Многопороговый релейный элемент с опережающей характеристикой

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для формирования управляющего сигнала исполнительными органами системы управления динамическим объектом . Целью изобретения является расширение функциональных возможностей , снижение энергозатрат и уменьшение времени переходного процесса. Многокодовый релейный элемент с one

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИН

ИЮ (И) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬЗТИЯМ

ПРИ fXHT СССР

1 (21) 4690515/21 (22) 06.03.89 (46) 23.02.91. Бюл. К 7 (72) Г.Я. Леденев (53) 621 396(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 1378034, кл. Н 03 К 5/24, 09.09.86. (54) МНОГОПОРОГОВЫЙ РЕЛЕЙНЫЙ ЭЛЕИЕНТ

С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ

5 (5g)$ Н 03 К 5/24, С 05 В 1/02

2 (57) Изобретение относится к измеритеЛьной технике .и может быть использовано для формирования управляющего сигнала исполнительными органами системы управления динамическим объ- ектом. Целью изобретения. является расширение функциональных возможностей, снижение энергозатрат и уменьшение времени переходного процесса.

Многокодовый релейный элемент с oneI

1629977

20 режающей характеристикой обеспечивает возможность нелинейного формирования управляющего сигнала при несовпадении знаков этого сигнала и ско5 рости изменения регулируемой координаты. В. многопороговом релейном элементе выход элемента 1 сравнения соединен с входами первого 2 и второго

3 релейных элементов, выходы которых 10 через интегратор 4 .заведены на инвертирующий вход элемента 1 сравнения и входы элементов И 7-tO. Выходы третьего 5 и четвертого 6 релейных

Изобретение относится к имйульсной технике и может быть использовано для формирбвания управляющего сигнала исполнительными органами системы

\ управления динамическим объектом.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет нелинейного формирования управляющего сигнала при несовпадении знаков этого сигнала и скорости изменения регули- 30 с руемой координаты, снижение энергозатрат на управление и уменьшение перерегулирования и времени переходного процесса.

На фиг. 1 представлена схема многопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой; на фиг.

2 - схема фазовых траекторий системы уп-: равления, использующей предлагаемый многопороговый релейный элемент с опере 40 жающей характеристикой.

Многопороговый релейный элемент с опережающей характеристикой содержит элемент 1 сравнения, первый 2 и второй 3 релейные элементы, интег- 45 ратор 4, третий релейный элемент 5, четвертый релейный элемент 6, первый

7, второй 8, третий 9, четвертый 10, пятый. 11 ° шестой 12, седьмой 13 и восьмой 14 элементы И, два элемента

ИЛИ15 и t6, делитель 17 частоты, реверсивный счетчик 18,. два триггера

19 и 20. При этом выход элемента 1 . сравнения соединен с входом первого релейного элемента 2 и, входом второго релейного элемента 3. Выход первого релейного элемента 2 подключен к первому входу интегратора 4 и к входам первого элемента И7, четверэлементов заведены на другие входы элементов И 7-10 и на входы элементов И 13 и 14. Формирование выходного сигнала U+ осуществляется с выхода первого триггера 19, устанавливаемого в "1" элемента И 7 и обнуляемого сигналом элемента И 14 через последовательно соединенные элемент ИЛИ 16, делитель частоты 17 и реверсивный счетчик 18 импульсов. Через эту последовательную цепь элементом И 13 производится обнуление второго триггера 20, формирующего выходной сигнал. 2 ил. того элемента И10 и седьмого элемента

И13. Выход второго релейного элемента 3 соединен с вторым входом интегратора 4. Инверсный выход второго релейного элемента 3 подключен к входам второго элемента И8, третьего элемента И9 и восьмого элемента И14. Выход третьего релейного элемента 5 соединен с другими входами первого элемента И7 и третьего элемента И9. Выход четвертого релейного элемента 6 соединен с другими входами второго элемента И8 и четвертого элемента Н10.

Инверсный выход третьего релейного элемента 5 соединен с вторым входом пятого элемента И11 и вторым входом седьмого элемента И13, инверсный выход четвертого релейного элемента

6 соединен с вторым входом восьмого элемента И14 и с первым входом пятого элемента И11, выход которого подключен к входу установки в "0" реверсивного счетчика 18 импульсов. Выход первого элемента И7 соединен с входом установки в "1" первого триггера 19 и первым входом второго элемента

ИЛИ16. Выход второго элемента И8 соединен с входом установки в."1" второго триггера.20 и вторым входом второго элемента ИЛИ16.

Второй элемент ИЛИ16, делитель 17 частоты, реверсивный счетчик 18 им-. пульсов, восьмой элемент И14 и первый триггер 19 соединены последовательно. Выход третьего элемента И9 подкЛючен к первому входу. первого элемента ИЛИ15, второй вход которого подключен к выходу четвертого элемента И10. Выход реверсивного счетчика

1629977

18 импульсов соединен с первым входом шестого элемента И12, второй вход которого подключен к выходу пеовог элемента ИЛИ15. Инверсный выход реверсивного счетчика 18 импульсов соединен с третьими входами седьмого 13 и восьмого 14 элементов И. Выход седьмого элемента И13 соединен с входами установки в "О" второго триггера 20 и делителя 17 частоты, выход восьмого элемента И14 соединен с входом установки в "О" первого триггера 19 и делителя 17 частоты.

Выход шестого элемента И12 подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 18 импульсов.

На схеме (фиг. 2) обозначено: Х— регулируемая координата (входной сигнал); Х вЂ” скорость изменения регулируемой координаты; ?.о, L(Ь, ?, L L — линии переключения на фазо(° Я вой плоскости Х, Х

Схема работает следующим образом.

Пусть входной сигнал Х увеличивается от О. До тех пор, пока X (h, где h —уровень срабатывания третьего релейного элемента 5, выходные сигналы третьего 5 и четвертого 6 релейных

+ элементов соответственно U (U +Э инверсный сигнал) и Ug (U — инверсный сигнал) равны: U+ = О, 11з = 1, П = О, U> = 1, "О" обозначает низкий уровень, " 1" — высокий уровень.

В этом случае выходной сигнал пятого элемента И11 R = 1 осуществляет обо нуление реверсивного счетчика 18 им7 пульсов, а выходные сигналы 1-4 элементов И 7-10 равны соответственно

R (= О, Rg = О, R — О и R< = О.

При достижении входным сигналом Х значения Х = 11 пронсходит срабатывание первого релейного элемента 2 (3 — уровень срабатывания первого релейного элемента 2, считаем, что в начальный момент времени интегратор 4 обнулен и его выходной сигнал .I = О)и его выходной сигнал U((поступает на вход интегратора 4 и входы четвертого 10 и седьмого 13 элементов И. Так как Uз = О (б (h), то выходной сигнал четвертого элемента

И R< = О, Выходной сигнал седьмого элемента И13 Кт = 1, так как инверсный выходной сигнал реверсивного счетчика 18 импульсов с = 1 (счетчик

18 импульсов обнулен). Сигнал Г+=

Сигнал Ку = 1 производит обнуление второго триггера 20 и делителя 17 частоты. Одновременно сигнал U

15 о

= U> (U> — уровень выходного сигнала

U ) вызывает изменение выходного сигнала интегратора 4 I на величину ц (релейный элемент 2 включен до тех пор, пока выходной сигнал элемента сравнения S не станет равным О). Выходной сигнал элемента 1 сравнения ра+ вен S = Х - Х. Условие S = 0.(условия отпускания первого релейного элемента 2) при X = E могут быть выполнены при I = 1, Полагая далее, что

Ф

/Х /(< JJ(J, можно считать, что изменение сигнала I на величину о происходит sa короткое время (1; - время включенного состояния релейного эле мента 2). в течение которого величина Х изменяется несущественно.

20 Если далее сигнал Х продолжает возрастать, то при Х = 2g срабатывает первый релейный элемент 2 на время, подтверждая нулевое состояи ние второго триггера 20 и увеличивая

25 сигнал I на величину g (I = 2h)Пусть Х увеличивается до величины Х .

В этом случае включение первого релейного элемента 2 произойдет х. раз (i = Х;/g) и величина I станет рав30

Пустьh=n E(n= 1, 2, 3, ... — saданное число). При Х = h произойдет включение третьего релейного элемента 5. Fro выходной сигнал О = 1, -+

U = О. Выходной сигнал пятого .элемента И11 R = О снимает обнуление о счетчика 18 импульсов, Сигнал U 9 1 дает разрешение на прохождение импульсов через первый элемент И7. на вход второго элемента ИЛИ16 и установку в "1" первого триггера 19. При X = h первый .триггер 19 устанавливается в единичное состояние и его выходной сигнал U+ = 1 (выходной управляющий сигнал при положительном входном сиг

45 н е XPP)

Одновременно сигнал U > - =1 дает разрешение на прохождение сигналов

0 с выхода второго релейного элемента 3 через третий элемент И9 на вход . первого элемента ИЛИ1.5. Сигнал Г = 1, если сигнал U = -Uä (включен второй релейный элемент 3) и U+ = О, если

Ug = О (второй релейный элемент выключен).

Сигнал U+9 = О запрещает прохождение сигналов обнуления R через седьмой элемент И13, сигнал U< = О (второй релейный элемент 3 выключен) saпрещает прохождение сигналов R об77

16299 нуления первого триггера 19 и делителя 17 частоты с выхода восьмого элемента И14 (сигнал К = О), Пусть сигнал Х продолжает возрастать. Предположим, что коэффициент деления делителя 17 частоты равен m (m p 1), Предположим также, что сигнал

Х достиг своего максимального значения в точке X = Х = Р с . 3a это вреР 10 мя на вычитающнй вход реверсивного счетчика 18 импульсов с делителя 17 частоты поступит и = ((P — и)/и) иипульсон (квадратные скобки обозначают целую часть числа) . После по15 ступления первого импульса на вычитающий вход реверсивного счетчика 18 с выхода делителя 17 частоты выходной сигнал реверсивного счетчика 18

С = О, С = 1 (код числа в реверсивном счетчике 111 ... 11). Сигнал

С = 0 запрещает прохождение сигнала обнуления К8 а сигнал С = 1 разрешает прохождение сигнала R с выхода первого элемента ИЛИ15 на сумми- 25 рующий вход реверсивного счетчика 18. .В момент достижения сигналом Х значения Р E выходной сигнал интегратора 4 I = Р.E. Пусть сигнал Х после своего достижения максимального значения X ..= =Р 3 начинает уменьшаться. При Х = (P †. 1)Ю сигнал элемента 1 сравнения S = — E . .При этом срабатывает второй релейный элемент 3 (его уровень срабатывания равен — Р, а уровень отпускания равен "0"). Выходной сигнал второго реЛейного элемента 3 U < = -Uo (-Uä - величина выходного сигнала U ) поступает на второй вход интегратора 4, а U = 1 поступает иа второй вход элемейта

И8, третьего элемента И9 и восьмого элемента И14. Сигнал Гу = 1 проходит через третий элемент И9 (U = t), первый элемент ИЛИ15 и шестой элемент H12 (C = 1) на суммирующий вход 45 реверсивного счетчика 18.

Сигнал U = -П изменяет (умень2 шает) выходной сигнал интегратора 4

I на величину t, т.е. при Х = (Р—

- 1) с I = (P — 1) О . В дальнешем 50 при уменьшении Х на величину Д происходит повторное включение второго релейного элемента 3 на время с которое уменьшает иа величину tI сигнал I., а с выхода U< подает импуль- 55 сный сигнал через третий элемент И9, первый элемент И15 и шестой элемент

И12 на суммирующий вход реверсивного счетчика 18 .(во время этого импульса их выходные сигналы равны соответственно: R - =1, R = 1 и R+= 1).

При дальнейшем уменьшении сигнала Х импульсы U будут поступать до тех пор на суммирующий вход реверсивного счетчика 18 импульсов, пока код этого счетчика не станет равным

000 ... 00. Это произойдет после поступления r импульсов (на вычитающий вход реверсивного счетчика 18 импульсов поступило.с выхода делителя 17 частоты также г импульсоМ). В этот момент времени выходные сигналы счетчика 18 импульсов станут равными:

С = 0 С = 1. Сигнал С = 0 запрещает ф о

+ прохождение импульсов R на суммирующий вход счетчика 18, а сигнал С = -1 разрешает прохождение импульсов П» через восьмой элемент И 14 (tT = 1) на вход установки в "0" первого триггера 19 и делителя 17 частоты, В этот момент времени U = 0 (первый триггер 19 установлен в нулевое состояние) .

Таким образом, при Х О формирование выходного сигнала U начинается при Х = h (h = n с ), а заканчивается при Х = Х = РE- r 3 (P — r)f где Х = Pf- максимальное значение

ГР - п1 входного сигнала Х, r = ).

Иными словами, формирование выходного сигнала начинается при X = h а. заканчивается при Х =.Х, т,е. имеет место эффект опережения.

Определим ширину зоны опережения !

Н в виде

P n I = Х -h = (P-п)- 3 Р>п (.1)

В

При уменьшении Х от нуля (Х(0) устройство работает аналогичным образом. В этом слу:ае при Х = - g срабатывает второй релейный элемент 3 и его выходной сигналЯ» = 1 через восьмой элемент И14 (С = 1, U з = 1) производит установку в "0" первого триггера 19 и делителя 17 частоты.

При Х =, -h срабатывает четвертый релейный элемент 6 (его уровень срабатывания равен -h), разрешая прохождение сигналов U .÷åðåç второй элемент И8, который своим выходным сигналом R< = 1 (U = 1 б = 1) уста 3 Ф навливает второи триггер 20 в единичное состояние. С этого момента времени начинается формирование выходного сигнала U = -1 при Х<0 (с выхода второго триггера 20). Сигнал

М.

U = 1 разрешает прохождение сигна9

1629977

Io — вx=h. (X О), I., — Х = -Ъ, (X(0) линии включе- (2). ния

Ь Х са лов Ч1 через четвертый элемент И10.

Сигнал U > = О снимает сигнал обнуления Ro с реверсивного счетчика 18 импульсов. Импульсы с выхода второго элемента И8 начинают поступать через второй элемент ИЛИ 16 (сигнал R ) и делителя 17 частоты (сигнал R") на вычитающий вход реверсивного счетчика 18.

Пусть после достижения минималь— ного. значения входным сигналом Х =

Х = Pf последний начинает увеличиваться. При. этом срабатывает первый релейный элемент 2 и его выходной сигнал UZ = 1 (Х = -(Р— 1)0 )через четвертый элемент И10, первый элемент HJIH15 и шестой элемент И12 поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 18. После поступления на этот вход r импульсов (r =

20 ((Р— п/mJ кои счетчика (8 станет равным 000...00, сигналы С = О, С = 1.

Сигнал С = 1 разрешает прохождение импульсов U через седьмой элемент 25

И13 (U > = 1), на вход установки в "3" второго триггера 20 и делителя 17 частоты (выходной сигнал седьмого элемента И13 R7 1). В этот момент времени второй триггер 20 устанавливает- 30 ь — Фх=

% т

Ф где Х вЂ” значение ускорения коордиA наты Х, возникающего при Формировании управляющего сигнала Ц = 1 (или U = 1), Уравнения(линий пере. ключения L u I. могут быть получе- (4p ( ны на фазовой и:;.оскости Х, Х с учетом равенства (1), определяющего уровень входного сигнала X = h + H, при котором происходит отключение управляющего сигнала (U = О, U = О). 45

Рассмотрим движение изображающей точки А (О, X„) на фазовой плоскости .Х,.Х (фиг. 2). Система управления с предлагаемым многопороговым релейным элементом с опережающей характеристикой имеет фазовую траекторию:

А- А - А А,-- -А А (точки принадлежат линиям переключения L> ь, ь, ь ).

Система управления с известным мйогопороговым релейным элементом

-:с опережающей характеристикой имеет фазовую траекторию: А À А -е» ! А — 4 А4 -а .А .-лА6- - АТ A8. . ся в нулевое состояние и его выходной сигнал U .=. О.

Таким образом, при Х (О формирование выходного сигнала U начинается при Х = -h а заканчивается при.Х =

= -Х,я = -(P — г)о . Ширина зоны опережения Н определяется аналогично (1) с противоположным знаком.

Рассмотрим процесс управления на фазовой плоскости Х, Х на примере управления инерционным объектом второго порядка с передаточной функцией

V (р) 1/Р2

Состояние объекта"управления определим координатами Х и Х (X — координата положения объекта, Х вЂ” координата скорости изменения положения объекта). Если управляющий сигнал

U = О (U+-= О, U О), то фазовые траектории — линии, параллельные оси Х. Если управляющий сигнал U (U = 1) или Ц -1 (U = 1)., то фазовые траектории параболы, Управления линий переключения имеют вид (3) ключения, Х (-h

Как уже отмечалось, известное устройство не формирует управляющий сигнал при несовпадении знаков этого сигнала и скорости изменения регулируемой координаты (в правой полуплоскости при Х:» О и в левой б» б полуплоскости при Х сО) либо формирование управляющего сигнала заканчивается всегда при одном и том же значении регулируемой координаты, пусть, например, при Х = Х . 3Ъ нии включения для рассматриваемого случая L и Lo, а линии выключения

Ьд и Ь< определяются уравнениями х = х„и х = -х„, если х х„.

На интервале h < Х <Х> линией выключения будет ось Х. Однако за счет конечного значения велиа.-.HbI 8 формирование управляющего сигнала будет заканчиваться с некоторым запаздыванием что обусловливает набор скорос ти изменения регулируемой координаты

1 и

Х = - 2хе ок при X>0 и Х

162997

= Д2Й, 1 при X (0.

Оцейим энергозатраты Q, перерегулирование Я в переходном режйме и время переходного процесса Т . Счита- 5 ем, что переходной процесс заканчи. вается, если скорость изображающей точки f Х /.< Х,(1 в области -h с Х(h (Х.>.- некоторая заданная величина).

Под перерегулированием 4 будем пони- 10 мать отношение Хщ /Х,, где Х „,— максимальное значение координаты Х при. управляющем сигнале U одного знака, Х,я, — максимальное значение координаты Х при управляющем (очеред- 15 ном) сигнале U другого знака.

Энергозатраты 1(можно оценить в

N ( виде (= К (Х (где К вЂ” коэффициент пропорциональности, Х вЂ” скорость движения изображаемой точки в облас1 E ти h (Х (h, если Х > ) ) X„с учетом ее набора,и гашения (считаем, что энергозатраты производятся в течение времени формирования управляющего 25 сигнала U = 1, U = 1).

При использовании предлагаемого многопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой энергозатраты Q равны

Q = К((Х,! + 2/2,(+ !Х,!).

При.использовании известного многопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой энергозатраты О будут равны

Q - к((х,(+ г (x,(+. 2(x,(+ fx,()

Использование предлагаемого многопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой в системах управления динамическим обьектом

40 позволяет осуществлять нелинейное фор« мирование управляющего сигнала при несовпадении знаков этого сигнала и скорости изменения регулируемой координаты (линии выключения L и Е1).

Эти линии (3) на фазовой плоскости

Х Х являются параболами с горизонФ тальной осью. Такое формирование управляющего сигнала расширяет функциональные возможности многопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой, что приводит к значи. тельному улучшению динамических характеристик системы управления.

Формула изобретения

Многопороговый релейный элемент с опережающей характеристикой, содер7

12

° ° жащий элемент сравнения, выхоП"которого подключен к входам первого и второго релейных элементов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами интегратора, подключенного выходом к инвертируемому входу элемента сравнения, неинвертирующий вход которого соединен с входом третьего релейного элемента, подключенного выходом к первому входу первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого релейного элемента, а выход соединен с входом установки в "1" первого триггера, при этом инверсный выход второго релейного элемента подключен к первому входу второго элемента И, выход которого соединен с, входом установки в "1" второго триггера, о т л и ч аю щ и. и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет нелинейного формирования управляющего сигнала при несовпадении знаков этого сигнала и скорости изменения регулируемой координаты, снижения энергозатрат на управление и уменьшения перерегулирования и времени переходного процесса, в него дополнительно введены четвертый релейный элемент., третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой.и восьмой элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, делитель частоты и реверсивный счетчик импульсов, при этом выход третьего релейного элемента соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго релейного элемента и первым входом восьмого элемента И, первый вход четвертого элемента И соединен с выходом первого релейного

-элемента и первым входом седьмого элемента И, второй вход четвертого элемента И соединен с вторым входом второго элемента И и выходом четвертого релейного элемента, вход которого подключен к неинвертирующему входу элемента сравнения, а инверс» ный выход соединен с вторым входом восьмого элемента И и с первым входом пятого элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу третьего релейного элемента.и к второму входу седьмого элемента И, а выход пятого элемента И соединен с входом установки в "0" реверсивного счетчика импульсов, выход которого подключен к первому входу шестого . элемента И, второй вход которого со1629977

1О

С остави тель Н . Мар кин

Редактор H. Тулина Техред Jl.câðäþêoâà . КоРРектор Л. Бескид

Заказ 443 Тираж 465 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул, Гагарина, 101 единен с выходом первого элемента

ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом третьего элемента И, а второй вход — с выходом четвертого элемента.И, выход первого элемента И соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу второго элемента И, а выход соединен с входом делителя частоты, выход которого подключен к вычитающему входу реверсивного счет-! чика импульсов, суммирующий вход которого соединен с выходом шестого элемента И, а инверсный выход реверсивного счетчика импульсов подключен к третьим входам седьмого и восьмого элементов И, причем выход седьмого элемента И соединен с входом установки в "0" делителя частоты и второго триггера, а выход восьмого элемента И соединен с входом установки в "0" делителя частоты и первого три гг ер а.