Устройство для регулирования объекта с запаздыванием Советский патент 1982 года по МПК G05B13/04 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОРЬЕКТА С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ

I

Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования линейных динамических объектов с запаздыванием, способным функционировать в условиях действия неконтролируемых случайных возмущающих воздействий и шумов измерения при наличии нестационарного дрейфа передаточной функции объекта и статических характеристик, возмущающих воздействий и шумов, и может быть использовано в химической, нефтехимической, цементной и других отраслях промышленности, преимущественно для управления качеством продукции и полупродуктов при изменении нагрузки и качества сырья.

Известны системы автоматического регулирования для объектов с запаздывани м, обладающие повышенной точностью (комбинированные и каскадные) , 8 которых используется импул1 с по возмущению или импульс из

npON myточной Точки, обладающий меньшим запаздыванием РЗОднако указанные системы имеют сравнительно узкую область применения , так как измерение возмущающих воздействий или отбор импульса из промежуточнсй точки зачастую затруднены по техническим или экономическим причинам.

Наиболее близкой по технической

10 сущности к предлагаемому устройству является комбинированная самонастраивающаяся система, содержащая по- CJ eдoвaтeльнo соединенные исполнительный механизм, объект, датчик ре15гулируемого параметра, первый сумматор и адаптивный фильтр, а также бло ки-прямой модели объекта, обратной модели объекта, идентификации объекта, второй сумматор и датчики режим20ных параметров объекта, выходы которых соединены с первыми входами блока идентификации объекта, выходы которого соединены с первыми входами

Известная система не обеспечивает |Стабильность среднего значения выходного параметра. Действительно,модель объекта, включенная во внутреннюю положительную обратную связь, как бы размыкает систему и обеспечивает -за счет этого эффект вычисления оценки возмущенного воздействия на выходе сумматора (с обратн.ым знаком). Последовательно включенные фильтрэкстраполятор и компенсатор компенсируют, насколько это практически возможно, чистое и емкостное запаздывание объекта и таким образом обеспечивают оптимальное подавление возмущений на выходе объекта, т.е. данная система функционирует как разомкнутая -адаптивная система. На практике не удается обеспечить абсолютно точное совпадение модели и объекта, точно реализовать компенсатор и т.д. В результате на выходе объекта возникает ошибка, величина которой не контролируется.

Цель изобретения - повышение точности регулирования при наличии у объекта существенного чистого запаздывания, неконтролируемых случайных , возмущений и шума измерения в условиях нестационарного дрейфа передаточной функции объекта и статических характеристик возмущений и шумов.

Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот, регулятор и третий сумматор, а также блок настройки регулятора и четвертый сумматор, первый- вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, второй вход - с выходом адаптивного фильтра, а выход - с вторым входом второго сумматора, вход фильтра нижних частот соединен с выходом первого сумматора, входы блока настройки регулятора соединены с выходами блока идентификации объекта, а выход 34

с вторым входом регулятора, второй вход третьего сумматора соединен с выходом блока обратной модели объекта, а выход - с входом испрлнительного механизма.

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Предлагаемое устройство содержит объект 1 регулирования, датчик 2

регулируемого параметра, сумматоры 3-6, фильтр 7 нижних частот, адй 1тивный фильтр 8, регулятор 9 исполнительный механизм 10, блок 11 прямой модели объекта, блок 12 обратной

модели объекта, блок 13 идентификации объекта, датчики It режимных параметров объекта, блок 15 настройки регулятора и задатчик 16,

Отдельные блоки системы выполняют

следующие функции.

Регулятор подавляет низкочастотную составляющую возмущающего воздействия по принципу обратной связи, т.е. устраняет накопление ошибок

на выходе системы и обеспечивает равенство среднего значения регулируемого параметра заданному значению (заданию).

Фильтр нижних частот обеспечивает пропускание только таких низкочастотных составляющих сигнала ошибки, на которых система регулирования с регуляторе в обратной связи функционируют устойчиво при имеющемся в объекте запаздывании.

Блок нйстройки регулятора обеспечивает правильную настройку контура обратной связи в условиях дрейфа динамических характеристик объекта, т.е. оптимальную настройку по критерию минимума среднеквадратической ошибки при обеспечении ограничения по заранее заданному запасу устойчивости.

Третий сумматор обеспечивает . суммирование регулирующих воздействий контура обратной связи и контура компенсации возмущения; четвер.тый - развязку контуров регулирования по принципу обратной связи и компенсацию вы исленного возмущения за счет центрирования сигнала ошибки.

Устройство работает следующим образом.

Линейный динамический объект 1 имеет один регулируемый выход U(t) и несколько параметров, характеризующих режим работы объекта alt). Осе

5 , 3

неконтролируемые слу айные возмущающие воздействия приведены к выходу объекта и обозначены величиной (l(t) , аддитивно присоединенной к регулируемому выходу объекта. Регулируемая величина y(t) измеряется датчиком 2 с аддитивной погрешностью (шумом измерения) n(t). Выход этого датчика подается на первый сумматор 3. где он вычитается из заданного значения уо . Сигнал ошибки e(t) с выхода сумматора 3 подается н входы фильтра 7 нижних частот ч ааптив.ного фильтра 8. Фильтр 7 нижних частот представляет собой, например, одноемкостное динамическое звено, постоянная времени которого выбирается таким образом, чтобы обеспечить устойчивость замкнутого контура и

эффективное подавление низкочастотной составляющей d(t) с помощью стандартного регулятора. Выход фильтра 7 нижних частот подключен на сумматор 6 и на вход регулятора 9-Выход регулятора 9 подключен к входу третьего сумматора 5. выход которого подключен к входу исполнительного механизма 10, который воздействует на объект 1. Рассмотренный контур обратной связи обеспечивает равенствосреднего значения регулируемого параметра y(t) заданному значению у .Однако дисперсия, регулируемого параметра Су может достигать неприемлемо, больших значений, поскольку контур обратной связи с фильтром 7 нижних частот и регулятором 9 подавляет тoльko низкочастотную часть возмущаю/щего воздействия d(t).

В адаптивном фильтре 8 происходит подавление паразитнь1х высоких частот вызванных погрешностью измерения и другими шумами. Адаптивный фильтр представляет собой одноемкостное динамическое звено, постоянная времени которого автоматически изменяется по результатам анализа корреляционной функции ошибки, который также автоматически осуществляется в адаптивном фильтре В. В сумматоре 6 из выходного сигнала адаптивного фильтр 8 вычитается выходной сигнал фильтра нижних частот, т.е..осуществляется операция центрирования сигнала ошибки . Полученный таким образом сигнал поступает на вход сумматора и блока 13 идентификации объекта, т.е. служит входным сигналом для контура -компенсации вычисляемого возмущения.

.

Контур компенсации возмущения работает следующим образом. Пусть объект 1 совместно с исполнительным механизмом 10 и датчиком 2 описываетS ся передаточной функцией

V

Тогда блок 11 прямой модели объекта имеет аналогичную Структуру с параметрами к, Т и /с, которые являются некоторыми оценками параметров объекта. При принятой структуре модели

(и объекта) передаточная функция блока 12 обратной модели, объекта равна,,

) -м (Р)

Л

в с тем, что оператор чистого прогноза физически нереализуем, используется его приближение, например линейная часть разложения в ряд Тейлора. Тогда

)

W

что легко реализовать на цифровых и

дискретных элементах.

Поскольку блок 11 прямой модели объекта фактически включен параллельно объекту 1, то на их входы подается один и тот же (за исключе:нием низкочастотной состав.пяющей) сигнал с выхода блока 12. При алгебраическом сложении выходов объекта и модели на выходе сумматора k формир-уется оценка центрированной составляющей воздействия. На выходе объекта эта компонента преобразуется в U(t) путем последовательного прохождения через блок 12 обратной модели объекта и объект 1, т.е. через оператор. .

Р) )

пои k k, Т имеем

или

-РЕГ

w(p) (ггр+1)е

т.е. оператор близкий к единичному, что гарантирует почти оптимальную компенсацию с помощью сигнала ll(t) центрированной составляющей ll(t) . Соответствие параметров блоков 11 и 12 параметрам объекта 1 в условиях нестационарных изменений эти параметров обеспечивается блоком 13 идентификации, причем емкостное и транспортное запаздывание вычисляется по аналитической модели объект использующей параметры, измеряемые датчиками I, а коэф(1)1Цйент усиления находится путем минимизации величины среднего квадрата ошибки на выходе сумматора 6, например, методом стохастической аппроксимации, изменяя коэффициенты усиления блока П и блока 12. Для систем регулирования по возмущению такой минимум всегда существует и достигается в том случае, когда коэффициент усиления компенсатора равен коэффициенту усиления объекта (при равенств остальных параметров, т.е. емкостно го и транспортного запаздыпанйя). Оценки параметров объекта, получаемые в блоке 13, автоматически пе редаются в блоки 11 и 12, где они являются параметрами. Кроме того, по оценкам параметров объекта в блоке 15 выЧ1Л;ляются оптимальные зн чения параметров настройки регулято ра 9. Формула изобретения Устройство для регулирования объ екта с запаздыванием, содержащее по следовательно соединенные исполнительный механизм, объект, датчик ре гулируемого параметра, первый сумма тор и адаптивный фильтр, а также блоки прямой модели объекта, обратной модели объекта, идентификации объекта, задатчик, второй сумматор и датчики режимных параметров объек та, выходы которых соединены с первыми входами блока идентификации объекта, выходы ко1;орого соединены с первыми входами блока прямой модели объекта и блока обратной модели объекта, причем второй вход блока прямбй модели соединен с выходом блока обратной модели, а выход - с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом обратной модели, а второй вход - с вторым входом блока идентификации объекта, Iвыход задатчика соединен со вторым входом первого сумматора, отличающееся тем, что, с цел1зю повышения точности, в него введены последовательно соединенные фильтр нижних частот, регулятор и третий сумматор, а также блок настройки регулятора и четвертый сумматор, первый вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, второй вход с выходом адаптивного фильтра, а выход - со вторым входом второго сумматора , вход фильтра-нижних частот соединен с выходом пе:рвого сумматора, входы блока настройки регулятора соединены с выходами блока идентификации объекта, а выход - со вторым входбм регулятора, второй вход третьего сумматора соединен с выходом блока обратной модели объекта, а выход - с входом исполнительного механизма . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Турецкий X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. М., Машиностроение, 197, с. 211-216. 2.Основы автоматизации химических производств. Под ред. П.А. Обновленского. Л., Химия, 1975, с, (прототип).