Устройство адаптивного управления
ADAPTIVE CONTROL DEVICE

Заявляемое изобретение относится к области автоматического управления устройствами, использующими пропорционально-интегрально-дифференциальные законы (ПИД-законы) регулирования, и может найти применение в радиотехнических системах в условиях интенсивного информационного возмущения.
Известна система адаптивного управления по ПИД-закону [1], принятая в качестве прототипа. Структурно-функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1 - коммутационная матрица входов (КМвх);
2 - коммутационная матрица выходов (КМвых);
3 - решающее устройство (РУ);
4 - пропорциональный блок (ПБ);
1
K
5…5 - интегрирующие блоки (ИБ);
1
K
6…6 - дифференцирующие блоки (ДБ);
1
K
8…8 - интегрирующе-дифференцирующие кластеры (ИДК);
9 - сигнальная шина (СШ);
10 - контроллер функциональной логики (КФЛ);
11 - интегрирующе-дифференцирующий блок (ИДБ);
Устройство-прототип содержит коммутационную матрицу входов (КМвх) 1, первый выход которой соединен с сигнальным входом пропорционального блока (ПБ) 4, выход которого соединен с первым сигнальным входом коммутационной матрицы выходов (КМвых) 2, первый выход которой соединен с первым сигнальным входом решающего устройства (РУ) 3. Входами устройства-прототипа являются сигнальные входы КМвх 1.
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
Интегрирующе-дифференцирующий блок (ИДБ) 11 устройства-прототипа содержит К интегрирующе-дифференцирующих кластеров (ИДК) 8…8, каждый из которых содержит один из K интегрирующих блоков (ИБ) 5…5 с собственным нормирующим коэффициентом (И…И) и один из K дифференцирующих блоков (ДБ) 6…6 с собственным нормирующим коэффициентом (Д…Д) соответственно.
1
K
1
K
Причем в ИДБ 11 имеется K пар сигнальных входов (т. е. 2K сигнальных входов), которые в то же время, являются парами сигнальных входов соответствующих ИДК 8…8, где первый сигнальный вход ИДК 8 является сигнальным входом соответствующего ИБ 5, а второй сигнальный вход ИДК 8 является сигнальным входом соответствующего ДБ 6. Кроме того, в ИДБ 11 имеется K пар выходов (т.е. 2K выходов), которые в то же время являются парами выходов соответствующих ИДК 8…8, где первый выход ИДК 8 является выходом соответствующего ИБ 5, а второй выход ИДК 8 является выходом соответствующего ДБ 6.
При этом K пар сигнальных входов ИДБ 11 соединены соответственно с K парами выходов КМвх 1, а K пар выходов ИДБ 11 соединены с соответствующими K парами сигнальных входов КМвых 2, K пар выходов которой соединены с соответствующими K парами сигнальных входов РУ 3, выход которого является выходом устройства-прототипа.
1
K
1
K
Также устройство-прототип содержит контроллер функциональной логики (КФЛ) 10, первый выход которого соединен с управляющим входом КМвх 1, второй выход - с управляющим входом ПБ 4, третий выход - с управляющими входами каждого из K интегрирующих 5…5 и K дифференцирующих 6…6 блоков; четвертый выход - с управляющим входом КМвых 2, а остальные выходы КФЛ 10 соединены с соответствующими управляющими входами РУ 3, информационные выходы которого соединены с соответствующими информационными входами КФЛ 10.
Кроме того, группа выходов КМвых 2 посредством сигнальной шины (СШ) 9 соединена с группой сигнальных входов КМвх 1.
Устройство-прототип работает следующим образом.
1
K
1
K
При включении КФЛ 10 инициализирует значения коэффициентов И…И и Д…Д блоков 5 и 6, производит установку параметров ПБ 4 и инициализацию структуры соединений КМвх 1 и КМвых 2 путем подачи на управляющие входы этих блоков соответствующих управляющих сигналов.
Далее КФЛ 10 считывает начальные значения всех сигналов из информационных выходов РУ 3. Полученные данные сохраняют в КФЛ 10 для проведения последующих вычислений.
Входной регулируемый сигнал поступает на первый сигнальный вход КМвх 1. На второй сигнальный вход КМвх 1 подается сигнал обратной связи, на третий сигнальный вход КМвх 1 поступает сигнал внешнего возмущения.
1
K
Блоки КМвх 1 и КМвых 2 организуют соединения ИДК 8…8 в единую структуру, которая обеспечивает подачу входного сигнала на сигнальные входы ПБ 4 и ИДБ 11.
В ПБ 4 осуществляется пропорциональное преобразование входного сигнала в соответствии с установленными ранее параметрами; затем преобразованный сигнал с выхода ПБ 4 через КМвых 2 подается на первый сигнальный вход РУ 3.
В блоке 11 осуществляется интегрально-дифференциальное преобразование входного сигнала, заключающееся в устранении статических ошибок и упреждении по возмущению. Преобразованный сигнал с выходов ИДБ 11 через КМвых 2 подается на остальные сигнальные входы РУ 3.
1
K
1
K
1
K
СШ 9, образующая интерфейс между КМвых 2 и КМвх 1, позволяет организовывать последовательные соединения ИДК 8…8 (обеспечивает подключение выходов ИДК 8…8 к входам ИДК 8…8 при необходимости реализации последовательной структуры).
При этом количество задействованных сигнальных входов и выходов блоков 1, 2, 3 и 11 определяется задачей управления и степенью неопределенности параметров управляемого объекта.
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
Каждый ИБ 5…5 и ДБ 6…6 имеет собственный нормирующий коэффициент, вычисляемый в КФЛ 10 на основе предшествующих значений сигнала. Упреждающее управление реализуется в ДБ 6…6 с нормирующими коэффициентами Д…Д. Компенсация статических ошибок реализуется в ИБ 5…5 с нормирующими коэффициентами И…И. Далее с выхода РУ 3 информация о сигналах подается на информационные входы КФЛ 10.
В КФЛ 10 производится расчет значений управляющих сигналов по всем контурам регулирования, и определяются значения результирующих коэффициентов. При этом КФЛ 10, реализующий управляющую логику, использует условные правила, заложенные в программном обеспечении, для преобразования массива входных сигналов в управляющие.
1
K
1
K
Управляющие сигналы с выходов КФЛ 10 подаются на КМвх 1, КМвых 2, РУ 3, ПБ 4 и ИДБ 11, причем могут переконфигурироваться значения коэффициентов ПБ 4, И…И и Д…Д блока 11.
Получив управляющие сигналы, КМвх 1 и КМвых 2 могут переконфигурировать структуру соединений.
Получив управляющие сигналы, РУ 3 формирует выходной сигнал.
1
K
Поскольку система состоит из множества связанных между собой с помощью КМвх 1 и КМвых 2 блоков ИДК 8…8, количество и структура взаимосвязей может варьироваться в зависимости от поставленной задачи.
Недостатком устройства-прототипа является ограничение функциональности в реализации адаптивного регулирования, заключающееся в использовании только ПИД-законов формирования управляющего воздействия. В случаях внезапных и/или сильных изменений внешних воздействий для восстановления устойчивого регулирования с использованием только ПИД-законов может потребоваться значительно большее время. Кроме того, существует вероятность возникновения неблагоприятного сочетания внешних условий, которое может привести к формированию ПИД-регуляторами рассогласованных управляющих воздействий.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей устройства адаптивного управления.
Достигаемый технический результат - способность устройства адаптивного управления принимать альтернативные решения, не основанные на ПИД-законах, а заранее сформированные на основе экспертных знаний [2].
Для хранения экспертных данных предлагается использовать таблицы соответствия (таблицы поиска, look up table, LUT) [3] и [4], которые на практике являются специализированными запоминающими устройствами и в настоящее время применяются в области вычислительной техники.
Для решения поставленной задачи в устройство адаптивного управления по ПИД-закону, содержащее коммутационные матрицы входов (КМвх) и выходов (КМвых), решающее устройство, пропорциональный блок, контроллер функциональной логики (КФЛ), интегрирующе-дифференцирующий блок (ИДБ), включающий K интегрирующе-дифференцирующих кластеров (ИДК), каждый из которых содержит по интегрирующему и дифференцирующему блоку с собственными нормирующими коэффициентами, согласно изобретению, введена в каждый ИДК таблица соответствия. Выход решающего устройства является выходом устройства адаптивного управления. Для каждого ИДК первый сигнальный вход является сигнальным входом соответствующего интегрирующего блока, второй сигнальный вход - сигнальным входом соответствующего дифференцирующего блока, а третий сигнальный вход - сигнальным входом соответствующей таблицы соответствия. Группы из трех сигнальных входов всех ИДК являются 3K сигнальными входами ИДБ, которые соединены с соответствующими 3K выходами КМвх. Для каждого ИДК первый выход является выходом соответствующего интегрирующего блока, второй выход - выходом соответствующего дифференцирующего блока, а третий выход - выходом соответствующей таблицы соответствия. Группы из трех выходов всех ИДК являются 3K выходами ИДБ, которые соединены с соответствующими 3K сигнальными входами КМвых. Сигнальный вход пропорционального блока соединен с первым выходом КМвх, а выход - с первым сигнальным входом КМвых. Группа выходов КМвых посредством сигнальной шины соединена с группой сигнальных входов КМвх, остальные сигнальные входы которой являются входами устройства. Первый выход КМвых соединен с первым сигнальным входом решающего устройства, 3K сигнальных входов которого соединены с соответствующими 3K выходами КМвых. Первый выход КФЛ соединен с управляющим входом КМвх, второй выход - с управляющим входом пропорционального блока, третий выход - с управляющими входами каждого из K интегрирующих, K дифференцирующих блоков и каждой из K таблиц соответствия, четвертый выход - с управляющим входом КМвых. Остальные выходы КФЛ соединены с соответствующими управляющими входами решающего устройства, информационные выходы которого соединены с соответствующими информационными входами КФЛ.
Структурно-функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 2, где приняты следующие обозначения:
1 - коммутационная матрица входов (КМвх);
2 - коммутационная матрица выходов (КМвых);
3 - решающее устройство (РУ);
4 - пропорциональный блок (ПБ);
1
K
5…5 - интегрирующие блоки (ИБ);
1
K
6…6 - дифференцирующие блоки (ДБ);
1
K
7…7 - таблицы соответствия (ТС);
1
K
8…8 - интегрирующе-дифференцирующие кластеры (ИДК);
9 - сигнальная шина (СШ);
10 - контроллер функциональной логики (КФЛ);
11 - интегрирующе-дифференцирующий блок (ИДБ);
Заявляемое устройство содержит коммутационную матрицу входов (КМвх) 1, первый выход которой соединен с сигнальным входом пропорционального блока (ПБ) 4, выход которого соединен с первым сигнальным входом коммутационной матрицы выходов (КМвых) 2, первый выход которой соединен с первым сигнальным входом решающего устройства (РУ) 3. Входами устройства являются сигнальные входы КМвх 1. Группа выходов КМвых 2 посредством сигнальной шины (СШ) 9 соединена с группой сигнальных входов КМвх 1.
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
Интегрирующе-дифференцирующий блок (ИДБ) 11 заявляемого устройства содержит К интегрирующе-дифференцирующих кластеров (ИДК) 8…8, каждый из которых содержит один из K интегрирующих блоков (ИБ) 5…5 с собственным нормирующим коэффициентом И…И соответственно, один из K дифференцирующих блоков (ДБ) 6…6 с собственным нормирующим коэффициентом Д…Д соответственно и одна из K таблиц соответствия (ТС) 7…7.
1
K
1
K
В ИДБ 11 имеется K групп из трех сигнальных входов (т. е. 3K сигнальных входов), которые в то же время, являются группами из трех сигнальных входов соответствующих ИДК 8…8, где первый сигнальный вход ИДК 8 является сигнальным входом соответствующего ИБ 5, второй сигнальный вход ИДК 8 является сигнальным входом соответствующего ДБ 6, а третий сигнальный вход ИДК 8 является сигнальным входом соответствующей ТС 7. Кроме того, в ИДБ 11 имеется K групп из трех выходов (т.е. 3K выходов), которые в то же время являются группами из трех выходов соответствующих ИДК 8…8, где первый выход ИДК 8 является выходом соответствующего ИБ 5, второй выход ИДК 8 является выходом соответствующего ДБ 6, а третий выход ИДК 8 является выходом соответствующей ТС 7. При этом K групп из трех сигнальных входов ИДБ 11 соединены соответственно с K группами из трех выходов КМвх 1, а K групп из трех выходов ИДБ 11 соединены с соответствующими K группами из трех сигнальных входов КМвых 2, K групп из трех выходов которой соединены с соответствующими K группами из трех сигнальных входов РУ 3, выход которого является выходом устройства.
1
K
1
K
1
K
Также предлагаемое устройство содержит контроллер функциональной логики (КФЛ) 10, первый выход которого соединен с управляющим входом КМвх 1, второй выход - с управляющим входом ПБ 4, третий выход - с управляющими входами каждого из K интегрирующих 5…5, K дифференцирующих 6…6 блоков и K таблиц соответствия 7…7; четвертый выход – с управляющим входом КМвых 2, а остальные выходы КФЛ 10 соединены с соответствующими управляющими входами РУ 3, информационные выходы которого соединены с соответствующими информационными входами КФЛ 10.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
При включении КФЛ 10 инициализирует значения коэффициентов интегрирующих блоков 5…5, дифференцирующих блоков 6…6 (И…И, Д…Д соответственно) и ТС 7…7, производит установку параметров ПБ 4, КМвх 1 и КМвых 2 путем подачи на управляющие входы перечисленных блоков соответствующих управляющих сигналов. КФЛ 10 считывает начальные значения сигналов из информационных выводов РУ 3.
На первый, второй и третий сигнальные входы КМвх 1 поступают соответственно входной регулируемый сигнал, сигнал обратной связи и сигнал внешнего возмущения. Далее эти сигналы подаются на сигнальные входы ПБ 4 и ИДБ 11.
ПБ 4 реализует пропорциональное преобразование входного сигнала. С выхода ПБ 4 преобразованный сигнал через КМвых 2 поступает на первый сигнальный вход РУ 3.
В каждом ИДК 8 блока 11 ИБ 5 осуществляет интегральное преобразование входного сигнала с соответствующим нормирующим коэффициентом ИДБ 6 реализует дифференциальное преобразование входного сигнала с соответствующим нормирующим коэффициентом Д, ТС 7 выдает сигнал с требуемыми данными. Сигналы с выходов ИДБ 11 через КМвых 2 поступают на остальные сигнальные входы РУ 3.
С выхода РУ 3 информация о сигналах поступает на информационные входы КФЛ 10. С использованием полученных данных в КФЛ 10 реализуется алгоритм адаптивного управления, результатом которого является формирование в КФЛ 10 управляющих сигналов на всех его выходах.
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
За счет управляющего сигнала, ПБ 4 может изменить свои параметры, ИБ 5…5 и ДБ 6…6 могут обновить значения коэффициентов И…И и Д…Дсоответственно, КМвх 1 и КМвых 2 могут переконфигурировать структуру соединений. Причем СШ 9 позволяет организовать последовательное соединение ИДК 8…8 (подключение выходов ИДК 8…8 к сигнальным входам ИДК 8…8). Количество и структура взаимосвязей ИДК 8…8 могут варьироваться в пределах существующей задачи.
Получив управляющие сигналы, РУ 3 формирует сигнал, который поступает на выход устройства.
ТС 7 блока ИДК 8 используется в следующих случаях:
- ПИД-регулирование не дает положительного результата либо контрпродуктивно, когда значения анализируемых параметров находятся за допустимыми пределами;
- ПИД-регулирование имеет низкую эффективность, что приводит к увеличению времени адаптации и, как следствие, вероятности нарушения установившегося режима работы устройства.
1
K
1
K
В этих случаях КФЛ 10 формирует управляющие сигналы, поступающие на управляющие входы ТС 7…7 тех блоков ИДК 8…8, в которых необходимо реализовать табличное преобразование входного регулируемого сигнала. На сигнальный вход каждой из этих ТС 7 подается сигнал с кодом расположения требуемых данных из ТС 7. Далее ТС 7 выдает эти данные, которые поступают в КМвых 2.
Алгоритм функционирования КФЛ 10 поясняется с помощью фиг. 3.
1
K
1
K
1
K
1
K
1
K
В блоке I происходит инициализация коэффициентов интегрирующих блоков 5…5, дифференцирующих блоков 6…6 (И…И, Д…Д соответственно) и ТС 7…7, производится установка параметров ПБ 4, КМвх 1 и КМвых 2 путем подачи на управляющие входы перечисленных блоков соответствующих управляющих сигналов.
В блоке II происходит считывание значений входных сигналов из информационных выводов РУ 3.
В блоке III происходит сравнение полученных значений входных сигналов с требуемыми значениями.
В блоке IV выносится решение о необходимости коррекции управляющего воздействия. Если коррекция не требуется, алгоритм функционирования КФЛ 10 на этом заканчивается, иначе производится переход к блоку 5.
1
K
В блоке V определяется способ формирования управляющего воздействия: на основе ПИД-законов или с использованием данных из ТС 7…7.
1
K
1
K
Если в формировании управляющего воздействия требуются ТС 7…7, то производится переход к блоку VI. В этом блоке осуществляется коррекция данных для ТС 7…7.
1
K
В блоке VII производится запись обновленных в предыдущем блоке значений в ТС 7…7.
1
K
В блоке VIII происходит включение ТС 7…7 и установление взаимосвязей между ними и остальными элементами ИДБ 11 с помощью переконфигурирования КМвх 1 и КМвых 2.
1
K
1
K
Если в формировании управляющего воздействия достаточно использования ПИД-законов регулирования, то выполняется переход с блока V к блоку IX. В блоке IX корректируются нормирующие коэффициенты интегрирующих блоков И…И и дифференцирующих блоков Д…Д.
1
K
1
K
1
K
1
K
В блоке X обновленные нормирующие коэффициенты И…И и Д…Дзаписываются в соответствующие ИБ 5…5 и ДБ 6…6.
1
K
В блоке XI происходит отключение ранее использовавшихся ТС 7…7 и обновление конфигурации соединений между элементами ИДБ 11 с помощью КМвх 1 и КМвых 2.
Действия в блоке I выполняются, как правило, при включении устройства адаптивного управления. Действия в блоках II - XI представляют собой цикл операций КФЛ 10, который периодически выполняется во время работы устройства.
Таким образом, таблицы соответствия в устройстве адаптивного управления реализуют дополнительные функциональные возможности, которые становятся востребованными в случае угрозы существенного снижения эффективности ПИД-регулирования вследствие внезапных и/или сильных изменений внешних воздействий. В результате расширяется область применения предлагаемого устройства.
Реализация
Предлагаемое устройство можно реализовать на следующих элементах:
- коммутационные матрицы, таблицы соответствия можно сконфигурировать на основе ПЛИС (программируемых логических интегральных схем), например, фирмы «ALTERA» [5];
- решающее устройство, пропорциональные, интегрирующие и дифференцирующие блоки можно реализовать на специализированных аналоговых и/или цифровых устройствах, предназначенных для управления требуемыми физическими параметрами системы (например, для управления частотой необходимы многофункциональные датчики, включая АЦП и/или ЦАП) [6, 7, 8, 9];
- контроллер функциональной логики можно реализовать на основе микроконтроллера или микропроцессора, например, отечественной интегральной микросхемы микропроцессора 1892ВМ10Я [10].
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2510956 «Способ адаптивного управления по ПИД-закону и система для его реализации». / Асосков А. Н., Малышева И. Н., Плахотнюк Ю. А., Орлянский В. Н., 2014.
2. Макаренко С. И. Интеллектуальные информационные системы: учебное пособие. - Ставрополь: СФ МГГУ им. М. А. Шолохова, 2009. - 206 с.
3. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 816 с.
4. Патент РФ на изобретение №2559772 «Устройство для основного деления модулярных чисел в формате системы остаточных классов». / Червяков Н. И., Бабенко М. Г., Ляхов П. А, Лавриненко И. Н., Лавриненко А. В., 2015.
5. http://www.altera.ru - радиоэлектронные компоненты компании «ALTERA».
6. http://www.analog.com/ru/products.html - радиоэлектронные компоненты компании «Analog Devices».
7. http://www.maximintegrated.com/en.html - радиоэлектронные компоненты компании «Maxim Integrated».
8. http://www.ti.com/ru-ru/homepage.html - радиоэлектронные компоненты компании «Texas Instruments».
9. http://www.murata.com - радиоэлектронные компоненты компании «Murata Manufacturing Company, Ltd.».
10. http://www.multicore.ru - отечественные микросхемы компании АО НПЦ «Элвис» (г. Зеленоград).