RU2775514C1 - Control system based on the state of the control object with an observer and a state controller - Google Patents
Control system based on the state of the control object with an observer and a state controller Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775514C1 RU2775514C1 RU2021127025A RU2021127025A RU2775514C1 RU 2775514 C1 RU2775514 C1 RU 2775514C1 RU 2021127025 A RU2021127025 A RU 2021127025A RU 2021127025 A RU2021127025 A RU 2021127025A RU 2775514 C1 RU2775514 C1 RU 2775514C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- state
- vector
- block
- output
- values
- Prior art date
Links
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 117
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000004301 light adaptation Effects 0.000 claims description 23
- 230000001131 transforming Effects 0.000 claims description 16
- 230000003044 adaptive Effects 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000737 periodic Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005654 stationary process Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 11
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000000536 complexating Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в системах управления априорно неопределенными нестационарными динамическими объектами с недоступными непосредственному измерению переменными состояния.The invention relates to automation and can be used in control systems for a priori indefinite non-stationary dynamic objects with state variables inaccessible to direct measurement.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является комбинированная робастная система управления для априорно неопределенных динамических объектов периодического действия с наблюдателем (патент на изобретение 2528155, дата публикации 10.09.2014 г.) [1], которая содержит: наблюдатель состояния, блок задания коэффициентов, первый блок суммирования, первый умножитель, второй блок суммирования, блок задержки, последовательно соединенные второй умножитель и объект регулирования, третий блок суммирования. Данная система предназначена для управления априорно неопределенными нестационарными динамическими объектами с недоступными непосредственному измерению переменными состояния и обладающими непериодическими внешними возмущениями.The closest technical solution to the proposed one is a combined robust control system for a priori indefinite dynamic objects of periodic action with an observer (patent for invention 2528155, publication date 09/10/2014) [1], which contains: a state observer, a block for setting coefficients, the first block summation, the first multiplier, the second summing block, the delay block, the second multiplier and the control object connected in series, the third summing block. This system is designed to control a priori indefinite non-stationary dynamic objects with state variables inaccessible to direct measurement and having non-periodic external disturbances.
Недостатком такой системы управления является использование в ней наблюдателя состояния, на один из входов которого должен поступать сигнал управления, поступающий также и на объект регулирования. Существуют задачи управления в пространстве состояний, для которых в модели наблюдателя состояния частично или полностью отсутствует информация о сигнале управления (управляющем воздействии) и коэффициентах управления. Задающим воздействием для системы в этом случае являются требуемые значения переменных состояния управляемого объекта, выраженные в виде вектора требуемого состояния, а элементы вектора выхода управляемого объекта являются измеренными значениями физических величин, подлежащими оценке и преобразованию (например, комплексированию) наблюдателем состояния с целью получения вектора состояния.The disadvantage of such a control system is the use of a state observer in it, one of the inputs of which must receive a control signal that also arrives at the regulated object. There are control problems in the state space for which the state observer model partially or completely lacks information about the control signal (control action) and control coefficients. In this case, the driving force for the system is the required values of the state variables of the controlled object, expressed as a vector of the required state, and the elements of the output vector of the controlled object are the measured values of physical quantities to be estimated and transformed (for example, complexing) by the state observer in order to obtain the state vector .
Задача изобретения: усовершенствование системы управления неопределенными нестационарными динамическими объектами с недоступными непосредственному измерению переменными состояния в условиях непериодических внешних возмущений с целью расширения функциональных возможностей системы путем использования системой в качестве задающего воздействия требуемых значений переменных состояния управляемого объекта.The objective of the invention: improvement of the control system for uncertain non-stationary dynamic objects with state variables inaccessible to direct measurement under conditions of non-periodic external disturbances in order to expand the functionality of the system by using the system as a setting effect of the required values of the state variables of the controlled object.
Задача решается тем, что в системе управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния, содержащей управляемый объект, выходом которого является вектор выхода системы, наблюдатель состояния, на вход которого поступает вектор выхода системы с выхода управляемого объекта, блок задержки, система управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния включает в себя регулятор состояния, блок преобразования ошибки состояния, блок коррекции матрицы Якоби, блок формирования управляющих воздействий, блок актюаторов, причем наблюдателем состояния является цифровой фильтр для нестационарных сигналов, представляющий собой расширенный фильтр Калмана, дополненный адаптивным цифровым фильтром с алгоритмом адаптации NLMS, причем на вход наблюдателя состояния в начальный момент времени работы системы управления поступает начальная матрица Якоби функции наблюдений, при этом на вход наблюдателя состояния с выхода блока коррекции матрицы Якоби поступает скорректированная матрица Якоби функции наблюдений, причем выходом наблюдателя состояния является матрица Якоби функции наблюдений, актуальная в предыдущий момент времени, при этом выходом наблюдателя состояния являются текущий вектор скорректированных значений оценки состояния системы и вектор значений апостериорной оценки состояния системы, при этом на вход блока задержки поступает текущий вектор скорректированных значений оценки состояния системы с выхода наблюдателя состояния, при этом выходом блока задержки является вектор скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени, причем на вход регулятора состояния с выхода наблюдателя состояния поступают текущий вектор скорректированных значений оценки состояния системы и вектор значений апостериорной оценки состояния системы, при этом также на вход регулятора состояния с выхода блока задержки поступает вектор скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени, причем на вход регулятора состояния поступает вектор требуемых состояний, при этом выходом регулятора состояния является вектор ошибки состояния, причем на вход блока преобразования ошибки состояния с выхода регулятора состояния поступает вектор ошибки состояния, причем на вход блока преобразования ошибки состояния с выхода блока коррекции матрицы Якоби поступает скорректированная матрица Якоби функции наблюдений, при этом выходом блока преобразования ошибки состояния является вектор ошибки выхода системы, причем на вход блока коррекции матрицы Якоби с выхода управляемого объекта поступает вектор выхода системы, причем на вход блока коррекции матрицы Якоби с выхода наблюдателя состояния поступает матрица Якоби функции наблюдений, актуальная в предыдущий момент времени, при этом выходом блока коррекции матрицы Якоби является скорректированная матрица Якоби функции наблюдений, причем на вход блока формирования управляющих воздействий с выхода блока преобразования ошибки состояния поступает вектор ошибки выхода системы, причем на вход блока формирования управляющих воздействий поступают диагональная матрица коэффициентов усиления, вектор абсолютных величин максимальных значений мощностей воздействий, вектор абсолютных величин максимальных значений ошибки выхода системы, при этом выходом блока формирования управляющих воздействий являются вектор мощностей воздействий и вектор направлений воздействий, причем на вход блока актюаторов с выхода блока формирования управляющих воздействий поступают вектор мощностей воздействий и вектор направлений воздействий, при этом выходом блока актюаторов являются силовые и/или кинематические воздействия, направленные на управляемый объект и выраженные в виде элементов вектора воздействий.The problem is solved by the fact that in the control system by the state of the control object with an observer and a state controller, containing a controlled object, the output of which is the system output vector, the state observer, the input of which is the system output vector from the output of the controlled object, the delay block, the control system by state controller with an observer and a state controller includes a state controller, a state error transformation block, a Jacobi matrix correction block, a block for generating control actions, a block of actuators, and the state observer is a digital filter for non-stationary signals, which is an extended Kalman filter, supplemented by an adaptive digital filter with the NLMS adaptation algorithm, and the input of the state observer at the initial time of the control system operation receives the initial Jacobi matrix of the observation function, while the input of the state observer from the output of the correction block of the Jacobian matrix post the corrected Jacobi matrix of the observation function drops, and the output of the state observer is the Jacobi matrix of the observation function, which is relevant at the previous moment of time, while the output of the state observer is the current vector of corrected values of the system state estimate and the vector of values of the a posteriori estimate of the system state, while at the input of the delay block the current vector of corrected values of the system state estimate comes from the output of the state observer, while the output of the delay block is the vector of corrected values of the system state estimate at the previous moment of time, and the current vector of corrected values of the system state estimate and the vector of values a posteriori assessment of the system state, while the input of the state controller from the output of the delay block receives a vector of corrected values of the system state assessment at the previous moment of time, and at the state controller stroke, the vector of required states is supplied, while the output of the state controller is the state error vector, and the state error vector is supplied to the input of the state error transformation block from the output of the state controller, and the corrected matrix is supplied to the input of the state error transformation block from the output of the Jacobi matrix correction block Jacobi function of observations, while the output of the block for transforming the state error is the error vector of the system output, and the input of the Jacobi matrix correction block from the output of the controlled object receives the system output vector, and the input of the Jacobi matrix correction block from the output of the state observer receives the Jacobi matrix of the observation function, actual at the previous moment of time, while the output of the correction block of the Jacobi matrix is the corrected Jacobi matrix of the observation function, and the vector o errors of the system output, and the diagonal matrix of gain coefficients, the vector of absolute values of the maximum values of the powers of the actions, the vector of the absolute values of the maximum values of the error of the system output, are supplied to the input of the block for the formation of control actions, while the output of the block for the formation of control actions is the vector of the powers of the actions and the vector of the directions of the actions, moreover, the input of the actuator block from the output of the block for generating control actions receives the power vector of actions and the vector of directions of influences, while the output of the block of actuators is force and/or kinematic actions directed at the controlled object and expressed as elements of the action vector.
Поставленная задача решается также тем, что регулятор состояния включает в себя: первый блок умножения, на вход которого с выхода наблюдателя состояния поступает текущий вектор скорректированных значений оценки состояния системы, причем на вход первого блока умножения с выхода блока адаптации, входящего в регулятор состояния, поступает диагональная матрица весов элементов текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы, полученная в предыдущий момент времени, при этом выходом первого блока умножения является произведение диагональной матрицы весов элементов текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы; второй блок умножения, на вход которого с выхода наблюдателя состояния поступает вектор значений апостериорной оценки состояния системы, причем на вход второго блока умножения с выхода блока адаптации, входящего в регулятор состояния, поступает диагональная матрица весов элементов вектора значений апостериорной оценки состояния системы, полученная в предыдущий момент времени, при этом выходом второго блока умножения является произведение диагональной матрицы весов элементов вектора значений апостериорной оценки состояния системы и вектора значений апостериорной оценки состояния системы; первый блок суммирования, на вход которого с выхода первого блока умножения поступает произведение диагональной матрицы весов элементов текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы, причем на вход первого блока суммирования с выхода второго блока умножения поступает произведение диагональной матрицы весов элементов вектора значений апостериорной оценки состояния системы и вектора значений апостериорной оценки состояния системы, при этом выходом первого блока суммирования является вектор среднего арифметического взвешенного значения, равняющийся сумме двух произведений: произведения диагональной матрицы весов элементов текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы, произведения диагональной матрицы весов элементов вектора значений апостериорной оценки состояния системы и вектора значений апостериорной оценки состояния системы; первый блок вычитания, на вход которого с выхода первого блока суммирования поступает вектор среднего арифметического взвешенного значения, причем на вход первого блока вычитания поступает вектор требуемых состояний, при этом выходом первого блока вычитания является вектор ошибки состояния, поступающий на выход регулятора состояния и на вход третьего блока суммирования, входящего в регулятор состояния, при этом вектор ошибки состояния равен разности векторов: вектора требуемых состояний и вектора среднего арифметического взвешенного значения; второй блок суммирования, на вход которого с выхода наблюдателя состояния поступает текущий вектор скорректированных значений оценки состояния системы, причем на вход второго блока суммирования с выхода блока задержки поступает вектор скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени, при этом выходом второго блока суммирования является сумма векторов: текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и вектора скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени; блок деления, на вход которого с выхода второго блока суммирования поступает сумма текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и вектора скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени, при этом выходом блока деления является результат деления на константу 2 суммы текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и вектора скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени; третий блок суммирования, на вход которого с выхода первого блока вычитания поступает вектор ошибки состояния, причем на вход третьего блока суммирования с выхода блока деления поступает результат деления на константу 2 суммы текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и вектора скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени, при этом выходом третьего блока суммирования является сумма вектора ошибки состояния и результата деления на константу 2 суммы текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и вектора скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени; второй блок вычитания, на вход которого с выхода третьего блока суммирования поступает сумма вектора ошибки состояния и результата деления на константу 2 суммы текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и вектора скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени, причем на вход второго блока вычитания поступает вектор требуемых состояний, при этом выходом второго блока вычитания является вектор ошибки выхода регулятора состояния, равняющийся разности вектора требуемых состояний и суммы вектора ошибки состояния и результата деления на константу 2 суммы текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы и вектора скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени; блок адаптации, на вход которого с выхода второго блока вычитания поступает вектор ошибки выхода регулятора состояния, при этом выходом блока адаптации являются диагональная матрица весов элементов текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы, полученная в предыдущий момент времени, и диагональная матрица весов элементов вектора значений апостериорной оценки состояния системы, полученная в предыдущий момент времени. The problem is also solved by the fact that the state controller includes: the first multiplication block, the input of which from the output of the state observer receives the current vector of corrected values of the system state assessment, and the input of the first multiplication block from the output of the adaptation block included in the state controller receives the diagonal matrix of element weights of the current vector of corrected values of the system state assessment obtained at the previous moment of time, while the output of the first multiplication block is the product of the diagonal matrix of weights of the elements of the current vector of corrected values of the system state assessment and the current vector of corrected values of the system state assessment; the second multiplication block, the input of which from the output of the state observer comes the vector of values of the a posteriori estimate of the state of the system, and the input of the second multiplication block from the output of the adaptation block included in the state controller receives the diagonal matrix of weights of the elements of the vector of values of the a posteriori estimate of the state of the system, obtained in the previous time point, wherein the output of the second multiplication block is the product of the diagonal matrix of weights of the elements of the vector of values of the a posteriori estimate of the state of the system and the vector of values of the a posteriori estimate of the state of the system; the first summation block, the input of which, from the output of the first multiplication block, is the product of the diagonal matrix of weights of the elements of the current vector of corrected values of the assessment of the state of the system and the current vector of corrected values of the assessment of the state of the system, and the input of the first summation block, from the output of the second multiplication block, is the product of the diagonal matrix of weights elements of the vector of values of the a posteriori estimate of the state of the system and the vector of values of the a posteriori estimate of the state of the system, while the output of the first summing block is the vector of the arithmetic mean weighted value, which is equal to the sum of two products: the product of the diagonal matrix of weights of the elements of the current vector of corrected values of the estimate of the state of the system and the current vector of corrected values estimates of the state of the system, the product of the diagonal matrix of weights of the elements of the vector of values of the a posteriori estimate of the state of the system and the vector of values of the a posteriori assessing the state of the system; the first subtraction block, the input of which is the vector of the arithmetic weighted average value from the output of the first summation block, and the vector of required states is fed to the input of the first subtraction block, while the output of the first subtraction block is the state error vector, which is fed to the output of the state controller and to the input of the third the summation block included in the state controller, while the state error vector is equal to the difference of the vectors: the vector of the required states and the vector of the arithmetic mean weighted value; the second summation block, the input of which from the output of the state observer receives the current vector of corrected values of the assessment of the state of the system, and the input of the second summation block from the output of the delay block receives the vector of corrected values of the assessment of the state of the system at the previous point in time, while the output of the second summation block is the sum vectors: the current vector of adjusted values of the assessment of the state of the system and the vector of adjusted values of the assessment of the state of the system at the previous point in time; a division block, the input of which from the output of the second summation block receives the sum of the current vector of corrected values of the system state assessment and the vector of corrected values of the system state assessment at the previous point in time, while the output of the division block is the result of dividing by constant 2 the sum of the current vector of corrected values of the state assessment system and the vector of corrected values of the assessment of the state of the system at the previous point in time; the third summation block, the input of which from the output of the first subtraction block receives the state error vector, and the input of the third summation block from the output of the division block receives the result of dividing by constant 2 the sum of the current vector of corrected values of the system state assessment and the vector of corrected values of the system state assessment to the previous a point in time, wherein the output of the third summation block is the sum of the state error vector and the result of dividing by a constant 2 of the sum of the current vector of corrected values of the system state estimate and the vector of corrected values of the system state estimate at the previous point in time; the second subtraction block, the input of which from the output of the third summation block receives the sum of the state error vector and the result of division by a constant 2 of the sum of the current vector of corrected values of the system state assessment and the vector of corrected values of the system state assessment at the previous point in time, and the input of the second subtraction block receives the vector of required states, while the output of the second subtraction block is the error vector of the output of the state controller, which is equal to the difference of the vector of required states and the sum of the state error vector and the result of dividing by a constant 2 of the sum of the current vector of corrected values of the system state assessment and the vector of corrected values of the system state assessment to the previous moment of time; adaptation block, the input of which from the output of the second subtraction block receives the error vector of the output of the state controller, while the output of the adaptation block is the diagonal matrix of weights of the elements of the current vector of corrected values of the assessment of the state of the system, obtained at the previous point in time, and the diagonal matrix of weights of the elements of the vector of values of the a posteriori estimates of the state of the system obtained at the previous time.
В системе управления в качестве наблюдателя состояния используется цифровой фильтр для нестационарных сигналов, и который представляет собой расширенный фильтр Калмана, дополненный адаптивным цифровым фильтром с алгоритмом адаптации NLMS [2]. Цифровой фильтр для нестационарных сигналов позволяет использовать нелинейную модель процесса/системы для оценки состояния управляемого объекта и обеспечивает устойчивую работу системы управления нестационарными динамическими объектами с недоступными непосредственному измерению переменными состояния. Система управления кроме управляемого объекта (объекта регулирования), наблюдателя состояния, блока задержки включает в себя: регулятор состояния, блок преобразования ошибки состояния, блок коррекции матрицы Якоби, блок формирования управляющих воздействий, блок актюаторов, что позволяет системе управления использовать в качестве задающего воздействия требуемые значения переменных состояния управляемого объекта. Данная система управления является системой управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния.In the control system, a digital filter for non-stationary signals is used as a state observer, which is an extended Kalman filter, supplemented by an adaptive digital filter with the NLMS adaptation algorithm [2]. The digital filter for non-stationary signals allows using a non-linear process/system model to estimate the state of a controlled object and ensures stable operation of the control system for non-stationary dynamic objects with state variables that are not directly measurable. The control system, in addition to the controlled object (regulated object), the state observer, the delay block, includes: the state controller, the state error conversion block, the Jacobi matrix correction block, the block for generating control actions, the block of actuators, which allows the control system to use the required the values of the state variables of the managed object. This control system is a control system based on the state of the control object with an observer and a state controller.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 обозначены составные части системы управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния:The essence of the invention is illustrated by the drawing, where in Fig. 1 indicates the components of the control system according to the state of the control object with an observer and a state controller:
1 - управляемый объект,1 - managed object,
2 - наблюдатель состояния (цифровой фильтр для нестационарных сигналов [2]),2 - state observer (digital filter for non-stationary signals [2]),
3 - блок задержки,3 - delay block,
4 - регулятор состояния,4 - state regulator,
5 - блок преобразования ошибки состояния,5 - state error conversion block,
6 - блок коррекции матрицы Якоби,6 - Jacobi matrix correction block,
7 - блок формирования управляющих воздействий,7 - block for the formation of control actions,
8 - блок актюаторов.8 - block of actuators.
На фиг. 2 обозначены составные части регулятора состояния 4, находящегося в составе системы управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния:In FIG. 2 indicates the components of the
4-1 - первый блок умножения,4-1 - the first multiplication block,
4-2 - второй блок умножения,4-2 - second multiplication block,
4-3 - первый блок суммирования,4-3 - the first block of summation,
4-4 - первый блок вычитания,4-4 - the first subtraction block,
4-5 - второй блок суммирования,4-5 - the second summation block,
4-6 - блок деления,4-6 - division block,
4-7 - третий блок суммирования,4-7 - the third summation block,
4-8 - второй блок вычитания,4-8 - second subtraction block,
4-9 - блок адаптации.4-9 - adaptation block.
Технический результат изобретения заключается в том, что система управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния включает в себя наблюдатель состояния, в качестве которого используется цифровой фильтр для нестационарных сигналов [2], позволяющий для оценки состояния управляемого объекта использовать нелинейную модель процесса/системы и обеспечивающий устойчивую работу системы управления в условиях действия нестационарных процессов, при этом задающим воздействием для системы управления являются требуемые значения переменных состояния управляемого объекта, для чего система управления также содержит: управляемый объект, блок задержки, регулятор состояния, блок преобразования ошибки состояния, блок коррекции матрицы Якоби, блок формирования управляющих воздействий, блок актюаторов, что позволяет системе управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния выполнять управление неопределенными нестационарными динамическими объектами с недоступными непосредственному измерению переменными состояния в условиях непериодических внешних возмущений с целью расширения функциональных возможностей системы управления.The technical result of the invention lies in the fact that the control system according to the state of the control object with an observer and a state regulator includes a state observer, which is used as a digital filter for non-stationary signals [2], which allows using a nonlinear process/system model to assess the state of the controlled object and ensuring stable operation of the control system under the conditions of action of non-stationary processes, while the master influence for the control system is the required values of the state variables of the controlled object, for which the control system also contains: a controlled object, a delay block, a state controller, a state error conversion block, a correction block Jacobian matrices, a block for generating control actions, a block of actuators, which allows the control system to control the state of the control object with an observer and a state controller to control uncertain non-stationary dynamic objects ami with state variables inaccessible to direct measurement under conditions of non-periodic external disturbances in order to expand the functionality of the control system.
Модель некоторой управляемой системы описывается выражениями:The model of some controlled system is described by the expressions:
, (1) , (one)
, (2) , (2)
где:where:
x (k) - вектор состояния, размерность вектора n; x (k) - state vector, vector dimensionn;
u (k) - вектор управляющих воздействий, размерность вектора e; u (k) is the vector of control actions, the dimension of the vectore;
y (k) - вектор выхода системы, размерность вектора m; y (k) - system output vector, vector dimensionm;
F (•) - некоторая нелинейная гладкая векторная функция процесса (изменения состояния) размерностью n, имеющая частные производные первого порядка по всем переменным в окрестностях некоторой точки ( x (k), u (k)); F (•) - some non-linear smooth vector function of the process (state change) with dimensionn, which has first-order partial derivatives with respect to all variables in the vicinity of some point ( x (k), u (k));
H (•) - некоторая нелинейная гладкая векторная функция наблюдений размерностью m, имеющая частные производные первого порядка по всем переменным в окрестностях некоторой точки ( x (k), u (k)); H (•) - some non-linear smooth vector function of observations with dimensionm, which has first-order partial derivatives with respect to all variables in the vicinity of some point ( x (k), u (k));
k - некоторый текущий момент времени; k - some current moment of time;
(k - 1) - предыдущий момент времени.( k - 1) - the previous moment in time.
Предположим, что данная нелинейная модель управляемой системы известна и может быть линеаризована посредством матриц Якоби:Let us assume that this nonlinear model of the controlled system is known and can be linearized using Jacobi matrices:
, (3) , (3)
, (4) , (four)
, (5) , (5)
где:where:
- квадратная матрица Якоби частных производных функции процесса (изменения состояния) по аргументу x , размерность матрицы n×n; - square Jacobi matrix of partial derivatives of the process function (change of state) with respect to the argument x , dimension of the matrix n × n ;
- прямоугольная матрица Якоби частных производных функции процесса (изменения состояния) по аргументу u , размерность матрицы n×e; - rectangular Jacobi matrix of partial derivatives of the process function (change of state) with respect to the argument u , the dimension of the matrix is n × e ;
- прямоугольная матрица Якоби частных производных функции наблюдений по аргументу x (далее матрица Якоби функции наблюдений), размерность матрицы m×n; - rectangular Jacobi matrix of partial derivatives of the observation function with respect to the argument x (hereinafter, the Jacobi matrix of the observation function), the dimension of the matrix is m × n ;
x 1, …, x n - элементы вектора x состояния системы; x 1 , …, x n - elements of the vector x of the state of the system;
u 1, …, u e - элементы вектора u управляющих воздействий; u 1 , …, u e - elements of the vector u of control actions;
F 1(•), …, F n (•) - элементы векторной функции F (•); F 1 (•), …, F n (•) - elements of the vector function F (•);
H 1(•), …, H m (•) - элементы векторной функции H (•). H 1 (•), …, H m (•) are elements of the vector function H (•).
Используя матрицы (3), (4), (5) перепишем выражения (1) и (2) [3, 4]:Using matrices (3), (4), (5), we rewrite expressions (1) and (2) [3, 4]:
, (6) , (6)
, (7) , (7)
где (k + 1) - момент времени, следующий за моментом времени k.where ( k + 1) is the point in time following the point in time k .
Система управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния работает следующим образом.The control system based on the state of the control object with an observer and a state regulator works as follows.
Вектор выхода системы y (k) размерностью m с выхода управляемого объекта 1 поступает на вход наблюдателя состояния 2 – цифрового фильтра для нестационарных сигналов, описанного в [2]. Вектор y (k) также поступает на блок коррекции матрицы Якоби 6 (фиг. 1). В начальный момент времени работы системы управления на вход наблюдателя состояния 2 поступает начальная матрица Якоби функции наблюдений размерностью m×n.The system output vector y ( k ) of dimension m from the output of controlled
На вход наблюдателя состояния 2 с выхода блока коррекции матрицы Якоби 6 поступает скорректированная матрица Якоби функции наблюдений , размерностью m×n (фиг. 1). At the input of
От наблюдателя состояния 2 на входы регулятора состояния 4 поступают (фиг. 1):From the
- текущий вектор скорректированных значений оценки состояния системы в некоторый момент времени k [2], - the current vector of corrected values of the assessment of the state of the system at some point in time k [2],
- вектор значений апостериорной (нескорректированной) оценки состояния системы [2]. - vector of values of a posteriori (uncorrected) assessment of the state of the system [2].
Выходом наблюдателя состояния 2 также является используемая наблюдателем состояния 2 матрица Якоби функции наблюдений , актуальная в предыдущий момент времени (k – 1) и поступающая на вход блока коррекции матрицы Якоби 6 (фиг. 1).The output of
Матрицы Якоби функции наблюдений , , используются в качестве прямоугольной матрицы Якоби уравнения наблюдений наблюдателя состояния 2 - цифрового фильтра для нестационарных сигналов [2].Jacobi matrices of observation functions , , used as a rectangular Jacobian matrix observation equations of state observer 2 - digital filter for non-stationary signals [2].
Блок задержки 3 (фиг. 1) выполняет функцию памяти.Block delay 3 (Fig. 1) performs the function of memory.
На вход блока задержки 3 с выхода наблюдателя состояния 2 поступает текущий вектор скорректированных значений оценки состояния системы в некоторый текущий момент времени k. Выходом блока задержки 3 является вектор скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени (k – 1). С выхода блока задержки 3 вектор поступает на вход регулятора состояния 4 (фиг. 1).The input of
Векторы , , являются векторами оценки состояния и имеют размерность n.Vectors , , are state estimation vectors and have dimension n .
Кроме перечисленных данных на вход регулятора состояния 4 поступает вектор требуемых состояний X T (k) размерностью n (фиг. 1, фиг. 2). Вектор X T (k) содержит требуемые значения переменных состояния управляемого объекта 1.In addition to the above data, the input of the
Дополнительно к ранее указанным векторам и матрицам, на схеме регулятора состояния 4 (фиг. 2) обозначены:In addition to the previously indicated vectors and matrices, on the diagram of the state controller 4 (Fig. 2) are indicated:
- вектор среднего арифметического взвешенного значения векторов , с весами , соответственно, размерность вектора – n; - vector of arithmetic mean weighted value of vectors , with scales , respectively, the dimension of the vector – n ;
- диагональная матрица весов элементов текущего вектора скорректированных значений оценки состояния системы, полученная в предыдущий момент времени (k – 1), размерность матрицы - n×n; - diagonal matrix of weights of elements of the current vector corrected values of the assessment of the state of the system, obtained at the previous point in time ( k - 1), the dimension of the matrix is n × n ;
- диагональная матрица весов элементов вектора значений апостериорной оценки состояния системы, полученная в предыдущий момент времени (k – 1), размерность матрицы - n×n; - diagonal matrix of weights of vector elements values of a posteriori assessment of the state of the system, obtained at the previous moment of time ( k - 1), the dimension of the matrix is n × n ;
- вектор ошибки выхода регулятора состояния, размерность вектора - n; - error vector of the output of the state controller, vector dimension - n ;
- вектор ошибки состояния, размерность вектора - n; - state error vector, vector dimension - n ;
k - некоторый текущий момент времени; k - some current moment of time;
(k – 1) - предыдущий момент времени.( k – 1) - the previous moment in time.
В регуляторе состояния 4 вектор поступает на вход первого блока умножения 4-1 и на вход второго блока суммирования 4-5 (фиг. 2).In
В первом блоке умножения 4-1 весовая матрица , поступающая с выхода блока адаптации 4-9 на вход первого блока умножения 4-1, умножается на вектор , при этом выходом первого блока умножения
4-1 является произведение , поступающее на вход первого блока суммирования 4-3 (фиг. 2).In the first block of multiplication 4-1 weight matrix , coming from the output of the adaptation block 4-9 to the input of the first multiplication block 4-1, is multiplied by the vector , while the output of the first multiplication block
4-1 is the product , coming to the input of the first summation block 4-3 (Fig. 2).
Вектор поступает на вход второго блока умножения 4-2 регулятора состояния 4 (фиг. 2).Vector enters the input of the second multiplication block 4-2 state controller 4 (Fig. 2).
Во втором блоке умножения 4-2 весовая матрица , поступающая с выхода блока адаптации 4-9 на вход второго блока умножения 4-2, умножается на вектор , при этом выходом второго блока умножения 4-2 является произведение , поступающее на вход первого блока суммирования 4-3 (фиг. 2).In the second multiplication block 4-2 weight matrix , coming from the output of the adaptation block 4-9 to the input of the second multiplication block 4-2, is multiplied by the vector , while the output of the second multiplication block 4-2 is the product , coming to the input of the first summation block 4-3 (Fig. 2).
В первом блоке суммирования 4-3 регулятора состояния 4 выполняется суммирование произведений и , являющихся выходами первого блока умножения 4-1 и второго блока умножения 4-2 соответственно, при этом выходом первого блока суммирования 4-3 является сумма , которая, в свою очередь, является вектором среднего арифметического взвешенного значения, поступающего с выхода первого блока суммирования 4-3 на вход первого блока вычитания 4-4 (фиг. 2).In the first summation block 4-3 of the
Значение вектора находится согласно выражению:Vector value is found according to the expression:
. (8) . (eight)
Первый блок вычитания 4-4 регулятора состояния 4 выполняет вычитание вектора из вектора , причем вектор поступает на вход первого блока вычитания 4-4 с выхода первого блока суммирования 4-3, а вектор поступает на вход первого блока вычитания 4-4 регулятора состояния 4, при этом полученная разность векторов является вектором ошибки состояния, который поступает на выход регулятора состояния 4 и на вход третьего блока суммирования 4-7 регулятора состояния 4 (фиг. 2).The first subtraction block 4-4 of
Вектор ошибки состояния вычисляется, следуя выражению:Vector status errors are calculated following the expression:
. (9) . (9)
Во втором блоке суммирования 4-5 регулятора состояния 4 выполняется суммирование векторов и , поступающих на вход регулятора состояния 4, при этом выходом второго блока суммирования 4-5 является сумма , поступающая на вход блока деления 4-6 (фиг. 2).In the second summation block 4-5 of the
В блоке деления 4-6 регулятора состояния 4 выполняется деление на константу 2 суммы , поступающей с выхода второго блока суммирования 4-5 на вход блока деления 4-6, при этом выходом блока деления 4-6 является результат данных вычислений , который, в свою очередь, поступает на вход третьего блока суммирования
4-7 регулятора состояния 4 (фиг. 2).In the division block 4-6 of the
4-7 of the state controller 4 (FIG. 2).
В третьем блоке суммирования 4-7 регулятора состояния 4 выполняется суммирование величины и величины , являющихся выходом первого блока вычитания 4-4 и выходом блока деления 4-6 соответственно, при этом выходом третьего блока суммирования 4-7 является сумма , которая, в свою очередь, поступает с выхода третьего блока суммирования 4-7 на вход второго блока вычитания 4-8 регулятора состояния 4 (фиг. 2).In the third summation block 4-7 of the
Во втором блоке вычитания 4-8 регулятора состояния 4 выполняется вычитание величины , являющейся выходом третьего блока суммирования 4-7, из вектора , поступающего на вход второго блока вычитания 4-8 регулятора состояния 4, причем полученная разность является вектором ошибки выхода регулятора состояния 4, при этом данный вектор поступает с выхода второго блока вычитания 4-8 на вход блока адаптации 4-9 регулятора состояния 4 (фиг. 2).In the second subtraction block 4-8 of the
Вектор определяется следующим образом:Vector is defined as follows:
. (10) . (ten)
Блок адаптации 4-9 регулятора состояния 4 использует вектор , поступающий с выхода второго блока вычитания 4-8, для формирования весовых матриц и (фиг. 2).Adaptation block 4-9 of the
Блок адаптации 4-9 формирует весовые матрицы и (далее матрицы и ) при условии, если хотя бы для одного i-го элемента вектора справедливо выражение:Adaptation block 4-9 generates weight matrices and (hereinafter matrices and ) provided that for at least one i -th element of the vector the expression is correct:
, (11) , (eleven)
где:where:
– абсолютное значение i-го элемента вектора , ; is the absolute value of the i -th element of the vector , ;
– максимальное допустимое значение ошибки выхода регулятора состояния, . – the maximum allowable error value of the status controller output, .
Алгоритм работы блока адаптации 4-9 заключается в последовательном выполнении вычислений согласно выражениям (12 – 14):The operation algorithm of the adaptation block 4-9 consists in the sequential execution of calculations according to expressions (12 - 14):
, (12) , (12)
где:where:
– величина некоторого шага алгоритма блока адаптации 4-9, соответствующего i-ому элементу вектора , ; - the value of a certain step of the algorithm of the adaptation block 4-9, corresponding to the i -th element of the vector , ;
– максимальное значение шага алгоритма блока адаптации 4-9, ; - the maximum value of the step of the adaptation block algorithm 4-9, ;
– постоянная скорость сходимости алгоритма блока адаптации 4-9, ; - constant convergence rate of the adaptation block algorithm 4-9, ;
sign(x) – функция определения знака аргумента x:sign( x ) is a function to determine the sign of the argument x :
; ;
, (13) , (13)
где: ,where: ,
– i-ый элемент весовой диагональной матрицы вида – i -th element of the weight diagonal matrix kind
, ,
при этом должно выполняться условие .in this case, the condition .
, (14) , (fourteen)
где 1 - единичная матрица размерностью n×n.where 1 is an n × n identity matrix.
Начальные условия алгоритма блока адаптации 4-9: , , где 0 - нулевая матрица размерностью n×n.Initial conditions of the adaptation block algorithm 4-9: , , where 0 is an n × n zero matrix.
При выполнении условия (11) для определенных элементов вектора значения соответствующих им элементов весовой матрицы будут уменьшаться, а значения соответствующих им элементов весовой матрицы - увеличиваться.When condition (11) is satisfied for certain elements of the vector values of the weight matrix elements corresponding to them will decrease, and the values of the corresponding elements of the weight matrix - increase.
Весовые матрицы и , полученные в предыдущий момент времени (k – 1), поступают с выхода блока адаптации 4-9 на вход первого блока умножения 4-1 и вход второго блока умножения 4-2 соответственно (фиг. 2).Weight matrices and , obtained at the previous moment of time ( k - 1), come from the output of the adaptation block 4-9 to the input of the first multiplication block 4-1 and the input of the second multiplication block 4-2, respectively (Fig. 2).
На вход блока преобразования ошибки состояния 5 поступают:The following is received at the input of the state error conversion block 5:
- с выхода регулятора состояния 4 – вектор ошибки состояния размерностью n,- from the output of the state controller 4 - vector state errors of dimension n ,
- с выхода блока коррекции матрицы Якоби 6 – скорректированная матрица Якоби функции наблюдений размерностью m×n (фиг. 1).- from the output of the Jacobi matrix correction block 6 - the corrected Jacobi matrix of the observation function dimension m × n (Fig. 1).
Блок преобразования ошибки состояния 5 производит преобразование вектора ошибки состояния в вектор ошибки выхода системы, следуя выражению:State
, (15) , (fifteen)
где:where:
– вектор ошибки выхода системы, размерность вектора – m. is the error vector of the system output, the dimension of the vector is m .
С выхода блока преобразования ошибки состояния 5 на вход блока формирования управляющих воздействий 7 поступает вектор ошибки выхода системы (фиг. 1).From the output of the state
На вход блока коррекции матрицы Якоби 6 поступают:At the input of the correction block of the
- с выхода управляемого объекта 1 – вектор y (k) выхода системы,- from the output of controlled object 1 - the vector y ( k ) of the system output,
- с выхода наблюдателя состояния 2 – используемая наблюдателем состояния 2 матрица Якоби функции наблюдений , актуальная в предыдущий момент времени (k – 1) (фиг. 1). Размерность матрицы – m×n. - from the output of the observer of state 2 - the Jacobi matrix of the observation function used by the observer of
Алгоритм работы блока коррекции матрицы Якоби 6 приведен на фиг. 4. Цель работы данного блока – постоянная коррекция матрицы Якоби функции наблюдений при работе системы управления. Исходными данными для рассматриваемого алгоритма являются: вектор y (k) выхода системы и матрица Якоби функции наблюдений , актуальная в предыдущий момент времени (k – 1) и подлежащая коррекции (фиг. 1). Результат работы блока коррекции матрицы Якоби 6 – скорректированная матрица . Каждый ненулевой элемент матрицы является весовым коэффициентом (весом), определяющим вклад соответствующего этому весовому коэффициенту элемента вектора y (k) в результат преобразования информации, вычисляемого наблюдателем состояния 2. На фиг. 3 изображен пример матрицы с расположением весовых коэффициентов на пересечениях её строк и столбцов: номера строк (отмечены индексами j, ) данной матрицы соответствуют номерам элементов векторов y (k) и , а номера столбцов (отмечены индексами i, ) – номерам элементов векторов , , и . При условии, что n < m преобразованием информации является её комплексирование. Например, матрица , изображенная на фиг. 3, задает комплексирование значений элементов y 2(k), y 3(k), y 4(k), y 5(k) и значений элементов y 6(k), y 7(k) вектора y (k) соответственно в значения элементов и вектора . К элементам y 0(k) и y 1(k) вектора y (k) комплексирование не применяется, а значения этих элементов подвергаются только оценке, результаты которой помещаются соответственно в элементы и вектора . Расположение ненулевых элементов в матрице определяется задачей преобразования информации.Algorithm of the correction block of the
Коррекция матрицы позволяет придать элементам вектора y (k) веса, пропорциональные значениям соответствующих элементов данного вектора. Процедура коррекции требуется при выполнении преобразования вектора y (k) и преобразования вектора в условиях частичной или полной неопределенности диапазонов значений элементов вектора y (k) при низких величинах шумов, наложенных на выход системы y (k). Для процедуры коррекции необходима некоторая постоянная начальная матрица Якоби функции наблюдений , содержащая по меньшей мере один ненулевой элемент. Чем ближе значения ненулевых элементов этой матрицы к искомым величинам весов, тем быстрее выполняется коррекция матрицы .Matrix correction allows you to give the elements of the vector y ( k ) weights proportional to the values of the corresponding elements of this vector. A correction procedure is required when performing a vector transformation y ( k ) and a vector transformation under conditions of partial or complete uncertainty of the ranges of values of the elements of the vector y ( k ) at low values of noise imposed on the output of the system y ( k ). The correction procedure requires some constant initial Jacobi matrix of the observation function , containing at least one nonzero element. The closer the values of non-zero elements of this matrix to the desired values of the weights, the faster the correction of the matrix is performed .
Блок-схема алгоритма работы блока коррекции матрицы Якоби 6 представлена на фиг. 4. На блок-схеме алгоритма обозначены:Block diagram of the operation algorithm of the Jacobi
Y - одномерный массив (вектор) y (k);Y - one-dimensional array (vector) y ( k );
JHx - двумерный массив (матрица) ;J Hx - two-dimensional array (matrix) ;
COL_SUM - одномерный массив (вектор), каждый элемент которого соответствует определенному столбцу матрицы и хранит сумму значений элементов вектора y (k), соответствующих ненулевым элементам этого столбца матрицы , размерность массива – n;COL_SUM - one-dimensional array (vector), each element of which corresponds to a certain column of the matrix and stores the sum of the values of the elements of the vector y ( k ) corresponding to non-zero elements of this column of the matrix , array dimension – n ;
NONZERO_COUNT - одномерный массив (вектор), каждый элемент которого соответствует определенному столбцу матрицы и хранит количество ненулевых элементов этого столбца матрицы , размерность массива – n;NONZERO_COUNT - one-dimensional array (vector), each element of which corresponds to a certain column of the matrix and stores the number of non-zero elements of this matrix column , array dimension – n ;
COL_INPUTS - двумерный массив (матрица), в строках которого содержатся значения элементов вектора y (k), соответствующих ненулевым элементам столбцов матрицы (номер строки массива COL_INPUTS соответствует номеру столбца матрицы ), размерность массива – n×m;COL_INPUTS - two-dimensional array (matrix), whose rows contain the values of the elements of the vector y ( k ), corresponding to non-zero elements of the matrix columns (the row number of the COL_INPUTS array corresponds to the column number of the matrix ), the dimension of the array is n × m ;
INPUT_INDEX - двумерный массив (матрица), в строках которого содержатся номера элементов вектора y (k), соответствующих ненулевым элементам столбцов матрицы (номер строки массива INPUT_INDEX соответствует номеру столбца матрицы ), размерность массива – n×m;INPUT_INDEX - two-dimensional array (matrix), the rows of which contain the numbers of elements of the vector y ( k ), corresponding to non-zero elements of the matrix columns (the row number of the INPUT_INDEX array corresponds to the column number of the matrix ), the dimension of the array is n × m ;
index - переменная, хранящая текущий номер столбца двумерных массивов INPUT_INDEX и COL_INPUTS;index - a variable that stores the current column number of two-dimensional arrays INPUT_INDEX and COL_INPUTS;
i, j - переменные, хранящие текущие номера (индексы) элементов массивов;i, j - variables that store the current numbers (indexes) of array elements;
n, m - количество столбцов и строк матрицы соответственно;n, m - number of columns and rows of the matrix respectively;
s - крайне малая положительная величина, s > 0.s is an extremely small positive value, s > 0.
Значения элементов матрицы вычисляются рекуррентно, используя среднее арифметическое их предыдущих значений и новых значений, полученных исходя из текущих величин элементов вектора y (k).Values of matrix elements are calculated recurrently using the arithmetic mean of their previous values and new values obtained from the current values of the elements of the vector y ( k ).
Результат работы блока коррекции матрицы Якоби 6 – скорректированная матрица Якоби функции наблюдений , которая поступает на входы: наблюдателя состояния 2, блока преобразования ошибки состояния 5. Размерность матрицы – m×n (фиг. 1). The result of the Jacobi
На входы блока формирования управляющих воздействий 7 поступают: от блока преобразования ошибки состояния 5 – вектор ошибки выхода системы , и, задаваемые, исходя из конкретной задачи управления: диагональная матрица коэффициентов усиления K , вектор абсолютных величин максимальных значений мощностей воздействий u max , вектор абсолютных величин максимальных значений ошибки выхода системы , причем размерность векторов , , u max – m, размерность матрицы K – m×m (фиг. 1). Матрица коэффициентов усиления K имеет вид:The inputs of the block for the formation of
, ,
где K 0, …, K m - 1 – некоторые коэффициенты усиления.where K 0 , …, K m - 1 are some gain factors.
Выходом блока формирования управляющих воздействий 7 являются:The output of the block for the formation of
- вектор мощностей воздействий, размерность вектора – m,- vector impact powers, the dimension of the vector is m ,
- вектор направлений воздействий, размерность вектора – m (фиг. 1). - vector directions of influences, the dimension of the vector is m (Fig. 1) .
Блок-схема алгоритма работы блока формирования управляющих воздействий 7 представлена на фиг. 5. На блок-схеме алгоритма обозначены:The block diagram of the operation algorithm of the block for generating
- одномерный массив (вектор) ошибки выхода системы , размерность массива – m; - one-dimensional array (vector) of system output errors , array dimension – m ;
K - двумерный массив (матрица) K коэффициентов усиления, размерность массива – m×m;K - two-dimensional array (matrix) K amplification factors, array dimension -m×m;
- одномерный массив (вектор) усиленной ошибки выхода системы , размерность массива – m; - one-dimensional array (vector) of enhanced system output error , array dimension – m ;
uPOW - одномерный массив (вектор) мощностей воздействий , размерность массива – m;u POW - one-dimensional array (vector) of the powers of actions , array dimension – m ;
uDIR - одномерный массив (вектор) направлений воздействий , размерность массива – m;u DIR - one-dimensional array (vector) of impact directions , array dimension – m ;
umax - одномерный массив (вектор) абсолютных величин максимальных значений мощностей воздействий u max , каждый элемент которого содержит значение максимальной мощности определенного актюатора блока актюаторов 8, соответствующего номеру элемента данного массива, размерность массива – m;u max - one-dimensional array (vector) of the absolute values of the maximum values of the impact powers u max , each element of which contains the value of the maximum power of a certain actuator of the
- одномерный массив (вектор) абсолютных величин максимальных значений ошибки выхода системы , размерность массива – m; - one-dimensional array (vector) of the absolute values of the maximum values of the system output error , array dimension – m ;
i - переменная, хранящая: текущий номер строки матрицы K , текущие номера элементов векторов , , , u max , u POW , u DIR ;i - a variable that stores: the current row number of the matrix K , the current numbers of the elements of the vectors , , , u max , u POW , u DIR ;
j - переменная, хранящая текущий номер столбца матрицы K , текущий номер элемента вектора ;j - a variable that stores the current column number of the matrix K , the current number of the vector element ;
m - количество строк и столбцов матрицы K , элементов векторов , , , u max , u POW , u DIR ;m - number of rows and columns of matrix K , elements of vectors , , , u max , u POW , u DIR ;
PrevDuty - переменная, хранящая предыдущее значение мощности воздействия для некоторого актюатора;PrevDuty - a variable that stores the previous value of the impact power for some actuator;
AddDuty - переменная, хранящая требуемое изменение мощности воздействия для некоторого актюатора;AddDuty - a variable that stores the required change in the impact power for some actuator;
Duty - переменная, хранящая требуемое значение мощности воздействия для некоторого актюатора;Duty - a variable that stores the required value of the impact power for some actuator;
операция | • | возвращает абсолютную величину некоторого числа.operation | • | returns the absolute value of some number.
Значения элементов одномерного массива вычисляются умножением элементов двумерного массива K на элементы одномерного массива аналогично произведению матрицы K на вектор .Element values of a one-dimensional array are calculated by multiplying the elements of a two-dimensional array K by the elements of a one-dimensional array similarly to the product of the matrix K and the vector .
Значение каждого элемента вектора u POW обозначает величину подаваемой мощности на определенный актюатор блока актюаторов 8 системы управления. Данная величина может быть коэффициентом заполнения сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ), к примеру, выраженная в процентах: от 0% до 100%. В этом случае сигнал ШИМ управляет работой электронных силовых ключей, регулирующих подачу электроэнергии на актюаторы блока актюаторов 8. Значение подаваемой мощности на некоторый i-ый актюатор программно ограничивается величиной i-го элемента вектора u max . Значение каждого элемента вектора u max задается исходя из конструкции конкретного актюатора и задачи системы управления.The value of each element of the vector u POW denotes the amount of power supplied to a certain actuator of the
Элементы вектора u DIR содержат значения направлений приложения подаваемых мощностей на соответствующие номерам этих элементов актюаторы блока актюаторов 8. Такими направлениями могут быть: поворот вала двигателя по часовой стрелке или против часовой стрелки, прямое или обратное движение актюатора. Каждый элемент вектора u DIR может принимать одно из трех значений: -1 (движение актюатора «назад»), 0 (движение актюатора отсутствует), 1 (движение актюатора «вперед»). Значения элементов вектора u DIR предназначены для реверсирования движений актюаторов при помощи электронных силовых ключей. Для этого значение каждого i-го элемента u DIR i преобразуется в пару двоичных чисел {A, B}, где A и B могут принимать следующие значения:The elements of the vector u DIR contain the values of the directions of application of the supplied powers to the actuators of the
Числа A и B соответствуют управляющим линиям электронных силовых ключей для реверсирования движений актюаторов, а двоичные значения данных чисел - напряжениям логического уровня.The numbers A and B correspond to the control lines of the electronic power switches for reversing the movements of the actuators, and the binary values of these numbers correspond to the logic level voltages.
С выхода блока формирования управляющих воздействий 7 на вход блока актюаторов 8 поступают сигналы управления, выраженные в виде двух векторов размерностью m: мощностей воздействий - и направлений воздействий - (фиг. 1). При этом управление каждым i-ым актюатором блока актюаторов 8 задается парой элементов данных векторов - и , .From the output of the block for the formation of
На управляемый объект 1 оказываются некоторые воздействия (силовые и/или кинематические) со стороны блока актюаторов 8, выраженные в виде элементов вектора воздействий p (k) размерностью m (фиг. 1). Каждым i-ым актюатором блока актюаторов 8 вырабатывается воздействие p i (k). Для обеспечения работы замкнутой системы управления требуется, чтобы существовала однозначная взаимосвязь между изменениями элементов вектора p (k) и изменениями элементов вектора y (k), т.е. некоторому элементу p i (k) поставлен в соответствие определенный элемент y i (k), . Идеальным является случай, когда элементы вектора y (k) и соответствующие им элементы вектора p (k) хранят одни и те же физические величины. Предполагается, что работа каждого актюатора блока актюаторов 8 описана своей математической моделью.The controlled
Сочетание наблюдателя состояния и регулятора состояния в составе системы управления делает возможным управление неопределенными нестационарными динамическими объектами с недоступными непосредственному измерению переменными состояния и обладающими непериодическими внешними возмущениями, используя в процессе управления требуемые значения переменных состояния управляемого объекта.The combination of the state observer and the state regulator as part of the control system makes it possible to control uncertain non-stationary dynamic objects with state variables that are not directly measurable and have non-periodic external disturbances, using the required values of the state variables of the controlled object in the control process.
Таким образом, введение дополнительных блоков и новой схемы соединений в системе управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния позволило расширить функциональные возможности системы управления путем использования системой в качестве задающего воздействия требуемых значений переменных состояния управляемого объекта и применения наблюдателя состояния, обладающего возможностью использования нелинейной модели процесса/системы для оценки состояния управляемого объекта и обеспечивающего устойчивую работу системы управления нестационарными динамическими объектами с недоступными непосредственному измерению переменными состояния.Thus, the introduction of additional blocks and a new connection scheme in the control system based on the state of the control object with an observer and a state controller made it possible to expand the functionality of the control system by using the system as a setting effect of the required values of the state variables of the controlled object and using a state observer that has the ability to use a nonlinear process/system models for assessing the state of a controlled object and ensuring stable operation of the control system for non-stationary dynamic objects with state variables inaccessible to direct measurement.
Данное устройство может быть реализовано промышленным способом на основе стандартной элементной базы.This device can be implemented industrially based on a standard element base.
Источники информацииSources of information
1. Патент RU 2528155 МПК G05B 13/02, 2006.01, опубл. 10.09.2014, Бюл. №25 (прототип).1. Patent RU 2528155 IPC G05B 13/02, 2006.01, publ. 09/10/2014, Bull. No. 25 (prototype).
2. Патент RU 2747199 МПК H03H 17/04, H03H 21/00, 2006.01, опубл. 29.04.2021, Бюл. №13.2. Patent RU 2747199 IPC H03H 17/04, H03H 21/00, 2006.01, publ. 29.04.2021, Bull. No. 13.
3. Певзнер Л.Д. Теория систем управления / М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2002. – 472 с.3. Pevzner L.D. Theory of control systems / M.: Publishing house of the Moscow State Mining University, 2002. - 472 p.
4. Gyorgy, K. The LQG Control Algorithms for Nonlinear Dynamic Systems / Procedia Manufacturing, vol. 32, 2019. – p. 553–563.4. Gyorgy, K. The LQG Control Algorithms for Nonlinear Dynamic Systems / Procedia Manufacturing, vol. 32, 2019. – p. 553–563.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2775514C1 true RU2775514C1 (en) | 2022-07-04 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030028264A1 (en) * | 2001-04-20 | 2003-02-06 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Control system for plant |
RU2429516C1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" | Adaptive control system for dynamic objects with periodic factors and observer |
RU2475798C1 (en) * | 2012-02-28 | 2013-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" | Combined robust control system for non-stationary dynamic objects |
RU2528155C1 (en) * | 2013-03-19 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" | Combined robust control system for apriori undefined dynamic objects for periodic action with observer |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030028264A1 (en) * | 2001-04-20 | 2003-02-06 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Control system for plant |
RU2429516C1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" | Adaptive control system for dynamic objects with periodic factors and observer |
RU2475798C1 (en) * | 2012-02-28 | 2013-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" | Combined robust control system for non-stationary dynamic objects |
RU2528155C1 (en) * | 2013-03-19 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" | Combined robust control system for apriori undefined dynamic objects for periodic action with observer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110137942B (en) | Multi-time scale flexible load rolling scheduling method and system based on model predictive control | |
Ding et al. | Projective synchronization of nonidentical fractional-order neural networks based on sliding mode controller | |
CN110815225B (en) | Point-to-point iterative learning optimization control method of motor-driven single mechanical arm system | |
Milovanović et al. | Adaptive PID control based on orthogonal endocrine neural networks | |
Zhang et al. | Adaptive iterative learning control for nonlinear pure-feedback systems with initial state error based on fuzzy approximation | |
Fang et al. | Use of a recurrent neural network in discrete sliding-mode control | |
WO2019008075A1 (en) | A method and apparatus for performing control of a movement of a robot arm | |
Potočnik et al. | Nonlinear model predictive control of a cutting process | |
Mo et al. | Two-time dimensional dynamic matrix control for batch processes with convergence analysis against the 2D interval uncertainty | |
RU2775514C1 (en) | Control system based on the state of the control object with an observer and a state controller | |
Osman et al. | Predictive functional control with observer (PFC-O) design and loading effects performance for a pneumatic system | |
Keel | Analytical design of pid controllers [bookshelf] | |
KOBAYASHI et al. | Displacement control of water hydraulic McKibben muscles with load compensation | |
CN113346552A (en) | Self-adaptive optimal AGC control method based on integral reinforcement learning | |
CN111505942A (en) | Design method of distributed adaptive controller of fractional order interconnection system | |
De la Sen | On the Properties of Reachability, Observability, Controllability, and Constructibility of Discrete‐Time Positive Time‐Invariant Linear Systems with Aperiodic Choice of the Sampling Instants | |
Das et al. | Fuzzy Fractional Order PID Controller Design for Single Link Robotic Arm Manipulator | |
Wang et al. | Generalized predictive control of linear systems with actuator arrearage faults | |
RU2267147C1 (en) | Automatic control adaptive non-linear system | |
CN108646559A (en) | Export feedback-type prediction function controller design method | |
US9482867B2 (en) | Compensating for hysteresis | |
Zarzycki et al. | Fast Nonlinear Model Predictive Control Using LSTM Networks: A Model Linearisation Approach | |
RU143268U1 (en) | AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR HEATED DRUM BOILER | |
Bhadra et al. | Implementation of neural network based control scheme on the benchmark conical tank level system | |
Rauh et al. | Sensitivity analysis for systems of differential-algebraic equations with applications to predictive control and parameter estimation |