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 PDF

Info

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
Application number
RU2021127025A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Петр Анатольевич Безмен
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ) (RU)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ) (RU) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ) (RU)
Application granted granted Critical
Publication of RU2775514C1 publication Critical patent/RU2775514C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: automation.
SUBSTANCE: invention relates to automation and can be used in control systems of a priori uncertain non-stationary dynamic objects with state variables inaccessible to direct measurement. The essence of the invention consists in the fact that the control system for the state of the control object with an observer and a state controller includes a state observer, as which a digital filter for non-stationary signals is used, making it possible for a nonlinear process/system model to be used to assess the state of the controlled object and ensuring the stable operation of the control system under the conditions of non-stationary processes, while the setting effect for the control system is the required values of the state variables of the controlled object, for this purpose, the control system also contains: a controlled object, a delay unit, a state controller, a state error conversion unit, a Jacobi matrix correction unit, a control action formation unit, and an actuator unit. The introduction of additional units and a new connection scheme in the control system according to 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 the setting effect of the required values of the state variables of the controlled object and the use of a state observer, having the ability to use a nonlinear process/system model to assess the state of a controlled object and ensuring the stable operation of a control system for non-stationary dynamic objects with state variables inaccessible to direct measurement.
EFFECT: providing the possibility of controlling indefinite non-stationary dynamic objects with state variables inaccessible to direct measurement and having non-periodic external disturbances, using the required values of the state variables of the controlled object in the control process.
1 cl, 5 dwg

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 state controller 4, which is part of the control system for the state of the control object with an observer and a state controller:

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:

Figure 00000001
, (1)
Figure 00000001
, (one)

Figure 00000002
, (2)
Figure 00000002
, (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:

Figure 00000003
, (3)
Figure 00000003
, (3)

Figure 00000004
, (4)
Figure 00000004
, (four)

Figure 00000005
, (5)
Figure 00000005
, (5)

где:where:

Figure 00000006
- квадратная матрица Якоби частных производных функции процесса (изменения состояния) по аргументу x , размерность матрицы n×n;
Figure 00000006
- 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 ;

Figure 00000007
- прямоугольная матрица Якоби частных производных функции процесса (изменения состояния) по аргументу u , размерность матрицы n×e;
Figure 00000007
- 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 ;

Figure 00000008
- прямоугольная матрица Якоби частных производных функции наблюдений по аргументу x (далее матрица Якоби функции наблюдений), размерность матрицы m×n;
Figure 00000008
- 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]:

Figure 00000009
, (6)
Figure 00000009
, (6)

Figure 00000010
, (7)
Figure 00000010
, (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

Figure 00000011
размерностью m×n.The system output vector y ( k ) of dimension m from the output of controlled object 1 is fed to the input of state observer 2 - a digital filter for non-stationary signals, described in [2]. The vector y ( k ) is also supplied to the correction block of the Jacobian matrix 6 (Fig. 1). At the initial time of operation of the control system, the input of state observer 2 receives the initial Jacobi matrix of the observation function
Figure 00000011
dimension m × n .

На вход наблюдателя состояния 2 с выхода блока коррекции матрицы Якоби 6 поступает скорректированная матрица Якоби функции наблюдений

Figure 00000012
, размерностью m×n (фиг. 1). At the input of state observer 2, the corrected Jacobi matrix of the observation function
Figure 00000012
, dimension m × n (Fig. 1) .

От наблюдателя состояния 2 на входы регулятора состояния 4 поступают (фиг. 1):From the state observer 2 to the inputs of the state controller 4 come (Fig. 1):

Figure 00000013
- текущий вектор скорректированных значений оценки состояния системы в некоторый момент времени k [2],
Figure 00000013
- the current vector of corrected values of the assessment of the state of the system at some point in time k [2],

Figure 00000014
- вектор значений апостериорной (нескорректированной) оценки состояния системы [2].
Figure 00000014
- 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

Figure 00000015
, актуальная в предыдущий момент времени (k – 1) и поступающая на вход блока коррекции матрицы Якоби 6 (фиг. 1).The output of state observer 2 is also the Jacobi matrix of the observation function used by state observer 2
Figure 00000015
, actual at the previous moment of time ( k – 1) and coming to the input of the Jacobi matrix correction block 6 (Fig. 1).

Матрицы Якоби функции наблюдений

Figure 00000012
,
Figure 00000016
,
Figure 00000011
используются в качестве прямоугольной матрицы Якоби
Figure 00000017
уравнения наблюдений наблюдателя состояния 2 - цифрового фильтра для нестационарных сигналов [2].Jacobi matrices of observation functions
Figure 00000012
,
Figure 00000016
,
Figure 00000011
used as a rectangular Jacobian matrix
Figure 00000017
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

Figure 00000013
скорректированных значений оценки состояния системы в некоторый текущий момент времени k. Выходом блока задержки 3 является вектор
Figure 00000018
скорректированных значений оценки состояния системы в предыдущий момент времени (k – 1). С выхода блока задержки 3 вектор
Figure 00000018
поступает на вход регулятора состояния 4 (фиг. 1).The input of delay block 3 from the output of state observer 2 receives the current vector
Figure 00000013
adjusted values of the assessment of the state of the system at some current moment of time k . The output of delay block 3 is the vector
Figure 00000018
corrected values of the assessment of the state of the system at the previous time ( k - 1). From the output of the delay block 3 vector
Figure 00000018
enters the input of the state controller 4 (Fig. 1).

Векторы

Figure 00000013
,
Figure 00000018
,
Figure 00000014
являются векторами оценки состояния
Figure 00000019
и имеют размерность n.Vectors
Figure 00000013
,
Figure 00000018
,
Figure 00000014
are state estimation vectors
Figure 00000019
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 state controller 4 receives the vector of required states X T (k) dimensionn (Fig. 1, Fig. 2). Vector X T (k) contains the required values of the state variables of managed object 1.

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:

Figure 00000020
- вектор среднего арифметического взвешенного значения векторов
Figure 00000013
,
Figure 00000014
с весами
Figure 00000021
,
Figure 00000022
соответственно, размерность вектора
Figure 00000020
n;
Figure 00000020
- vector of arithmetic mean weighted value of vectors
Figure 00000013
,
Figure 00000014
with scales
Figure 00000021
,
Figure 00000022
respectively, the dimension of the vector
Figure 00000020
n ;

Figure 00000023
- диагональная матрица весов элементов текущего вектора
Figure 00000013
скорректированных значений оценки состояния системы, полученная в предыдущий момент времени (k – 1), размерность матрицы - n×n;
Figure 00000023
- diagonal matrix of weights of elements of the current vector
Figure 00000013
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 ;

Figure 00000024
- диагональная матрица весов элементов вектора
Figure 00000014
значений апостериорной оценки состояния системы, полученная в предыдущий момент времени (k – 1), размерность матрицы - n×n;
Figure 00000024
- diagonal matrix of weights of vector elements
Figure 00000014
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 ;

Figure 00000025
- вектор ошибки выхода регулятора состояния, размерность вектора - n;
Figure 00000025
- error vector of the output of the state controller, vector dimension - n ;

Figure 00000026
- вектор ошибки состояния, размерность вектора - n;
Figure 00000026
- 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

Figure 00000013
поступает на вход первого блока умножения 4-1 и на вход второго блока суммирования 4-5 (фиг. 2).In state controller 4 vector
Figure 00000013
enters the input of the first multiplication block 4-1 and the input of the second summation block 4-5 (Fig. 2).

В первом блоке умножения 4-1 весовая матрица

Figure 00000023
, поступающая с выхода блока адаптации 4-9 на вход первого блока умножения 4-1, умножается на вектор
Figure 00000013
, при этом выходом первого блока умножения
4-1 является произведение
Figure 00000027
, поступающее на вход первого блока суммирования 4-3 (фиг. 2).In the first block of multiplication 4-1 weight matrix
Figure 00000023
, 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
Figure 00000013
, while the output of the first multiplication block
4-1 is the product
Figure 00000027
, coming to the input of the first summation block 4-3 (Fig. 2).

Вектор

Figure 00000014
поступает на вход второго блока умножения 4-2 регулятора состояния 4 (фиг. 2).Vector
Figure 00000014
enters the input of the second multiplication block 4-2 state controller 4 (Fig. 2).

Во втором блоке умножения 4-2 весовая матрица

Figure 00000024
, поступающая с выхода блока адаптации 4-9 на вход второго блока умножения 4-2, умножается на вектор
Figure 00000028
, при этом выходом второго блока умножения 4-2 является произведение
Figure 00000029
, поступающее на вход первого блока суммирования 4-3 (фиг. 2).In the second multiplication block 4-2 weight matrix
Figure 00000024
, 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
Figure 00000028
, while the output of the second multiplication block 4-2 is the product
Figure 00000029
, 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

Figure 00000027
и
Figure 00000029
, являющихся выходами первого блока умножения 4-1 и второго блока умножения 4-2 соответственно, при этом выходом первого блока суммирования 4-3 является сумма
Figure 00000030
, которая, в свою очередь, является вектором
Figure 00000020
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 state controller 4, the summation of the products
Figure 00000027
and
Figure 00000029
, which are the outputs of the first multiplication block 4-1 and the second multiplication block 4-2, respectively, while the output of the first summation block 4-3 is the sum
Figure 00000030
, which in turn is a vector
Figure 00000020
arithmetic average weighted value coming from the output of the first summation block 4-3 to the input of the first subtraction block 4-4 (Fig. 2).

Значение вектора

Figure 00000020
находится согласно выражению:Vector value
Figure 00000020
is found according to the expression:

Figure 00000031
. (8)
Figure 00000031
. (eight)

Первый блок вычитания 4-4 регулятора состояния 4 выполняет вычитание вектора

Figure 00000032
из вектора
Figure 00000033
, причем вектор
Figure 00000032
поступает на вход первого блока вычитания 4-4 с выхода первого блока суммирования 4-3, а вектор
Figure 00000033
поступает на вход первого блока вычитания 4-4 регулятора состояния 4, при этом полученная разность векторов
Figure 00000034
является вектором
Figure 00000026
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 state controller 4 performs vector subtraction
Figure 00000032
from vector
Figure 00000033
, and the vector
Figure 00000032
enters the input of the first subtraction block 4-4 from the output of the first summation block 4-3, and the vector
Figure 00000033
enters the input of the first subtraction block 4-4 of the state controller 4, while the resulting difference of the vectors
Figure 00000034
is a vector
Figure 00000026
state error, which is fed to the output of the state controller 4 and to the input of the third summation block 4-7 of the state controller 4 (Fig. 2).

Вектор

Figure 00000035
ошибки состояния вычисляется, следуя выражению:Vector
Figure 00000035
status errors are calculated following the expression:

Figure 00000036
. (9)
Figure 00000036
. (9)

Во втором блоке суммирования 4-5 регулятора состояния 4 выполняется суммирование векторов

Figure 00000013
и
Figure 00000018
, поступающих на вход регулятора состояния 4, при этом выходом второго блока суммирования 4-5 является сумма
Figure 00000037
, поступающая на вход блока деления 4-6 (фиг. 2).In the second summation block 4-5 of the state controller 4, the summation of the vectors
Figure 00000013
and
Figure 00000018
coming to the input of the state controller 4, while the output of the second summation block 4-5 is the sum
Figure 00000037
, coming to the input of the division block 4-6 (Fig. 2).

В блоке деления 4-6 регулятора состояния 4 выполняется деление на константу 2 суммы

Figure 00000037
, 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
Figure 00000038
, 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 state controller 4, the division by constant 2 of the sum is performed
Figure 00000037
coming from the output of the second summation block 4-5 to the input of the division block 4-6, while the output of the division block 4-6 is the result of these calculations
Figure 00000038
, which, in turn, is fed to the input of the third summation block
4-7 of the state controller 4 (FIG. 2).

В третьем блоке суммирования 4-7 регулятора состояния 4 выполняется суммирование величины

Figure 00000026
и величины
Figure 00000038
, являющихся выходом первого блока вычитания 4-4 и выходом блока деления 4-6 соответственно, при этом выходом третьего блока суммирования 4-7 является сумма
Figure 00000039
, 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 state controller 4, the summation of the value
Figure 00000026
and quantities
Figure 00000038
, which are the output of the first subtraction block 4-4 and the output of the division block 4-6, respectively, while the output of the third summation block 4-7 is the sum
Figure 00000039
, which, in turn, comes from the output of the third summation block 4-7 to the input of the second subtraction block 4-8 of the state controller 4 (Fig. 2).

Во втором блоке вычитания 4-8 регулятора состояния 4 выполняется вычитание величины

Figure 00000039
, являющейся выходом третьего блока суммирования 4-7, из вектора
Figure 00000033
, поступающего на вход второго блока вычитания 4-8 регулятора состояния 4, причем полученная разность
Figure 00000040
является вектором
Figure 00000041
ошибки выхода регулятора состояния 4, при этом данный вектор
Figure 00000041
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 state controller 4, the value is subtracted
Figure 00000039
, which is the output of the third summation block 4-7, from the vector
Figure 00000033
, coming to the input of the second subtraction block 4-8 of the state controller 4, and the resulting difference
Figure 00000040
is a vector
Figure 00000041
state controller output errors 4, while this vector
Figure 00000041
comes from the output of the second subtraction block 4-8 to the input of the adaptation block 4-9 of the state controller 4 (Fig. 2).

Вектор

Figure 00000025
определяется следующим образом:Vector
Figure 00000025
is defined as follows:

Figure 00000042
. (10)
Figure 00000042
. (ten)

Блок адаптации 4-9 регулятора состояния 4 использует вектор

Figure 00000025
, поступающий с выхода второго блока вычитания 4-8, для формирования весовых матриц
Figure 00000023
и
Figure 00000024
(фиг. 2).Adaptation block 4-9 of the state controller 4 uses the vector
Figure 00000025
, coming from the output of the second subtraction block 4-8, for the formation of weight matrices
Figure 00000023
and
Figure 00000024
(Fig. 2).

Блок адаптации 4-9 формирует весовые матрицы

Figure 00000023
и
Figure 00000024
(далее матрицы
Figure 00000043
и
Figure 00000044
) при условии, если хотя бы для одного i-го элемента вектора
Figure 00000045
справедливо выражение:Adaptation block 4-9 generates weight matrices
Figure 00000023
and
Figure 00000024
(hereinafter matrices
Figure 00000043
and
Figure 00000044
) provided that for at least one i -th element of the vector
Figure 00000045
the expression is correct:

Figure 00000046
, (11)
Figure 00000046
, (eleven)

где:where:

Figure 00000047
– абсолютное значение i-го элемента вектора
Figure 00000045
,
Figure 00000048
;
Figure 00000047
is the absolute value of the i -th element of the vector
Figure 00000045
,
Figure 00000048
;

Figure 00000049
– максимальное допустимое значение ошибки выхода регулятора состояния,
Figure 00000050
.
Figure 00000049
– the maximum allowable error value of the status controller output,
Figure 00000050
.

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):

Figure 00000051
, (12)
Figure 00000051
, (12)

где:where:

Figure 00000052
– величина некоторого шага алгоритма блока адаптации 4-9, соответствующего i-ому элементу вектора
Figure 00000045
,
Figure 00000053
;
Figure 00000052
- the value of a certain step of the algorithm of the adaptation block 4-9, corresponding to the i -th element of the vector
Figure 00000045
,
Figure 00000053
;

Figure 00000054
– максимальное значение шага алгоритма блока адаптации 4-9,
Figure 00000055
;
Figure 00000054
- the maximum value of the step of the adaptation block algorithm 4-9,
Figure 00000055
;

Figure 00000056
– постоянная скорость сходимости алгоритма блока адаптации 4-9,
Figure 00000057
;
Figure 00000056
- constant convergence rate of the adaptation block algorithm 4-9,
Figure 00000057
;

sign(x) – функция определения знака аргумента x:sign( x ) is a function to determine the sign of the argument x :

Figure 00000058
;
Figure 00000058
;

Figure 00000059
, (13)
Figure 00000059
, (13)

где:

Figure 00000060
,where:
Figure 00000060
,

Figure 00000061
i-ый элемент весовой диагональной матрицы
Figure 00000062
вида
Figure 00000061
i -th element of the weight diagonal matrix
Figure 00000062
kind

Figure 00000063
,
Figure 00000063
,

при этом должно выполняться условие

Figure 00000064
.in this case, the condition
Figure 00000064
.

Figure 00000065
, (14)
Figure 00000065
, (fourteen)

где 1 - единичная матрица размерностью n×n.where 1 is an n × n identity matrix.

Начальные условия алгоритма блока адаптации 4-9:

Figure 00000066
,
Figure 00000067
, где 0 - нулевая матрица размерностью n×n.Initial conditions of the adaptation block algorithm 4-9:
Figure 00000066
,
Figure 00000067
, where 0 is an n × n zero matrix.

При выполнении условия (11) для определенных элементов вектора

Figure 00000045
значения соответствующих им элементов весовой матрицы
Figure 00000068
будут уменьшаться, а значения соответствующих им элементов весовой матрицы
Figure 00000069
- увеличиваться.When condition (11) is satisfied for certain elements of the vector
Figure 00000045
values of the weight matrix elements corresponding to them
Figure 00000068
will decrease, and the values of the corresponding elements of the weight matrix
Figure 00000069
- increase.

Весовые матрицы

Figure 00000023
и
Figure 00000024
, 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
Figure 00000023
and
Figure 00000024
, 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

Figure 00000070
ошибки состояния размерностью n,- from the output of the state controller 4 - vector
Figure 00000070
state errors of dimension n ,

- с выхода блока коррекции матрицы Якоби 6 – скорректированная матрица Якоби функции наблюдений

Figure 00000071
размерностью m×n (фиг. 1).- from the output of the Jacobi matrix correction block 6 - the corrected Jacobi matrix of the observation function
Figure 00000071
dimension m × n (Fig. 1).

Блок преобразования ошибки состояния 5 производит преобразование вектора

Figure 00000070
ошибки состояния в вектор
Figure 00000072
ошибки выхода системы, следуя выражению:State error transformation block 5 produces vector transformation
Figure 00000070
status errors to vector
Figure 00000072
system exit errors, following the expression:

Figure 00000073
, (15)
Figure 00000073
, (fifteen)

где:where:

Figure 00000072
– вектор ошибки выхода системы, размерность вектора – m.
Figure 00000072
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

Figure 00000072
ошибки выхода системы (фиг. 1).From the output of the state error conversion block 5, the vector
Figure 00000072
system output errors (Fig. 1).

На вход блока коррекции матрицы Якоби 6 поступают:At the input of the correction block of the Jacobi matrix 6 are:

- 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

Figure 00000015
, актуальная в предыдущий момент времени (k – 1) (фиг. 1). Размерность матрицы
Figure 00000015
m×n. - from the output of the observer of state 2 - the Jacobi matrix of the observation function used by the observer of state 2
Figure 00000015
, relevant at the previous moment of time ( k – 1) (Fig. 1). Matrix dimension
Figure 00000015
m × n.

Алгоритм работы блока коррекции матрицы Якоби 6 приведен на фиг. 4. Цель работы данного блока – постоянная коррекция матрицы Якоби функции наблюдений

Figure 00000074
при работе системы управления. Исходными данными для рассматриваемого алгоритма являются: вектор y (k) выхода системы и матрица Якоби функции наблюдений
Figure 00000015
, актуальная в предыдущий момент времени (k – 1) и подлежащая коррекции (фиг. 1). Результат работы блока коррекции матрицы Якоби 6 – скорректированная матрица
Figure 00000071
. Каждый ненулевой элемент матрицы
Figure 00000071
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
Figure 00000071
с расположением весовых коэффициентов на пересечениях её строк и столбцов: номера строк (отмечены индексами j,
Figure 00000075
) данной матрицы соответствуют номерам элементов векторов y (k) и
Figure 00000076
, а номера столбцов (отмечены индексами i,
Figure 00000077
) – номерам элементов векторов
Figure 00000013
,
Figure 00000018
,
Figure 00000014
и
Figure 00000070
. При условии, что n < m преобразованием информации является её комплексирование. Например, матрица
Figure 00000071
, 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
Figure 00000078
и
Figure 00000079
вектора
Figure 00000013
. 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
Figure 00000080
и
Figure 00000081
вектора
Figure 00000013
. Расположение ненулевых элементов в матрице
Figure 00000071
определяется задачей преобразования информации.Algorithm of the correction block of the Jacobi matrix 6 is shown in FIG. 4. The purpose of this block is the constant correction of the Jacobian matrix of the observation function
Figure 00000074
during operation of the control system. The initial data for the considered algorithm are: vector y (k) the system output and the Jacobi matrix of the observation function
Figure 00000015
, relevant at the previous point in time (k - 1) and subject to correction (Fig. 1). The result of the correction block of the Jacobi matrix 6 - corrected matrix
Figure 00000071
. Each non-zero element of the matrix
Figure 00000071
is a weight coefficient (weight) that determines the contribution of the vector element corresponding to this weight coefficient y (k) into the result of information transformation computed by state observer 2. In FIG. 3 shows an example of a matrix
Figure 00000071
with the location of weight coefficients at the intersections of its rows and columns: row numbers (marked with indicesj,
Figure 00000075
) of this matrix correspond to the numbers of elements of the vectors y (k) and
Figure 00000076
, and the column numbers (marked with indexesi,
Figure 00000077
) – numbers of elements of vectors
Figure 00000013
,
Figure 00000018
,
Figure 00000014
and
Figure 00000070
. Provided thatn <m the transformation of information is its integration. For example, matrix
Figure 00000071
shown in FIG. 3, specifies the aggregation of element values y 2(k), y 3(k), y four(k), y 5(k) and element values y 6(k), y 7(k) vector y (k) respectively into the values of the elements
Figure 00000078
and
Figure 00000079
vector
Figure 00000013
. To the elements y 0(k) and y one(k) vector y (k) no aggregation is applied, and the values of these elements are only evaluated, the results of which are placed respectively in the elements
Figure 00000080
and
Figure 00000081
vector
Figure 00000013
. Arrangement of non-zero elements in a matrix
Figure 00000071
is determined by the task of information transformation.

Коррекция матрицы

Figure 00000071
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
Figure 00000070
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
Figure 00000011
, содержащая по меньшей мере один ненулевой элемент. Чем ближе значения ненулевых элементов этой матрицы к искомым величинам весов, тем быстрее выполняется коррекция матрицы
Figure 00000082
.Matrix correction
Figure 00000071
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
Figure 00000070
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
Figure 00000011
, 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
Figure 00000082
.

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 matrix correction unit 6 is shown in FIG. 4. On the block diagram of the algorithm are indicated:

Y - одномерный массив (вектор) y (k);Y - one-dimensional array (vector) y ( k );

JHx - двумерный массив (матрица)

Figure 00000082
;J Hx - two-dimensional array (matrix)
Figure 00000082
;

COL_SUM - одномерный массив (вектор), каждый элемент которого соответствует определенному столбцу матрицы

Figure 00000082
и хранит сумму значений элементов вектора y (k), соответствующих ненулевым элементам этого столбца матрицы
Figure 00000082
, размерность массива – n;COL_SUM - one-dimensional array (vector), each element of which corresponds to a certain column of the matrix
Figure 00000082
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
Figure 00000082
, array dimension – n ;

NONZERO_COUNT - одномерный массив (вектор), каждый элемент которого соответствует определенному столбцу матрицы

Figure 00000082
и хранит количество ненулевых элементов этого столбца матрицы
Figure 00000082
, размерность массива – n;NONZERO_COUNT - one-dimensional array (vector), each element of which corresponds to a certain column of the matrix
Figure 00000082
and stores the number of non-zero elements of this matrix column
Figure 00000082
, array dimension – n ;

COL_INPUTS - двумерный массив (матрица), в строках которого содержатся значения элементов вектора y (k), соответствующих ненулевым элементам столбцов матрицы

Figure 00000082
(номер строки массива COL_INPUTS соответствует номеру столбца матрицы
Figure 00000082
), 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
Figure 00000082
(the row number of the COL_INPUTS array corresponds to the column number of the matrix
Figure 00000082
), 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

Figure 00000082
(номер строки массива INPUT_INDEX соответствует номеру столбца матрицы
Figure 00000082
), 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
Figure 00000082
(the row number of the INPUT_INDEX array corresponds to the column number of the matrix
Figure 00000082
), 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

Figure 00000082
соответственно;n, m - number of columns and rows of the matrix
Figure 00000082
respectively;

s - крайне малая положительная величина, s > 0.s is an extremely small positive value, s > 0.

Значения элементов матрицы

Figure 00000082
вычисляются рекуррентно, используя среднее арифметическое их предыдущих значений и новых значений, полученных исходя из текущих величин элементов вектора y (k).Values of matrix elements
Figure 00000082
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

Figure 00000012
, которая поступает на входы: наблюдателя состояния 2, блока преобразования ошибки состояния 5. Размерность матрицы
Figure 00000083
m×n (фиг. 1). The result of the Jacobi matrix correction block 6 is the corrected Jacobi matrix of the observation function
Figure 00000012
, which enters the inputs of: state observer 2, state error transformation block 5. Dimension of the matrix
Figure 00000083
m × n (Fig. 1) .

На входы блока формирования управляющих воздействий 7 поступают: от блока преобразования ошибки состояния 5 – вектор ошибки выхода системы

Figure 00000076
, 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
Figure 00000084
, причем размерность векторов
Figure 00000076
,
Figure 00000084
, 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 control actions 7 receive: from the block for converting the state error 5 - the error vector of the system output
Figure 00000076
, and, given on the basis of a specific control problem: a diagonal matrix of gains K , a vector of absolute values of the maximum values of the impact powers u max , a vector of absolute values of the maximum values of the system output error
Figure 00000084
, and the dimension of the vectors
Figure 00000076
,
Figure 00000084
, u max m, dimension of the matrix K m × m (Fig. 1) . The gain matrix K has the form:

Figure 00000085
,
Figure 00000085
,

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 control actions 7 are:

- вектор

Figure 00000086
мощностей воздействий, размерность вектора – m,- vector
Figure 00000086
impact powers, the dimension of the vector is m ,

- вектор

Figure 00000087
направлений воздействий, размерность вектора – m (фиг. 1). - vector
Figure 00000087
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 control actions 7 is shown in Fig. 5. On the block diagram of the algorithm are indicated:

Figure 00000088
- одномерный массив (вектор) ошибки выхода системы
Figure 00000072
, размерность массива – m;
Figure 00000088
- one-dimensional array (vector) of system output errors
Figure 00000072
, 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;

Figure 00000089
- одномерный массив (вектор) усиленной ошибки выхода системы
Figure 00000072
, размерность массива – m;
Figure 00000089
- one-dimensional array (vector) of enhanced system output error
Figure 00000072
, array dimension – m ;

uPOW - одномерный массив (вектор) мощностей воздействий

Figure 00000086
, размерность массива – m;u POW - one-dimensional array (vector) of the powers of actions
Figure 00000086
, array dimension – m ;

uDIR - одномерный массив (вектор) направлений воздействий

Figure 00000087
, размерность массива – m;u DIR - one-dimensional array (vector) of impact directions
Figure 00000087
, 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 actuator block 8 corresponding to the element number of this array, the array dimension is m ;

Figure 00000090
- одномерный массив (вектор) абсолютных величин максимальных значений ошибки выхода системы
Figure 00000084
, размерность массива – m;
Figure 00000090
- one-dimensional array (vector) of the absolute values of the maximum values of the system output error
Figure 00000084
, array dimension – m ;

i - переменная, хранящая: текущий номер строки матрицы K , текущие номера элементов векторов

Figure 00000091
,
Figure 00000084
,
Figure 00000092
, 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
Figure 00000091
,
Figure 00000084
,
Figure 00000092
, u max , u POW , u DIR ;

j - переменная, хранящая текущий номер столбца матрицы K , текущий номер элемента вектора

Figure 00000084
;j - a variable that stores the current column number of the matrix K , the current number of the vector element
Figure 00000084
;

m - количество строк и столбцов матрицы K , элементов векторов

Figure 00000091
,
Figure 00000084
,
Figure 00000092
, u max , u POW , u DIR ;m - number of rows and columns of matrix K , elements of vectors
Figure 00000091
,
Figure 00000084
,
Figure 00000092
, 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

Figure 00000092
вычисляются умножением элементов двумерного массива K на элементы одномерного массива
Figure 00000088
аналогично произведению матрицы K на вектор
Figure 00000072
.Element values of a one-dimensional array
Figure 00000092
are calculated by multiplying the elements of a two-dimensional array K by the elements of a one-dimensional array
Figure 00000088
similarly to the product of the matrix K and the vector
Figure 00000072
.

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 actuator block 8 of the control system. This value can be the duty cycle of the pulse width modulation (PWM) signal, for example, expressed as a percentage: from 0% to 100%. In this case, the PWM signal controls the operation of electronic power switches that regulate the supply of electricity to the actuators of the actuator block 8. The value of the power supplied to some i -th actuator is programmatically limited by the value of the i -th element of the vector u max . The value of each element of the vector u max is set based on the design of a particular actuator and the task of the control system.

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 actuator block 8 corresponding to the numbers of these elements. These directions can be: rotation of the motor shaft clockwise or counterclockwise, forward or reverse movement of the actuator. Each element of the vector u DIR can take one of three values: -1 (actuator movement "backward"), 0 (actuator movement absent), 1 (actuator movement "forward"). The values of the elements of the vector u DIR are designed to reverse the movements of the actuators using electronic power switches. To do this, the value of each i -th element u DIR i is converted into a pair of binary numbers { A , B }, where A and B can take the following values:

1) при u DIR i = -11) when u DIR i = -1 {A, B} = {0, 1},{ A , B } = {0, 1}, 2) при u DIR i = 02) for u DIR i = 0 {A, B} = {0, 0},{ A , B } = {0, 0}, 3) при u DIR i = 13) for u DIR i = 1 {A, B} = {1, 0}{ A , B } = {1, 0}

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 -

Figure 00000086
и направлений воздействий -
Figure 00000093
(фиг. 1). При этом управление каждым i-ым актюатором блока актюаторов 8 задается парой элементов данных векторов -
Figure 00000094
и
Figure 00000095
,
Figure 00000096
.From the output of the block for the formation of control actions 7 to the input of the block of actuators 8, control signals are received, expressed as two vectors of dimension m :
Figure 00000086
and directions of influences -
Figure 00000093
(Fig. 1). In this case, the control of each i -th actuator of the actuator block 8 is given by a pair of data elements of the vectors -
Figure 00000094
and
Figure 00000095
,
Figure 00000096
.

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),

Figure 00000097
. 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 object 1 is subjected to some influences (force and/or kinematic) from the block of actuators 8, expressed as elements of the action vector p ( k ) with dimension m (Fig. 1). Each i -th actuator block of actuators 8 produces the impact p i ( k ). To ensure the operation of a closed control system, it is required that there is an unambiguous relationship between changes in the elements of the vector p ( k ) and changes in the elements of the vector y ( k ), i.e. some element p i ( k ) is associated with a certain element y i ( k ),
Figure 00000097
. The ideal case is when the elements of the vector y ( k ) and the corresponding elements of the vector p ( k ) store the same physical quantities. It is assumed that the operation of each actuator of the actuator block 8 is described by its own mathematical model.

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)

1. Система управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния, содержащая управляемый объект, выходом которого является вектор выхода системы, наблюдатель состояния, на вход которого поступает вектор выхода системы с выхода управляемого объекта, блок задержки, отличающаяся тем, что 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.1. A control system according to 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, a delay block, characterized in that the control system 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, moreover, the initial Jacobi matrix of the observation function arrives at the input of the state observer at the initial time of the control system operation, while at the input of the state observer from the output of the correction block of the Jacobian matrix, the input gives the corrected Jacobi matrix of the observation function, and the output of the state observer is the Jacobi matrix of the observation function, 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 state of the system, while the input of the state controller from the output of the delay block receives a vector of corrected values of the assessment of the state of the system at the previous moment of time, and at the input The state controller code receives the vector of required states, while the output of the state controller is the state error vector, and the input of the state error transformation block receives the state error vector 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 Jacobi matrix correction block is the corrected Jacobi matrix of the observation function, and the error vector system output curves, wherein 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 fed 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. 2. Система управления по состоянию объекта управления с наблюдателем и регулятором состояния по п. 1, отличающаяся 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.2. The control system according to the state of the control object with the observer and the state controller according to claim 1, characterized in 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 on input of the first multiplication block from the output of the adaptation block included in the state controller, 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, is received, 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 the corrected values of the assessment the state of the system and the current vector of corrected values of the assessment of the state of the system; 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 summing 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 summing 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 summing 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 summing block, the input of which from the output of the first subtraction block receives the state error vector, and the input of the third summing block from the output of the dividing 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 in 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 estimate and the vector of corrected values of the system state estimate 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 system state assessment 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 point in time.
RU2021127025A 2021-09-14 Control system based on the state of the control object with an observer and a state controller RU2775514C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2775514C1 true RU2775514C1 (en) 2022-07-04

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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