способ управления двухкаскадным объектом с запаздыванием

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХКАСКАДНЫМ ОБЪЕКТОМ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ, при котором формируют сигнал управления по ПИ-закону от отклонения измеренного текущего значения промежуточной переменной от ее исходного заданного значения и первый сигнал коррекции исходного заданного значения промежуточной переменной, пропорциональный сумме отклонения выходной координаты от ее заданного значения и сумме указанных отклонений, образованный дискретно за время измерения выходной координаты с частотой ее измерения и сдвинутый на величину запаздывания, и суммируют первый сигнал коррекции с исходным заданным значением промежуточной переменной, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют входную координату и в момент формирования первого сигнала коррекции исходного заданного значения промежуточной переменной формируют обратный по знаку второй сигнал коррекции, исходное значение которого, равное установленной доле первого сигнала коррекции исходного заданного значения промежуточной переменной, изменяют между двумя смежными моментами формирования первого сигнала коррекции исходного заданного значения промежуточной переменной ступенчатой поправкой, равной отношению текущего значения входной координаты к ее текущему значению в момент измерения выходной координаты, и суммируют второй сигнал коррекции с первым сигналом коррекции исходного заданного значения промежуточной переменной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам управления объектами, в частности каскадной системой управления, и может быть использован в горно-перерабатывающей, металлургической и химической промышленности.

Известен способ автоматического управления [1] , который включает измерение и преобразование сигнала промежуточной переменной на входе первого апериодического звена, поддержание соотношения между входной координатой и сигналом промежуточной переменной и коррекцию сигнала датчика промежуточной переменной сигналом, пропорциональным входной координате предварительно пропущенного через модель первого звена объекта, после чего скорректированный сигнал подвергают фильтрации с помощью частотного фильтра, подавляющего помеху измерения, и подают на блок соотношения, вырабатывающий сигнал на изменение входной координаты объекта.

Недостатком способа является то, что свойства объекта могут изменяться со временем, что приводит к существенной разнице между измеренным сигналом промежуточной переменной и сигналом, полученным с выхода модели. Последнее приводит к росту ошибок управления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является способ управления [2] , принятый за прототип, реализованный каскадной системой регулирования, содержащей управляющий и корректирующий регуляторы. Способ осуществляют путем стабилизации управляющим регулятором промежуточного параметра (выход первого звена объекта управления) воздействием на входную координату объекта. Сигнал заданного значения промежуточного параметра корректируют пропорционально величине отклонения выходной координаты объекта от заданного значения с помощью корректирующего регулятора, т. е. сигнал задания управляющему регулятору складывается из установленного исходного значения и корректирующей аддитивной добавки. Недостатком способа является то, что при периодическом контроле выходной координаты способ служит источником дополнительной погрешности, возникающей из-за того, что возмущения, действующие на объект, носят случайный характер и среди них всегда можно выделить группу, для которой период в 1,5-2 и более раз меньше периода контроля выходной координаты. Корректирующий регулятор реагирует одинаково на все виды возмущений, оставляя постоянной аддитивную добавку на всем интервале времени между двумя смежными моментами измерений. В результате аддитивная добавка содержит составляющие реакции коpректирующего регулятора на возмущения как низких с полупериодом больше периода контроля, так и высоких частот с полупериодом меньше 0,5 периода контроля, хотя действие последних уже давно кончилось. Таким образом, управление компенсирует и те возмущения, которые уже исчезли и надобность в их компенсации отпала. При этом погрешность тем больше, чем больше по отношению к периоду контроля запаздывание в цепи обратной связи. Запаздывание возникает при использовании аналитических и других методов контроля, проведение которых от момента взятия пробы до получения результата занимает большой промежуток времени. Погрешность максимальна, если запаздывание равно или больше периода контроля.

Целью изобретения является увеличение точности поддержания выходной координаты.

Цель достигается тем, что по способу управления двухкаскадным объектом с запаздыванием формируют сигнал управления по ПИ-закону от отклонения измеренного текущего значения промежуточной переменной от ее исходного заданного значения и первый сигнал коррекции исходного заданного значения промежуточной переменной, пропорциональной сумме отклонения выходной координаты от ее заданного значения и сумме указанных отклонений, образованный дискретно за время измерения выходной координаты с частотой ее измерения и сдвинутый на величину запаздывания, и суммируют первый сигнал коррекции с исходным заданным значением промежуточной переменной, измеряют входную координату и в момент формирования первого сигнала коррекции исходного значения промежуточной переменной формируют обратный по знаку второй сигнал коррекции, исходное значение которого, равное установленной доле первого сигнала коррекции исходного заданного значения промежуточной переменной, изменяют между двумя смежными моментами формирования первого сигнала коррекции исходного значения промежуточной переменной ступенчато поправкой, равной отношению текущего значения входной координаты к ее текущему значению в момент инерции выходной координаты, и суммируют второй сигнал коррекции с первым сигналом коррекции исходного значения промежуточной переменной.

Таким образом, управляющее воздействие на входную координату имеет две составляющие: постоянную, определяемую суммой исходного значения сигнала задания промежуточной переменной и аддитивной добавки, прямо пропорциональной сумме величин отклонения измеренного значения и суммы указанных отклонений, и переменную, определяемую величиной второй аддитивной добавки. Поскольку знаки первой и второй аддитивных добавок обратны, то сумма аддитивныхх добавок по абсолютной величине в промежутке между двумя смежными измерениями выходной координаты ступенчато уменьшается на каждом шаге управления, т. е. промежутке времени, на котором вторая из добавок остается постоянной. При этом предполагают, что часть возмущений, породивших первую из добавок, исчезают задолго до конца интервала измерения. Одновременно с исчезновением части возмущений уменьшается и компенсирующее воздействие на заданное значение промежуточного параметра и, следовательно, на величину входной координаты. Указанное действие и приводит к увеличению точности управления.

Вопрос о том, при каких значениях суммы аддитивных добавок прекращается ее уменьшение, также как и о величине установленной доли от первой из аддитивных добавок, на которую дискретно изменяют вторую из добавок, должен решаться в каждом отдельном случае при настройке системы, реализующей способ, либо при математическом моделировании способа совместно с моделью объекта. Абсолютное значение второй из добавок, при которой прекращают ее изменение, определяют в долях от первой из добавки. Чем большую долю в общем возмущающем воздействии занимают составляющие с периодом 5-10 и менее постоянных времени объекта, тем больше указанная выше доля и, наоборот, чем меньше эти составляющие в общем возмущающем воздействии, тем меньше указанная доля. Величина абсолютного значения установленной доли дискретного изменения второй из добавок на каждом шаге управления зависит от соотношения периода контроля и полупериода подавляемых возмущений. Чем больше это соотношение, тем больше установленная доля.

Установленную долю и предел, при котором прекращают изменение второй добавки, можно найти по минимуму квадратичного критерия выходной координаты при известном характере возмущений приложенных к входу второго из звеньев объекта. Заданную долю изменения второй из добавок на каждом шаге управления изменяют в зависимости от отношения текущего значения входной координаты к ее значению в момент измерения выходной координаты. Таким образом, учитывают влияние загруженности объекта, определяемой величиной входной координаты на интервале между соседними измерениями выходной координаты.

Способ может быть реализован в пределах устойчивости системы, реализованной по прототипу. Устойчивость системы гарантируется правильностью настройки управляющего и корректирующего регуляторов при конкретных значениях отношения времени запаздывания объекта к его постоянной времени. Методика получения настроек объектов подобного типа широко известна (см. прототип).

Указанная совокупность приемов позволит получить намеченный эффект. В известной литературе такой способ коррекции сигнала задания промежуточной переменной не встречался, т. е. изобретение отвечает критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена функциональная схема системы, реализующей способ.

Система содержит объект управления, состоящий из двух звеньев 1 и 2 с входной координатой Х, промежуточной переменной Y и выходной координатой Z, датчик 3 промежуточной переменной, элемент 4 сравнения, регулирующий блок 5, исполнительный механизм 6, датчик 7 выходной координаты, ключ 8, имитирующий дискретность измерения выходной координаты, элемент 9 сравнения, задатчик 10 выходной координаты Z*, корректирующей блок 11 фиксатором нулевого порядка на входе, сумматор 12, задатчик 13 исходного значения Y(0) промежуточного параметра, корректор 14 аддитивной добавки с фиксатором нулевого порядка на выходе, блок 16 деления, ключи 16 и 20, синхронные с ключом 8, блок 17 памяти с фиксатором нулевого порядка на входе, датчик 18 входной координаты, таймер 19, нормальный элемент 21 (см. ГОСТ 193464) и задатчик 22 времени контроля Т выходной координаты и задатчик 23 продолжительности DT шага управления.

Датчик 3 соединен с первым входом элемента 4 сравнения, выход которого соединен с входом исполнительного механизма 6, изменяющего входную координату Х. Датчик 7 соединен с первым входом элемента 8 сравнения, второй вход которого соединен с задатчиком 10, а выход через ключ 8 соединен с входом корректирующего блока 11. Выход блока 11 соединен с первыми входами сумматора 12 и корректора 14 аддитивной добавки. Второй вход сумматора 12 соединен с задатчиком 13, а выход - с вторым входом элемента 4 сравнения. Датчик 18 входной координаты соединен через ключ 16 с входом блока 17 памяти и первым входом блока 15 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 17, а выход - с вторым входом корректора 14. Выход последнего соединен с третьим входом сумматора 12. Задатчик 22 соединен с третьим входом корректора 14 и входом таймера 19, выходы которого соединены с ключами 8,16 и 20. Нормальный элемент 21 через ключ 20 соединен с четвертым входом корректора 14.

Система работает следующим образом.

Датчиком 3 измеряют величину промежуточного параметра Y. В элементе 4 сравнивают с Y^* и находят рассогласование.

₁= Y^*- , (1)

В блоке 5 определяют приращение управляющего воздействия на входную координату

X = A₁*₁+A*dt, (2) где А₁ и А₂ - коэффициенты настройки регулятора.

Исполнительный механизм 8 устанавливает новое значение входной координаты

Х = Х_о + Х (3) где Х_о - исходное значение входной координаты до появления рассогласования, соответствующее заданным значениям выходной координаты Z^* и промежуточного параметра Y^*.

С периодом Т, определяемым задатчиком 22, таймер 19 замыкает ключи 8, 16 и 20. При этом на вход блока 11 поступает сигнал рассогласования Z_j, который получают путем сравнения значения Z_j на j-м шаге измерения выходной координаты Z_j, где j - номер срабатывания таймера 19, с ее заданным значением Z^* в элементе 9:

Z_j= -Z^*, (4) и в блоке 11 находят первую аддитивную добавку

D_j= A₃*Z_j+AZ_i, (5) где А₃ и А₄ - коэффициенты, определяемые при настройке системы.

В блоке 17 при замыкании ключа 10 запоминают значение Х_j входной координаты Х, измеренное датчиком 18 в момент замыкания ключа 16, к третьему входу корректора 14 ключом 20 подсоединяют выход нормальногол элемента 21, запускающего счетчик шагов управления, в корректоре 14 определяют целое число шагов управления

n = T/DT (6) где DT получают от задатчика 23, которое укладывается в период контроля Т, определяемый задатчиком 22. Таким образом, счетчик в корректоре 14 после каждого замыкания ключей 8, 16 и 20 начинает отсчет шагов управления i от 1 до n. На n-м шаге счетчик останавливается до нового замыкания ключей таймером 19.

На каждом i= м шаге управления в корректоре 14 находят вторую аддитивную добавку по алгоритму

= +D_jK_i/m (7) при i = 1, _i-1 = 0, i - текущее значение номера шага управления, i = I(I)n, где D_минj = [D_j] /L - минимальное значение второй аддитивной добавки от соотношения периода контроля и полупериода возмущений, компенсируемых управлением по (7), причем чем больше доля кратковременных с периодом меньше 5-10 постоянных времени объекта возмущений в общем возмущающем воздействии, тем меньше L; K_i - мультипликативная поправка; n - количество целых шагов управления, помещающихся в интервале между двумя соседними измерениями выходной координаты, определяемое при настройке; m - число, определяемое при настройке, характеризующее скорость изменения второй аддитивной добавки и зависящее от соотношения периода контроля и полупериода подавляемых возмущений, причем чем больше соотношение, тем меньше m.

На каждом i-м шаге управления корректор 14 опрашивает выход блока 15, считывая с его выхода величину мультипликативной поправки Ki и выход блока 11, считывая с его выхода величину D_j. Благодаря наличию фиксатора нулевого порядка на выходе блока 11 на всем промежутке времени Т при i, изменяемом от 1 до n, величина D_j остается постоянной. Корректор 14 работает в дискретном режиме, т. е. на его выходе в промежутке времени DT между (i-1) и i-м шагами управления сигнал _i не изменяется, т. е. на выходе корректора 14 образуется ступенчатая функция с шириной ступеньки DT, определяемой задатчиком 23. На выходе сумматора 12 также образуется ступенчатая функция. На втором шаге управления после образования первой и исходного значения второй аддитивных добавок таймер 19 размыкает ключи 8, 16 и 20. При этом счетчик корректора 14 продолжает отсчет тактов от i= 2 до n.

В блоке 15 непрерывно находят мультипликативную поправку

K_i= /X₁^I, но поскольку корректором 14 производят дискретный опрос блока 15, то на вход корректора 14 поступает сигнал K_i, равный сигналу К к началу i-го шага управления. В сумматоре 12 находят заданное значение сигнала Y_iпромежуточной переменной

Y^*_i= Y^*(0)+D_j-_i где Y^*(0) - исходное значение промежуточной переменной Y, соответствующее исходному значению Х_о входной координаты Х, Y^*(0) получают от задатчика 13.

Величины L, m и n находят при настройке системы, реализующей способ, или моделированием способа с объектом по выбранному критерию (например, квадратичному).

Опыт показал, что при возмущениях с периодом меньше 0,2-0,3 периода контроля объекта рекомендуется выбрать m = (1,1-1,2)n. При возмущениях с периодом больше 0,3 периода контроля рекомендуется выбирать m = (1,2-1,8)n.

Если доля колебаний с периодом меньше 5-10 постоянных времени объекта в возмущающем воздействии больше 50% , то L рекомендуется выбирать в пределах 2-3. При снижении доли кратковременных возмущений до 20-30% L увеличивают до 7-8.