Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка

Полезная модель относится к области автоматики и может быть использована при проектировании систем автоматического управления нестационарными нелинейными объектами. Технический результат заключается в повышении динамической точности управления нестационарным нелинейным объектом с математическим описанием в нормальной форме Коши, когда выходная величина является линейной комбинацией переменных состояния. Система содержит объект 1, усилитель 2 мощности, первый элемент 3 сравнения, первый дифференцирующий фильтр 4, инерционный фильтр 5, задатчик 6, второй элемент 7 сравнения, второй дифференцирующий фильтр 8, первый суммирующий элемент 9, первое вычислительное устройство 10, второй суммирующий элемент 11, интегральный регулятор 12, блок умножения 13, второе вычислительное устройство 14, суммирующий усилитель 15, и эталонную модель 16 в виде n-1 последовательно соединенных интеграторов, подключенных выходами к соответствующим входам суммирующего усилителя 15, а вход первого интегратора подсоединен к выходу первого элемента 3 сравнения. 1 н.п.ф., 1 ил.

Полезная модель относится к области автоматики и может быть использована при проектировании систем автоматического управления (САУ) нестационарными нелинейными объектами.

Известна система автоматического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка [Патент RU 2171489, G05B 17/00, опубл. 27.07.2001 Бюл. 21], содержащая объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности, задатчик, элемент сравнения, подсоединенный первым входом к выходу первой эталонной модели и выходом через интегральный регулятор к первому входу первого дифференцирующего фильтра, выполнена двухканальной и снабжена второй эталонной моделью, двумя преобразователями сигнала в двухкомпонентный вектор, вторым дифференцирующим фильтром, предварительным усилителем и сумматором, подключенным выходом к входу усилителя мощности, причем первый преобразователь сигнала в двухкомпонентный вектор подсоединен входом к задатчику и первым выходом к входу первой эталонной модели, первый дифференцирующий фильтр снабжен четвертым входом и подключен к первым входам сумматора и второго дифференцирующего фильтра выходом и ко второму выходу первого преобразователя сигнала в двухкомпонентный вектор вторым входом непосредственно и третьим входом через вторую эталонную модель, а второй преобразователь сигнала в двухкомпонентный вектор подсоединен входом к выходу объекта, первым выходом ко второму входу элемента сравнения и вторым выходом к четвертому входу первого дифференцирующего фильтра и ко второму входу второго дифференцирующего фильтра, который подключен выходом через предварительный усилитель ко второму входу сумматора.

Данная САУ предназначена для управления такими нестационарными нелинейными объектами с математическим описанием в нормальной форме Коши, когда выходная величина является линейной комбинацией переменных состояния. Причем операторный полином при выходной величине может содержать лишь левые корни.

Кроме того, эта САУ может не обеспечить требуемую динамическую точность. Это объясняется тем, что точность управления ограничена условиями устойчивости системы, во-первых, из-за нестационарности коэффициента усиления объекта управления. Во-вторых, из-за конечных значений коэффициентов усиления ее линейных непрерывных контуров регулирования, которые предназначены для компенсации сигналов внутренних обратных связей объекта управления.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому техническому решению является комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка [Патент RU 96990, G05B 13/00, опубл. 20.08.2010 Бюл. 23], содержащая объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности, первый элемент сравнения, подсоединенный первым входом через первый дифференцирующий фильтр к выходу объекта и вторым входом через инерционный фильтр к задатчику, второй элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу первого элемента сравнения и вторым входом через второй дифференцирующий фильтр к выходу объекта, первый суммирующий элемент, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения и вторым входом к выходу второго элемента сравнения, первое вычислительное устройство, подключенное первым входом к выходу второго элемента сравнения, вторым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра и третьим входом к выходу первого суммирующего элемента, второй суммирующий элемент, подсоединенный первым входом к выходу второго элемента сравнения, вторым входом к выходу первого вычислительного устройства и выходом через интегральный регулятор к третьему входу первого суммирующего элемента, блок умножения, подключенный первым входом к выходу первого суммирующего элемента и выходом к входу усилителя мощности, и второе вычислительное устройство, подсоединенное первым входом к выходу объекта, а вторым входом и выходом соответственно к выходу и второму входу блока умножения.

При этом первый дифференцирующий фильтр системы управления выполнен в виде последовательно соединенных n интегросумматоров, выход последнего из которых является выходом дифференцирующего фильтра и подключен ко второму входу всех интегросумматоров, а входом дифференцирующего фильтра служит первый вход первого интегросумматора, соединенный с третьим входом всех остальных интегросумматоров.

Второй дифференцирующий фильтр системы управления выполнен в виде последовательно соединенных интегратора, n-1 интегросумматоров и суммирующего усилителя, выход которого является выходом дифференцирующего фильтра и подключен к входу интегратора и второму входу каждого интегросумматора, а входом дифференцирующего фильтра служит второй вход суммирующего усилителя.

Первое вычислительное устройство содержит элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу инерционного фильтра, и блок умножения, подсоединенный первым входом к выходу релейного элемента и вторым входом через блок выделения модуля к выходу элемента сравнения, причем первым, вторым и третьим входами первого вычислительного устройства являются входы соответственно релейного элемента, элемента сравнения и инерционного фильтра, а выходом первого вычислительного устройства - выход блока умножения.

Второе вычислительное устройство содержит первый дифференцирующий фильтр в виде последовательно соединенных интегратора, n интегросумматоров и суммирующего усилителя, который подключен выходом к входу интегратора и второму входу всех своих интегросумматоров, второй дифференцирующий фильтр в виде последовательно соединенных интегратора и n интегросумматоров, выход последнего из которых подключен к входу интегратора и второму входу всех интегросумматоров, и последовательно соединенные релейный элемент, интегральный регулятор, блок умножения и элемент сравнения, причем первый дифференцирующий фильтр подключен выходом через первый блок выделения модуля ко второму входу блока умножения, второй дифференцирующий фильтр подсоединен выходом через второй блок выделения модуля ко второму входу элемента сравнения, а первым и вторым входами и выходом второго вычислительного устройства служат соответственно второй вход суммирующего усилителя первого дифференцирующего фильтра, третий вход первого интегросумматора второго дифференцирующего фильтра и выход интегрального регулятора.

Данная САУ может обеспечить достаточно высокую точность управления нестационарными нелинейными объектами, математическая модель которых может быть представлена в форме фазовых координат. Но эта САУ не может обеспечить требуемую точность управления нестационарными нелинейными объектами с математическим описанием в нормальной форме Коши, когда выходная величина является линейной комбинацией переменных состояния.

Задача полезной модели - построение такой комбинированной системы координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка, которая вследствие своей новой структуры обеспечивает технический результат в виде повышения динамической точности управления нестационарным нелинейным объектом с математическим описанием в нормальной форме Коши, когда выходная величина является линейной комбинацией переменных состояния. Причем операторный полином при выходной величине может содержать как левые, так и правые корни.

Технический результат полезной модели достигается тем, что комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка, содержащая объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности, первый элемент сравнения, подсоединенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра и вторым входом через инерционный фильтр к задатчику, второй элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу первого элемента сравнения и вторым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра, первый суммирующий элемент, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения и вторым входом к выходу второго элемента сравнения, первое вычислительное устройство, подключенное первым входом к выходу второго элемента сравнения, вторым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра и третьим входом к выходу первого суммирующего элемента, второй суммирующий элемент, подсоединенный первым входом к выходу второго элемента сравнения, вторым входом к выходу первого вычислительного устройства и выходом через интегральный регулятор к третьему входу первого суммирующего элемента, блок умножения, подключенный первым входом к выходу первого суммирующего элемента и выходом к входу усилителя мощности, и второе вычислительное устройство, подсоединенное первым входом к выходу объекта, а вторым входом и выходом соответственно к выходу и второму входу блока умножения, снабжена суммирующим усилителем, подключенным первым входом к выходу объекта и выходом к входам первого элемента сравнения и второго дифференцирующего фильтра, и эталонной моделью в виде n-1 последовательно соединенных интеграторов, подключенных выходами к соответствующим входам суммирующего усилителя, а вход первого интегратора подсоединен к выходу первого элемента сравнения.

На фиг.1 представлена функциональная схема комбинированной системы координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка.

Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка, содержит объект 1, подключенный входом к выходу усилителя 2 мощности, первый элемент 3 сравнения, подсоединенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра 4 и вторым входом через инерционный фильтр 5 к задатчику 6, второй элемент 7 сравнения, подключенный первым входом к выходу первого элемента 3 сравнения и вторым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра 8, первый суммирующий элемент 9, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента 3 сравнения и вторым входом к выходу второго элемента 7 сравнения, первое вычислительное устройство 10, подключенное первым входом к выходу второго элемента 7 сравнения, вторым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра 8 и третьим входом к выходу первого суммирующего элемента 9, второй суммирующий элемент 11, подсоединенный первым входом к выходу второго элемента 7 сравнения, вторым входом к выходу первого вычислительного устройства 11 и выходом через интегральный регулятор 12 к третьему входу первого суммирующего элемента 9, блок 13 умножения, подключенный первым входом к выходу первого суммирующего элемента 9 и выходом к входу усилителя 2 мощности, второе вычислительное устройство 14, подсоединенное первым входом к выходу объекта 1, вторым входом и выходом соответственно к выходу и второму входу блока 13 умножения, суммирующий усилитель 15, подключенный первым входом к выходу объекта 1 и выходом к входам первого элемента 3 сравнения и второго дифференцирующего фильтра 8, и эталонную модель 16 в виде n-1 последовательно соединенных интеграторов 16/1÷16/(n-1), подключенных выходами к соответствующим входам суммирующего усилителя 15, а вход первого интегратора 16/1 подсоединен к выходу первого элемента сравнения 3.

При этом первое и второе вычислительные устройства 10 и 14, первый и второй дифференцирующие фильтры 4 и 8 выполнены так же, как соответствующие вычислительные устройства и дифференцирующие фильтры известной комбинированной системы координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка.

Предложенная комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка имеет следующее математическое описание:

- для объекта управления (ОУ)

; ; ,

где k(t), (х) - ограниченные неопределенные функции; х - вектор фазовых координат, x=[х₁, х₂,, x_n]^T; y - выходная величина; с _i - постоянный коэффициент, причем с₁=1;

- для управляющего устройства

,

где - оценка обратного значения коэффициента усиления k(t); - компенсирующая составляющая управления, являющаяся функцией оценки функции (x); - требуемый закон изменения n-й производной первой фазовой координаты, , причем , _i - постоянный коэффициент; g - сигнал задания.

Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка работает следующим образом.

На входы первого элемента 3 сравнения поступают выходной сигнал x_A первого дифференцирующего фильтра 4 и преобразованный инерционным фильтром 5 выходной сигнал g задатчика 6. Сигнал рассогласования с выхода первого элемента 3 сравнения, пропорциональный требуемому закону изменения n-й производной первой фазовой координаты , поступает через первый суммирующий элемент 9 на первый вход блока 13 умножения. В блоке 13 умножения указанный входной сигнал умножается на сигнал , поступающий на его второй вход с выхода второго вычислительного устройства 14. Выходной сигнал блока 13 умножения через усилитель 2 мощности поступает на вход объекта 1 и стремится изменить выходной сигнал последнего так, чтобы выходной сигнал y объекта 1 стал равным выходному сигналу g задатчика 6.

Однако выполнению этого равенства препятствуют следующие причины. Во-первых, нестационарность коэффициента усиления k(t) объекта 1. Во-вторых, действие внутренних обратных связей объекта 1 в виде неизмеримой функции (x). В-третьих, зависимость выходной величины объекта 1 от целой группы фазовых координат.

Для стабилизации коэффициента усиления объекта 1 комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом содержит локальную мультипликативную обратную связь со вторым вычислительным устройством 14. В этом устройстве осуществляется операция деления производной поступающего на его второй вход выходного сигнала блока 13 умножения на (n+1)-ю производную поступающего на его первый вход выходного сигнала объекта 1. Выходной сигнал второго вычислительного устройства 14 становится пропорциональным обратному значению коэффициента усиления k(t) объекта 1 и поступает на второй вход блока 13 умножения, в котором умножается на сигнал управления, поступающий на его первый вход с выхода первого суммирующего элемента 9. Выходной сигнал блока 13 умножения через усилитель 2 мощности поступает на вход объекта 1 и стабилизирует коэффициента усиления последнего.

Для компенсации действия внутренних обратных связей объекта 1 комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом содержит компенсирующую аддитивную обратную связь со вторым элементом 7 сравнения, вторым дифференцирующим фильтром 8, первым суммирующим элементом 9, первым вычислительным устройством 10, вторым суммирующим элементом 11 и интегральным регулятором 12.

На входы второго элемента 7 сравнения поступают сигналы, пропорциональные требуемому и истинному значениям n-й производной первой фазовой координаты с выходов соответственно первого элемента 3 сравнения и второго дифференцирующего фильтра 8. Сигнал рассогласования производных с выхода второго элемента 7 сравнения поступает на первый вход первого вычислительного устройства 10, на второй и третий входы которого поступают выходные сигналы второго дифференцирующего фильтра 8 и первого суммирующего элемента 9. В первом вычислительном устройстве его входные сигналы преобразуются в сигнал, пропорциональный модулю оценки функции (х) со знаком, соответствующим полярности выходного сигнала второго элемента 7 сравнения. Полученный сигнал с выхода первого вычислительного устройства 10 поступает на второй вход второго суммирующего элемента 11, на второй вход которого поступает выходной сигнал второго элемента 7 сравнения. Суммарный сигнал с выхода второго суммирующего элемента 11 поступает на вход интегрального регулятора 12, в котором интегрируется. Полученный сигнал с выхода интегрального регулятора 12 поступает на третий вход первого суммирующего элемента 9, на первый и второй входы которого поступают выходные сигналы соответственно первого элемента 3 сравнения и второго элемента 7 сравнения. В результате суммирования входных сигналов на выходе первого суммирующего элемента 9 формируется компенсирующая составляющая управления объектом 1. Выходной сигнал первого суммирующего элемента 9 поступает на первый вход блока 13 умножения, в котором умножается на сигнал , поступающий на его второй вход с выхода второго вычислительного устройства 14. Выходной сигнал первого суммирующего элемента 9 через усилитель 2 мощности поступает на вход объекта 1 и компенсирует действие сигналов его внутренних обратных связей, т.е. функцию (х).

Для получения оценки n-й производной первой фазовой координаты объекта 1 с помощью второго дифференцирующего фильтра 8 и агрегированной переменной x_A с помощью первого дифференцирующего фильтра 4 комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом снабжена суммирующим усилителем 15 и эталонной моделью 16. На вход первого интегратора 16/1 эталонной модели 16 поступает с выхода первого элемента 3 сравнения сигнал рассогласования, пропорциональный требуемому закону изменения n-й производной первой фазовой координаты . Этот сигнал через n-1 последовательно соединенных интеграторов 16/1÷16/(n-1) эталонной модели 16 поступает на второй вход суммирующего усилителя 15, на первый и остальные входы которого поступают выходные сигналы соответственно объекта 1 и первых (n-2)-х интеграторов 16/1÷16/(n-2) эталонной модели 16. В суммирующем усилителе 15 его входные сигналы алгебраически складываются с соответствующими весовыми коэффициентами и усиливаются. В результате выходной сигнал суммирующего усилителя 15 в соответствии с уравнением выхода объекта 1 становится оценкой первой фазовой координаты, т.е. . Сигнал с выхода суммирующего усилителя 15 поступает на входы первого и второго дифференцирующих фильтров 4 и 8, в которых преобразуется соответственно в агрегированную переменную x _A и оценку n-й производной первой фазовой координаты объекта 1.

Таким образом, введением в комбинированную систему координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом суммирующего усилителя и эталонной модели достигается повышение динамической точности управления нестационарным нелинейным объектом с математическим описанием в нормальной форме Коши, когда выходная величина является линейной комбинацией переменных состояния. Причем операторный полином при выходной величине может содержать как левые, так и правые корни.

Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка, содержащая объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности, первый элемент сравнения, подсоединенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра и вторым входом через инерционный фильтр к задатчику, второй элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу первого элемента сравнения и вторым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра, первый суммирующий элемент, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения и вторым входом к выходу второго элемента сравнения, первое вычислительное устройство, подключенное первым входом к выходу второго элемента сравнения, вторым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра и третьим входом к выходу первого суммирующего элемента, второй суммирующий элемент, подсоединенный первым входом к выходу второго элемента сравнения, вторым входом к выходу первого вычислительного устройства и выходом через интегральный регулятор к третьему входу первого суммирующего элемента, блок умножения, подключенный первым входом к выходу первого суммирующего элемента и выходом к входу усилителя мощности, и второе вычислительное устройство, подсоединенное первым входом к выходу объекта, а вторым входом и выходом соответственно к выходу и второму входу блока умножения, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена суммирующим усилителем, подключенным первым входом к выходу объекта и выходом к входам первого элемента сравнения и второго дифференцирующего фильтра, и эталонной моделью в виде n-1 последовательно соединенных интеграторов, подключенных выходами к соответствующим входам суммирующего усилителя, а вход первого интегратора подсоединен к выходу первого элемента сравнения.