - выходной сигнал объекта; у,ft) - сигнал задания; (j(t) - сигнал сглаженной 01шбки регулирования; U (t) - сигнал восстановленного образцового управления; ) - сигнал экстраполированного образцового управления; U(t) - сигнал сглаженного фактически реализованного управления; U(t) - сигнал корректировочного управления.

Прогнозирующий регулятор содержит блок 1 сравнения, первый фильтр 2 низ кой частоты, обратную модель 3 объе- „„ кта без запаздывания, первый сумматор 4, экстраполятор 5, второй сумматор 6, исполнительный 7, инерционный 8 и четвертый масштабирующий 9 блоки, блок 10 регулирования, первый блок 1 1 задержки, третий масштабирующий блок 12, четвертый сумматор 13, первый масштабирующий блок 14, пятый сумматор 15s й7о.ой фильтр 16 низкой 4и..т.

ты, третий сумматор 17, второй 18 и пятый 19 масштабирующие блоки 19 и второй блок 20 задержки. ,- Экстраполятор 5 реализуется, например, в виде реального форсирую- я|его звена. Инерционный блок 8 реализуется в виде инерционного звена первого порядка. Обратная модель 3 объек- 10 та без запаздывания реализуется в виде пропорционально-дифференциального звена.

Блок 10 регулирования реализует, в частности, пропорциональный,закон (1) is регулирования. Фильтры 2 и 16 низкой частоты реализуются в виде инерционных звеньев первого порядка. Исполнительный блок 7 может быть представлен системой дозирования сыпучих материалов. Такие блоки широко распростране ны в промышленнсгсти, в частност - в q ер ной металлз р ГР и.

Прогнозиру;о;дий регулятор работает следующим образом.

Измеряе . : зыходной сигнал объек : в блоке 1 L.равнения в -ита тся лз с нала о его г аданно--: значании. Сип о полученнсй разнос ти .проходит чер ;- первый фильТ:: 2 низкой частоты, подавляющий высокочастотную составляющую сигнала, что повышает точность его дальнейшей обработки.

С выхода фип.ьтра 2 низкой частоты сигнал преобразуется обратной моделью .,f 3 объекта без запаздывания, а получгк-- ный на ее выходе сигназ дпгебраичес-

45

ки сз ммируется в первом сумматоре 4 с выходным сигналом первого б.г;ока .11 задержки. На вход первого блока 11 задержки поступает сигнал о реализованном в исполнительном блоке 7 управления, измерительная помеха которого подавляется во втором фильтре 16 низкой частоты. В результате на выходе первого сумматора 4 формируется сигнал и (с)образцового управления, восстановленного с запаздыванием 3 .

Далее сигнал U (L) в экстраполято-- ре 5 преобразуется в сигнал экстраполированного образцового управления на текущий момент времени t. Этот сигнал корректируется во втором сумматоре 6 алгебраическим сложением с корректировочным сигналом Su (с) 5 поступающим из блока 10 регулирования. Скорректи ровакный такик образен сигнал гдаег

ки сз ммируется в первом сумматоре 4 с выходным сигналом первого б.г;ока .11 задержки. На вход первого блока 11 задержки поступает сигнал о реализованном в исполнительном блоке 7 управления, измерительная помеха которого подавляется во втором фильтре 16 низкой частоты. В результате на выходе первого сумматора 4 формируется сигнал и (с)образцового управления, восстановленного с запаздыванием 3 .

Далее сигнал U (L) в экстраполято-- ре 5 преобразуется в сигнал экстраполированного образцового управления на текущий момент времени t. Этот сигнал корректируется во втором сумматоре 6 алгебраическим сложением с корректировочным сигналом Su (с) 5 поступающим из блока 10 регулирования. Скорректи ровакный такик образен сигнал гдаег

Остальные блоки прогнозирующего регулятора предназначены для выработки корректировочного управления S U(t) по разности между фактически реализованным и образцовым управлением на интервале времени до момента (t-t) и по разности между фактически реализованным и экстраполированным образцовым управлением на интервале времени от (t- o) до t.

Линейный экстраполятор, в частности в виде реального форсирующего звена, позволяет выработать корректировочное управление по разностям уп- равлений только в двух моментах вре- мени при t- C и t без запоминания траекторий управления на всем интервале памяти объекта. Правомерность такого упрощения видна из следующих выкла- док.

Уравнение в изображениях для части блок-схемы, которая формирует сигнал Su(t), для предлагаемого прогнозирующего регулятора имеет вид

§и(р)К,„К„ w,(p)U(p).-f-Wjp)u4p)4

+к;,к,, (р).

(2)

в котором передаточные функции определены вьфажениями

-др - )

.w,(p) к,-1- . ,

Тр-И Typ+l

где К, Кс,, К,о, К,, К,, K,g,K,,- ко- фициенты усиления;

Т 5. Тв.м ,

- постоянные вр.емени для блоков с соответствующими номерами.

Для известного пронозирующего ре- i /JiHTopa управление формирования сиг- r:a. ia коррекции управления в изобра- х.ниях имеет вид C

М-1

su(p)i:c.

(n-m)-p-fl

т.

пР+1 -р.- 1 (р)-е U(p)j+

.. )(р),

(5)

где Т - постоянная времени, общая для всех эКСтраполяторов; пи-1 - ксмер элемента в блоке эла- г:°. задержкиI

п - число отрезков дискретизации

интервала запаздывания; С , J - коэффициенты масштабирующих

элементов и пропорционального звена.

В силу того, что динамическая часть объекта представлена инерционным звеном первого порядка, коэффициенты в (5) определяются равенствами

();

(6)

Так как параметры в (2) - (4) выби-- раются следующим обра-зом

S- и - -; го

/п;

п K,q -у; К,4 -Кс/п; V., -1/К; K,g Л 7)

25

30

35

-

45

CQ

55

то уравнение (2) эквивалентно уравнению (5). Тем самым известный и предлагаемый прогнозирующие регуляторы эквивалентны,

В предлагаемом прогнозирующем регуляторе сигнал корректировочного управления Su(t) формируется следующим образом.

В третьем сумматоре 17 из сигнала U(t) вычитается выходной сигнал первого блока 1 1 задержки, умноже 1ньй на коэффициент J в третьем масштаб :- рующем блоке ,, а полученный сигнал суммируется с зыходньм сигналом третьего сумматора 17, умноженным н.г коэффициент у во втором масштабирующем блоке 18 и задержанным на время во втором блоке 20 задержки,

В четвертом сумматоре 13 выходной сигнал экстраполятора 5, умноженный на коэффициент К в четвертом масштабирующем блоке 9; суммируется с сиг-налом и (t), преобразованным в инерционном блоке 8 с передаточной функцией КЗ/СТ Р-И); где Kg, К, даны формулами (7). Из полученного результата вычитается выходной сигнал четвертого масштабирующего блока 14 и умножается на коэффициент , Результат стрвляет собой часть корректирово-гкого сигнала У и(t), обусловленную разностью между фактически реализованные; и зкст- раполированньм образцовым управлени, - на HHTepBSJ e времени от (t-t) до t

Этот сигнал в пятом сумматоре 15 суммируется с выходным сигналом первого фильтра 2 низкой частоты, умноженным в пятом масштабирующем блоке 19 на коэффициент J и представляющим собой часть корректировочного сигнала Su(t), обусловленную разностью между фактически реализованным и образцовым управлением на интервале времени до момента .

Выходной сигнал пятого сумматора 15 является величиной корректировочного управления в масштабе выхода объекта. В блоке 10 регулирования этот сигнал преобразуется в масштаб управления и подается на вход второго сумматора 6,

В результате упрощений количество блоков в предлагаемом прогнозирующем регуляторе постоянно (20). Оно значительно меньше, чем в известном прогнозирующем регуляторе, количество блоков которого пропорционально числу п, зависящему от требуемой точности вычислений. Например, при п 20-40 известный регулятор содержит 13+4п 93- -173 блока, т.е. число блоков уменьшено в 5-8 раз, что существенно упрощает прогнозирующий регулятор и соот- ветственно повышает его надежность.

Формула изобретения

Прогнозирующий регулятор, содержа35

Еулй первый блок задержки, экстраполя- тор, блок регулирования, инерционный , блок, последовательно включенные блок сравнения, первьм фильтр низкой частоты, обратную модель объекта без запа- Q здывания и первый сумматор, последовательно включенные второй сумматор.

5 Q

5

, Q

исполнительный блок, второй фильтр низкой частоты, третий сумматор, четвертый сумматор и первый масштабирующий блок, последовательно включенные второй-масштабирующий блок и второй блок задержки, соединенный выходом с другим входом третьего сумматора, подключенного выходом к входу второго масштабирующего блока, выход второго фильтра низкой частоты соединен через первый блок задержки с вторым входом первого сумматора,, выход экстраполя- тора соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока регулирования, первый и второй входы прогнозирующего регулятора соединены соответственно с первым и вторым входами блока сравнения, выход исполнител кого блока подключен к выходу прогнозирующего регулятора, о-тличающийся тем, что, с целью упрощения регулятора, введены третий и четвертый масштабирующие блоки, последовательно включенные пятый масштабирующий блок и пятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого масштабирующего блока, а выход соединен с входом блока регулирования, выход первого фильтра низкой частоты соединен с входом пятого масштабирующего блока, выход первого блока задержки через третий масштабирующий блок соединен с третьим входом третьего сумматора, выход первого сумматора подключен к входу экстраполятора и через инерцион- ньй блок к второму входу четвертого сумматора, выход экстраполятора соединен через четвертый масштабирующий блок с третьим входом четвертого сумматора .

Изобретение относится к самонастраивающимся системам управления. Изобретение позволяет упростить прогнозирующий регулятор и повысить его надежность. Прогнозирующий регулятор содержит блок 1 сравнения, два фильтг ра 2 и 16 низкой частоты, обратную модель 3 объекта без запаздьгеания, пять сумматоров 4, 6, 13, 15 и 17, экстраполятор 5, инерционный блок 8, пять масштабирующих блоков 9, 12, 14, 18 и 19, блок 10 регулирования и два блока 11 и 20 задержки. 1 ил.