Система управления инерционным экстремальным объектом Советский патент 1989 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к области автоматического управления, в частности к устройствам управления динамическими объектами с неизвестными параметрами, имеющими экстремальную зависимость выходной величины от одной переменной.

Цель изобретения - повьшение быстродействия системы, .

На фиг.1 приведена структурная схема системы; на фиг, 2 - -схема фильтра низко й частоты с запоминанием состояния; на фиг. 3 - схема блока прерывания.

Система содерз«1т генератор 1 прямоугольных пробных воздействий, сумматор 2, объект 3 управления, состоящий из линейной части 4 с передаточной функцией W(jo) и нелинейной час ти 5 с экстремальной характеристикой Q(X), умноуштель 6, фильтр 7 усреднения, интегратор 8, блок 9 выделения М гармоник пробного сигнала, М фазовращателей 10, 2М до- полнитапьных умножителей 11, 2М фильтров 12 усреднения, блок 13 решения линейных уравнений,-К ключей 14, К фильтров 15 низкой частоты с запоминанием состояния, блок 16 пре- рывания и модель 17 линейной части . объекта.

Каждый из выходов блока 9 выделения гармоник пробного сигнала непосредственно и через фазовращатели 10, - 10; подключен к первым входам умножителей П, - к вторым входам которых подключен выход нелинейной части 5 объекта,Выходы умножи- телей 11, - 1 1 „через усредняющие на периоде пробного воздействия фильтры 12, - подключены к соответствующим входам блока 13, который произ- водит вычисление параметров модели линейной части объекта. Выходы блока 13 через аналоговые ключи 14, - 14 и фильтры низкой частоты 15. - 15i,

л

с запоминанием состояния подключены к соответствующим входам параметри

ческой коррекции модели нелинейной части 5 объекта. Здесь индекс k - число неизвестных параметров модели. Управляющие входы ключей 14,ч - 14j и управляющие входы фильтров 15, -15ц низких частот с запоминанием состояния, на которые (входы) подаются .сигналы управления, переводящие фильтры в режим запоминания состояния.

0 5 0

5

д с

0

5

подключены через блок 16 прерывания к выходу фильтра 7.

Фильтр 15 низкой частоты с запоминанием состояния (фиг,2) состоит из интегратора 18, в обратной связи которого включен масштабирующий блок 19, управляемый выходным сигналом блока 16 прерывания. При замкнутом состоянии блока 19 фильтр 15 представляет собой инерционное звено с постоянной времени, определяемой величиной коэффициента усиления блока 19. При разомкнутом состоянии блоки 19 и при отсутствии сигнала на входе фильтра (при разомкнутом состоянии ключа 1.4) выходной сигнал интегратора 1В остается неизменным, т.е. на интеграторе запоминается то состояние, в котором он находился в момент размыкания блока 19.

Блок 16 прерывания (фиг.З) состоит из последовательного соединения блока 20 модуля, выходной сигнал которого равен абсолютной величине входного сигнала, сумматора 21, к второму входу которого подключен источник 22 напряжения, триггера Шмидта 23, фазосдвигающего звена. 24, ключа 25, сумматора 26, триггера 27 со счетным входом. Выходы триггера Шмидта 23 и триггера 27 со счетным входом соединены с соот.ветствующими входами логического элемента И-НЕ 28, выход которого соединен с управляющим входом ключа 25. Выход триггера 27 подключен к управляющему входу ключа 29, включенного между выходом генератора 30 импульсов и входом счетчика 31, выход последнего разряда которого соединен с вторым входом сумматора 26. Выход триггера Шмидта 23 соединен с управляющим входом обнуления (сброса) счетчика 31 импульсов. Выход триггера 27 через логический элемент НЕ (логический инвертор) 32 соединен с управляющими входами ключей 14 - 14ц и ключей фильтров 154 5ц низкой частоты с запоминанием состояния.

Блок 13 решения линейных уравнений представляет собой известньй аналоговый решающий блок. Система работает следующим образом. Сигнал с генератора 1 прямоугольных пробных воздействий через сумматор 2 поступает на вход объекта 3 управления, состоящий из линейной части 4 и нелинейной части 5 с экстремальной характеристикой, а также на вход модели 17 с переменными параметрами линейной части объекта управления. При синхронном детектировании выходного сигнала объекта с помощью синхронного детектора, состоящего из последовательного соединения умножителя 6 и усредняющего на периоде пробного воздействия фильтра 7,величина выходного сигнала синхронного детектора тем больше, чем меньше фазовый сдвиг между выходным сигналом объекта и опорным сигналом синх ронного детектора, В предлагаемой системе опорным сигналом синхронного детектора является выходной сигнал модели I7 линейной части объекта, поэтому величина выходного сигнала синхронного детектора максимальна при равенстве передаточных функций .ринейной части объекта и ее модели (т,е, при совпадении их частотных характеристик, когда W(jio) W(JCD)),

Вычисление неизвестных параметров линейной части объекта производится следующим образом,

С помощью блока 9 выделения гармоник вьзделйют ортогональные гармонические составляющие сигнала пробного воздействия. Умножая их на выходной сигнал объекта управления с последующим усреднением на периоде пробного воздействия, на выходе фильтров 12, - 12м получают сигна- лы zy(i 1 - М), пропорциональные произведению частной производной экстремальной характеристики нелинейной части 5 на значение действительной части частотной характеристики линейной части 4 объекта 3 на частотах гармонических составляющих сигнала пробного воздействия, т,е,

Z; -|-|- КеИ.1ц)(1 1..,,..М)

где Q и X - соответственно выходной и входной сигналы нели- нейной части 5 объекта; i - номер гармоники сигнала

пробного воздействия. Сдвигая казэдую из гармонически .составляющих сигнала пробного воздействия фазовращателями 10, - Юдц на угол ir/2, умножая их на выходной сигнал объекта с последующим усреднением на периоде пробного воздействия, на выходе фильтров 12м+10

5

0

Z

I 2j получают сигналы Z((i 1,,,.,М), пропорциональные произведению частной производной экстремальной характеристики нелинейной части 5 на значение мнимой части частотной характеристики линейной части 4 объекта на частотах гармони-; ческих составляющих сигнала пробного воздействия, т,е

9q Тх

(i 1,,.,,М), .

Приравнивая полученные значения сигналов Z;, к выражениям для действительной и мнимой частей частотной характеристики йодели линей- ной части 4 объекта с неизвестными параметрами, получают систему уравнений вида

(.) Z:

In,w(j)

25

In,w () Z (i 1,,,,,M),

M41

решив которую, находят неизвестные параметры линейной части объекта 3. Статический коэффициент усиления модели, полученный таким образом, связан со статическим коэффициентом линейной части объекта следующим сйот- ношением:

W t.i

К,

К

ах

где К и К - значения истинного коэффициента усиления и его модели соответственно,

Параметры модели 17 линейной части объекта устанавливают в соответствии с вычисленными значениями,Знак устанавливаемого в модели статического коэффициента усиления должен

быть неизменным, так как полученная оценка пропорциональна частной

производной -,г-- 1 по знаку которой

выбирается направление движения к экстремуму. Если знак статического коэффициента усиления не фиксировать, то система теряет работоспособность.

Для объекта управления с линейной частью 1-го и 2-го порядков можно получить в явном виде формулы для вычисления неизвестных параметров. Например, параметры модели, описывав- мо передаточной фуикции W(P)

К/(Р + ci;), .вычисляются путем ния системы уравнений вида

к:Д/2() Z,

К(0/2(ЧсоМ Zj следующим образом

С

К

2о( Z , +

z )/z,

При приближении к экстремуму,ког« К

9х

з.н-ачение

О, Сигналы Z,5 Z-, уменьшаясь по абсолютной величине, могут вызвать увеличение ошибок вычислений. Поэтому при приб3 Q;

лижении - - к нулю в устройстве

предусмотрено отключение блока 13 от модели лргаейной части объекта 17 с помощью ключей 14, - 14,, запоминание вычисленных значений параметров на фильтрах 15, - 15 с запоминанием состояния и фиксации указанного состояния системы в течение заданного времени. Эти.операции осуществляет блок 16 прерывания (фиг.З)

На вход блока 20 модуля блока 16 прерывание подают сигн.ал с выхода.

На

3Q фильтра 7, пропорциональный

Jx

сумматоре 21 выходной сигнал суммируется с выходным сигналом источника 22 напряжения, определяющим то пороговое напряжение выходного сигнала блока 20 модуля, при котором срабатывает триггер Шмидта 23. При уменьшении выходного сигнала блока 20 модуля ниже порогового значения срабатывает триггер Шмидта 23, на его выходе появляется логическая В исходном состоянии на выходе триггера 27 сигнал соответствует логическому О, а следовательно, на выходе логического элемента И-НЕ 28 1, и ключ 25 замкнут. Сигнал с выхода триггера Шмидта 23, соответствующий логической , обнуляет счетчик .31 импульсов 5 и,пройдя через фазосдвигающее звено 24, замкнутый ключ 25, сумматор 26, перебрасывает триггер со счетным входом -27 в другое устойчивое состояние, при котором на его .выходе будет сигнал, соответств уюпщй логической 1, Выходным сигналом триггера 27 открыва - ется ключ 29у который подключает генератор 30 импульсов к счетчику 31

56930

.импульсов. Одновременно через логический инвертор 32 с триггера 27 проходит сигнал на размыкание ключей g 14, - 14ц и ключей фильтров 5 - 1 515 с запоминанием состояния (фиг.2). Если система находится в области экстремума (сигнал на выходе триггера Шмидта 23 соответствует 10 1), то счетчик 31 импульсов не считает, так как на его обнуляющем входе..

При выходе системы из окрестности экстремума, в любую сторону

Эо О или О) сигнал на

15

I 9Q Тх

выходе блока 20 модуля увеличивает- .ся. При превышении порога срабатывания триггера Шмидта 23 на его выходе появляется логический О, и начинается счет импульсов в счетчи- ке 31. Частотой генератора 30 импульсов и разрядностью счетчика 31 определяется время, через которое в последнем разряде счетчика 31 появляется I. В течение всего этого времени ключи 14, - 14 и ключи фильтров разомкнуты, Ксли в течение этого времени произойдет смещение системы

в окрестность экстремума, а следовательно, сработает триггер Шмидта 23 (на его выходе 1), то счетчик 31 импульсов вновь обнулится выходным сигналом триггера Имидга 23, но триггер 27 останется в том же состоянии, так как выходной сигнал логического элемента И-НЕ 28 разомкнет ключ 25 раньше, чем импульс 1 пройдет через фазосдвигающее звено 24. Таким

образом, счет импульсов в счетчике 31 (отсчет времени) производится от последнего выхода системы из об- пасти экстремума.

45

50

55

Если время, в течение которого система находится вне окрестности экстремума, превышает время появления 1 в последнем разряде счетчика 31 импульсов, то этот сигнал (1 последнего разряда), поступая через сумматор 26 на счетный вход триггера 27, перебрасывает его в другое устойчивое состояние, когда на его выходе будет сигнал, соответствующий логическому О. Выходной сигнал триггера 27, пройдя через логический инвертор 32 на управляющие входы ключей 14 - 14к Ключей фильров, замыкает их. После этого продолжается коррекция параметров модели 17 линейной части объекта.

Таким образом, коррекция параметров модели 17 производится в устройстве только тогда, когда система находится вне заданной окрестности экстремума статической характеристики нелинейной части 5 объекта больше заданного времени. 3 области экстремума коррекция параметров вообще лишена смысла, так как целью изобретения является увеличение быстродействия поиска экстремума.

Формула изобретения

Система управления инерционным экстремальна объектом, содержащая последовательно соединенные генератор прямоугольных пробных воздействий и сумматор, подключенный выходом к входу объекта управления, выход которого подключен к первому входу умножителя, выход которого через фильтр усреднения соединен с входом интегратора, подключенного выходом к. второму входу сумматора, отличающаяся тем, что, с целью повьппения быстродействия системы, в нее введены блок выделения М гармоник пробного сигнала, М фазовращателей, 2М дополнитв-пьных умножителей, 2М дополнительк-гх фильтров усреднения , блок решения линейных уравнений, модель линейной части объекта, К ключей по числу искомых параметров модели линейной час . объекта, К фильтров низкой час 1.- ТЫ с запоминанием состояния и блок .прерывания, причем выход генератора прямоугольных пробных воздействий подключен к входу блока выделения М гяр- моник пробного сигнала, i-й выход (i 1,2,...,М) которого соединен с входом i-ro фазовращателя и с первым входом i-ro дополнительного умнокителя, выход i-ro фазовращателя соединен с первым входом (i+M)-ro дополнительного умножителя, -вторые входы 2М дополнительных умножителей соединены с выходом объекта управления, выход каждого из 2М дополнительных умножител-ей соединен через дополнительный фильтр усреднения с соответствующим входом блока решения линейных уравнений, К выходов которого соединены соответственно с входами К ключей, выход каждого i-ro (i 1,2,,..,к) ключа соединен с входом- i-ro фильтра низкой частоты с запоминанием состояния, выходы фильтров .

низкой частоты с запоминанием состояния соединены с соответствующими входами настройки модели линейной части объекта, у-правляющие входы каждого ключа и фильтра низкой частоты с

запоминанием состояния подключены к выходу блока п1 ерывания, вход которого соединен с.выходом фильтра усреднения, выход генератора прямоугольных пробных воздействий подключен к информационному входу модели линейной части объекта, выход .которого соединен с вторым входом умножителя.

Изобретение относится к области систем автоматического управления и может быть использовано для управления устройствами, имеющими экстремальную зависимость выходной величины от одной переменной. Цель изобретения - повышение быстродействия системы. Систбма позволяет определять неизвестные параметры линейной части. объекта. С помощью блока 9 вьзделе- ния гармоник выделяют ортогональиые гармонические составляющие сигиалы пробного воздействия. Умножая их на выходной сигнал с последующим осреднением, на фильтрах 12 получают сигналы, пропорциональные произведению частной производной экстремальной характеристики нелинейной части объекта. В дальнейшем, сдвигая каждую ия составляющих с помощью фазовращателей 10, формируют соотношения для определения искомых параметров. Искомые настройки формируются с помощью блока 13 решения линейных уравнений. 3 ил. (/} с

Фиг.2

Фиг.д