Устройство для идентификации объектов управления

Авторы патента:

G05B13 - Самонастраивающиеся системы управления, т.е. системы, автоматически выбирающие оптимальный режим работы для достижения заданного критерия (G05B 19/00 имеет преимущество; элементы конструкции вычислительных машин G06F 15/18)

Полезная модель относится к области систем автоматического управления и может быть использована для экспериментального получения математических моделей линейных и линеаризуемых объектов управления. Устройство для идентификации объектов управления, содержит генератор ступенчатых сигналов, подключенный к объекту управления. Аналоговые датчики объекта управления связаны с двумя аналого-цифровыми преобразователями, соединенными с блоком синхронизации и с блоком получения передаточных функций. Все цифровые выходы цифровых датчиков, которыми снабжен объект управления, подключены к блоку цифровых интерфейсов, который связан с блоком синхронизации и блоком получения передаточных функций, к которому последовательно подключены запоминающее устройство и устройство отображения графиков. Технический результат: идентификация объектов управления, в том числе оснащенных датчиками, которые представляют информацию в дискретной форме - цифровыми и импульсными последовательностями, повышение быстродействия и точности идентификации. 1 ил.

Известно устройство для идентификации объектов управления [А.А.Бессонов, Ю.В.Загашвили, А.С.Маркелов. Методы и средства идентификации динамических объектов // Л.: Энергоатомиздат.Ленингр. отд-ние, 1989, с.161], содержащее генератор случайного сигнала (шума) к которому последовательно подключены блок фильтров, блок умножения, блок интегрирования, цифровой блок деления. Блок реле времени соединен с блоком интегрирования.

С помощью этого устройства реализована прямая (разомкнутая) процедура идентификации.

Недостатками данного устройства являются:

1. Отсутствие возможности идентификации объектов управления, оснащенных датчиками, которые представляют информацию в дискретной форме - цифровыми и импульсными последовательностями.

2. Значительные вычислительные затраты в связи с использованием сложных расчетных формул (функции Лагерра).

3. Возможность вычисления ограниченного небольшого числа коэффициентов искомой передаточной функции не позволяет получать результаты высокой точности.

4. Отсутствует возможность коррекции результата с целью получения более точных моделей.

Известно устройство для идентификации объектов управления [RU 68722 U1, МПК G05B 13/00 (2006.01), опубл. 27.11.2007], выбранное в качестве прототипа, которое содержит блок анализа входного сигнала, блок анализа выходного сигнала, блок получения коэффициентов передаточной функции, средства отображения информации. программируемый генератор, блок синхронизации и запоминающее устройство.

К программируемому генератору последовательно подключены блок анализа входного сигнала, блок синхронизации, блок получения передаточной функции, запоминающее устройство, средства отображения информации. Объект управления через первый ключ подсоединен к программируемому генератору и через второй ключ к блоку анализа выходного сигнала, который связан с блоком синхронизации.

Идентификацию объектов управления в этом устройстве производят на основе расчетных соотношений, полученных в результате привлечения вещественного интерполяционного метода (Гончаров В.И. Вещественный интерполяционный метод синтеза систем автоматического управления. - Томск: Изд. ТПУ, 1995) по формуле для непрерывных сигналов:

где (- вещественная переменная;

f(t) - функция времени;

F() - изображение.

Недостатком этого устройства, является отсутствие возможности идентификации объектов управления, оснащенных датчиками, которые представляют информацию в дискретной форме - цифровыми и импульсными последовательностями.

Задачей полезной модели является разработка устройства для идентификации объектов управления, в том числе оснащенных датчиками, представляющими информацию в дискретной форме - цифровыми и импульсными последовательностями.

Поставленная задача решена за счет того, что устройство для идентификации объектов управления также как в прототипе содержит генератор, подключенный к объекту управления, блок синхронизации, блок получения коэффициентов передаточной функции, к которому последовательно подключены запоминающее устройство и средство отображения информации.

Согласно полезной модели в качестве генератора выбран генератор ступенчатых сигналов. Аналоговые датчики объекта управления связаны с двумя аналого-цифровыми преобразователями, соединенными с блоком синхронизации и с блоком получения передаточных функций. В качестве средства отображения информации выбрано устройство отображения графиков. Все цифровые датчики, которыми снабжен объект управления, подключены к блоку цифровых интерфейсов, который связан с блоком синхронизации и блоком получения передаточных функций.

Конструкция предлагаемого устройства позволяет использовать датчики с цифровым интерфейсом, подключенные к объекту управления.

В отличие от прототипа при работе устройства для идентификации объектов управления используют расчетные формулы, специально ориентированные для обработки цифровых сигналов. При этом, любые данные, поданные на блок получения передаточных функций для обработки, уже являются цифровыми. Поэтому нет необходимости в дополнительных преобразованиях.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличить быстродействие и точность идентификации объектов управления.

На фиг.1 представлена схема устройства для идентификации объектов управления.

Устройство для идентификации объектов управления содержит генератор ступенчатых сигналов 1 (Г), который подключен к объекту управления 2 (ОУ), представляющему собой промышленный объект управления, например, двигатель или нагревательный элемент, снабженный аналоговыми и цифровыми датчиками. Аналоговые датчики связаны с двумя аналого-цифровым преобразователями 3 (АЦП1) и 4 (АЦП2), соединенными с блоком синхронизации 5 (БС) и с блоком получения передаточных функций 6 (БППФ), соединенному с запоминающим устройством 7 (ЗУ), подключенному к устройству отображения графиков 8 (УОГ). Все цифровые датчики, которыми снабжен объект управления 2 (ОУ), подключены к блоку цифровых интерфейсов 9 (БЦИ), который связан с блоком синхронизации 5 (БС) и блоком получения передаточных функций 6 (БППФ).

В качестве генератора ступенчатых сигналов 1 (Г) может быть использована, например, микросхема MAXIM Max038 [http://pdfl.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/72716/MAXIM/MAX038CWP.html]. Аналого-цифровые преобразователи 3 (АЦП1) и 4 (АЦП2) должны иметь разрешение не менее 10 бит.В качестве блока синхронизации 5 (БС) может быть использован любой микроконтроллер. Блок получения передаточных функций 6 (БППФ) представляет собой микропроцессор, например, AMD Athlon(64 Х2 Dual Core. В качестве запоминающего устройства 7 (ЗУ) использована оперативная память емкостью от 512 МБ. В качестве устройства отображения графиков 8 (УОГ) может быть использован любой LCD-дисплей с разрешением не менее 800480 точек. Блок цифровых интерфейсов 9 (БЦИ) представляет собой микроконтроллер, на котором аппаратно реализованы интерфейсы SPI/SSI/I2C или на котором достаточно выводов для их программной реализации, например, STM32F100RBT6B[http://www.st.com/intemet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/USER_MANUAL/CD00267113.pdf].

Входной аналоговый сигнал поступает с генератора ступенчатых сигналов 1 (Г) на объект управления 2 (ОУ) и на первый аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП1). Выходной аналоговый сигнал с аналоговых датчиков, которыми снабжен объект управления 2 (ОУ), подают на второй аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП2). Цифровой выходной сигнал с цифровых датчиков, которыми снабжен объект управления 2 (ОУ), поступает на блок цифровых интерфейсов 9 (БЦИ). Благодаря блоку синхронизации 5 (БС), подающему одновременно синхросигнал на первый аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП1), на второй аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП2) и на блок цифровых интерфейсов 9 (БЦИ), все три сигнала с датчиков объекта управления 2 (ОУ) считываются одновременно и поступают на блок получения передаточных функций 6 (БППФ), который вычисляет коэффициенты импульсной передаточной функции объекта управления 2 (ОУ).

Процедуру идентификации в блоке получения передаточных функций 6 (БППФ) производят на основе расчетных соотношений, полученных в результате привлечения вещественного интерполяционного метода (Гончаров В.И. Вещественный интерполяционный метод синтеза систем автоматического управления // Томск: Изд. ТПУ, 1995). В основе этого метода лежит вещественное интегральное преобразование:

где , (- вещественные переменные;

f(nT₀ ) - функция времени;

F() - изображение.

С учетом (2), идентифицируемый объект описывается передаточной функцией вида:

где Y(z) - изображения сигналов выхода объекта;

X(z) - изображения сигналов входа объекта;

b_n, b_n-1, (, b₀, a_m, a_m-1, (, a₁^- неизвестные коэффициенты передаточной функции. Если на вход объекта управления подают сигнал в виде, например, единичной ступени 1(t), то для идентификации используют переходную характеристику импульсной системы h(nT₀). При этом связь между передаточной функцией объекта и характеристикой h(nT₀) в соответствии с (1) будет иметь вид:

Используя выражение (3) и (4), получают:

Задавая узлы интерполирования V_i, i=1, 2, (для формулы (5), находят значения выражения (4). Число узлов интерполирования принимают равным числу неизвестных коэффициентов в выражении (3).

Значения узлов интерполирования оказывают существенное влияние на точность идентификации объектов управления. (Рекомендации по их выбору - Гончаров В.И. Вещественный интерполяционный метод синтеза систем автоматического управления // Томск: Изд. ТПУ, 1995).

Математическая модель в виде численной характеристики должна иметь однозначную связь с вещественной передаточной функцией. Такая связь устанавливается с помощью системы линейных алгебраических уравнений вида:

Определение коэффициентов b_n , b_n-1, , b₀, a_m, a_m-1, , a₁ при выбранных значениях тип сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений и на этом задача идентификации решена, в результате чего получают передаточную функцию объекта управления 2 (ОУ).

В блоке получения передаточных функций 6 (БППФ) после процедуры идентификации моделируют выходной сигнал, соответствующий идентифицированной передаточной функции. Затем этот выходной сигнал сравнивают с реальным выходным сигналом, полученным с объекта управления 2 (ОУ) в начале процесса идентификации. Если погрешность (максимальное абсолютное отклонение смоделированного выходного сигнала и реального выходного сигнала) находится в допустимых пределах, указанных пользователем, то задача решена. В случае превышения допустимых пределов погрешности вычисления повторяют при других значениях узлов интерполирования.

Полученную передаточную функцию сохраняют в запоминающем устройстве 7 (ЗУ) и выводят на устройство отображения графиков 8 (УОГ) в виде численных значений и графиков.

Устройство для идентификации объектов управления, содержащее генератор подключенный к объекту управления, блок синхронизации, блок получения коэффициентов передаточной функции, к которому последовательно подключены запоминающее устройство и средство отображения информации, отличающееся тем, что в качестве генератора выбран генератор ступенчатых сигналов, аналоговые датчики объекта управления связаны с двумя аналого-цифровыми преобразователями, соединенными с блоком синхронизации и с блоком получения передаточных функций, в качестве средства отображения информации выбрано устройство отображения графиков, причем все цифровые выходы цифровых датчиков, которыми снабжен объект управления, подключены к блоку цифровых интерфейсов, который связан с блоком синхронизации и блоком получения передаточных функций.