система автоматического управления нестационарным объектом

Формула изобретения

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫМ ОБЪЕКТОМ N-го порядка, содержащая задатчик, элемент сравнения, который подключен одним входом к выходу объекта, выходом к входу корректирующего устройства, выполненного в виде последовательно соединенных интегратора, M 1 интегросумматоров и суммирующего усилителя, при этом вход интегратора и один из входов первых N - 1 интегросумматоров подсоединены к выходу элемента сравнения, другой вход последних N 1 интегросумматоров подключен к выходу суммирующего усилителя, отличающаяся тем, что в нее введены эталонная модель, блок умножения, усилитель, три инерционных фильтра, блок деления, три суммирующих элемента, два блока выделения модуля входной величины, источник напряжения смещения и дифференцирующий фильтр, выполненный в виде последовательно соединенных N интегросумматоров и суммирующего усилителя, причем задатчик подсоединен к третьему входу N-го интегросумматора корректирующего устройства и к входу эталонной модели, которая выходом подключена к другому входу элемента сравнения, блок умножения соединен одним входом с выходом суммирующего усилителя корректирующего устройства, другим входом с выходом блока деления, выходом через усилитель с входом объекта и через первый инерционный фильтр - с входом первого блока выделения модуля, подключенного выходом к одному из входов первого суммирующего элемента, который соединен другим входом с выходом источника напряжения смещения, выходом с одним из входов блока деления, второй суммирующий элемент подключен одним входом к задатчику, другим входом к выходу суммирующего усилителя корректирующего устройства, выходом через второй инерционный фильтр к одному из входов первого интегросумматора дифференцирующего фильтра, другой из входов всех интегросумматоров которого подсоединен через третий инерционный фильтр к выходу объекта, третий из входов интегросумматоров дифференцирующего фильтра соединен с выходом своего суммирующего усилителя, один из входов которого, третий вход последних M N интегросумматоров и один из входов суммирующего усилителя корректирующего устройства подключены к выходу объекта, третий суммирующий элемент подсоединен одним входом через второй блок выделения модуля к выходу суммирующего усилителя дифференцирующего фильтра, другим входом к выходу источника напряжения смещения, выходом к другому входу блока деления, а N M 2N 1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано при проектировании систем автоматического управления параметрически неопределенными объек- тами.

Известна система автоматического управления (САУ) нестационарным объектом N-го порядка [1] содержащая элемент сравнения, который подключен одним входом к задатчику, другим входом к выходу объекта управления, выходом к входу корректирующего устройства, выполненного в виде последовательно соединенных интегратора, М-1 интегросумматоров и суммирующего усилителя, при этом вход интегратора и один из входов каждого интегросумматора и суммирующего усилителя подсоединены к выходу элемента сравнения, другой вход последних N-1 интегросумматоров и вход объекта управления подключены к выходу суммирующего усилителя, причем М 2N-1.

Эта САУ обеспечивает заданную динамическую точность при управлении объектами с аддитивной нелинейной собственной обратной связью, т. е. объектами с математическим описанием вида

y^(N)=Ku-₁(y,,y^(N-1),t), (1) где y, y, y^(N) выходная управляемая величина и ее производные до N-го порядка;

u управляющее воздействие;

₁ (.) однозначная нелинейная нестационарная функция, аналитичеcкая относительно своих аргументов;

К постоянный коэффициент.

Однако рассматриваемая САУ не может обеспечить заданную динамическую точность при управлении объектами с аддитивно-параметрической нелинейной собственной обратной связью, т. е. объектами с математическим описанием вида

y^(N)= ₂(y, ,y^(N-1))u-₁(y,,y^(N-1),t), (2) где ₂ (.) однозначная нелинейная стационарная функция, аналитическая относительно своих аргументов.

Известна также САУ нестационарным объектом N-го порядка [2] содержащая элемент сравнения, который подключен одним входом к задатчику, другая входом к выходу объекта, выходом ко входу корректирующего устройства, выполненного в виде последовательно соединенных интегратора, М-1 интегросумматоров и суммирующего усилителя, при этом вход интегратора и один из входов всех интегросумматоров и суммирующего усилителя подсоединены к выходу элемента сравнения, другой вход последних N-1 интегросумматоров подключен к выходу суммирующего усилителя, причем М 2N-1, нелинейный функциональный преобразователь и N широкополосных фильтров, каждый i-й из которых выполнен в виде М последовательно соединенных интегросумматоров i/1 + i/М, второй вход каждого из которых подсоединен к выходу последнего интегросумматора своего широкополосного фильтра, третий вход первых М-i + 1 интегросумматоров каждого i-го широкополосного фильтра подсоединен к задатчику, четвертый вход первых М-i интегросумматоров i-го (i 1, 2, N) широкополосного фильтра подключен к выходу объекта, первый вход первого интегросумматора первого широкополосного фильтра подключен к выходу интегратора, первый вход первого интегросумматора каждого последующего j-го (j 2, 3, N) широкополосного фильтра подключен к выходу (j-1/-го интегросумматора корректирующего устройства, а выходы поcледних интегроcумматоров широ- кополоcных фильтров и cуммирующего уcилителя корректирующего уcтройcтва подсоединены ко входам нелинейного функционального преобразователя, который выходом подключен ко входу объекта.

Эта САУ может обеспечить заданную динамическую точность при управлении параметрически не полностью определяемыми объектами с аддитивно-парамет- рической нелинейной собственной обратной связью, т. е. объектами с математическим описанием вида (2). Однако она не может гарантировать заданную динамическую точность при управлении параметрически полностью неопределенными объектами, т. е. объектами с математическим описанием вида

y^(N)= ₂(y, ,y^(N-1))u-₁(y,,y^(N-1),t), где ₂ (.) однозначная нестационарная функция, аналитическая относительно своих аргументов.

К тому же рассматриваемая САУ является достаточно сложной, так как помимо функционального преобразователя содержит еще и N каналов формирования его входных сигналов.

Цель изобретения обеспечение заданной динамической точности при управлении параметрически полностью неопределенными объектами.

Поставленная цель достигается тем, что в систему автоматического управления нестационарным объектом N-го порядка, содержащую задатчик, элемент сравнения, который подключен одним входом к выходу объекта, выходом ко входу корректирующего устройства, выполненного в виде последовательно соединенных интегратора, М-1 интегросумматоров и суммирующего усилителя, при этом вход интегратора и один из входов первых N-1 интегросумматоров подcоединены к выходу элемента cравнения, другой вход поcледних N-1 интегроcумматоров подключен к выходу суммирующего усилителя, введены эталонная модель, блок умножения, усилитель, три инерционных фильтра, блок деления, три суммирующих элемента, два блока выделения модуля входной величины, источник напряжения смещения и дифференцирующий фильтр, выполненный в виде последовательно соединенных N интегросумматоров и суммирующего усилителя, причем задатчик подсоединен к третьему входу N-го интегросумматора корректирующего уст- ройства и ко входу эталонной модели, которая выходом подключена к другому входу элемента сравнения, блок умножения соединен одним входом с выходом суммирующего усилителя корректирующего устройства, другим входом с выходом блока деления, выходом через усилитель со входом объекта и через первый инерционный фильтр со входом первого блока выделения модуля, подключенного выходом к одному из входов первого суммирующего элемента, который соединен другим входом с выходом источника напряжения смещения, выходом с одним из входов блока деления, второй суммирующий элемент подключен одним входом к задатчику, другим входом к выходу суммирующего усилителя корректирующего устройства, выходом через второй инерционный фильтр к одному из входов первого интегросумматора дифференцирующего фильтра, другой из входов всех интегросумматоров которого подсоединен через третий инерционный фильтр к выходу объекта, третий из входов интегросумматоров дифференцирующего фильтра соединен с выходом своего суммирующего усилителя, один из входов которого, третий вход последних М-N интегросумматоров и один из входов суммирующего усилителя корректирующего устройства подключены к выходу объекта, третий суммирующий элемент подсоединен одним входом через второй блок выделения модуля к выходу суммирующего усилителя дифференцирующего фильтра, другим входом к выходу источника напряжения смещения, выходом к другому входу блока деления, а N M 2N-1.

На фиг. 1 приведена структурная схема системы автоматического управления нестационарным объектом; на фиг. 2 то же, для случая с N-2 и М-3.

Система автоматического управления нестационарным объектом N-го порядка содержит задатчик 1, элемент 2 сравнения, который подключен одним входом к выходу объекта 3, выходом к входу корректирующего устройства 4, выполненного в виде последовательно соединенных интегратора 5, М-1 интегросумматоров 6/1-6/(М-1) и суммирующего усилителя 7, при этом вход интегратора 5 и один из входов первых N-1 интегросумматоров 6/1-6/(N-1) подсоединены к выходу элемента 2 сравнения, другой вход последних N-1 интегросумматоров 6/(М-N+1) -6/(М-1) подключен к выходу суммирующего усилителя 7, эталонную модель 8, блок 9 умножения, усилитель 10, три инерционных фильтра 11-13, блок 14 деления, три суммирующих элемента 15-17, два блока 18 и 19 выделения модуля входной величины, источник 20 напряжения смещения, дифференцирующий фильтр 21, выполненный в виде последовательно соединенных N интегросумматоров 22/1-22/N и суммирующего усилителя 23, причем задатчик 1 подсоединен к третьему входу N-го интегросумматора 6/N корректирующего устройства 4 и ко входу эталонной модели 8, которая выходом подключена к другому входу элемента 2 сравнения, блок 9 умножения соединен одним входом с выходом суммирующего усилителя 7 корректирующего устройства 4, другим входом с выходом блока 14 деления, выходом через усилитель 10 со входом объекта 3 и через первый инерционный фильтр 11 со входом первого блока 18 выделения модуля, подключенного выходом к одному из входов первого суммирующего элемента 15, который соединен другим входом с выходом источника 20 напряжения смещения, выходом с первым из входов блока 14 деления, второй суммирующий элемент 16 подключен одним входом к задатчику 1, другим входом к выходу суммирующего усилителя 7 корректирующего устройства 4, выходом через второй инерционный фильтр 12 к одному из входов первого интегросумматора 22/1 дифференцирующего фильтра 21, другой из входов всех интегросумматоров 22/1-22/N которого подсоединен через третий инерционный фильтр 13 к выходу объекта 3, третий из входов интегросумматоров 22/1-22/N дифференцирующего фильтра 21 cоединен c выходом cвоего cуммирующего уcилителя 23, один из входов которого, третий вход поcледних M-N интегроcумматоров 6N-6/(М-1) и один из входов cуммирующего уcилителя 7 корректирующего уcтройcтва 4 подключены к выходу объекта 3, третий cуммирующий элемент 17 подcоединен одним входом через второй блок 19 выделения модуля к выходу cуммирующего уcилителя 23 дифференцирующего фильтра 21, другим входом к выходу источника 20 напряжения смещения, выходом к другому входу блока 14 деления, а N M 2N-1.

Математическое описание объекта управления и управляющего устройства системы автоматического управления нестационарным объектом N-го порядка можно представить в виде следующей системы уравнений

=u-u₁; y^(N)=₂(y,,y^(N-1))u₁-₁(y,,y^(N-1),t);

(3)

, где y, , y^(N) выходная управляемая величина и ее производные по времени (t) до N-го порядка включительно;

u управляющее воздействие;

_o эквивалентная малая некомпенсируемая постоянная времени объекта управления;

₁ (.), ₂ (.) однозначные нелинейные нестационарные функции, аналитические относительно своих аргументов;

К постоянный коэффициент, значение которого выбирают априори равным приближенному значению функции ₂ (.) в точке номинального режима работы, K ₂(y_o, ,y⁽_o^N-1),t_o); _{10 10} косвенно измеренное текущее значение функции ₁(.), ₁₀ y_т^(N)-y_п^(N), причем

1 (4) g выходной сигнал задания задатчика;

u_o напряжение смещения источника напряжения смещения, необходимое для устранения неопределенности результата деления в блоке деления при равенстве нулю выходного сигнала суммирующего усилителя дифференцирующего его фильтра;

₁ малая постоянная времени управляющего устройства, значение которой выбирают таким, чтобы обеспечить требуемую по условиям помехозащищенности полосу частот равномерного пропускания высокочастотной части системы;

_i, _i, (i 1, 2, N) постоянные времени соответственно низкочастотной и среднечастотной части системы, значения которых определяют из соотношений

_N²T_i²/T_N²_i²=2_i-1i+1;

_N=2_N-1;_i²=2_i-1i+1

(i 1,2, N-1); _N=2(M N + 1) _N-11;

_1o, где T_i(i 1, 2, N) граничные из рабочего диапазона изменения значения коэффициентов линеаризованного уравнения объекта

(1+_oP)1+T_iPy ku

Система автоматического управления нестационарным объектом работает следующим образом.

Сигнал задания с выхода задатчика 1 поступает на входы интегросумматора 6N корректирующего устройства 4 и эталонной модели 8, выполненной, например, в виде последовательно соединенных N интегросумматоров, один из входов каждого из которых подключен к выходу последнего N-го интегросумматора. При изменении сигнала задания начинают изменяться и выходные сигналы суммирующего усилителя 7 корректирующего устройства 4 и эталонной модели 8. В свою очередь выходной сигнал суммирующего усилителя 7 корректирующего устройства 4 поступает на один из входов блока 9 умножения. Это входной сигнал в блоке 9 умножения умножаетcя на другой входной сигнал, поступающий с выхода блока 14 деления. Результирующий сигнал с выхода блока 9 умножения, пропорциональный управляющему воздействию u, поступает через усилитель 10 на вход объекта 3 и через последовательно соединенные инерционный фильтр 11, блок 18 выделения модуля и суммирующий элемент 15 на один из входов блока 14 деления. На другой вход блока 14 деления поступает через блок 19 выделения модуля и суммирующий элемент 17 выходной сигнал суммирующего усилителя 23 дифференцирующего блока 21. В свою очередь на одном из входов интегросумматоров 22/1-22/N дифференцирующего блока 21 поступает через инерционный фильтр 13 выходной сигнал объекта 3, на другой вход интегросумматора 22/1 через инерционный фильтр 12 и суммирующий элемент 16 выходные сигналы задатчика 1 и суммирующего усилителя 7 корректирующего устройства 4, а на один из входов суммирующего усилителя 23 выходной сигнал объекта 3. В дифференцирующем блоке 21 его входные сигналы преобразуются в сигнал, пропорциональный произведению управляющего воздействия u на функцию ₂(.), т. е. ₂ (.) u. В результате же деления сигнала, пропорционального u, на сигнал, пропорциональный ₂(.) u, в блоке 14 деления образуется сигнал ₂₀^-1, обратно пропорциональный значению функции ₂ (.). Так как этот сигнал поступает на один из входов блока 9 умножения, то тем самым через блок 9 умножения замыкается параметрическая обратная связь по функциональному параметру ₂ (.). За счет этой параметрической обратной связи обеспечивается единичный коэффициент усиления разомкнутой системы автоматического управления независимо от того, что какое бы значение не принимала функция ₂(.).

При этом если рассматривать функции ₁(.) и ₂ (.) в системе уравнений [3] как возмущения, то образуемый указанной параметрической обратной связью внутренний контур регулирования системы автоматического управления (см. фиг. 1 и фиг. 2) служит для отработки параметрического возмущения ₂ (.).

Одновременно с достаточно быстрой отработкой возмущения ₂ (.) в системе автоматического управления осуществляется отработка и аддитивного возмущения ₁(.), но, правда, с менее высокой скоростью. В частности, в результате поступления на один из входов интегросумматоров 6/N-6/(М-1) и суммирующего усилителя 7 корректирующего устройства 4 выходного сигнала объекта 3, а также выходных сигналов задатчика 1 и интегросумматора 6/(N-1) и на другие входы интегросумматора 6/N, на выходе суммирующего усилителя 7 корректирующего устройства 4 образуется сигнал y_т^(N), пропорциональный сумме двух составляющих, т. е. y_т^(N) y_п^(N) + ₁₀. При этом составляющая ₁₀ как раз и служит для компенсации исходного аддитивного возмущения ₁ (.) в точке его приложения.

Другими словами, отработка аддитивного возмущения ₁ (.) в предложенной системе автоматического управления происходит за счет наличия в ней М=N-1 внутренних контуров регулирования с обратными связями по выходной управляемой величине и благодаря тому, что она содержит внутренний контур регулирования с параметрической обратной связью.

Наконец, еще более медленно в предложенной системе автоматического управления совершается отработка отклонения выходной управляемой величины от ее предписанного вторым управлением в системе [4] закона изменения. Это осуществляется во внешнем контуре регулирования системы автоматического управления в том случае, если нарушается равновесие между выходными сигналами объекта 3 и эталонной модели 8.

Таким образом, введение в систему автоматического управления нестационарным объектом эталонной модели, блока умножения, усилителя, трех инерционных фильтров, блока деления, трех суммирующих элементов, двух блоков выделения модуля, источника напряжения смещения и дифференцирующего блока позволяет сформировать сигнал ₂₀^-1параметрической обратной связи, обратно пропорциональный исходному параметрическому возмущению ₂ (.), и компенсировать им указанное параметрическое возмущение. В свою очередь наличие в предложенной системе внутреннего контура регулирования с параметрической обратной связью позволяет осуществить компенсацию исходного аддитивного возмущения ₁ (.) за счет ее внутренних контуров регулировки по выходной управляемой величине, а также сформировать требуемый закон изменения управляемой величины за счет ее главной обратной связи, корректирующего устройства и эталонной модели.

Работоспособность предлагаемой системы автоматического управления нестационарным объектом проведена путем ее моделирования на ЭВМ. В результате моделирования установлено, что система автоматического управления обеспечивает заданную динамическую точность при управлении параметрически полностью неопределенными объектами. О параметри- ческой инвариантности предложенной системы можно судить к тому же и по ее уравнениям. В частности, из уравнений [3] и [4] видно, что параметры управляемого устройства системы не зависят от параметров ее объекта управления.

Кроме того, предлагаемая система автоматического управления проще для реализации и, следовательно, надежнее, чем прототип, так как вместо N требует всего лишь два канала формирования составляющих управляющего воздействия (см. фиг. 2): y_т^(N) и ₂₀^-1.