Система автоматического управления

 

Изобретение может использоваться в системах автоматизации технологических процессов. Система автоматического управления (САУ) выполнена по принципу подчиненного регулирования параметров на основе автокс- . лебательных развертывающих операционных усилителей (РОУ) с частотноширотно-импульсной модуляцией. Устройство позволяет повысить быстродействие САУ за счет введения в РОУ блоков преобразования биполярного частотно-импульсного сигнала в однополярный с тем же законом модуляций, i 5 ил. 1чЭ 4 ;о 4 СО

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„.Я0„„1249490 А1 (51) 4 G 05 В 23/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ф(I

К А BTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3786071/24-24 (22) 3!.08.84 (46) 07.08.86. Бюл. № 29 (71) Челябинский политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) Л. И. Цытович (53) 62-50(088 ° 8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 842722, кл. G 05 В 23/02, 1981. (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (57) Изобретение может использоваться в системах автоматизации технологических процессов. Система автоматического управления (САУ) выполнена по принципу подчиненного регулирования параметров на основе автокслебательных развертывающих операционных усилителей (РОУ) с частотноширотно-импульсной модуляцией. Устройство позволяет повысить быстродействие САУ за счет введения в РОУ . блоков преобразования биполярного частотно-импульсного сигнала в однополярный с тем же законом модуляции., 5 ил.!

249490

Изобретение относится к области электропривода и может применяться при автоматизации технологических процессов.

Целью изобретения является повышение быстродействия системы автоматического управления (САУ).

На фиг. 1 изображена функциональная схема САУ; на фиг. 2 и 3 — временные диаграммьг ее сигналов; на фиг. 4 — схема, поясняющая техническую реализацию устройства; на фиг. 5экспериментальные характеристики.

В состав САУ (фиг. 1) .входят первый 1 и второй 2 сумматоры, первый 3, второй 4, третий 5 и четвертый 6 интеграторы первый 7 и второй 8 релейные элементы, первый 9 и второй 10 пропорционально-дифференцирующие регуляторы, первый 11 и второй 12 демодуляторы, первый 13 и второй 14 одновибраторы, первый 15 и второй 16 ключевые элементы с зоной нечувствительности, первый 17 и второй 18 демодулирующие фильтры, вентильный преобразователь 19, исполнительный ,электродвигатель 20, датчики 21 и 22 обратных связей САУ, первые 23, 24 и вторые 25, 26 входы интеграторов 5 и 6, клемма 27 для подключения источника задающего сигнала, первый операционный усилитель 28 (фиг. 4), первый конденсатор 29, второй операционный усилитель 30, первый резистор 31, второй резистор 32, второй конденсатор 33, третий, четвертый и пятый операционные усилители 34-36 диод 37, ключевой элемент 38, тран-. зисторы 39-44, третий и четвертый резисторы 45 и 46, стабилитрон 47, пятый, шестой и седьмой резисторы

48-50, потенциометр 51, восьмой резистор 52, третий конденсатор 53, второй стабилитрон 54, третий стабилитрон.55, а также резисторы 56-89, конденсаторы 90-103, диоды 104 и 105.

Функциональное назначение и характеристики основных блоков САУ следующие, Сумматоры 1 и 2 имеют единичный коэффициент передачи во всем диапазоне статической характеристики вход-выход";

Интеграторы 3-6 с передаточной функцией v(p)=l/Тр, где Т - постоянная времени. Кроме того, интеграто" ры 5 и 6 имеют входы 25 и 26 для установки нулевых начальных условий, что происходит под действием сигнала с выхода блоков 13 и 14.

Релейные элементы 7 и 8 имеют симметричные относительно "нуля пороги

5 переключения и неинвертирующую петлю гистерезиса.

Регуляторы 9 и 10 имеют передаточную функцию w(p) =Tp /(Tp +1 ) °

Блоки 11 и 12 служат для выпрямления выходных напряжений регуляторов 9 и 10, Одновибраторы 13 и 14 формируют импульсы заданной длительности и амплитуды синхронно с возникновением на выходе блоков ll и 12.

Ключи 15 и 16 реализованы с зоной нечувствительности +С.

Фильтры 17 и 18 имеют передаточ1 гО ную функцию вида (р)= — —.

1+т, Датчики 21 и 22, в диапазоне рабочих частот САУ являются безинерционными и преобразуют регулируемые координаты двигателя 20 в электрический сигнал заданной мощности.

Преобразователь 19 служит для питания двигателя 20 в функции напряжения на выходе фильтра 18.

В состав САУ входят два идентичЗО ных регулятора на основе РОУ с частотно-широтно-импульсной модуляцией.

Первый регулятор (внешний контур

- регулирования САУ) включает звенья 1, 3„ 5, 7, 15, 17, 9, 1,1, 13, а второй (внутренний контур регулирования)

2, 4, 8, 6, 16, 18 10 12,. 14.

Каждый из регуляторов САУ предназначен для регулирования соответствующими параметрами электродвигателя 20, yg информация о которых поступает с выхода датчиков 21 и 22 обратных связей САУ.

Принцип действия регулятора САУ идентичен, поэтому ограничимся pae- .

45 смотрением каскада, включающего звенья 1, 3, 7, 5, 15, 17, 9, 11, 13 (фиг. 1 и 2 а).

Основной тракт РОУ включает в себя автоколебательную систему на баS0 зе звеньев 1, 3, 7, с помощью которых аналоговые сигналы, поступающие на вход сумматора 1-, преобразуются в импульсный биполярный сигнал с частотно-широтно-импульсной модуля

55 цией.

Релейный элемент 7 имеет симметричные относительно нулевого уровня САУ пороги переключения «+ В, а его

1249490

35

50

55 выходной сигнал может меняться дискретно в пределах, определяемых нап- . ряжением исночника питания РОУ.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии сигнала на входе, например, 27 РОУ (фиг. 2 а) на выходе релейного элемента 7 формируется сигнал у (t) типа "меандр"-со средним нулевым значением (фиг. 2 б).

Выходной сигнал у (t ) интегратора 3 з (фиг. 2 б) имеет форму симметричной

"пилы с амплитудой, ограниченной значением порогов переключения В релейного элемента 7.

Наличие сигнала управления на входе 27 РОУ влечет за собой изменение производной развертки у (4) (фиг. 3 а). В один из полупериодов автоколебаний темп нарастания выходного сигнала интегратора 3 определяется разностью сигналов на входах сумматора 1 (фиг. 2 а), а в другой пелупериод — зависит от сум- мы этих сигналов. В результате за период автоколебаний РОУ постоянная составляющая импульсов на выходе звена 7 достигает уровня, пропорционального величине входного сигнала

РОУ (фиг. 3 а).

Звенья 5, 9, 11, 1 3 и 15 (фиг. 2 а) предназначены для преобразования биполярного выходного сигнала звена 7 в однополярный, что в конечном итоге, позволяет повысить быстродействие сигнала САУ.

Ключевой элемент 15 имеет симметричную относительно "нуля" РОУ зону нечувствительности С (фиг. 2 в, фиг ° 3 д).

Под действием выходного сигнала звена 7, выходной сигнал интеграл i тора 5 нарастает в положительном направлении (фиг. 2 в) ° В моменты времени изменения знака сигнала у (t) (фиг. 2 б) на выходе пропор7 ционально-дифференцирующего регулятора 9 формируются дифференцирующие импульсы у (t) (фиг. 2 а, фиг. 3 б), которые затем демодулируются (выпрямляются) с помощью демодулятора 11 (фиг. 2 д, фиг. 3 в). Получаемый таким образом сигнал у (t) служит для 14 запуска одновибратора 13, выходной сигнал у (t) которого представляет з собой импульсы малой и стабильной длительности с фиксированной ампли тудой (фиг. 2 а, фиг. 3 r).

С помощью импульсов v, (t), подаваемых на второй вход 25 интегратора 5, синхронно с моментом времени изменения знака сигнала y7 (t) (фиг. 2 а, фиг. 3 а) производится установка нулевых начальных условий сигнала у (t) (фиг. 2 в, фиг. 3 д).

Зона нечувствительности С звена 15 . или постоянная времени интегратора 5 (фиг. 2 а) выбираются таким образом, чтобы при нулевом значении сигнала управления на входе РОУ сигнал на выходе ключевого элемента 15 был бы равен нулю.

При изменении скважности импульсов у (t) (фиг. 3 а) на выходе звена 15 формируются однополярные импульсы у (t) (фиг. 3 е), так как установка нулевых начальных условий интегратора 5 осуществляется в моменты времени, когда v,(t)>С (фиг. 3 д).

Постоянная составляющая сигнала у (1)

15 (фиг. 3 е), так же как и импульсов у (t) (фиг. 3 а), пропорциональна велйчине управляющего воздействия на входе РОУ. Разница между импульсами у (4) и у (4) заключается в том, что

7 1 сигнал у (t) содержит более низкий 15 уровень высших гармоник, чем биполярные импульсы y (t). Поэтому при фильтрации сигнала у, (т,) постоянная времени фильтра 17 (фиг. 1) может быть существенно уменьшена по сравне- . нию с тем значением, которое обеспечило бы подавление высокочастотного спектра импульсов у (1). Принцип работы регулятора на основе РОУ с элементами 2, 4, 8, 6, 16, 10, 12, 14 аналогичен.

Следовательно, введение звеньев 5, 9, II, 13, 15 и 6, 10, 12, 14, 16 (фиг. 1) приводит к уменьшению постоянных времени фильтров 17, 18 и обеспечивает повышение быстродействия САУ.

Другой особенностью предлагаемой

САУ является то, что принцип преобразования биполярного выходного сигна" ла релейного элемента 7(8) (фиг. 1) в однополярный сигнал, несмотря на наличие инерционных звеньев 5 и 6, не изменяет динамических параметров каскадов 1, 3, 7 и 2, 4, 8, определяемых частотой их автоколебаний.

Это является следствием того, что интеграторы 5 и 6 выполнены с периодической в функции знака выходных импульсов автоколебательного трактаРОУ установкой нулевыхначальных условий.

1249490

Пример технической реализации РОУ, на основе которого выполняются регуляторы предлагаемой САУ, представлен на фиг. 4.

Звенья 1, 3, 7, (фиг. 2 a) реализуются на операционных усилителях (ОУ) 28 и 30 (фиг. 4). Релейный элемент 7 (фиг. 1) представляет собой регенеративный компаратор с резистором 31 (фиг. 4) в цепи положительной обратной связи ОУ 30. Интегратор 3 (фиг. 2 а) выполнен на ОУ 28 с конденсатором 29 в цепи отрицательной обратной связи (фиг. 4). Конденса- 15 тор 53, стабилитрон 54 и резистор 52 предназначены для дискретного увеличения постоянной времени РОУ в случае, когда амплитуда помехи на входе РОУ превышает линейный (допусти- 20 мый) диапазон изменения входного сигнала развертывающего усилителя.

"Вход 1" и "Вход 2" служат для подключения источников сигнала управления. Передаточная функция РОУ опре- 25 . деляется характером сопротивлений 48-50 ° Потенциометр 51 предназначен для установки "нуля" выходного сигнала РОУ, Дифференцирующее звено 9 (фиг, 2а) щ реализуется на пассивной ВС-цепи

32,33 (фиг. 4).

Демодулятор 11 и формирователь 13 (фиг. 2 а) выполенны на ОУ 34 и 35, стабилитроне 47 и диоде 37.

Интегратор 5 (фиг. 2 а) представляет собой ОУ 36 (фиг. 4) с конденсатором и ключевым элементом 38 в цепи отрицательной обратной связи.

Ключевой элемент 15 (фиг. 2 а),10 реализован на транзисторных каскадах 39-44 и резисторах смещения 45 и 46 (фиг. 4), с помощью которых определяется уровень зоны нечувствительности + С sblxopHoro каскада РОУ.

В качестве базового элемента РОУ используются интегральные ОУ типа

К153УД1.

На фиг. 5 показаны экспериментальные характеристики у =1(д-) для

РОУ с биполярным выходным сигналом (фиг. 2 а, звенья 1, 3, 7) и для

РОУ предлагаемой САУ с однополярным характером выходных импульсов (фиг. 2 а, звенья 1, 3, 7, 5, 9, ll 13, 15). у» (Здесь у =(†(— относительное

° (А ( значение двойной неизменным.

Сравнительный анализ представленных результатов позволяет сделать следующие выводы.

При,использовании в САУ биполярного РОУ для получения амплитуды пульсаций на выходе демодулирующего фильтра 17 первого порядка на уров-

-2

ne y =5 10 необходимо обеспечить значение ТЪ10 (фиг. 5, прямая 2).

Предлагаемый принцип построения;

САУ при том же значении Т=10 (фиг. 5 кривая 6) обеспечивает максимальный уровень у 10 ()0,8).

Таким образом, для получения одного и того же значения у» постоянная времени фильтров 17 и 18 (фиг. 1) в предлагаемой САУ может быть значительно уменьшена, что влечет за со бой повышение быстродействия системы управления в целом.

Например, при T--10 (фиг. 5, прямая 4) у„ для РОУ с бицолярными им1

w (p) = — --.

9 )+Т„

+А

Т=T/Ò

Т, x(t)1

1 А амплитуды у.. пульсаций сигнала на выходе демодулирующего фильтра

РОУ первого порядка с передаточной функцией; амплитуда импульсов на выходе РОУ (амплитуда импульсов на выходе звеньев 7 и 15 равны по модулю, фиг, 2 a); нормированное значение постоянной времени Т демодулирующего фильтра РОУ; период автоколебаний каскада 1, 3, 7 при нулевом значении сигнала на входе РОУ (клемма 27, фиг. 2 а); нормированное значение амплитуды входного сигнала

РОУ при условии, что за период asтоколебаний его значение остается

1249490 — 4 пульсами составит 5 10, а для однополярного РОУ (кривая 8) максимальное значение у» не привышает

10 (д =0,8), т.е. уровень пульсаций в предлагаемой САУ оказывается более чем на 3 порядка меньше амплитуды пульсации, которая характерна для базовой САУ при использовании в ней апериодического фильтра первого порядка.

Формула изобретения

Система автоматического управления, содержащая последовательно соединенные первый сумматор, первый интегратор, первый релейный элемент, выход которого соединен с вторым вхо- 20 дом первого сумматора, первый вход которого подключен к источнику задающего сигнала, последовательно включенные первый демодулирующий фильтр, второй. сумматор, второй интегратор, 25 второй релейный элемент, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, последовательно включенные второй демодулирующий фильтр, вентильный преобразователь и испол- 3ц нительный электродвигатель, к первому и второму выходам которого подключены соответственно входьг первого и второго датчиков обратной связи сисS темы автоматичекого управления, а вы-З5 ходы первого и второго датчиков обратной связи подключены к третьим

1 входам соответственно первого и второго сумматоров, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью повышения быстродействия системы автоматического управления, в нее введены последовательно включенные первый пропорционально-дифференцирующий регулятор, первый демодулятор, первый одновибратор, последовательно включенные второй пропорционально-дифференцирующий регулятор, второй демодулятор, второй одновибратор, последовательно включенные-третий интегратор и первый ключевой элемент с зоной нечувствительности, последовательно включенные четвертый интегратор и второй ключевой .элемент с зоной нечувствительности, причем выход первого релейного элемента соединен с входом первого пропорционально-дифференцирующего регулятора и с первым входом третьего интегратора, а выход первого одновибратора подключен.к второму входу третьего интегратора, выход первого ключевого элемента с зоной нечувствительности соединен с входом первого демодулирующего фильтра, выход второго релейного элемента подключен к входу второго пропорционально-дифференцирующего регулятора и к первому входу четвертого интегратора, второй вход которого соединен с выходом второго одновибратора, а выход второго ключевого элемента с зоной нечувствительности соединен с входом второго демодулирующего фильтра.

1249490

1249490, 1249490

Ю-2 я-5 (0-9

0f 02

Кри Юие — ll

Составитель В, Королев

Техред Н.Бонкало

Редактор П. Коссей

Корректор А. Тяско

Заказ 4323/48- Тираж 836. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открь|тий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

1,5 дю 7= f,0

2,6 олл 7=10

3,7 дМЯ 7 = 412

9,g оля Т= /0>

08 09 05 0Ю 07 Og для регистра6 на оснобе ррах с оиполярным оыходным сигналом — — — Яля pezacmpoE на осноВе

РОУ С одноаолярным Йыкооным сигналом