Интегральный регулятор негоды

 

Изобретение относится к автоматическим регуляторам и может быть использовано в разнообразных системах автоматического регулирования. Его целесообразно использовать в системах регулирования , к которым предъявляются требования или повышенной точности, или повышенной степени устойчивости или наилучшего быстродействия или минимального перерегулирования. Целью изобретения является повышение быстродействия и запаса устойчивости. Регулятор содержит задатчик, первый масштабирующий резистор, первый усилитель, согласующую схему, регулирующий орган, объект регулирования, измеритель регулируемой величины, второй масштабирующий резистор, формирователь сигнала среднего текущего значения, повторитель напряжения, диоды, резисторы , конденсаторы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 05 В 11

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4836173/24 (22) 07.06.90 (46) 30.03.93. Бюл. № 12 (75) А.Д. Негода (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 283360, кл, G 05 0 7/06, 1968.

Авторское свидетельство СССР № 469177, кл. G 05 В 7/06, 1974.

Дж. Талер и М. Пестель. Анализ и расчет нелинейных систем автоматического управления, М.-Л., 1964, с. 379-382. (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР НЕГОДЫ (57) Изобретение относится к автоматическим регуляторам и может быть использовано в разнообразных системах автоматического регулирования. Его целеИзобретение относится к автоматическим регуляторам.

Цель изобретения — уменьшение указанных недостатков.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема интегрального регулятора Негоды; на фиг. 2 — временные диаграммы его сигналов при подаче с выхода задающего устройства синусоидального сигнала в разомкнутой системе авторегулирования; на фиг. 3 — временные диаграммы сигналов интегрального регулятора Негоды в замкнутой системе авторегулирования скорости вращения элект- родвигателя постоянного тока.

Интегральный регулятор Негоды включает в себя задатчик регулируемой величины 1, выход которого через первый масштабирующий резистор 2 подключен к

„„533 ÄÄ 1805447 А1 сообразно использовать в системах регулирования, к которым предъявляются требования или повышенной точности, или повышенной степени устойчивости или наилучшего быстродействия или минимального перерегулирования. Целью изобретения является повышение быстродействия и запаса устойчивости. Регулятор содержит задатчик, первый масштабирующий резистор, первый усилитель, согласующую схему, регулирующий орган, объект регулирования, измеритель регулируемой величины, второй масштэбирующий резистор, формирователь сигнала среднего текущего значения, повторитель напряжения, диоды, резисторы, конденсаторы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. инверсному входу первого усилителя 3, неинверсн ый вход которого соединен с общим проводом схемы. Выход первого усилителя

3 через согласующую схему 4 и через регулирующий орган 5 соединен с объектом управления 6, снабженный измерителем регулируемой величины 7. Выход измерителя 7 через второй масштабирующий резистор 8 подключен к инвертируемому входу первого усилителя 3. Выходусилителя, являющийся выходом управляющего сигнала, подключен к входу формирователя сигнала среднего текущего значения управляющего сигнала 9, собранного на резисторе 10, конденсаторе 11. Выход узла 9 подключен к входу повторителя напряжения 12, Причем резистор 10 одним концом соединен с выводом конденсатора 11 и с неинверсным вхо1805447 циального усилителя. С его выхода снимается напряжение, равное напряжению на конденсаторе 11. Сигнал среднего текущего значения управляющего сигнала с выхода усилителя 12, а также управляющий сигнал с выхода первого усилителя 3 подаются на входы блоков выделения положительных и отрицательных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего

"0 значения.

Терминологическое определение положительных и отрицательных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения. Положитель"5 ные и отрицательные отклонения получаются при сравнении напряжений управляющего сигнала и сигнала его среднего текущего значения. Положительные отклонения формируются при положительной

20 разности между управляющим сигналом и сигналом среднего текущего значения. Отрицательные отклонения формируются при отрицательной этой разности, При наличии положительных отклонений выходное напряжение положительных отклонений равно напряжению управления, а в промежутках между положительными отклонениями или при сигнале рассогласования, равном нулю, это напряжение равно

30 напряжению среднего текущего значения управляющего сигнала. Аналогично при наличии отрицательных отклонений выходное напряжение отрицательных отклонений также равно напряжению управления, а в промежутках между отрицательными отклонениями или при сигнале рассогласования, равное нулю, также равно сигналу среднего текущего значения.

Математическое определение сигнала

40 положительных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения:

Математическое определение отрица50 тельных отклонений: — 0откл(е) = Uynp(t) при Uynp(t) — 0с.т.з.(t) < О, т.е, при ic.р.(t) > О

0откл(с) = Uc.ò.ç.(t) при Uynp(t) Uc,ò.ç.(t) > О

55 т.е. при ic.ð.(с) < О или при ic.p.(t) = О. дом операционного усилителя 12. Инверсный вход усилителя 12 соединен с выходом этого же усилителя, а второй вывод конденсатора 11 соединен с общим проводом схемы, Блок выделения положительных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения собран на диодах 13 и 14, а также на резисторе

15, Катоды диодов 13 и 14 соединены между собой и соединены с одним выводом резистора 15, второй вывод которого подключен к источнику минусового отрицательного напряжения. Анод диода 13 соединен с выходом первого усилителя 3, а анод диода 14— с выходом усилителя 12. Блок выделения отрицательных отклонений собран на диодах 16, 17, а также на резисторе 18. Аноды диодов 16 и 17 соединены между собой и соединены с одним выводом резистора 18.

Второй вывод которого подключен к положительному источнику питания. Катод диода 16 подключен к выходу первого усилителя 3, а катод диода 17 — к выходу усилителя 12; общие точки диодов 13 и 14, а также диодов 16 и 17 соответственно через первый и второй интегрирующие конденсаторы 19 и 20, а также соответственно через первый диод 21 и через третий диод 22 соединены с входом первого усилителя 3, Общие точки диода 21 и конденсатора 19, а также диода 22 и конденсатора 20 соответственно через второй диод 23 и через чветвертый диод 24 подключены к общему проводу схемы, Интегральный регулятор Негоды, изображенный на фиг, 1, работает следующим образом, С выхода задатчика 1 снимается задающее напряжение регулируемой величины. С выхода измерителя регулируемой величины

7 снимается напряжение, пропорциональное регулируемой величине, которое пропорционально напряжению задания.

Цепь инверсного входа первого усилителя 3 является сумматором токов задатчика 45

1 через масштабирующий резистор 2, измерителя регулируемой величины 7 — через масштабирующий резистор 8, положительной составляющей тока конденсатора 19— через диод 20 и отрицательной составляющей тока конденсатора 22 — через диод 23.

Напряжение, снимаемое с выхода первого усилителя 3, является управляющим сигналом (напряжением) и подается через согласующую схему 4 на вход объекта управления

6, а также через согласующий RC-фильтр, являющийся формирователем сигнала среднего текущего значения управляющего сигнала, на вход повторителя напряжения

12. Усилителе 12 собран íà схема дифферен+0откл(а) = Uynp(t) при Uynp(t) Uc.ò.ç, > О, т.е. при ic.р. < О

+0откл(1) = Uc.ò.ç.(t) при Uynp(t) Uc.ò.ý.(t) < О, т.е. при ic.р.(t) > О или при lc.р.(t) = О

Выделение положительных и отрицательных отклонений осуществляется не относительно нулевого потенциала, а относительно напряжения сигнала средне1805447

20 го текущего значения. Поэтому, например, положительное отклонение управляющего сигнала возможно при отрицательном напряжении на выходе блока выделения положительных отклонений, что не противоречит вышеприведенным определениям.

Блок выделения положительных отклонений, собранный на диодах 13 и 14 и на резисторе 15, работает следующим образом. Напряжение отрицательного источника питания, подключенного к резистору 15, выбирается значительно большим, например раза в два, чем отрицательное напряжение питания усилителей 3 и 12, При равенстве напряжений на выходах усилителей 3 и 12 оба диода 13 и 14 открыты, а напряжение на их общей точке равно напряжению на выходе усилителей 3 и 12, При положительных отклонениях напряжения на выходе первого усилителя 3 по отношению к напряжению на выходе усилителя 12 диод 14 запирается, а напряжение общей точки диодов 13 и 14, если пренебречь потенциалом отпирания диода 13, будет равно напряжению на выходе усилителя

3. При отрицательных отклонениях управляющего сигнала запирается диод 13, а напряжение общей точки диодов 13 и 14 будет равно напряжению на выходе усилителя 12.

Таким образом напряжение общей точки диодов 13 и 14 (напряжение на выходе блока выделения положительных отклонений) всегда равно большему в положительную сторону из выходных напряжений первого усилителя 3 и усилителя 12, т.е, при наличии положительного отклонения управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения напряжения на выходе диодов 13 и 14 равно напряжение управляющего сигнала, а при отрицательных отклонениях-напряжению сигнала среднего текущего значения. Блок выделения отрицательных отклонений выполнено на диодах 16 и 17 и на резисторе 18. Величина питающего положительного источника напряжения, подключенного к резистору 18, выбирается значительно большей (например, раза в два), чем положительное напряжение питания усилителей 3 и 12. Блок выделения отрицательных отклонений работает аналогично блоку выделения положительных отклонений. Напряжение на выходе этого блока (общая точка диодов 16, 17 и резистора 18 равно или управляющему сигналу — при наличии отрицательных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения, или сигналу среднего текущего значения управляющего сигнала — при положительных отклонениях.

Емкостные токи конденсаторов 19 и 20 пропорциональны производным от выходных напряжений соответственно устройства выделения положительных отклонений и устройства выделения отрицательных отклонений. Масштаб дифференцирования сигналов отклонений пропорционален величине конденсаторов 19 и 20, Проводимость диодов 21 и 22 выполнена такой; что емкостные токи этих конденсаторов проходят в сторону инверсного входа операционного усилителя 3 только при нарастании во времени модуля отклонения управляющего сигнала от уровня сигнала его среднего текущего значения, При всяких приближениях управляющего сигнала к сигналу среднего текущего значения диоды 21 и 22 оказываются запертыми.

Работа интегрального регулятора Негоды может быть пояснена с помощью временных диаграмм, изображенных на фиг. 2, выполненных для случая подачи с выхода задатчика 1 синусоидального сигнала при разомкнутой системе авторегулирования при разрыве цепи, например, в резисторе 8.

При отрицательной полуволне задающего напряжения для управляющего сигнала, снимаемого с выхода усилителя 3, можно записать:

Uypp(t) = k (4R2(t) + (Д21(т)) где Uy()p(t) — сигнал управления;

k — коэффициент усиления усилителя 3;

iR2(t) — задающий ток через резистор 2;

1+21(t) — ток через диод 21.

При нарастании положительного отклонения управляющего сигнала

4+21(t) = iC19(t) = C19 д0п,t где ic19(t) — ток дифференцирующего конденсатора 19, Подставив полученное выражение в предыдущее уравнение, получим

Uy4)p(t) = k (— IR2(t) + C19 ) д0п.t

Заметим, что величина Uy)-(p(t) на выходе усилителя 3 вызвана соответствующим током через инверсный электрод этого усилителя т.e. Uynp(t) = k (инэ.эл.(t), ГдЕ (ннэ.эл,(t) — тОК ЧЕРЕЗ ИНВЕрСНЫй ЭЛЕКтрсд усилителя 3.

Следовательно, )инв.эл.(т) = (— 1Й2(ф C1t| — - -) ).

1805447

15 — IRZ(t)

dUyn.t 1

В связи с очень большим коэффициентом усиления усилителя 3 ток инверсного электрода можно принять равным нулю в сравнении с током через резистор 2 и через конденсатор 19. Поэтому последнее уравнение можно переписать так:

Проинтегрировав это уравнение, получим:

Uynp(t) = C J 1Яг(т)сй+ С, 1 где тнач.откл — время начала последнего положительного отклонения управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения

С = Uc.т.з.(тнач.откл.), где Ос.т.з.(Снач.откл.) — уровень сигнала среднего текущего значения управляющего сигнала, какой он был в момент времени начала последнего положительного отклонения.

То есть, для участка нарастания положительного отклонения величина управляющего сигнала принимает вид:

Uynp(t) = Uc.T.ç,(tíà÷.oòêë.)+

+ i R2(t)dt

C)g тнач.откл

Аналогично, при отрицательных отклонениях:

Uynp(t) = Uc.T.ç.(тнач.откл,)

1 ! вг(т)от

Сгд тнач.откл

В промежутки же времени приближения управляющего сигнала к сигналу своего среднего текущего значения при положительном отклонении конденсатор 19 перезаряжается током противоположной полярности в сравнении с током при нарастании положительного отклонения, Ток конденсатора 19 при уменьшении положительного отклонения проходит через диод

23, конденсатор 19 и через резистор 15. При этом токи обратной связи через диоды 21 и

22 отсутствуют, а приближение управляющего сигнала к сигналу своего среднего текущего значения осуществляется по закону

Uynp(t) = k lR2(t), Аналогичным образом происходит формирование управляющего сигнала и при отрицательных отклонениях.

В случаях замкнутой CAP управляющий сигнал в интегральном регуляторе Негоды формируется по таким же алгоритмам — удаление управляющего сигнала от сигнала своего среднего текущего значения осуществляется замедленно — по интегральному закону, а приближение быстро — по пропорциональному закону.

Поскольку в случае замкнутой CAP на вход усилителя 3 подается ток не только с выхода резистора 2, но и ток с выхода резистора 8, а сумма этих токов, как известно, равна току сигнала рассогласования, то последние интегральные уравнения можно обобщить в следующем виде:

Uynp(ф=Ос.т.з.(Тнач.откл,) g 1с.р.(t)dt, 1 тнач.откл . причвм тнач.откл. < t < оконца откл., где оконца откл. — время конца отклонения;

io.р.(t) — сигнал рассогласования.

На фиг. 2 показаны временныедиаграммы сигналов интегрального регулятора Негоды в замкнутом CAP при синусоидальном изменении сигнала задания.

На фиг. 3 показаны те же сигналы, что и на фиг, 2, а также сигнал измерителя регулируемой величины 7 при ступенчатом изменении сигнала задания.

Сигналы регулятора показаны для случая, когда этот регулятор работает в режиме регулятора скорости, а вообще ИН-регулятор может работать с любыми практическими объектами управления, в том числе в качестве регулятора положения, Усилитель 12 не является обязательным. Без него схема также остается работоспособной, но при этом значительно следует увеличить емкость конденсатора 11 и уменьшить величину резистора 10, Усилитель 12 служит для уменьшения емкости конденсатора 11 и для увеличения резистора 10.

Как показали экспериментальные исследования, наилучшие показатели регулятора получаются при использовании в качестве диодов 21 — 24 диодов с минимальным потенциалом отпирания, т.е. в качестве этих диодов целесообразно использовать германиевые диоды.

Преимуществами интегрального регулятора Негоды является следующее:

1, Обеспечение повышенной степени устойчивости, вызванное тем, что алгоритм формирования управляющего сигнала выполнен обеспечивающим стремление управляющего сигнала выровняться по величине с сигналом его среднего текущего значения, что обеспечено тем, что управля1805447

10 ющий сигнал с замедлением удаляется от сигнала среднего текущего значения и без замедления приближается к нему, 2. Обеспечение повышенного быстродействия связано с тем, что благодаря описанному регулятору создается возможность значительного уменьшения емкости дифференцирующих конденсаторов (конденсаторы 19 и 20) регулятора в сравнении с конденсатором обратной связи регулятором-прототипом.

При испытании интегрального регулятора Негоды, смонтированного вместо ПИ-регулятора, в системе управления электропривода "Кемрон" болгарского производства эту емкость удалось уменьшить более чем в 20 раз.

В Стерлитамакском станкостроительном производственном объединении (ССПО) были произведены испытания описанного интегрального регулятора Негоды.

Испытания велись путем введения соответствующих изменений в систему управлен ия реверсивного тиристорного электропривода "Кемрон" болгарского производства, содержащую.ПИ-регулятор. При испытании вместо этого ПИ-регулятора был смонтирован интегральный регулятор Негоды.

В процессе испытания было установлено:

1, Система регулирования интегральным регулятором Негоды имеет более высокую степень устойчивости в сравнении с системой "Кемрона". Показателем правильности этого вывода является то, что система с регулятором Негоды устойчиво работает при конденсаторах обратной связи в 0,04 мкФ, тогда как в ПИ-регуляторе "Кемрона" установлен конденсатор в 1 мкФ.

2. Электропривод с интегральным регулятором Негоды имеет лучшее быстродействие в сравнении с электроприводом

"Кемрон", что проверено осциллографированием.

3. Перерегулирование в системе с ИНрегулятором много лучше, чем в "Кемроне", и практически отсутствует, Формула изобретения

1, Интегральный регулятор, содержащий усилитель постоянного тока, первый

50 масштабирующий резистор, соединенный первым выводом с катодом первого диода, подключенного анодом к катоду второго диода и к первой обкладке первого интегрирующего конденсатора, второй масштабирующий резистор, соединенный первым выводом с анодом третьего диода, подключенного катодом к аноду четвертого диода и к первой обкладке второго интегрирующего конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и запаса устойчивости, в нем установлены блок выделения положительных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения, блок выделения отрицательных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения и сглаживающий фильтр, соединенный входом с выходом усилителя постоянного тока, а выходом — с первыми входами блока выделения положительных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения и блока выделения отрицательных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения, подключенных вторыми входами к выходу усилителя постоянного тока, а выходами — к вторым обкладкам соответственно второго и первого интегрирующих конденсаторов, первые выводы первого и второго масштабирующих резисторов соединены с инвертирующим входом усилителя постоянного тока, анод второго и катод четвертого диодов соединены с общей шиной регулятора, второй вывод первого масштабирующего резистора является входом "Задание" регулятора, второй вывод второго масштабирующего резистора — входом "Регулируемая величина" регулятора, а выход усилителя постоянного тока — выходом регулятора.

2, Регулятор по п, 1, отличающийся тем, что выход сглаживающего фильтра соединен с первыми входами блока выделения положительных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения и блока выделения отрицательных отклонений управляющего сигнала от сигнала его среднего текущего значения через повторитель напряжения.

1805447 - дым. 1() 4 упр (г) + от,г, с,r.г. (<) - от,г,(t ив 7а

Редактор

Заказ 942 Тираж Подписное

BÍÈÈÏÈ 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 Д21 () нагл (p) 1

i улр. ()i!

4 а > Составитель А.Негода

Техред М.Моргентал Корректор О.Густи