CC BY
9
УДК 621.83
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-277-280
СТРУКТУРА ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ МНОГОКОНТУРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
Т.А. Акименко, И.Н. Лариошкин
Предложена структура цифровой системы управления сложными многоконтурными объектами. Блоки, входящие в структурную схему, описывают динамические процессы, протекающие в объекте управления, через передаточные функции; перекрестные межблочные связи; динамику сенсоров системы; отражают реальное взаимовлияние контуров в объекте.
Ключевые слова: многоконтурные объекты, система управления, цифровой контроллер, перекос данных.
Основной тенденцией развития современной промышленности является усложнение технологических процессов и связанное с этим широкое внедрение цифровой управляющей техники систем управления для обеспечения требуемых показателей качества производимой продукции. Переход при управлении объектами на цифровые системы связан с включением в их структуру контроллеров Фон Неймановского типа, т.е. приборов, которые обладают новыми, по сравнению с аналоговыми контроллерами, свойствами [10].
Структурная схема цифровой системы управления приведена на рис. 1. Блоки структурной схемы Фц^), ..., Ф ki (s), .., Ф KK (s) описывают динамические процессы, протекающие в объекте управления, через передаточные функции, перекрестные межблочные связи, когда k ФI, отражают реальное взаимовлияние контуров в объекте. Блоки Ф01^), ..., Ф0к (s), Ф 0K (s ) описывают динамику сенсоров системы.
Система функционирует следующим образом. В цифровой контроллер (Digital controller) вводится вектор сигналов F(s) = [ii (s),..., Fk (s),..., Fk (s)], формирующих цель управления.
Указанные сигналы могут также генерироваться самим контроллером, что показано на рис. 1 жирной штриховой линией. На выходах контроллера программно генерируются последовательности кодов g(s) = [s^s),..., sk(s),..., sk(s)], подаваемые на входы объекта управления, который на физическом уровне преобразует сигналы вектора g(s) в вектор параметров X(s) = [[(s),...,Xk(s),...,Xk(s)], описывающих состояние объекта. Параметры измеряются сенсорами, и результаты измерения в виде цифровых кодов X0 (s) = [01 (s),..., X0k (s),..., X0K (s)] вводятся в контроллер. Во всех вышеприведенных векторах s - оператор дифференцирования преобразования Лапласа [8].
Выходная последовательность кодов генерируется в соответствии с законом управления и циклограммой, заложенной в алгоритмическое и программное обеспечение контроллера. В дальнейшем будем считать, что временные интервалы в циклограмме отсчитываются от момента ввода первого элемента вектора F (s), F1(s). Остальные элементы вводятся/выводятся с задержками по времени обозначенными следующим образом:
элемент Fk(s) вводится с задержкой у, Ту0 = 0, 1 < k < K;
элемент X0k (s) вводится с задержкой T0k, 1 < k < K;
элемент sk (s) выводится с задержкой Tsk, 1 < k < K .
В соответствии с теоремой о смещении во временной области [7]
ДфО - т)] = exp(- ts)Ф(s), т > 0, (1) где т - величина смещения; t - время; ф - импульсный отклик; L[...] - прямое преобразование Лапласа.
Из (1) следует, что
Fsh (s ) = F (s )• Nу (s ); (2)
Xsh (s )= X0 (s )• N0 (s ); (3)
Ssh (s ) = e(s)-N s(s ), (4)
где N у (я), N0 (я), Ns(s) - матрицы смещений, равные
Nу (я ) =
1 ... 0 0 ... ^(-т д5)
0 ...
( exP(-х01s )
0
N0 (*) =
0
0 ...
0
N8( ) =
exP(- хе1я) 0 ...
0 ...
exP(- х0кя) 0
0
exP(- хеН) 0
Л
0 0
е^- х укя) ... 0 ... 0
exP(- х0Кя) ... 0
... 0
exP(- хеКя)
Л
Л
(5)
(6)
(7)
Рис. 1. Структурная схема цифровой системы управления.
В том случае, если цифровой контроллер реализует линейный закон управления Фс (я) , на исполнительные приводы поступает сигнал
е(я) = [^(я)• Nу (я) - X(я) • Ф0 (я) • N0 (я)] • Фс (я) • N^5), (8)
278
где Фс (5) = [ф к )], 1 < к, I < К - матрица линейных передаточных функций, реализуемых в
цифровом контроллере.
Вектор X (5) определяется как
х(5 ) = е(5 )• ф(5 ) = [^ (5 )• Nу (5 )-X (5 )• Фо (5 )• N0 (5 )]• Фс (5 )• )• Ф( ), (9)
где ф(5) = [фм (5)], 1 < к,I < К - матрица линейных передаточных функций, реализуемых в объекте управления.
Разрешение (9) относительно X (5) дает
X(5 ) = [ - Фо (5 ) • Фс (5) • N03 (5)]-1 ^(5) • Фс (5 ) • Nу (5) • Ф(5) где Е - единичная диагональная матрица;
Nу (5 ) = Nу (5 )• Nе(5 ) =
(10)
(
\
exp(-TsiS) ... 0 ...
0 ...
0
[-(х fk + xek ^]
exP L- Iх fk 0
0 0
exP[-(x fL + xeK M
(11)
ex
Р[-(х01 +х e1 )s]
N08 (s ) = N0 (s )• Ne (s ) = ... 0
0 0
ex
P[-(x0k +х ek )s]
0 0
(12)
0 ... exP[-(x0K +х eK)s]
Члены, характеризующие чистое запаздывание, появляются как в числителе, Nfe (s),
так и в знаменателе, N0e (s), (10). Запаздывание в числителе определяет т.н. «перекос данных»
(data screw) и общее запаздывание выполнения объектом внешних команд. Запаздывание в знаменателе изменяет значения полюсов характеристического многочлена, а следовательно меняет качественно характеристики переходных процессов.
Список литературы
1. Давыдов О.И., Пряничников В.Е. Управление движением мобильного робота по данным ультразвуковых сенсоров // Информационно-измерительные и управляющие системы. -2015. Т. 13. № 7. С. 57 - 67.
2. Акименко Т.А., Аршакян А.А., Ларкин Е.В. Управление информационными процессами в робототехнических комплексах специального назначения. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 150 с.
3. Хрущ А.В., Михайлов Б.Б. Управление мобильным роботом с бортовой системой объемного зрения // Механика, управление и информатика. 2012. № 8. С. 62 - 67.
4. Лариошкин И.Н., Акименко Т.А. Система управления робототехническим комплексом на базе мобильного робота с локальными контурами управления // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 9. С. 260-265.
5. Акименко Т.А., Лариошкин И.Н. Задачи иерархической оптимизации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 9. С. 360-364.
6. Акименко Т.А., Ларкин Е.В. Исследование системы технического зрения мобильных роботов. В сборнике: Проблемы науки. Материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 150-летию Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева и 60-летию Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2019. С. 131135.
7. Ларкин Е.В., Акименко Т.А., Лариошкин И.Н. Шум полинга и перекос данных // Инновационное развитие техники и технологий наземного транспорта. 2021. С. 203-205.
279
8. Акименко Т.А., Ларкин Е.В., Лариошкин И.Н. Общий принцип реализации команд цифровой системой управления. В сборнике: Актуальные проблемы современной науки и производства. материалы V Всероссийской научно-технической конференции. Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина. Рязань, 2020. С. 189-194.
9. Ларкин Е.В., Акименко Т.А., Лариошкин И.Н. Особенности работы программного обеспечения управляемого роботизированного оборудования. // Актуальные проблемы современной науки и производства. материалы V Всероссийской научно-технической конференции. Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина. Рязань, 2020. С. 195-201.
10. Ларкин Е.В., Привалов А.Н., Акименко Т.А., Лариошкин И.Н. Математическая модели цифровой системы управления с контроллерами Фон-Неймановского типа сложными многоконтурными объектами. Чебышевский сборник. 2020. Т. 21. № 3 (75). С. 129-141.
11. Akimenko T.A., Larkin E.V. The Method of Successive Simplifications of the Semi-Markov Process. // 8-th Mediterranean Conference on Embedded Computing, MECO 2019, DOI: 10.1109/MEC0.2019.8760165.
10. Akimenko T.A., Larkin E.V., The temporal characteristics of a wandering along parallel semi-Markov chains. Communications in Computer and Information Science Volume 1071, 2019, Pages 80-89. 4-th International Conference on Data Mining and Big Data, DMBD 2019. DOI: 10.1007/978-981-32-9563-6_9.
11. Larkin E.V., Akimenko T.A., Kuznetsova T.R., Ostashev S.V. Embedded System Programs Optimization. 2020 9-th Mediterranean Conference on Embedded Computing, MECO 2020, 2020, 9134238. (WOS) DOI:10.1109/MECO49872.2020.9134238.
Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лариошкин Иван Николаевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
STRUCTURE OF THE DIGITAL COMPLEX CONTROL SYSTEM MULTI-CIRCUIT OBJECTS
T.A. Akimenko, I.N. Larioshkin
The structure of a digital control system for complex multi-circuit objects is proposed. The blocks included in the block diagram describe the dynamic processes occurring in the control object through the transfer functions; cross inter-block connections; dynamics of system sensors; reflect the real mutual influence of the contours in the object.
Key words: multi-circuit objects, control system, digital controller, data screw.
Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Larioshkin Ivan Nikolaevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
