Нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением

 

Изобретение относится к нелинейным корректирующим устройствам и может быть использовано для повышения устойчивости и улучшения качества путем автоматического управления. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет снятия ограничений на вид входного сигнала. Устройство содержит усилитель с настраиваемым коэффициентом усиления, дифференциатор, усилитель с фиксированным коэффициентом усиления, два низкочастотных фильтра, три сумматора , два инвертора и два множительных элемента . Сущность изобретения заключается во введении входного дифференциатора и делителя на основе интегратора и множительного элемента, что позволяет снять ограничение на входной сигнал. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 05 В 5/01

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4456294/24 (22) 06.07.88 (46) 07.03.92, Бюл. М 9 (72) Е.С.Вересов . (53) 62-50 (088.8) (56)1,Авторское свидетельство СССР

N 1076870, кл. 6 05 В 5/01, 1983.

2,Авторское свидетельство СССР

N 1476429, кл. G 05 В 5/01, 1987. (54) НЕЛИНЕЙНОЕ КОРРЕКТИРУЮЩЕЕ

УСТРОЙСТВО С ФАЗОВЫМ ОПЕРЕЖЕНИЕМ (57) Изобретение относится к нелинейным корректирующим устройствам и может быть использовано для повышения устойчивости

Предлагаемое корректирующее устройство относится к классу нелинейных и может быть использовано для повышения устойчивости и улучшения динамических характеристик систем автоматического управления, Известно большое разнообразие нелинейных корректирующих устройств, эквивалентные амплитудно-фазовые частотные характеристики которых не зависят от амплитуды входного си нала и которые могут быть отнесены к классу псевдолинейных.

Наиболее желательными корректирующими устройствами этого типа являются такие, которые обеспечивают с ростом частоты входного сигнала подавление усиления без изменения фазы; увеличение фазового опережения без изменения усиления или подавления усиления, сопровождаемое увеличением фазового опережения. При этом желательно, чтобы нелинейное корректирующее устройство сохраняло заданные характеристики и было работоспособным,, SU „„1718182 А1 и улучшения качества путем автоматического управления, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет снятия ограничений на вид входного сигнала, Устройство содержит усилитель с настраиваемым коэффициентом усиления, дифференциатор, усилитель с фиксированным коэффициентом усиления, два низкочастотных фильтра, три сумматора, два инвертора и два множительных элемента. Сущность изобретения заключается во введении входного дифференциатора и делителя на основе интегратора и множительного элемента, что позволяет снять ограничение на входной сигнал. 3 ил. при наличии постоянной составляющей во входном сигнале.

В работах Фастер У„Гйзекинг Д..

Уеймейер У. Нелинейный фи, р с нов а симыми трактами для фазы и амплитуды (с примерами применения). Теоретическиеосновы инженерных. расчетов. Труды Американского общества инженеров-механиков, серия Д, Мир„1966, 1Ф 2 и Нелинейные корректирующие устройства в системах автоматического управления./Под ред.

Ю.И.Топчеева, M. Машиностроение, 1971, с. 13-32, 73-77 рассмотрены и проведены исследования нелинейных корректирующих устройств, относящихся к подклассу псевдолинейных. Рассмотренные в указанных работах структурные схемы псевдослучайных корректирующих устройств реализованы в виде многоканальных,-в частном случае двухканальных, нелинейных фильтров, в которых, как правило, каналы для фазы и амплитуды являются независимыми, а выходной сигнал формируется в виде произ1718182

10 блок выделения модуля, два блока умножения, три релейных элемента, два блока срав- 45

55 ведения сигналов с выходов каждого из каналов. При этом одним из основных элементов рассматриваемых структурных схем псевдолинейных корректирующих устройств являются линейные фильтры с заданными передаточными функциями, включенные в соответствующие каналы устройств, блоки взятия модуля, блоки сигнатуры, блоки деления и умножения, функциональные блоки, усилители, инверторы и сумматоры, С помощью таких корректирующих устройств удается получить эквивалентный эффект, соответствующий подавлению усиления беэ изменения фазы, увеличению фазового опережения беэ изменения усиления или подавлению усиления, сопровождаемого увеличением фазового опережения с ростом частоты входного сигнала. Однако такие корректирующие устройства обладают рядом существенных недостатков, основными из которых являются следующие: существенно нелинейный характер выходного сигнала, часто являющегося разрывной функцией времени, что может вызывать возникновение автоколебаний в корректируемой системе автоматического управления, ограниченные возможности по величине эквивалентного фазового опережения, ие превышающего 90О, сложность настройки и регулировки, слабая помехозащищенность и надежность в работе из-за использования линейных упреждающих фильтров в каналах фазы и амплитуды. Кроме того, такие корректирующие устройства могут работать только в том случае, если входной сигнал является гармоническим, Наличие во входном сигнале постоянной составляющей приводит к потере работоспособности этих корректирующих устройств.

Известно псевдолинейное корректирующее устройство по авт.св. ЬЬ 703772, кл. 6

05 В 5/01, опублик, 15.12.79. Оно содержит неиия, суммирующее устройство и усилитель. Это корректирующее устройство позволяет получить постоянное эквивалентное фазовое опережение, которое не зависит от амплитуды и частоты входного сигнала. Однако такое корректирующее устройство обладает указанными выше недостатками, сложно в реализации, ие обеспечивает возможности регулирования величины эквивалентного фазового олережения и сохраняет работоспособность только при гармоническом входном сигнале, Известно псевдослучайное корректирующее устройство по авт.св. М 708298, кл. G

05 8 5/01, опублик, 05,01.80. Оно содержит

35 линейные фильтры в фазовом и амплитудном каналах, блок сигнатуры, инвертор, два элемента И, нуль-орган и экстраполятор нулевого порядка. Корректирующее устройство позволяет добиться независимости эквивалентных амплитудной и фазовой час-— тотных характеристик. Эквивалентное фазовое опережение может достигать до 130 а выходной сигнал до некоторой степени сглаживается экстраполятором нулевого порядка. Однако это корректирующее устройство также обладает недостатками, Его выходной сигнал остается существенно нелинейным, экстраполятор нулевого порядка вносит дополнительное запаздывание, сравнительно мало эквивалентное предельное фазовое опережение, а линейные упреждающие фильтры, включенные в фазовом и амплитудном каналах устройства, снижают помехозащищенность, Работает такое корректирующее устройство только при гармоническом входном сигнале.

Известно псевдолинейное корректирующее устройство для систем управления, содержащее последовательно соединенные блок сигнатуры, блок выделения модуля, интегратор с конденсатором в цепи обратной связи и блок умножения (1). С целью уменьшения фазового запаздывания и повышения точности воспроизведения входного сигнала в него введены логический блок, а также последовательно соединенные сумматор и усилитель, выход которого соединен с вторым входом блока умножения, причем вход устройства является входом блока сигнатуры, сумматора и логического блока, выход которого соединен параллельно с конденсатором интегратора и является его вторым входом. В ыход блока умножения соединен с вторым входом сумматора и является выходом устройства, Недостатком корректирующего устройства является то. что выходной сигнал является разрывной функцией времени, величина эквивалентного фазового опережения ограничена узким диапазоном частот, а само корректирующее устройствО работает только при гармоническом.входном сигнале.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является нелинейное корректирующее устройство с фаэовым опережением, содержащее два усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, два низкочастотных фильтра, два инвертора, два сумматора, множительный элемент и блок деления (2). Это нелинейное корректирующее устройство позволит осуществить эквивалентное неминимально-фазовое преобразование входного сигнала с фазовым опережением бзз изменения коэффи1718182 ректирующее устройство с фазовым опережением способно работать как при гармоническом входном сигнале, так и при наличии во входном сигнале постоянной

5 или медленно меняющейся составляющей.

Устройства с предлагаемой совокупностью признаков в просмотренных источниках информации не обнаружены, Следовательно, можно сделать вывод о том, 10 что заявляемое нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 представлена структурная схема нелинейного корректирующего устрой15 ства с фазовым опережением; на фиг. 2— эпюры сигналов на входе и выходе блоков устройства; на фиг. 2 -его логарифмические частотные характеристики, .

Нелинейное корректирующее устройст20 во с фазовым опережением включает в себя усилитель 1 с перестраиваемым коэффициентом усиления, дифференциатор 2, усилитель 3 с фиксированным коэффициентом усиления, первый 4 и второй 5 низкочастот25 ные фильтры, первый 6 инвертор, второй 7 сумматор, второй 8 инвертор, третий 9 сумматор, интегратор 10, второй 11 и первый 12 множительные элементы и первый 13 сумматор.

30 Нелинейное корректирующее устройство с фаэовым опережением содержит первый 6 инвертор, вход которого объединен с входом усилителя 3 с фиксированным коэффициентом усиления. Выход последнего со35 единен с последовательно включенными первым 4 и вторым 5 низкочастотными фильтрами и входом первого 12 множительного элемента, выход которого соединен с первым входом первого 13 сумматора, Вы40 ход первого сумматора является выходом нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением, выход первого низкочастотного фильтра 4 соединен с первым входом второго 7 сумматора, второй

45 вход которого соединен с выходом первого

6 инвертора, а выход через второй 8 инверциента усиления, его эквивалентная передаточная функция имеет вида(р) = (1+ Тр)/(1— Тр), которая не может быть реализована

55 никакой линейной комбинацией линейных звеньев. Недостатки данного корректирующего устройства заключаются в его ограниченных функциональных возможностях, обусловленных тем, что оно может работать только при гармоническом входном сигнале, а также имеется возможность сбоя в работе блока деления, когда синфазные гармонические сигналы, поступающие íà его входы; проходят через нуль.

Цель изобретения — расширение обла-. сти применения устройства за счет снятия ограничений на вид входного сигнала.

Цель достигается тем, что в нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением, содержащее первый инвертор, вход которого объединен с входом усилите-. ля с фиксированным коэффициентом усиления, выход которого соединен с последовательно включенными первым и вторым низкочастотными фильтрами и первым входом первого множительного элемента, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого является выходом нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением, причем выход первого низкочастотного фильтра соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого инвертора, введены усилитель с перестраиваемым коэффициентом усиления, информационный вход которого является входом устройства, дифференциатор, интегратор, второй множительный элемент и третий сумматор, выход которого через интегратор соединен с вторым входом первого множительного элемента и первым входом второго множительного эле, мента, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго низкочастотного фильтра, при этом выход второго интегратора соединен с вторым входом второго множительного элемента и третьим входом третьего сумматора, вход устоойства соединен с третьим входом первого сумматора, выход усилителя с настраиваемым коэффициентом усиления, вход коррекции коэффициента усиления которого является корректирующим входом устройства, через дифференциатор соединен с входом первого инвертора. Подобное выполнение предлагаемого нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением позволяет расширить область его применения за счет снятия ограничений на вид входного .сигнала, а именно такое нелинейное кортор соединен с вторым входом первого 13 сумматора. Выход третьего сумматора 9 через интегратор 10 соединен с вторым входом nepeoro множительного элемента 12 и первым входом второго множительного элемента 11, выход которого соединен с первым входом третьего 9 сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго низкочастотного фильтра 5, Выход второго инвертора 8 соединен с вторым входом второго множительного элемента 11 и третьим входом третьего сумматора 9, вход устройства соединен с третьим входом первого сумматора 13. Выход усилителя 1 с пере1718182 страиваемым коэффициентом усиления, вход коррекции коэффициента усиления которого является корректирующим входом устройства, через дифференциатор 2 соединен с входом первого 6 инвертора. 5

Нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением работает следующим образом.

Входной гармонический сигнал, содержащий постоянную составляющую 10

U«0о+ Од Sin Nt, проходя через усилитель 1 с перестраиваемым коэффициентом усиления и дифференциатор 2, описываемые передаточной функцией 15

w 1(p)

ktN

P,(йу) = arcsin

Обозначим

02A=0A*Dt(e); Qt= в t+ Л (в), 25

Тогда 02= 02д sin Qt, Сигнал U2, проходя через первый канал, состоящий из последовательно соединенных усилителя 3 с фиксированным коэффициентом усиления, первого 4 и второго 5 30 низкочастотных фильтров и описываемый передаточной функцией 2(Р) = 2/(1 + Тр) преобразуется в сигнал 05= 02д * D2(в) *

sin (Qt — рг(в )), 35 гДЕ 02(В) =

1 + Т вг

1 T2N2

tp2 (в) =агс cos

1+Т2в2

Тот же сигнал Ог, проходя через второй канал, состоящий из двух параллельных трактов, первый из которых. состоит из последовательно соединенных усилителя 3 с 45 фиксированным коэффициентом. усиления и первого 4 низкочастотного фильтра, а второй — из первого инвертора 6 и последовательно с ним соединенного второго сумматора 7, к первому входу которого под- 50 ключен выход первого тракта, описываемый передаточной функцией ф)з(р) -* (1 Тр) f(1 + Тр), преобразуется на выходе второго сумматора 7 в сигнал 55

U7 Огд * Оз(N) " sin f Qt -. p ç (N)) где Эз(в)=1;

1 Т2в2 т" 3 (в) агс соз

1+Т. в

На втором инверторе 8 сигнал 07меня, ет знак:

Ua = -Огд sin (Qt — p s (в )1

Сумма сигналов U5 и Ua, получаемая на третьем сумматоре 9, имеет вид

Ug = 02A " 04(N) * sin (Qt р з (в ))

1 Т2в2 гДЕ 04(В )1+Т в

Отсюда видно, что сигналы Us и 09 MM8-. ют одинаковые фазовые сдвиги, т.е. синфазны, но отличаются амплитудными характеристиками. Отношение этих сигналов на каждой заданной частоте в любой момент времени является постоянной величиной, равной

* 1 — Т в

q — Uq /Us = = -с0$ rp(ru ), 1 +Т2в2 где у(в) = рг (в) =фз (в) .

Отношение сигналов Ug* и Ов осуществляется на интеграторе 10. в цепи обратной связи которого включен второй множительный элемент 11, на второй вход которого подается сигнал 08 с второго инвертора 8. В установившемся режиме на выходе интегратора 10 сформировано отношение сигналов Ug и Оа.

Ою=q---cos р(в)

На первом множительном элементе 12 осуществляется умножение выходного сигнала усилителя 3 с фиксированным коэффициентом усиления на выходной сигнал интегратора 10:

U à = 2q02 = 202д соз р(в) sin Q t, На первом сумматоре 13 осуществляет-. ся снижение входного сигнала и выходных сигналов второго инвертора.8 и первого множительного элемента 12:

Овык=Овк U2A Sin f Qt y(В))+2U2ACOS

P (в) $! и Q t = Овк + Огд sin f Q t + P (N )).

В итоге на выходе нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением формируется сигнал .=й (Гв (). Wl )а где

Pî (1р(, в) (180о

Отсюда видно, что выходной сигнал нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением содержит постоянную составляющую входного сигнала и линейную комбинацию гармонических сигналов. Относительно переменной составляющей входного сигнала эквивалентная передаточная функция корректирующего устройства имеет вид

° р1 - 1 + k †* — — .

1 +Т

1+г 1 — Т

1718182

30

Если принять k = 2 и r = Т, то эквивалентная передаточная функция нелинейного корректирующего устройства по переменной составляющей имеет вид +т 5

1 — т а выходной сигнал

О.gix= Uc+ Up, sin (e t+p(в)).

Изобретение расширяет область rfpnменения устройства за счет снятия ограни- 10 чений на вид входного сигнала.

Формула изобретения

Нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением, содержащее первый инвертор, вход которого объединен 15 с входом усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, выход которого соединен с последовательно включенными первым и вторым низкочастотными фильтрами и первым входом первого множитель- 20 ного элемента, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого является выходом нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением, причем выход первого низко- 25 частотного фильтра соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с. выходом первого инвертора. а выход:,срез в арой инвертор соединен с вторым в од и рвого сумматора, о т л и ч а ю щ е е o s; т м, что, с целью расширения области приме .ения за счет снятия ограничений на вид входного сигнала, в него введены усилитель с перестраиваемым коэффициентом усиления, информационный вход которого является входом устройства, диффе ренциато р, интегратор, второй множительный элемент и третий сумматор, выход которого через интегратор соединен с вторым входом первого множительного элемента и первым входом второго множительного элемента, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго низкочастотного фильтра,,при этом выход второго инвертора соединен с вторым входом второго множительного элемента и третьим входом третьего сумматора, вход устройства соединен с третьим входом первого сумматора, выход усилителя с перестраиваемым коэффициентом усиления, вход коррекции коэффициента усиления которого является корректирующим входом устройства, через дифференциатор соединен с входом первого инвертора.

1718182

Фиг. 2

1718182

Составитель Е.Вересов

Редактор Т.Юрчикова: Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Заказ 880 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101