АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
ADAPTIVE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к электрическим самонастраивающимся системам управления, а именно к области адаптивных систем управления с пробным гармоническим сигналом, и предназначено для управления химическими, энергетическими, электромеханическими и другими объектами с переменными или нестационарными параметрами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является самонастраивающаяся система управления с гармоническим пробным сигналом (патент РФ №2068196, кл. G05B 13/02), содержащая регулятор, объект управления, выход которого подключен к первому входу измерителя амплитуды и фазы, первый вход которого соединен с первым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом подстройки параметров регулятора, сигнальный вход которого соединен с выходом устройства сравнения, первый вход которого является входом задания системы, сумматор и генератор пробных гармонических колебаний, блок фазовой подстройки, вход которого соединен с вторым выходом измерителя амплитуды и фазы, заграждающий фильтр и блок вычисления коэффициентов заграждающего фильтра, вход которого соединен с выходом блока фазовой подстройки, подключенным к второму входу вычислительного блока и к входу генератора пробных гармонических колебаний, выход которого соединен с вторым входом измерителя амплитуды и фазы и с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу регулятора, а выход к входу объекта управления, выход которого соединен с информационным входом заграждающего фильтра, подключенного выходом к второму входу устройства сравнения, а управляющим входом к выходу блока вычисления коэффициентов заграждающего фильтра.
Недостатком известной системы являются ее неудовлетворительные динамические характеристики, обусловленные наличием заграждающего фильтра 2-го порядка в контуре управления, что приводит к уменьшению запасов устойчивости системы по амплитуде и фазе и появлению в цепи обратной связи пары комплексных корней, существенно повышающих колебательность и длительность переходных процессов в системе.
Задачей изобретения является улучшение динамических характеристик системы и повышение запасов устойчивости системы по амплитуде и фазе.
Указанный результат достигается тем, что в адаптивную систему управления, включающую регулятор, объект управления, выход которого подключен к первому входу измерителя амплитуды и фазы, первый выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом подстройки параметров регулятора, сигнальный вход которого соединен с выходом устройства сравнения, первый вход которого является входом задания системы, первый сумматор, генератор пробных гармонических колебаний, блок фазовой подстройки, вход которого соединен с вторым выходом измерителя амплитуды и фазы, первый заграждающий фильтр, блок вычисления коэффициентов заграждающего фильтра, вход которого объединен с вторым входом вычислительного блока и входом генератора пробных гармонических колебаний и подключен к выходу блока фазовой подстройки, выход генератора пробных гармонических колебаний соединен с вторым входом измерителя амплитуды и фазы и с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу регулятора, а выход к входу объекта управления, выход которого соединен с информационным входом первого заграждающего фильтра, управляющий вход которого подключен к выходу блока вычисления коэффициентов заграждающего фильтра, введены второй заграждающий фильтр, второй сумматор, второй вычислительный блок и модель объекта управления, первый вход которой подключен к выходу регулятора, а выход к первому входу второго сумматора и информационному входу второго заграждающего фильтра, управляющий вход которого подключен к выходу блока вычисления коэффициентов заграждающего фильтра, выходы первого и второго заграждающих фильтров подключены к второму и третьему входам второго сумматора соответственно, выход второго сумматора подключен к второму входу устройства сравнения, второй вход модели объекта управления подключен к выходу второго блока вычисления, первый, второй и третий входы которого подключены к первому и второму выходам измерителя амплитуды и фазы и к выходу блока фазовой автоподстройки соответственно.
Кроме того
- регулятор выполнен на основе цифрового скоростного ПИД-регулятора,
- измеритель амплитуды и фазы выполнен на основе дискретного фильтра Фурье.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на Фиг.1. показана структурная схема адаптивной системы управления, на Фиг.2. - графики переходных процессов при отработке возмущающих скачкообразных воздействий с включенной и выключенной компенсацией негативного влияния заграждающих фильтров, на Фиг.3 - график отработки смены задания в системе управления без компенсации негативного влияния заграждающих фильтров (прототип), на Фиг.4 - график отработки смены задания в адаптивной системе управления с компенсацией негативного влияния заграждающих фильтров.
Адаптивная система управления включает регулятор 1, выполненный на основе цифрового скоростного ПИД-регулятора, объект 2 управления, выход которого подключен к первому входу измерителя 3 амплитуды и фазы, выполненный на основе дискретного фильтра Фурье, первый выход которого соединен с первым входом первого 4 вычислительного блока, выход которого соединен с входом подстройки параметров регулятора 1, сигнальный вход которого соединен с выходом устройства 5 сравнения, первый вход которого является входом задания системы, первый сумматор 6, генератор 7 пробных гармонических колебаний, блок 8 фазовой подстройки, вход которого соединен с вторым выходом измерителя 3 амплитуды и фазы, первый 9 заграждающий фильтр, блок 10 вычисления коэффициентов заграждающего фильтра, вход которого объединен с вторым входом вычислительного блока и входом генератора пробных гармонических колебаний и подключен к выходу блока 8 фазовой подстройки, выход генератора пробных гармонических колебаний соединен с вторым входом измерителя амплитуды и фазы и с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен к выходу регулятора, а выход к входу объекта управления, выход которого соединен с информационным входом первого заграждающего фильтра, управляющий вход которого подключен к выходу блока вычисления коэффициентов заграждающего фильтра, введены второй 11 заграждающий фильтр, второй 12 сумматор, второй 13 вычислительный блок и модель 14 объекта управления, первый вход которой подключен к выходу регулятора, а выход к первому входу второго сумматора и информационному входу второго заграждающего фильтра, управляющий вход которого подключен к выходу блока вычисления коэффициентов заграждающего фильтра, выходы первого и второго заграждающих фильтров подключены к второму и третьему входам второго сумматора соответственно, выход второго сумматора подключен к второму входу устройства сравнения, второй вход модели объекта управления подключен к выходу второго блока вычисления, первый, второй и третий входы которого подключены к первому и второму выходам измерителя амплитуды и фазы и к выходу блока фазовой автоподстройки соответственно.
Адаптивная система управления работает следующим образом.
Генератор 7 пробных гармонических колебаний формирует пробный сигнал
,
где k - текущий номер периода квантования;
г
R - заданное значение амплитуды тестовой гармоники;
j
j
δ[k] - дискретное время генератора пробных колебаний, зависящее от текущей величины нормируемого периода колебаний N и определяющееся соотношением δ[k]=δ[k]+2π/N, при этом если δ[k]≥2π, то δ[k]=δ[k]-2π.
j
N - нормированный период, который связан с частотой пробных колебаний соотношением
j
q
ω=2π/(NT),
q
где T - период квантования.
Измеритель 3 амплитуды и фазы, представляющий собой дискретный фильтр Фурье по m-периодов пробных колебаний определяет на j-ом цикле адаптации оценки амплитуды (j) и фазы (j) гармонической составляющей в сигнале Y[k], согласно формулам
s
c
где R(j), R(j) - синусная и косинусная составляющие сигнала УВД;
m - число анализируемых периодов колебаний, варьируя которое можно достичь повышения помехоустойчивости контура адаптации в зависимости от «зашумленности» Y[k].
j
q
Длительность анализируемой на j-м цикле последовательности, в течение которой не меняется частота генератора, равна mNT. При работе адаптивной системы управления в реальном времени текущие значения сигнала с выхода объекта управления Y[k] получают путем аналого-цифрового преобразования.
При настройке в условиях высокого уровня шумов полученные на j-м цикле адаптации величины текущих оценок амплитуды (j) и фазы (j) вектора АФХ объекта могут быть подвергнуты сглаживанию, например методом скользящего среднего. Кроме того, для ослабления шума, создающего помехи наблюдениям, рекомендуется, а в большинстве случаев необходимо, использование совместно с фильтром Фурье дополнительного полосового фильтра, средняя частота которого должна быть жестко связана с частотой пробных колебаний ω. Полосовой фильтр может быть построен на базе уже включенных в структуру системы заграждающих фильтров.
3
Блок 8 фазовой подстройки работает, в простейшем случае, по интегральному закону управления, так как скачки по пробной частоте нежелательны. Он, путем изменения частоты колебаний ω генератора, отслеживает фазовый сдвиг между входной и выходной гармониками объекта на уровне φ=-π рад. Используется следующий вид закона управления блока фазовой подстройки частоты:
,
где β выбирается в диапазоне 0.5÷1,5, обеспечивающем устойчивую работу контура адаптации для объектов с различными величинами запаздывания.
Первый 4 вычислительный блок. По достижении или удержании, в случае непрерывной адаптации, установившегося значения фазового сдвига величины -π рад:
3
|(j)-φ|≤γ, где γ точность слежения, блок фазовой подстройки разрешает работу вычислительного блока. Обычно, в зависимости от точности используемых АЦП, γ=0.05÷0.2. Первый вычислительный блок определяет настройки регулятора согласно известным формулам Циглера-Николса следующим образом:
; ,
p
и
∂
q
где k, Т и Т - параметры настройки адаптивной системы управления, нормированные по периоду квантования T.
При этом регулятор в адаптивной системе управления должен быть с зависимыми настройками.
Регулятор 1 реализует алгоритм цифрового скоростного ПИД- регулятора с фильтрацией Д составляющей. Он получается путем дискретизации соответствующего непрерывного ПИД-регулятора, и закон управления выглядит следующим образом:
p
и
д
где k - коэффициент передачи регулятора, Т - постоянная времени изодрома регулятора, Т - постоянная времени дифференцирования регулятора.
м
м
Второй 13 вычислительный блок обеспечивает определение параметров k и Т, которые определяются по известным характеристикам вектора АФХ объекта  и , найденным контуром самонастройки, по соотношениям
где (J) - установившаяся амплитуда колебаний на выходе объекта управления на j-м цикле адаптации;
г
(j) - разность фаз гармоники с нормированным периодом пробных колебаний N на выходе объекта и фазы пробного сигнала U[k],
n - порядок полинома.
Модель 14 объекта управления описывается следующим выражением:
1
2
3
1
2
м
где коэффициенты α, β, а, а, а, b и b вычисляются через параметры объекта k,
м
q
T и период квантования T по формулам
, ,
1
2
3
1
2
2
3
2
a=3α, a=-3α, a=α, b=αβ, b=-αβ.
Второй 11 заграждающий фильтр, являющийся фильтром второго порядка реализует в координатах "вход-выход" следующий алгоритм работы:
ф
ф
ф
Y[k]=-cY[k-2]+b(Y[k-1]-Y[k-1])+a(Y[k-2]+Y[k]),
j
где коэффициенты фильтра а, b, с вычисляются через нормированный период N пробных колебаний на j-м цикле самонастройки по формулам
ф
Добротность фильтра D должна находиться в диапазоне 1-10, причем, чем больше добротность, тем меньше влияние фильтра на динамику системы, меньше чувствительность к шумам.
p
г
г
г
3
На вход объекта управления 2 подается сумма сигналов с выхода регулятора U(t) и пробное гармоническое воздействие U(t) с генератора пробных гармонических колебаний, частота которого может изменяться. Измеритель амплитуды и фазы путем умножения выходного сигнала Y(t) на опорный сигнал U(t) с амплитудой R осуществляет выделение текущих значений амплитуды  и фазы  гармонической составляющей на выходе объекта управления Y(t). Таким образом, оценивается положение вектора АФХ объекта. Блок 8 фазовой подстройки частоты изменяет частоту колебаний цифрового генератора таким образом, чтобы поддерживать текущий фазовый сдвиг на заданном уровне φ=-π. При каждой смене частоты пробных колебаний генератора блок вычисления коэффициентов заграждающего фильтра осуществляет пересчет коэффициентов цифровых заграждающих фильтров 9 и 11. Первый заграждающий фильтр в цепи главной обратной связи исключает пробную гармонику из замкнутого контура управления, что и позволяет определить вектор АФХ объекта при сохранении процесса управления объектом.
180
г
Первый вычислительный блок при достижении фазой  с определенной точностью заданного значения -π производит расчет настроек ПИД-регулятора, используя коэффициент усиления объекта управления на критической частоте /R. Второй вычислительный блок 13 по значениям текущих оценок амплитуды  и фазы  вектора АФХ объекта обеспечивает построение модели объекта управления. Модель объекта строится в виде инерционного звена с передаточной функцией
,
м
м
где k и Т - коэффициент передачи и постоянная времени модели объекта управления соответственно, при фиксированном значении порядка модели n.
Порядок полинома для широкого круга объектов n=2÷4. Второй 11 заграждающий фильтр абсолютно идентичен по своим параметрам первому 9 фильтру и совместно с моделью 14 объекта управления создает компенсацию негативного влияния.
При равенстве передаточных функций объекта 2 управления и модели 14 объекта управления фактически процесс регулирования осуществляется по каналу: ПИД-регулятор 1, модель 14 объекта управления, второй 11 заграждающий фильтр (включенный по схеме избирательного фильтра). Таким образом, по этому каналу в основной контур регулирования вводится потерянная ранее дополнительная гармоническая составляющая, что способствует улучшению динамики основного контура регулирования, позволяет в отличие от прототипа, установить в регуляторе его оптимальные настройки при сохранении непрерывной работы контура самонастройки. Последнее обстоятельство позволяет использовать предложенную адаптивную систему для управления объектами с переменными параметрами.
p
и
∂
В адаптивной системе управления не требуется точного совпадение передаточных функций объекта и модели в широком диапазоне частот, так как достаточно близкое совпадение их частотных характеристик необходимо обеспечить лишь в области критической частоты колебаний объекта. Последний факт и то, что управление не является идентификационным, то есть модель объекта управления не участвует в формировании коэффициентов регулятора k, Ти Т, а работает только в контуре компенсации, позволяют применить достаточно простую модель.
Исследование динамики адаптивной системы управления проводилось путем моделирования на ЭВМ. На Фиг.2 изображены графики переходных процессов при отработке возмущающих скачкообразных воздействий (прямого и обратного) с включенным и выключенным блоком компенсации негативного влияния заграждающих фильтров.
Как видно из графиков, возмущения отрабатываются при компенсации быстрее в 2-4 раза при заметно меньшей колебательности переходных процессов в системе.
Был проведен также эксперимент по управлению адаптивной системы управления в режиме реального времени. В качестве объекта использовался электротехнический объект, описываемый передаточной функцией пятого порядка. Алгоритм управления был реализован на языке C++ и выполнялся на управляющей ЭВМ, оснащенной комплектом аналоговых плат ввода-вывода.
Результаты исследования динамики основного контура системы управления без блока компенсации (прототип), и с включенной компенсацией приведены на Фиг.3 и Фиг.4, соответственно. Как показали исследования, которые проводились на цифровой модели и в масштабе реального времени на электротехническом объекте отработка воздействий системой с компенсацией проходит в два раза быстрее, чем без нее, при значительном снижении колебательности процессов и сохранении оптимальных настроек.
Это позволяет осуществлять непрерывную подстройку регулятора с частотно-зависимой обратной связью в процессе длительной работы системы без потери качества ее динамических свойств. Приведенные примеры практического использования говорят о перспективности использования предлагаемой адаптивной системы управления при управлении технологическими объектами с переменными параметрами, так как она обеспечивает постоянную оптимальную подстройку регулятора при изменении параметров объекта управления в процессе нормальной эксплуатации, используя весьма простую математическую модель, имеет высокое быстродействие и помехозащищенность.
Таким образом, адаптивная система управления имеет более высокие динамические характеристики и более высокий запас устойчивости системы по амплитуде и фазе по сравнению с прототипом.