Система управления с распознаванием образов динамических состояний стохастического объекта
Полезная модель относится к системам оптимального управления объектами со случайными возмущениями и направлена на улучшение качественных показателей следящего режима путем учета тренда отклонений динамических состояний от эталонных траекторий движения объекта при случайных возмущениях. Указанный технический результат достигается тем, что система управления с распознаванием образов динамических состояний стохастического объекта содержит последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, объект управления и блок наблюдателя состояния, связанный с устройством сравнения и блоком вычисления функции Гамильтона, который подключен к блоку показателей качества управления, блоку эталонной модели и блоку вычислений коэффициентов перенастройки, выход которого соединен с регулятором, а вход соединен с блоком эталонной модели, выход регулятора подключен к входу широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с блоком эталонной модели, блоком вычисления функции Гамильтона и первым входом импульсного усилителя, выход которого подключен к объекту управления, второй вход импульсного усилителя подключен к выходу анализатора начального состояния, первый вход которого соединен с выходом блока наблюдателя состояния, второй вход анализатора начального состояния соединен с выходом блока эталонной модели, подключенного к объединенным входам блока вычисления функции Гамильтона и блока вычислений коэффициентов перенастройки, третий вход анализатора начального состояния соединен с входом блока эталонной модели и выходом блока задания начального состояния, выход блока наблюдателя состояний подключен к первому входу блока авторегрессионной модели и блоку вычисления автокорреляционной функции, выход которого подключен к блоку вычисления оценок коэффициентов и первому входу блока оптимизации критериальной функции, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления оценок коэффициентов, выход блока оптимизации критериальной функции соединен со вторым входом блока авторегрессионной модели, выход которого соединен с первым входом блока распознавания состояний, второй вход которого соединен с выходом задающего устройства, а выход - с входом блока принятия решений, выход которого соединен с входом задающего устройства.
Полезная модель относится к системам оптимального управления объектами со случайными возмущениями и может быть использована в высокоточных системах управления технологическим оборудованием и процессами.
Известна система робастного оптимального управления дискретными объектами (патент 
59278, МПК: G05D 3/12, G05D 3/20, опубл. 10.12.2006), содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, объект управления и блок наблюдателя состояния, связанный с устройством сравнения и блоком вычисления функции Гамильтона, подключенным к блоку показателей качества управления, блоку эталонной модели и блоку вычислений коэффициентов перенастройки, соединенного с регулятором и блоком эталонной модели.
Недостатком этой системы управления является невозможность получения заданных показателей качества при наличии случайных возмущений действующих на объект или элементы системы.
Известна также система адаптивного управления нестационарным объектом (патент 80969, МПК: G05B 13/00, опубл. 2009.02.27), содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, объект управления и блок наблюдателя состояния, связанный с устройством сравнения и блоком вычисления функции Гамильтона, который подключен к блоку показателей качества управления, блоку эталонной модели и блоку вычислений коэффициентов перенастройки, выход которого соединен с регулятором, а вход соединен с блоком эталонной модели, выход регулятора подключен к входу широтно-импульсногомодулятора, выход которого соединен с блоком эталонной модели, блоком вычисления функции Гамильтона и первым входом импульсного усилителя, выход которого подключен к объекту управления, второй вход импульсного усилителя подключен к выходу анализатора начального состояния, первый вход которого соединен с выходом блока наблюдателя состояния, второй вход анализатора начального состояния соединен с выходом блока эталонной модели, подключенного к объединенным входам блока вычисления функции Гамильтона и блока вычислений коэффициентов перенастройки, третий вход анализатора начального состояния соединен с входом блока эталонной модели и выходом блока задания начального состояния.
Существенным ограничением использования данной системы является неоптимальность следящего режима движения при случайных возмущениях в объекте управления и измерительных устройствах.
Задачей полезной модели является улучшение качественных показателей следящего режима путем учета тренда отклонений динамических состояний от эталонных траекторий движения объекта при случайных возмущениях.
Поставленная задача решена за счет того, что система управления с распознаванием образов динамических состояний стохастического объекта, также как в прототипе, содержит последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, объект управления и блок наблюдателя состояния, связанный с устройством сравнения и блоком вычисления функции Гамильтона, который подключен к блоку показателей качества управления, блоку эталонной модели и блоку вычислений коэффициентов перенастройки, выход которого соединен с регулятором, а вход соединен с блоком эталонной модели, выход регулятора подключен к входу широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с блоком эталонной модели, блоком вычисления функции Гамильтона и первым входом импульсного усилителя, выход которого подключен к объекту управления, второй вход импульсного усилителя подключен к выходу анализатора начального состояния, первый вход которого соединен с выходом блока наблюдателя состояния, второй вход анализатора начального состояния соединен с выходом блока эталонной модели, подключенного к объединенным входам блока вычисления функции Гамильтона и блока вычислений коэффициентов перенастройки, третий вход анализатора начального состояния соединен с входом блока эталонной модели и выходом блока задания начального состояния.
В предложенной системе управления с распознаванием образов динамических состояний стохастического объекта выход блока наблюдателя состояний подключен к первому входу блока авторегрессионной модели и блоку вычисления автокорреляционной функции, выход которого подключен к блоку вычисления оценок коэффициентов и первому входу блока оптимизации критериальной функции, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления оценок коэффициентов, выход блока оптимизации критериальной функции соединен со вторым входом блока авторегрессионной модели, выход которого соединен с первым входом блока распознавания состояний, второй вход которого соединен с выходом задающего устройства, а выход - с входом блока принятия решений, выход которого соединен с входом задающего устройства.
На фиг.1 приведена функциональная схема системы управления с распознаванием образов динамических состояний стохастического объекта.
Система управления с распознаванием образов динамических состояний стохастического объекта содержит последовательно соединенные задающее устройство 1 (ЗУ), устройство сравнения 2 (УС), регулятор 3 (Р), объект управления 4 (ОУ), блок наблюдателя состояния 5 (БНС), связанный с устройством сравнения 2 (УС) и блоком вычисления функции Гамильтона 6 (БВФГ), который подключен к блоку показателей качества управления 7 (БПКУ), блоку эталонной модели 8 (БЭМ) и блоку вычислений коэффициентов перенастройки 9 (БВКП), выход которого соединен с регулятором 3 (Р), а вход соединен с блоком эталонной модели 8 (БЭМ). Выход регулятора 3 (Р) подключен к входу широтно-импульсного преобразователя 10 (ШИМ), выход которого соединен с блоком эталонной модели 8 (БЭМ), блоком вычисления функции Гамильтона 6 (БВФГ) и первым входом импульсного усилителя 11 (ИУ), выход которого подключен к объекту управления 4 (ОУ), второй вход импульсного усилителя 11 (ИУ) подключен к выходу анализатора начального состояния 12 (АНС), первый вход которого соединен с выходом блока наблюдателя состояния 5 (БНС), второй вход анализатора начального состояния 12 (АНС) соединен с выходом блока эталонной модели 8 (БЭМ), подключенного к объединенным входам блока вычисления функции Гамильтона 6 (БВФГ) и блока вычислений коэффициентов перенастройки 9 (БВКП), третий вход анализатора начального состояния 12 (АНС) соединен с входом блока эталонной модели 8 (БЭМ) и выходом блока задания начального состояния 13 (БЗНС). Выход блока наблюдателя состояний 5 (БНС) подключен к первому входу блока авторегрессионной модели 14 (БАРМ) и блоку вычисления автокорреляционной функции 15 (БВАФ), выход которого подключен к блоку вычисления оценок коэффициентов 16 (БВОК) и первому входу блока оптимизации критериальной функции 17 (БОКФ), второй вход которого соединен с выходом блока вычисления оценок коэффициентов 16 (БВОК), выход блока оптимизации критериальной функции 17 (БОКФ) соединен со вторым входом блока авторегрессионной модели 14 (БАРМ), выход которого соединен с первым входом блока распознавания состояний 18 (БРС), второй вход которого соединен с выходом задающего устройства 1 (ЗУ), а выход - с входом блока принятия решений 19 (БПР), выход которого соединен с входом задающего устройства 1 (ЗУ).
В качестве задающего устройства 1 (ЗУ) может быть использован персональный компьютер или цифровое устройство, формирующее задающее воздействие, объектом управления 3 (ОУ) может выступать технологическое оборудование, функционирование которого во времени описано системой дифференциальных или алгебраических уравнений. Блоком наблюдателя состояний (5) БНС могут служить аналого-цифровые преобразователи или цифровые датчики. Для реализации устройства сравнения 2 (УС), регулятора 3 (Р), блока вычисления функции Гамильтона 6 (БВФГ), блока показателей качества управления 7 (БПКУ), блока эталонной модели 8 (БЭМ), блока вычисления коэффициентов передачи 9 (БВКП), широтно-импульсного модулятора 10 (ШИМ), анализатора начального состояния 12 (АНС), блока задания начального состояния 13 (БЗНС), блок авторегрессионной модели 14 (БАРМ), блок вычисления автокорреляционной функции 15 (БВАФ), блок вычисления оценок коэффициентов 16 (БВОК), блок оптимизации критериальной функции 17 (БОКФ), блок распознавания состояний 18 (БРС), блок принятия решений 19 (БПР) могут быть использованы вычислительные и программные средства программируемого контроллера ЭЛСИ-ТМ компании ЭлеСи (г.Томск). В качестве импульсного усилителя 11 (ИУ) может быть использован транзисторный инвертор на IGBT транзисторах.
Задающее устройство 1 (ЗУ) формирует входное воздействие, которое поступает на устройство сравнения 2 (УС) для вычитания сигнала обратной связи с выхода блока наблюдателя состояний 5 (БНС), использующее измерения текущего состояния объекта управления 4 (ОУ). Ошибка регулирования с выхода устройства сравнения 2 (УС) преобразуется регулятором 3 (Р) и широтно-импульсным модулятором 10 (ШИМ) в импульсную последовательность, которая далее усиливается импульсным усилителем 11 (ИУ). Выходной сигнал импульсного усилителя 11 (ИУ) соответствующей мощности приводит в действие объект управления 4 (ОУ).
Требования к качеству регулирования процессов в объекте управления 4 (ОУ) назначаются в блоке показателей качества управления 7 (БПКУ), численные значения которых поступают в блок вычисления функции Гамильтона 6 (БВФГ). Текущее значение качественных показателей процесса управления объектом 4 (ОУ) определяется функцией Гамильтона, которая вычисляется в блоке вычисления функции Гамильтона 6 (БВФГ) на основе значений управляющего сигнала с выхода широтно-импульсного модулятора 10 (ШИМ), значений измеряемых переменных с выхода блока наблюдателя состояний 5 (БНС) и значений оценок неизмеряемых переменных с выхода блока эталонной модели 8 (БЭМ).
Поступающие данные с выхода блока вычисления функции Гамильтона 6 (БВФГ) и выхода блока эталонной модели 8 (БЭМ) позволяют вычислить в реальном времени в блоке вычисления коэффициентов передачи 9 (БВКП) значения коэффициентов применяемого закона регулирования в регуляторе 3 (Р) (например, ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциального закона).
В блоке задания начального состояния 13 (БЗНС) на основе предварительной информации о регулируемых процессах в объекте управления 4 (ОУ) определяется область оценок начальных значений измеряемых и неизмеряемых переменных его состояния, которые поступают в блок эталонной модели 8 (БЭМ) и анализатор начального состояния 12 (АНС). При примерном равенстве реальных начальных значений переменных состояния объекта управления 4 (ОУ) от назначенных значений, сформированных в блоке задания начального состояния 13 (БЗНС), анализатор начального состояния 12 (АНС) генерирует разрешающий сигнал на импульсный усилитель 11 (ИУ), подключающий объект управления 4 (ОУ) к источнику энергии.
На основе значений измеряемых переменных с выхода блока наблюдателя состояний 5 (БНС) в блоке вычисления автокорреляционной функции 15 (БВАФ) определяются оценки автокорреляционной функции. Данные оценки используются блоком вычисления оценок коэффициентов 16 (БВОК) и блоком оптимизации критериальной функции 17 (БОКФ) для формирования авторегрессионной модели блоком авторегрессионной модели 14 (БАРМ). После процедуры распознавания состояний в блоке распознавания состояний 18 (БРС) блоком принятия решений 19 (БПР) принимается решение о величине коррекции значений задания в задающем устройстве 1 (ЗУ) при отклонении реальной траектории объекта управления 4 (ОУ) от эталонной траектории.
В результате получаем улучшение качественных показателей регулирования следящего режима путем учета тренда отклонений динамических состояний от эталонных оптимальных траекторий движения объекта при случайных возмущениях.
Система управления с распознаванием образов динамических состояний стохастического объекта, содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, объект управления и блок наблюдателя состояния, связанный с устройством сравнения и блоком вычисления функции Гамильтона, который подключен к блоку показателей качества управления, блоку эталонной модели и блоку вычислений коэффициентов перенастройки, выход которого соединен с регулятором, а вход соединен с блоком эталонной модели, выход регулятора подключен к входу широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с блоком эталонной модели, блоком вычисления функции Гамильтона и первым входом импульсного усилителя, выход которого подключен к объекту управления, второй вход импульсного усилителя подключен к выходу анализатора начального состояния, первый вход которого соединен с выходом блока наблюдателя состояния, второй вход анализатора начального состояния соединен с выходом блока эталонной модели, подключенного к объединенным входам блока вычисления функции Гамильтона и блока вычислений коэффициентов перенастройки, третий вход анализатора начального состояния соединен с входом блока эталонной модели и выходом блока задания начального состояния, отличающаяся тем, что выход блока наблюдателя состояний подключен к первому входу блока авторегрессионной модели и блоку вычисления автокорреляционной функции, выход которого подключен к блоку вычисления оценок коэффициентов и первому входу блока оптимизации критериальной функции, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления оценок коэффициентов, выход блока оптимизации критериальной функции соединен со вторым входом блока авторегрессионной модели, выход которого соединен с первым входом блока распознавания состояний, второй вход которого соединен с выходом задающего устройства, а выход - с входом блока принятия решений, выход которого соединен с входом задающего устройства.
