Автоматические системы с моделью в контуре управления

Значения управляющих воздействий в системах со встроенными моделями (предсказывающими устройствами, предикторами) определяются по уравнениям модели объекта из условия устранения ошибки регулирования, — а не алгоритма прямого счета с параметрами, настраиваемыми непосредственно на объекте, как в регуляторах со стандартными законами управления. Использование явной постановки задачи регулирования и применение алгоритмических способов ее решения позволяет существенно повысить качество управления за счет использования методов оптимизации и значительно снизить затраты времени на настройку регулятора.

К настоящему времени разработано достаточно большое количество регуляторов с прогнозом; наиболее известными являются регулятор Смита для объектов с большим запаздыванием, "алгоритмическое управление с моделью" (algorithmic model control), схема косвенного регулирования (inferential control), регулятор с внутренней моделью (internal model control), "динамическое матричное управление" (dynamic matrix control, DMC), регуляторы состояния (state control). Эти регуляторы имеют специальную структуру и потенциально позволяют решать сложные задачи автоматизации, которые не удается реализовать с помощью обычно используемых традиционных алгоритмов ПИД-управления. Это относится к задачам управления объектами с очень большой инерцией (с часовыми и более постоянными времени — на некоторых химических и биотехнических производствах, управлению гидротехническими режимами и т.д., на которых обычные метолы настройки не могут быть применены). Эти алгоритмы нашли также применение и в многосвязном регулировании.

При разработке алгоритмов регулирования с прогнозом преследуются цели повысить динамическую точность регулирования (по разным критериям); упростить и снизить затраты на настройку систем регулирования за счет применения модели в контуре управления. Многочисленные исследования подтверждают, что эти цели в целом достигаются, хотя решения подчас не лежат на поверхности. Обычно регуляторы со встроенной моделью (с прогнозом) строятся как импульсные, работающие в дискретном времени, представляют собой при этом в основном цифровые фильтры, реализующие алгоритмы прямого счета.

На рис. 3.4 представлена схема системы автоматического управления с встроенной моделью технологического объекта. В основе данной системы лежат способ подготовки управляющего воздействия по уравнениям модели объекта при конкретном значении ошибки регулирования. Модель работает в реальном времени параллельно объекту, воспринимая сигнал управляющего воздействия. Рассогласование между сигналами выходной переменной объекта и модели используется для расчета скалярного критерия ошибки при действии возмущающих воздействий , приведенных к входу объекта.

Управляющее воздействие подготавливается на основе разности сигналов — так, чтобы ее компенсировать в процессе функционирования системы.

В состав регуляторов с прогнозированием в качестве основных функциональных блоков входят: модель объекта, формирователь управляющих воздействий и фильтр в обратной связи. Модель объекта встраивается в алгоритм управления как его основной блок, определяемый принятым принципом управления. Применяется либо непосредственно модель "вход-выход", либо некоторое приближение обратной модели — соответственно принятому способу использования модели в алгоритме. Формирователь управляющих воздействий (собственно регулятор, закон регулирования) предназначается для генерации управляющих воздействий по результатам обработки информации в модели объекта и сравнения значений ее координат с соответствующими заданиями. Фильтр в обратной связи служит для настройки модели с помощью вектора настроечных параметров , необходимой из-за неизбежных ошибок моделирования, эволюции объекта, а также влияния шумов и нелинейностей.

В системах со встроенной моделью (internal model control) косвенно контролируются приведенные к выходу возмущения, которые компенсируются по схеме разомкнутого управления; неточности компенсации устраняются за счет действия обратной связи по ошибке регулирования. Для этой цели параллельно объекту включается его модель "вход-выход" по каналу управляющего воздействия; измеряемая в темпе с процессом невязка модели используется в контуре обратной связи через регулятор, в которую включен инерционный фильтр. Фильтр используется для обеспечения робастности контура управления.