Нелинейный преобразователь для систем с переменной структурой

 

НЕЛИНЕЙНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СИСТЕМ С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ, содержащий последовательно соединенные инерционный блок, сравнивающий элемент и переключаемый элемент, соединенный выходом с входом инерционного блока и с входом первого . фильтра низких частот, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, быстродействия и снижения энергопотребления преобразователя , он содержит второй фильтр низких частот, подключенный входом к выходу переключаемого элемента, а выходом - к управляющему входу переключаемого элемента, выполненного в виде трехпозиционного релейного элементаСО смещаемой по оси ординат линейной зоной статической характе- .... ристики.5g

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 С 05 В 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

) ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР.

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3442127/18-24, (22) 24.05.82 (46) 23.09.83. Бюл. Р 35 (72) А ° Я. Бичуцкий (53) 62-50(088.8) (56) 1. Теория систем с переменой:. структурой. Под ред. С. В. Емельянова. M., "Наука", 1970; с. 449, 496.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 532864, кл. G 06 G 7/18, 1974.

3. Измерение, контроль, автоматизация. - Сб. статей, N. ЦНИИТЭИП, 1981, 9 1, с. 27 (прототип) ° (54)(57) НЕЛИНЕЙНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬДЛЯ СИСТЕМ С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ содержащий последовательно соединей„„SU„„1043593 А ные инерционный блок, сравнивающий элемент и переключаемый элемент, соединенный выходом с входом инерциоиного блока и с входом первого фильтра низких частот, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности, быстродействия и снижения энергопотребления преобразователя, он содержит второй фильтр низких частот, подключенный входом к выходу переключаемого элемента, а выходом — к управляющему входу переключаемого элемента, выполненного в виде трехпоэиционного релейного . ) элемента со смещаемой по оси ординат линейной зоной статической характеристики.

1043593

Изобретение относится к самонастраивающимся системам и может быть использовано для .систем с переменной структурой, а также для преобразования переменных состояний объекта и оценки его фазовых координат. 5

Известны нелинейные.преобразователи, содержащие двухпоэиционный релейный элемент (РЭ), охваченный инерционной отрицательной обратной связью (ООС). В зависимости от назначения устройотва в качестве входов и выходов использованы различные токи указанного контура: в дифференцирующем устройстве выходным элементом является фильтр низких частот (НЧ), в нелинейном фильтре выходом устройства является выход ООС l1 3 и Е2 3.

В укаэанных, а также в других аналогичных устройствах, основным средством преобразования йнформации явля. ется скользящий режим, формируемый по сигналу ошибки переключаемым элементом. Точность преобразования информации зависит от полосы пропускания РЭ, т.е. от степени приближения реального скользящего режима к идеальному, определяющему теоретически достижимую точность..Полоса пропускания РЭ зависит от его собственных неидеальностей (гистерезиса, запаздывания, динамических неидеальностей), 3() которые определяют максимально возможные частоты скользящего режима для каждого конкретного построения.

Однако при низких частотах. скользящих режимов увеличивается перемен- Р5 ная составляющая выходного сигнала . на выходе фильтров, устанавливаемых после РЭ, либо требуется увеличение их постоянных времени. Кроме того, увеличение частоты скользящих режи- 40 мов связано с увеличением энергопотребления РЭ, обусловленного динамическими потерями при переключении.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является нели- 45 нейный преобразователь для систем с переменной структурой, содержащий последовательно соединенные инерционный блок, сравнивающий элемент и переключаемый элемент, соединенный вы- 50 ,ходом с входом инерционного блока и с входом первого фильтра низких частот (3 ).

Недостатком известного устройства является либо необходимость больших постоянных времени при филь- трации выходного сигнала РЭ при пониженных частотах скользящего режима, либо увеличение динамических потерь при их увеличении.

Цель изобретения - повышение точ- 60 ности, быстродействия и уменьшение энергопотребления преобразователя. . Цель достигается тем, что преоб разователь содержит второй фильтр низких частот, подключенный входом к выходу переключаемого элемента, а выходом - к управляющему входу пе реключаемого элемента, выполненного в виде трехпозиционного релейного . элемента со смещаемой по оси ординат линейной зоной статической.характеристики.

На фиг. 1 изображена блок-схема нелинейного преобразователя,,на фиг. 2 и 3 - то же, примеры использования изобретения соответственно в нелинейном фильтре и.блоке деления; на фиг. 4 — статические характеристики переключаемого элемента; на фиг. 5 - пример принципиальной электрической схемы, переключаемого элемента.

Блок-схема (фиг, 1-3) содержит нелинейный преобразователь 1, переключаемый элемент 2, инерционный блок 3, первый фильтр 4 низких частот (ФНЧ), сравнивающий элемент 5, второй фильтр 6 низких частот (ФНЧ), двухпозиционный релейный элемент 7 (РЭ).

На фиг. 4 обозначено входной S и выходной U сигналы переключаемого элемента 2, релейные участки а . и Ь характеристик, смещаемую линейную зону с статической характеристики, сигнал управления U nð.

Переключаемый элемент содержит (фиг. 5) операционный усилитель(ОУ)8, цепь автокоммутируемой OOC 9, резисторы 10-15, коммутирующий элемент ,16 и инвертор 17.

Схема, представленная на фиг 3, отличается от схем (фиг. 1 и 2) наличием двухпозиционного РЭ 7, вклю.ченного последовательно между элементами 2 и 3. Так как устройство (фиг. 3) осуществляет операцию деления (т.е. z = x/у), управляющий вход РЭ 7 является входом сигнала у.

Переключаемый элемент (фиг. 5). представляет собой 0У 8, охваченный автокоммутируемой,(через коммутирующий элемент 16) ООС 9 и резисторы

10 и 11. Выход коммутирующего элемента, который при использовании диодов является одновременно его управляющим входом, соединен через делитель (резисторы 13 и 14) с неинвертирующим входом ОУ 8 и через резистор Х5 с входом управления переключаемого элемента 2, а выход ОУ 8 соединен через инвертор 17 с выходом.переключаемого элемента 2.

Принцип действия переключаемого элемента 2.

Операционным усилителем 8, охваченным автокомкутируемой ООС 9, формируется релейний сигнал, если I Sl>51 (фиг. 4), где S< - .постоянная величина, и линейный сигнал, если 5!< 5„.

Сигнал О формируется релейным, если.. коммутирующий элемент 16 пропускает сигнал (один из диодов открыт), т.е.

1043593 разрывается цепь OOC и переключаемый элемент 2 становится компаратором . напряжения. Уровень срабатывания (величина S„) зависит от соотношения резисторов 10 и 12 и от величины сигнала на выходе элемента 16. Причем 5 уровень срабатывания не зависит от величины управляющего напряжения

U>„p, так как оно подается одновременно .через соответствующий делитель напряжения (резисторы 13 и 14) на щ неинвертирующий вход Оу 8.

Величиной напРЯжениЯ ОупропРеДелЯется смещение непрерывной статичес- кой характеристики с внутри эоны нечувствительности, определяемой по ложением релейных участков а и Ъ ;характеристики U f (S, U ä ).

Резистор 15 служит для формирования небольшой положительной образной связи, способствующей ускоренному переходу с участка с на участки сн и 5 20 статической характеристики.

Оператор преобразования входного сигнала S переключаемого элемента 2 в его выходной сигнал имеет вид

U<„ p S 7i 51

+ Оупр 2 при 5 (5.,,.

-U>, при S «< 5., где S - величина эоны нечувствитель-30

1 ности релейной характеристики элемента 2 (фиг. 4))

U - амплитуда релейного сигнала, ! . определяемая уровнями насыщения звена 9; ; 35

К - статический коэффициент не1 редачи линейной характеристики

К - коэффициент передачи по тракту управления (коэффй циент усиления сигнала

"" ïp )Нелинейный преобразователь рабо» тает следующим образом.

Если 5, = -О, т.е. в качестве переключаемого элемента используется- . 45 двухпозиционный РЭ, и не требуетсяприменения звена 6, устройство ,(фиг. 1) представляет собой известное, например (1 ) и (3 ), дифференцирующее устройство. Принцип дЕй-, .50 ствия его основан на том, что при выполнении аусловий скользящего .режима 1)в 5 < О; lim S ЪО, 5 +О S О :... 55 величина S близка.к нулю. Выходной . сигнал интегратора 3 близок цо неличине к сигналу х, т.е. х-а - О. Следовательно, постоянная составляющая (О кв - по терминологии известного(За) щ0 . релейного бигнала U близка .к сигиа». лу х, В идеальном скользящем режиме

Jim г " Оэкь" х (при T à.O)., г,е гйМ

Если переключаемый элемент 2 имеет статическую характеристику ! 51! >О (фиг. 4), то скользящий режим может возникнуть, если выполнены условия а) 13m S 4 О, lim S О, S - + > 1 S. -Э - 5++

a) el SiO, Е. Э О,.

S -- + S S - 5"

1 1 где S„ и S„ — положение релейных участков а и Ь характеристики 0.»

- f (s, О, ).

Иначе говоря, при выйолнении соответствующих условий может возникнуть скользящий режим как на участке с», так и на участке Ъ релейной характеристики.

Например, в некоторый момент t6, при котором выходные сигналы звеньев 3, 4 и 6 (фиг.. 1) равны нулю, на вход преобразователя начинает поступать сигнал вида х =, И, где С вЂ” постоянная величина (f ) U,o ) .

При достижении сигналом х грани, цы 5 „ статической характеристики .

" 0 =Г(5, О„„р), в контуре их элементов 2-3-5 (фиг.5) возникает скользящий режим, при ко» тором

5 0 5 х - 03 51ю и, следовательно, С 0 ) Оэ к э 0 3» х

2 (фиг. 46) °

На выходе устройства появляется сигнал — - — ++0

U В где p(р) — переменная составляющая сигнала, амплитуда которой зависит от постоянной времени T звена 4, от частоты изменения сигнала U и от

)его амплитуды A (фиг. 46).

По мере увеличения сигнала амплитуда A ..колебаний сигнала U уменьшается за .счет смещения участка с статической. характеристики к эиачению ОЭКЬ (фиг "6). IIp A < ОО

ОЭк скользящий режим прекращается и сигнал S начинает уменьшаться (5 — а 0 при t co,), т.е. рабочая точка контура 2-3-5 определяется линейной характеристикой. В этом случае исчезает переменная составляющая сигнала U который имеет вид

К

0 х р

При соответствующем выборе величин К1 и i легко добиться, чтобы

0 Х

1043593

Г

При этом выходной сигнал rr имеет вид

1 ю

»

Ф т.е. в установившемся сигнале отсутствует переменная составляющая, а в переходных режимах она меньше, чем в известных схемах. При этом, в связи с уменьшением. уровня пульсаций сигнала можно уменьшить постоянную времени фильтра НЧ 4, Это объясняется тем, что амплитуда (соответствующая двойной амплитуде сигнала О) всегда меньше двойной амплитуды сигнала двухпозиционного РЭ, т.е.

A (2Up

Следует отметить, что частота колебаний сигнала 0 мало зависит от величины U ", так как первая в основном определяется динамическими воз-,щ .можностями РЭ и не удается ее существенно увеличить в целях уменьшения пульсаций сигнала -z за счет увеличения уровия насыщения РЭ (сигнала 00).

Если в процессе проектирования схемы оказывается, что постоянные времени Т и Г (звенья 4 и б) близки по величине, в качестве сигнала

0 „ можHo использовать выходной сигнал z, т.е. О„пр = z. В этом случае фильтр НЧ б не требуется, а управляющий вход переключаемого элемента 2 непосредственно связан с выходом уст-! ройства.

Все приведенные рассуждения полностью относятся к схемам, приведен- З5 ным на фиг; 2 и 3 с учетом следующих уточнений.

При возникновении скользящего-ре жима в нелинейном фильтре (фиг. 2)

3 . 3 . 1».

u =j r „-u!a», i

Следовательно, < U ) U „в "х, т.е. низкочастотный сигнал х мало искажается фильтром.

В блоке деления." (фиг.: 3), математическое описание. которого в целом дано в известном 1.3 7, всегда существует скользящий режим, формируемый

РЭ 7, в переходных режимах — переключаемым элементом 2, В: установившемся режиме сигнал U для обеспечения переключения РЭ 7 должен быть близок к нулю, поэтому, чтобы обеспечить близость к нулю сигнала S, коэффициент К звена 4 должен быть больше 1.

Из приведенного описания следует, что нелинейный преобразователь для

СПС .обеспечивает по сравнению с известными . более высокую точность преобразования (за счет уменьшения пульсаций сигнала О), повышенное быстродействие (за счет уменьшения инерционности первого фильтра НЧ), пониженное энергопотребление (эа счет уменьшения динамических потерь в переключаемом элементе) .

Кроме того, предлагаемое устройство является источником помех меньшей интенсивности (эа счет уменьшения амплитуды сигнала 0) по сравнению с известными.

Переключаемый элемент при его использовании в укаэанных устройствах имеет меньшую пульсацию выходного напряжения..

1043593

1043593

Составитель В. Нефедов

Редактор Н. Джуган Техред С.Мигуйова Корректор A. Зимокосов, Заказ 7335/49 Тираж 874 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Мдсква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4