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. Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка содержит объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности и выходом к входу первого дифференцирующего фильтра и к первому входу вычислительного устройства, первый блок умножения, подсоединенный первым входом к выходу вычислительного устройства и выходом ко второму входу вычислительного устройства и к входу усилителя мощности, первый элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра, вторым входом через фильтр к выходу задатчика и выходом к первому входу первого суммирующего элемента, второй элемент сравнения, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения, вторым входом через второй дифференцирующий фильтр к выходу объекта и выходом к входу релейного элемента, второй блок умножения, подключенный первым входом к выходу релейного элемента, интегральный регулятор, блок выделения модуля, третий элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра, вторым входом через инерционный фильтр к выходу первого суммирующего элемента и выходом через блок выделения модуля ко второму входу второго блока умножения, второй суммирующий элемент, подсоединенный первым входом к выходу второго блока умножения, вторым входом к выходу второго элемента сравнения и выходом к входу интегрального регулятора, причем первый суммирующий элемент подключен вторым входом к выходу интегрального регулятора и третьим входом к выходу второго элемента сравнения.
Полезная модель относится к области автоматики и может быть использована при проектировании систем автоматического управления нестационарными нелинейными объектами.
Известна комбинированная система координатного управления нестационарным объектом n-го порядка [Патент RU 
50323], которая содержит объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности и выходом к входу первого дифференцирующего фильтра и к первому входу вычислительного устройства, первый блок умножения, подсоединенный первым входом к выходу вычислительного устройства, первый суммирующий элемент, подключенный первым входом к выходу первого блока умножения и выходом к входу усилителя мощности и ко второму входу вычислительного устройства, второй блок умножения, подсоединенный выходом через первый интегральный регулятор ко второму входу первого суммирующего элемента и первым входом через последовательно соединенные блок выделения модуля и первый инерционный фильтр к выходу первого суммирующего элемента, первый элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра и выходом через релейный элемент ко второму входу второго блока умножения, задатчик, второй суммирующий элемент, подсоединенный первым входом через второй дифференцирующий фильтр к выходу задатчика и выходом ко второму входу первого блока умножения и через второй инерционный фильтр ко второму входу первого элемента сравнения, второй элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу задатчика, вторым входом к выходу объекта и выходом через последовательно соединенные третий дифференцирующий фильтр и второй интегральный регулятор ко второму входу второго суммирующего элемента.
Недостатком комбинированной системы координатного управления нестационарным объектом n-го порядка является то, что она не может гарантировать достаточно высокую точность управления потому, что быстродействие ее дифференциальной компенсирующей связи ограничено условиями устойчивости входящего в ее состав непрерывного контура регулирования.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому техническому решению является комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка [Управление нелинейными объектами с функциональными неопределенностями на основе алгоритмов их оценивания в скользящем режиме. - Изв. Вузов. Электромеханика, 2007 г., 4. - с.51], содержащая объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности и выходом к входу первого дифференцирующего фильтра и к первому входу вычислительного устройства, первый блок умножения, подсоединенный первым входом к выходу вычислительного устройства, вторым входом к выходу первого усилителя и выходом ко второму входу вычислительного устройства и входу усилителя мощности, первый элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра, вторым входом через фильтр к выходу задатчика, первый суммирующий элемент, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения, вторым входом к выходу интегрального регулятора и выходом к входу первого усилителя и входу второго усилителя, второй элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу первого элемента сравнения, вторым входом через второй дифференцирующий фильтр к выходу объекта и выходом к входу релейного элемента, второй блок умножения, подсоединенный первым входом к выходу релейного элемента, выходом к входу интегрального регулятора, блок выделения максимального из входных сигналов, подключенный первым входом через первый блок выделения модуля к выходу второго усилителя, вторым входом через второй блок выделения модуля к выходу второго дифференцирующего фильтра и выходом ко второму входу второго блока умножения.
Недостатком комбинированной системы координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка является то, что она не может гарантировать достаточно высокую динамическую точность управления потому, что быстродействия ее дифференциальной компенсирующей связи достаточно для отработки задающего воздействия, но не достаточно для отработки эквивалентного возмущения старшей производной выходной величины объекта.
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.
Технический результат полезной модели достигается тем, что комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка, содержит объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности и выходом к входу первого дифференцирующего фильтра и к первому входу вычислительного устройства, первый блок умножения, подсоединенный первым входом к выходу вычислительного устройства и выходом ко второму входу вычислительного устройства и к входу усилителя мощности, первый элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра, вторым входом через фильтр к выходу задатчика и выходом к первому входу первого суммирующего элемента, второй элемент сравнения, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения, вторым входом через второй дифференцирующий фильтр к выходу объекта и выходом к входу релейного элемента, второй блок умножения, подключенный первым входом к выходу релейного элемента, интегральный регулятор, блок выделения модуля при этом третий элемент сравнения подключен первым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра, вторым входом через инерционный фильтр к выходу первого суммирующего элемента и выходом через блок выделения модуля ко второму входу второго блока умножения, второй суммирующий элемент подсоединен первым входом к выходу второго блока умножения, вторым входом к выходу второго элемента сравнения и выходом к входу интегрального регулятора, причем первый суммирующий элемент подключен вторым входом к выходу интегрального регулятора и третьим входом к выходу второго элемента сравнения.
На фиг.1 представлена функциональная схема комбинированной системы координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка, на фиг.2 - функциональная схема вычислительного устройства, на фиг.3 - функциональная схема первого и второго дифференцирующих фильтров.
Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка содержит объект 1, подключенный своим входом к выходу усилителя мощности 2 и выходом к входу первого дифференцирующего фильтра 3 и к первому входу вычислительного устройства 4, первый блок умножения 5, подсоединенный первым входом к выходу вычислительного устройства 4 и выходом ко второму входу вычислительного устройства 4 и к входу усилителя мощности 2, первый элемент сравнения 6, подключенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра 3, вторым входом через фильтр 7 к выходу задатчика 8 и выходом к первому входу первого суммирующего элемента 9, второй элемент сравнения 10, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения 6, вторым входом через второй дифференцирующий фильтр 11 к выходу объекта 1 и выходом ко входу релейного элемента 12, второй блок умножения 13, подключенный первым входом к выходу релейного элемента 12, интегральный регулятор 14, блок выделения модуля 15, при этом третий элемент сравнения 16 подключен первым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра 11, вторым входом через инерционный фильтр 17 к выходу первого суммирующего элемента 9 и выходом через блок выделения модуля 15 ко второму входу второго блока умножения 13, второй суммирующий элемент 18 подсоединен первым входом к выходу второго блока умножения 13, вторым входом к выходу второго элемента сравнения 10 и выходом к входу интегрального регулятора 14, причем первый суммирующий элемент 9 подключен вторым входом к выходу интегрального регулятора 14 и третьим входом к выходу второго элемента сравнения 10.
Вычислительное устройство 4 содержит первый блок выделения модуля 19 и второй блок выделения модуля 20, третий дифференцирующий фильтр 21 в виде последовательно соединенных интегратора 21/1, n интегросумматоров 21/2÷21/(n+1) и суммирующего усилителя 21/(n+2), который подключен выходом ко входу интегратора 21/1 и второму входу всех своих интегросумматоров 21/2÷21/(n+1), четвертый дифференцирующий фильтр 22 в виде последовательно соединенных интегратора 22/1 и n интегросумматоров 22/2÷22/(n+1), выход последнего из которых подключен к входу интегратора 22/1 и второму входу всех интегросумматоров 22/2÷22/(n+1), и последовательно соединенные релейный элемент 23, интегральный регулятор 24, блок умножения 25 и элемент сравнения 26, при этом третий дифференцирующий фильтр 21 подключен выходом через первый блок выделения модуля 19 ко второму входу блока умножения 25, четвертый дифференцирующий фильтр 22 подсоединен выходом через второй блок выделения модуля 20 ко второму входу элемента сравнения 26, а первым и вторым входами и выходом вычислительного устройства 4 служат соответственно второй вход суммирующего усилителя 21/(n+2) третьего дифференцирующего фильтра 21, третий вход первого интегросумматора 22/2 четвертого дифференцирующего фильтра 22 и выход интегрального регулятора 24.
Первый дифференцирующий фильтр 3 содержит последовательно соединенные интегратор 3/1, n-1 интегросумматоров 3/2÷3/n и суммирующий усилитель 3/(n+1), выход которого подключен ко входу интегратора 3/1 и второму входу каждого интегросумматора 3/2÷3/n и является выходом первого дифференцирующего фильтра 3, входом первого дифференцирующего 3 служит второй вход его суммирующего усилителя 3/(n+1). Второй дифференцирующий фильтр 11 имеет аналогичную структуру.
Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка работает следующим образом.
Сигнал задания с выхода задатчика 8 через фильтр 7 поступает на первый вход элемента сравнения 6. Выходной сигнал с объекта 1 поступает на вход первого дифференцирующего фильтра 3, в котором формируется сигнал, пропорциональный истинному значению n-й производной выходной величины объекта 1. Выходной сигнал первого дифференцирующего фильтра 3 поступает на второй вход первого элемента сравнения 6, на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный требуемому значению n-й производной выходной величины объекта 1. Этот сигнал с выхода первого элемента сравнения 6 поступает на первый вход первого суммирующего элемента 9 и на первый вход второго элемента сравнения 10. Сигнал с выхода первого суммирующего элемента 9, представляющий собой входной сигнал объекта 1, охваченного мультипликативной обратной связью, поступает на первый вход блока умножения 5, на второй вход которого поступает с выхода вычислительного устройства 4 сигнал, пропорциональный заданному начальному значению обратного динамического коэффициента усиления линеаризованного объекта 1. Сигнал с выхода блока умножения 5 поступает через усилитель мощности 2 на вход объекта 1 и стремится изменить его выходную регулируемую величину в соответствии с требуемым законом.
Однако объект 1 имеет свои внутренние обратные связи, сигналы которых вызывают отклонение n-й производной выходной регулируемой величины от ее требуемого закона изменения. Отработка системой этого отклонения, а значит и локализация влияния сигналов внутренних обратных связей объекта 1 осуществляется в ней с помощью дифференциальной бинарно-операторной связи по косвенно измеренному возмущению n-й производной выходной величины. Причем в состав данной дифференциальной связи входит контур регулирования переменной структуры, работающий в скользящем режиме. Этот контур образует инерционный фильтр 17, подключенный своим входом к выходу первого суммирующего элемента 9 и своим выходом к первому входу третьего элемента сравнения 16, ко второму входу которого подключен выход второго дифференциального фильтра 11. На выходе третьего элемента сравнения 16 образуется сигнал рассогласования между требуемым и текущим значениями старшей производной выходной величины. Также в состав контура регулирования переменной структуры входят блок выделения модуля 15, второй блок умножения 13, интегральный регулятор 14, второй суммирующий элемент 18, подсоединенный первым входом к выходу второго элемента сравнения 10, вторым входом к выходу второго блока умножения 13 и выходом к третьему входу первого суммирующего элемента 9, а также релейный элемент 12, подключенный своим входом к выходу второго элемента сравнения 10 и выходом к первому входу блока умножения 13. В свою очередь, сама дифференциальная компенсирующая связь помимо указанного контура регулирования переменной структуры включает в себя первый суммирующий элемент 9, который подсоединен вторым входом к выходу второго элемента сравнения 10. Введение данной связи позволяет повысить динамическую точность за счет уменьшения амплитуды автоколебаний реального скользящего режима.
Сигнал, поступающий с выхода объекта 1 на первый вход вычислительного устройства 4, через его последовательно соединенные третий дифференцирующий фильтр 21 и первый блок выделения модуля 19 поступает на первый вход блока умножения 25. На второй вход блока умножения 25 поступает выходной сигнал интегрального регулятора 24, пропорциональный значению обратного динамического коэффициента усиления линеаризованного объекта 1. В результате перемножения входных сигналов в блоке умножения 25 на его выходе формируется сигнал, пропорциональный произведению (n+1)-й производной выходного сигнала объекта 1 и его обратного динамического коэффициента усиления. Выходной сигнал блока умножения 25 поступает на первый вход первого блока умножения 5.
Сигнал, поступающий с выхода первого блока умножения 5 на второй вход вычислительного устройства 4, через последовательно соединенные четвертый дифференцирующий фильтр 22 и второй блок выделения модуля 20 поступает на второй вход элемента сравнения 26. И если этот сигнал окажется больше сигнала, поступающего на первый вход элемента сравнения 26, то на его выходе появится положительный сигнал рассогласования. Этот сигнал рассогласования с выхода элемента сравнения 26 поступает на вход релейного элемента 23, выходной сигнал которого становится положительным и поступает на вход интегрального регулятора 24, в котором интегрируется до тех пор, пока выходной сигнал блока умножения 25 не превысит выходной сигнал второго блока выделения модуля 20. Выходные сигналы элемента сравнения 26 и релейного элемента 23 изменяют свою полярность и контур слежения за значением обратного динамического коэффициента усиления объекта 1, который образован последовательно соединенными элементом сравнения 26, релейным элементом 23 и блоком умножения 25, подключенным выходом к первому входу элемента сравнения 26, перейдет в скользящий режим работы. Он будет отслеживать значение обратного динамического коэффициента усиления объекта 1 путем поддержания равенства
Введение в систему управления третьего элемента сравнения 16, второго суммирующего элемента 18, а также связей между вторым суммирующим элементом 18, интегральным регулятором 14 и вторым элементом сравнения 10 позволяет получить на его выходе компенсирующий сигнал, который поступает на вход компенсатора и является эквивалентным самому компенсируемому сигналу внутренних обратных связей объекта 1 управления. Следовательно, на компенсатор подается сигнал, равный всему возмущающему воздействию, измеренному косвенным способом, а не части его усредненной составляющей, как в прототипе. Тем самым повышается быстродействие системы управления при отработке ею эквивалентного возмущения старшей производной выходной величины объекта, чем и достигается повышение динамической точности управления.
Комбинированная система координатно-параметрического управления нестационарным нелинейным объектом n-го порядка, содержащая объект, подключенный входом к выходу усилителя мощности и выходом к входу первого дифференцирующего фильтра и к первому входу вычислительного устройства, первый блок умножения, подсоединенный первым входом к выходу вычислительного устройства и выходом ко второму входу вычислительного устройства и к входу усилителя мощности, первый элемент сравнения, подключенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра, вторым входом через фильтр к выходу задатчика и выходом к первому входу первого суммирующего элемента, второй элемент сравнения, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения, вторым входом через второй дифференцирующий фильтр к выходу объекта и выходом к входу релейного элемента, второй блок умножения, подключенный первым входом к выходу релейного элемента, интегральный регулятор, блок выделения модуля, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена третьим элементом сравнения, подключенным первым входом к выходу второго дифференцирующего фильтра, вторым входом через инерционный фильтр к выходу первого суммирующего элемента и выходом через блок выделения модуля ко второму входу второго блока умножения, вторым суммирующим элементом, подсоединенным первым входом к выходу второго блока умножения, вторым входом к выходу второго элемента сравнения и выходом к входу интегрального регулятора, причем первый суммирующий элемент подключен вторым входом к выходу интегрального регулятора и третьим входом к выходу второго элемента сравнения.
