Система управления с переменной структурой Советский патент 1989 года по МПК G05B13/00 

сл

со ю

00

со оэ

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано для управления объектами в условиях действия возмущений, например, в промышленных роботах или в летательных аппаратах.

Цель изобретения - повышение точности работы системы в условиях действия возмущений.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы управления с переменной структурой; на фиг.2 - функциональная схема прогнозатора возмущений; на фиг. 3 - функциональная схема из- мерителя возмущений; на фиг. 4 - функциональная схема второго регулятора.

Система управления (фиг.1) содержит объект 1 управления, первый сум- матор 2, первый регулятор 3, идентификатор 4 состояния объекта, измеритель- преобразователь 5, формирователь 6 сигнала коррекции, второй сумматор 7, второй регулятор 8, прогнозатор 9 возмущения и измеритель 10 возмущения.

Прогнозатор возмули .ля (фиг. 2) содержит г блоков 11, . ..,12, 13 задержки, г релейных элементов 14, 15,...,16 (г-1) сумматоров 17,18,...19 на два входа, сумматор 20 на г входов, преобразователь 21 кода, г блоков 22,23,.. 24 памяти, г преобразователей 25, 26,...,27 информации, г блоков 28, 29 ,... ,30 умножения и (г-1)блоков 31,. . . 32,33 задержки, причем г -блоков 13,. . . , 31 ,32,33 задержки соединены последовательно таким образом,что вход первого блока 13 задержки является входом прогнозатора 9, а выходы остальных блоков подключены также соответственно к первым входам г блоков 30, ...,29,28 уменожения, выход первого блока 33 задержки подключен также к (г-1) последовательно соединенным одинаковым звеньям, состоящим из Последовательно соединенных блока задержки (например, 12) и сумматора на два входа (например, 19), причем вход блока 12 задержки подключен также к вторым входам сумматоров (например, вход 12 подключен к входу 19), выход первого блока 13 задержки подключен также к первому релейному элементу 16, а остальные (г-1) релейных элемента 15,.„.,16 входами подключены к выходам (г-I) сумматоров 19,..., 18, 17, а выходы всех г релейных элементов 16,,.., 15,

Q «

5

4 подключены к г входам преобразователя 21 кода, выход которого через г последовательно соединенных блоков 22, 23,...,24 памяти, преобразователей 25, 26,...,27 информации4 подключены к вторым входам г блоков 28, 29,...,30 умножения, выходы которых подключены к г входам сумматора 20, выход которого является выходом прогнозатора 9.

Измеритель возмущения (фиг.3) содержит (п+1) блоков 34,35,...,36 задержки, п блоков 37,...,38 умножения на константу, сумматор 39 на (2п+1) входа, п блоков 40,...,41 умножения на константу и п блоков 42,...,43 задержки, причем к первому входу измерителя 10 возмущения подсоединены последовательно соединенные (п+1) блоков 34, 43,...,42 задержки, выход первого из них 34 непосредственно, а выходы остальных п блоков 43, ...,42 через п блоков 41 ,.. . , 40 умножения на константу подключены к (п+1) входам сумматора 39 на (2п+1) вход, а остальные п входов сумматора 39 через п других блоков 37,...,38 умножения на константу подключены к выходам остальных п последовательно соединенных блоков 35,.,,36 задержки, причем вход первого из них (блок 35) является вторым входом измерителя 10 возмущения, а его вы- . ходом является выход сумматора 39.

Второй регулятор (фиг,4) содержит последовательно соединенные (п-1) блоков 44,...,45 задержки, (п-1) блоков 46, ... ,47 умножения на константу, сумматор 48 на (n-J) входов и блок 49 умножения ка константу, причем один из входов сулмато- ра 48 подключен через блок 49 умно- жения на константу к входу второго регулятора 8, а остальные (п-1) входов также подключены через блоки 46,...,47 умножения на константу и выходам (п-1) последовательно соединенных блоков 44,... ,45 задержки, первый из которых 44 подключен к выходу сумматора 48 и выход которого является выходом второго регулятора 8,

Система управления с переменной структурой работает следующим образом.

В системе создано три контура.

Контур основной обратной связи, состоящий из первого сумматора 2., объекта 1 управления, идентификатора

10

15

20

4 состояния объекта и первого регулятора 3. Назначение этого контура - обеспечение больших запасов устойчивости, даже если это потребует зна- чительного уменьшения коэффициента передачи данного разомкнутого контура.

Контур коррекции идентификатора состояния объекта, состоящий из идентификатора 4 состояния объекта, измерителя-преобразователя 5, второго сумматора 7 и формирователя 6 сигнала коррекции. Назначение этого контура - обеспечить желаемое качество демпфирования ошибок идентификатора состояния объекта.

Контур компенсации возмущений, состоящий из первого сумматора 2, объ екта 1 управления, измерителя 10 возмущения, прогнозатора 9 возмущения

и второго регулятора 8. Этот контур предназначен для выработки сигнала компенсации возмущения, причиной которого являются как изменения окружающей 25 среды, так и параметрическое отклоне- ния. Причем сигнал компенсации, вырабатываемый этим контуром, по структуре , и величине адекватен уровню и структуре действующих возмущений. Та- 30 ким образом, если возмущение меняет свою структуру, то меняет свою структуру и контур компенсации возмущения,

что делает систему переменной структуры. Следовательно,энергия для подавления возмущений расходуется лишь в случае появления таковых. При отсутствии возмущений (отработка ненулевых начальных условий) работают лишь контур основной обратной связи и контур Q коррекции идентификатора состояния объекта, в которых параметры выбраны из соображения обеспечения больших запасов устойчивости.

При появлении возмущений вклю- ., чается в работу контур компенсации возмущений, который вырабатывает адекватный компенсирующий сигнал. t управления, обеспечивающий высокую точность регулирования. Такая ор- 50 ганизация работы системы с переменной структурой позволяет экономить энергоемкость на интервалах времени, когда возмущения отсутствуют, и достигать ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТИ В УСЛОВИЯХ cj

возмущений.

Объект управления и идентификатор состояния объекта управления описы- ваются разностными уравнениями

«Л

HkXk,

+ и

ч , ,.

fc-i + r V-i

(2)

(I)

0

5

ФЬХ

k-1

г(.1 +иЈ)

(3)

f KV IY, - „,+ 1(и + и;., )jp

где X, - п мерный вектор состояния объекта управления;

Y - выходной сигнал объекта управления;UK-I -сигналы управления, формируе

мые регуляторами 3 и 8; - оценка вектора состояния объекта управленияj

1;

0

5 0

Ф

k

Ч

г t -вектор возмущения-, Г,,

к,хв общем случае переменные матрицы соответствующей разности. Регулятор 3 реализует алгоритм

С-ТХ

и

k-l

Л

X,

V-i

(4)

для чего вектор у задерживается на I шаг дискретности, а затем скалярно перемножается с вектором коэффициентов . Измеритель-преобразователь 5 вычисляет прогноз измерения Yj,: Y ь

н rVuU ,.

В блоке 7 вычисляется разность v k B блоке 6 вычисляется произведение Kk(), а в блоке 4 вычисляется оценка Xv

Уравнения (I) - (4)можно привести к разностной форме для выходной координаты Y k:

Y |,( -4,v-, +|,U +fk. (5)

где t/. коэффициенты разностной модели объекта управления с учетом идентификатора состояния и первого регулятора, обеспечивающие желаемые запасы устойчивости (), jpj -коэффициенты эффективности компенсирующих управляющих воздействий;

f - суммарное проявление воэму- шающих воздействий на объект .

Выберем закон формирования сигнала компенсации возмущений в виде:

Ut . Zb,U, +

14

1 ,

т,

k-i Ъ.

Vk .

ъ--Ь

1 Т,

(6)

2,п,

где f J прогноз реакции системы на суммарные возмущения по значениям предыдущих величин

f .2 5

В свою очередь, значения реакции системы на возмущения на предыдущем такте вычисляются по формуле

ПМ Ч

f , - Y. + 1. ч Y. . - Z TU (71 k-tЬ- л ,., м, k, т( ц-i 1Q

При равенстве f fk обеспечивается

5328968

ние за 0, то линейке Ј . 1 , Uf.,1,..., Urkft 1|J будет соответствовать код, например ,(01 i 01 .. 1) или (110...0), причем старший ненулевой разряд характеризует порядок авторегрессионной прогнозирующей модели

Т C,f

аб|

Код

i i числа г

L V-l

(10)

может быть служит

солютная инвариантность регулятора возмущениям. В этом легко убедиться,

адресом ячеек, в которых записаны коды значений коэффициентов Ст - блок 24, С 4 - блок 23.. .

если подставить (6) в (5). Получим

- Ј(-„,)

Yk-, U

- F

15

V

25

| Таким образом, задача компенсации возмущающих воздействий свелась к задаче оперативного прогноза реакции на

сумарное возмущение.

Прогноз реакции системы на возмущение f, основан на том, чго на огра25

20

ниченном временном интервале эта реакция может быть аппроксимирована полиномиальной моделью г - го порядка, причем г заренее т иэвестно и бу- дв|Т определяться при анализе изме- ре|нных величин f и , f k , . ...

Можно показать, что полиномиальному r-го порядка функции f соответству25

et

разностная авторегрессивная модель

BJ-да

f i, Т с.

k-i

(8)

С , (

г

Шг-1)

бино35

миальные коэффициенты. Причем видно, что для f С первая разность fk fk., О, ,r

1, для f С

+ c.t

k-f u-, )- (f k-i fk-i ° вт°Рая разность flfk-flf k., A2f k 0, r 2 и г.д. Следователтно, значение г.(величина г на К-М шаге) можно автоматически выбирать, исходя из удовлетворения следующим условиям

доп

f k-i f k-il Л, доп (9)

50

1

k |4f k uf k.,,U и,, , Доп ,

.,. доп;

ЕСЛИ теперь левые части приведенных выражений подавать на релейные эле- мены и считать срабатывание релейного элемента за 1, а несрабатыва

Т C,f

i i числа г

L V-l

(10)

может быть служит

адресом ячеек, в которых записаны коды значений коэффициентов Ст - блок 24, С 4 - блок 23.. .

Если возмущения отсутствуют, то выходной сигнал может иметь место лишь из-за несоответствия начального состояния объекта управления программному значению. При этом благодаря обратной связи, обеспечиваемой блоками 3-7, обеспечивается желаемое демпфирование начального рассогласования. Измеритель 10 возмушения (фиг.10) реализует выражение (7) и согласно уравнению (5) (fv 0) математическая модель объекта управления с обратной связью будет иметь вид

Ј ( -Ч, Yv -.

Второй случай. На объект действует возмущение. Измеритель возмущения вырабатывает сигнал f, согласно выражению (7) , который поступает на вход прогнозатора 9 возмущения (фиг.2). На выходах сумматоров 17, 18,...,19 образуются разности сигнала f , 5 которые поступают на релейные элементы 14, 15,..., 16, где эти разности сравниваются с допустимыми значениями согласно соотношениям (9). Код с выходов релейных элементов поступает на преобразователь 21 кода, который вырабатывает значение кода г,. Код значения г, поступает параллельно на все г блоков 22, 23S...S 24 памяти, которые вырабатывают коды коэффициентов прогнозирующей модели GI} поступающие на входы блоков 26, ...,27 преобразователей информации. Блоки 26,...,27 согласуют разрядность кодов С( и кодов f. ,, которые поступают на входы блоков 28,29,,.., 30 умножения. Выходные сигналы с блоков умножения суммируются на сумматоре 20, образуя прогноз f.

1л г-

Значение.прогнозa ffc используется

для выработки компенсирующего воздействия U k.( во втором регуляторе 8

(фиг.4). Второй регулятор реализует соотношение (6/. Компенсирующий сигнал Ui поступает на первый сумматор 2, где складывается с сигналом обратной связи.

Таким образом, положительный эффект - повышение точности функционирования, либо уменьшение энергозатрат на демпфирование собственного движения (т.е. при отсутствии возмущений) , либо разумный компромисс между повышением в точности и уменьшение энергозатрат одновременно - достигается тем, что контур компенса ции возмущений идентифицирует структуру модели возмущений в классе разностных аналогов полиномиальных моделей и осуществляет компенсацию этих возмущений адекватным компенсирующим сигналом.

Формула изобретения

Система управления с переменной структурой, содержащая первый сумма- 25 тор и формирователь сигнала коррекции,

0

$

0

5

выходы которых через идентификатор состояния объекте подключены к входам измерителя-преобразователя и к входам первого регулятора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого через объект управления соединен с первым входом второго сумматора} второй вход которого соединен с выходом измерителя- преобразователя, а выход второго сумматора подключен к входу формирователя сигнала коррекции, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности работы системы в условиях действия возмущений, в нее введены второй регулятор, прогноза- тор возмущения и измеритель возмущения, выход которого через последовательно соединенные прогнозатор возмущения и второй регулятор соединен с вторым входом первого сумматора, а первый и второй входы измерителя возмущения соединены соответственно с выходом объекта управления и с выходом второго регулятора.

Изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано для управления объектами в условиях действия возмущений, например промышленными роботами или летательными аппаратами. Система управления с переменной структурой обеспечивает повышение точности контура компенсации возмущений, который идентифицирует структуру модели возмущений в классе разностных аналогов полиномиальных моделей и осуществляет компенсацию этих возмущений адекватным компенсирующим сигналом. Устройство содержит объект управления 1, два сумматора 2, 7, два регулятора 3, 8, идентификатор 4 состояния объекта, формирователь 6 сигнала коррекции, измеритель-преобразователь 5, прогнозатор возмущения 9 и измеритель возмущения 10. 4 ил.

из

А К

Н

г/Г-1

ггл

hH

Фш. I