Устройство для управления экстремальным объектом с неустойчивой линейной частью Советский патент 1982 года по МПК G05B13/00 

Изобретение относится к автоматическому управлению, в частности к управлению динамическими объектами, имеющими экстремальную зависимость выходной величины от одной переменной.

Известно устройство, реализующее способ з кстремального управления объектами с.линейным динамическим звеном 2-го порядка, включенным перед нелинейным статическим звеном с экстремальной характеристикой, в случае нейтральной линейной части Ц.

Данное устройство предполагает наличие контролируемого выхода линейной части объекта, однако не обеспечивает работоспособности при линейной час.ти порядка выше второго.

известны устройства для экстремального управления объектами с устойчи- . вой линейной частью, произвольного порядка, основанные на принципе синхронного детектирования.

При неустойчивой линейной части объекта эти устройства неработоспособны.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для экстремального управления инерционным объектом методом синхронного детектирования, содержащее последовательно сое-

диненные блок умножения, сглаживающий фильтр, интегратор и первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом генератора поисковых сигналов, выход - с первым входом идентификатора состояния и входом объекта управления, первый выход которого соединен с первым входом блока умножения 2.

10

г

Недостатком известного устройства является неработоспособность в случае неустойчивой линейной части объекта.

Цель изобретения - обеспечение

15 работоспособности устройства при неустойчивой линейной части объекта п-го порядка и расширение облас ти применения устройства.

Для достижения указанной цели ycfT20ройство содержит первые усилители, вторые усилители и-последовательно соединенные второй сумматор и полосовой фильтр, выход которого соединен со вторым входом блока умноже25ния, второй выход; объекта управления соединен со вторь4м вводом идентификатора состояния, йыходы которого через соответствующие первые усилители соединена с соответствую30щими третьими вхойа 4И первого сумматора, а через соответствующие вто рые усилители - с соответствующими входами второго сумматора. На чертеже представлена блоксхема устройства для управления экстремальным объектом с неустойчивой линейной частью п-го порядка. Устройство содержит объект управ ления, состоящий из неустойчивой ли нейной части 1 п-го порядка и статического звена 2 экстремальной характеристикой, первый сумматор 3, генератор 4 поисковых сигналов, иден тификатор 5 состояния, первые усилители 6 ,..., бц, вторые усилители 7 ,..., 7„ , второй сумматор 9, полосовой фильтр 9, синхронный детектор состоящий из блока 10 умножения и сглаживающего фильтра 11 и интегратор 12. Ко входу линейного динамического звена 1 п-го порядка подключен первый сумматор 3, к одному из входов которого подключен выход генератора 4 поисковых сигналов. Контролируемый выход линейного динамического звена 1и выход первого сумматора 3 подключены к идентификатору 5 состояния, выходами которого являются сигналы оценки переменных состояния линейной части объекта. Выходы идентификатора 5 состояния через усилители 6 f..г би подключены к соответствующим входам первого сумматора 3 Koэффициeнfaми усиления усилителей б г... г 6j задаются желаемые динамические свойства систе1«К1, включая ее запас устойчивости. Выходы идентификатора 5 состояния через вторые усилители Tf f. .. 7ц подключены ко второму сумматору8. Выбором коэффициентов усиления усилителей 7 ,..., 7 обеспечивается формирование на выходе второго cyNwaTopa 8 из оценок переменных состояния линейной части объекта,, получаемых йа выходе идентификатора 5 состояния, оценки входного сигнала нелинейной части объекта 2. На частоте дтоискового сигнала фазовый сдвиг между сигналами входе нелинейной части объекта 2 и на выходе второго сумматора 8 отсутствует, что обеспечивает системе мак симальное быстродействие. Выход второго сумматора 8 подключен ко входу полосового фильтра 9, настроенного на частоту поискового сигнала. Выхо ы нелинейного статического звена 2и полосового фильтра 9 подключены к со&тветствующим входам блока 10 умножения, выход которого подключен к сглаживакяцему фильтру 11, производящему усреднение сигнала на периоде поисковых.колебаний. Блок 10 умножения и фильтр 11 представляют собой реализацию синхронного детектора Выход сглаживающего фильтра 11 через интегратор .12 подключен к одному из входов первого сумматора 3. Движение объекта управления описывается следующей системой уравнений:, X (t) Ах (t)+BU (t) ,1 описание лиy(t) Сх (t) , Ч нейной час-. Z (t) Dx{t) , j ти 1; Q F(z) - описание линейной части 2, где X(t) - вектор состояния линейной части объекта, компонента - которого (ЯВЛЯЮТСЯ переменные сбстояния; u(t)скалярный вход объекта управления; 2 (t) - скалярное входное воздействие на нелинейную часть объекта y(t) - контролируемый скалярный выход объекта управления; А,В,С и D матрицы коэффициентов размерами ,, . Возможность построения идентификатора состояния линейной части объекта предполагает выполенние условия идентифицируемости линейной части по контролируемому выходу. Переменные состояния идентифицируются на основании информации о входном воздействии на объект u(t) и выходном сигнале y(t), а сам идентификатор строится на основании модели линейной части объекта. Уравнения движения идентификатора 5 состояния имеют вид )А а - -ьош 11тйш), уа)сЯс-ь), где x(t) - оценка вектора состояния линейной части объекта, компонентами которого являются выходные сигналы идентификатора состояния; L - матрица коэффициентов размером п х 1. : Соответствующим выбором матрицы L обеспечивается желаемый х.арактер стремления оценки вектора состояния линейной части объекта х(t) к вектору состояния X (t), а следовательно, y(t)(t) и z(t)(t). Входное воздействие на объект можно представить, как сумму поискового сигнала U; (t) , сигнала обратной связи Ц (t). и си-гнала определяющего рабочее движение к экстремуму нелинейной функции статического звена 2 объекта U-}(t) , т.е. . иШ--ЦН)+иаС«+и ШСигнал обратной связи по состоянию U/j|(t) - Kx(t)., где К - матрица коэффициентов размером inn, формируется путем суммирования на первом сумматоре 3 усиленных первыми усилителями б/.,..., бу, оценок X (t) переменных состояния линейной части объекта. Выбором матрицы К (т.е. коэффициентов усиления усилителей б ,. .. , 6,) обеспечиваются требуемые, динамические свойства, в том числе и запас устойчивости, замкнутой системы. Вторые усил нтели 7/ ,. .. , 7у1 и второй сумматор 8 осуществляют формирование оценки входного сигнала нелинейного статического звена 2 объект z(t) Dx(t) . : Гармонический поисковый сигнал получает одинаковый фазовый сдвиг при прохождении от генератора 4 ко входу нелинейного статического звена 2 и выходу второго сумматора 8. Поисковый сигнал вьщеляется из сигн ла 7.(-fc) полосовым фильтром 9, настроенным на частоту этого сигнала и не дающим на этой частоте фазового сдвига. Сигнал с выхода полосового фильтра 9 используется для синхронного детектирования сигнала с выход объекта управления. Полезный сигнал с выхода синхрон ного детектора, состоящего из блока 10 умножения и сглаживающего фильтр 11,производящего-осреднение на периоде гармонического поискового сиг нала, в окрестности рабочей точки T определяется выражением .. ,) 1,20, где ApCttfe) и АФ(ШО) - значения амплитудно-частотных характеристик ли нейной части объекта 1 тк полосового фильтра 9 на частоте гармонического 9iiL) . ПОИСКОВОГО сигнала UJo; dZ fZrZo значение частной производной экстремальной функции ПО- входной коор динате нелинейного статического зве на 2 в рабочей точке Zo. Направление и скорость движения к экстре1 му определяются знаком и aFCz) I величиной На частоте ПОИСКОВОГО сигнала нет фазового сдв га между в.ходным сигналом нелинейной части объекта и выходным сигналом полосового фильтра 9, что определяет максимальное быстродействие системы управления. t Рабочий сигнал Ui,(t)-J Vdt опред ляет движение системы в сторону экстремума. Изобретение позволяет оптимизиро вать выход экстремального объекта с неустойчивой линейной частью п-го порядка, включенной перед нелинейной. Устройство может найти применение для управления положением плазменного шнура с током в тороидальных магнитных системах, так как во-первых, движение шнура относител но управляющего воздействия описывается дифференциальным уравнением высокого порядка; во-вторых, шнур в отсутствие обратной связи, как правило, неустойчив; в-третьих, параметры плазмы,температура, активное со- противление шнура и др. имеют экстремальную зависимость от положения шнура. Цель управления - обеспечение устойчивости и максимизация термоядерных параметров плазмы или минимизация потерь. Устройство применимо также-в случае управления неустойчивым объектом, качество управления которым оценивается по критерию, формирукнцемуся в системе управления, например, в случае управления движущимся объектом, по критерию минимума абсолютной величины отклонения от заданной траектории движения или направления на цель. Формула изобретения Устройство для управления экстремальным объектом с неустойчивой линейной частью, содержащее последоваг тельно соединенные блок умножения, сглаживающий фильтр, интегратор и первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом генератора поисковых сигналов, выход - с первым входом идентификатора состояния и входом о.бъекта управления, первый выход которого соединен с первым входом блока умножения, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения устройства, оно- содерясит первые усилители,, вторые усилители и последовательно соединенные второй сумматор и полосовой фильтр, выход которого соединен со вторым входом блока умножения, второй выход объекта управления соединен со вторым входом идентификатора состояния, выходы которого через соответствующие первые усилители соединены -с соответствующими третьими входами первого сумматора, а через соответствующие вторые .усилители - с соответствующими входами второго сумматора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Фицнер Л.Н. Система управления .с обратной связью по смещению. Сборник Методы оптимизации автоматических систем , М., Энергия, 1972, 2.Растригин Л.А. Системы экстремального управления. Н., Наука, 1974, с. 206 (прототип).

з

f7

7О

ч±