Динамический фильтр в релейных системах управления

 

Изобретение относится к устройствам фильтрации. Целью является расширение области применения за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала и повышение точности. Шина релейного управляющего сигнала 1 соединена со входами элемента ИЛИ и управляющими входами второго 12 и третьего 14 ключей, шина отрицательного релейного управляющего сигнала 2 соединена со вторым входом элемента ИЛИ и управляющими входами четвертого 15 и пятого 17 ключей. Каждое из л последовательно соединенных звеньев содержит последовательно включенные сравнивающее устройство 3, усилитель 4, сумматор 5 и интегратор 6. Выход интегратора 6п п-го

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 05 В 5/01

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

4 (21) 4940957/24 (22) 03.06.9.1 (46) 23.08.93. Бюл, t4 31 (71) Головное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Энергия" (72) Г.Я,Леденев (73) Головное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Энергия" (56) Авторское свидетельство СССР

М 1029141, кл. 6 05 В 13/02, 1983.

Авторское свидетельство СССР

М 1388828, кл; G 05 В 13/02, 1988. (54) ДИНАМИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР В РЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

„„. Ж„„1836656 А3

2 (57) Изобретение относится к устройствам фильтрации. Целью является расширение области применения за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала и повышение точности. Шина релейного управляющего сигнала 1 соединена со входами элемента

ИЛИ и управляющими входами второго 12 и третьего 14 ключей, шина отрицательного релейного управляющего сигнала 2 соединена со вторым входом элемента ИЛИ и управляющими входами четвертого 15 и пятого 17 ключей, Каждое из и последовательно соединенных звеньев содержит последовательно включенные сравнивающее устройство 3, усилитель 4, сумматор 5 и интегратор 6. Выход интегратора 6П и-го

1836656 динен с входом второго интегрирующего блока 13, выход которого соединен с шиной положительной скорости управления 19 и

Сигнальным входом третьего ключа 14, вы5 ход которого подсоединен к третьим входам сумматоров 51, 52,...5п всех звеньев. Выход четвертого ключа 15 соединен с входом третьего интегрирующего блока 16, выход которого подключен к шине отрицателЬной

10 скорости управления 20 и сигнальному входу пятого ключа 17, выход%оторого соединен с четвертыми вхОдами сумматоров 51, 5,...5п всех звеньев, Динамический фильтр работает следующим образом. Пусть на вход фильтра поступают сигналы X+ р, где X — полезный сигнал, p—

+ сигнал помехи, сигнал U — релейный управляющий сигнал на создание положительной скорости изменения входного сигнала Х, сигнал U — релейный управляющий сигнал на

20 создание отрицательной скорости изменения входного сигнала Х, В соответствии со схеМой, приведенной на фиг. 1, запишем Очевидные соотношения в оперативной форме, S1= Х+,и-Z, +

Я =Еч +Ey +Fy

81= t 1S1+ E

Rn =- nSn +

Sn =Yn-1-2, Sï

Тр+1

Rn

Y„-=

2- Yn+ Ys, Зп и-го звена, входу апериодического звена

8 и сигнальным входам второго 12 и четвертого 15 ключей, а выход первого ключа 10 35

К0

Яя=0

Sn + Fqi звеньев установившейся скорости 18 входного сигнала, Выход второго ключа 12 сое- и звена соединен с входом суммирующего блока 7. Выход сравнивающего устройства

3, соединен со входами апериодического звена 8 и первого 10, второго 12 и четвертоro 15 ключей, Выход первого интегрирующего блока 11 соединен со. вторыми. входами сумматоров 5, выход третьего ключа 14 соединен с третьими входами зтих сумматоров, выход пятого ключа 17 соединен с четвертыми входами тех же сумматоров. На выходе nepeoro интегрирующего блока 11 формируется сигнал установившейся скорости входного сигнала, на выхоИзобретение относится к устройствам фильтрации в релейных системах управлеЦель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет формирования истинно о значения скорости изменения входного полезного сигнала и повышение точности, На чертеже представлена схема динамического фильтра в релейных системах управленияя.

Шина положительного релейного, управляющего сигнала 1 соединена с первым входом злемента ИЛИ 9 и управляющими входами второго 12 и третьего 14 ключей, шина отрицательного релейного управляющего сигнала 2 соединена со вторым входом элемента ИЛИ 9 и управляющими входами четвертого 15 и пятого 17 ключей. Каждое из и последовательно соединенных звеньев содержит последовательно включенные сравнивающее устройство 3, усилитель 4, сумматор 5 и интегратор 6. Выход интегратора 6п и-го звена соединен с первым входом суммирующего блока 7, второй вход которого подключен к выходу апериодического звена 8, а выход суммирующего блока

7 соединен с вычитающими входами сравНИВаЮЩИХ УСтРОйСтВ 31, 32„..3п ВСЕХ ЗВЕНЬев. Инверсный выход элемента ИЛИ 9 соединен с управляющим входом первого кл юча 10, сигнальный вхОД которого ПОДключен к выходу сравнивающегоустройства соединен со входом перого интегрирующего блока 11, выход которого подсоединен ко

ВтОрЫМ ВХОдаМ СуММатсрОВ 51, 52,.Д5п ВСЕХ де второго интегрирующего блока 13 формируется сигнал положительной скорости управления, на выходе третьего интегрирующего блока 16 формируется сигнал отрицательной скорости управления.

Динамический фильтр без искажения про. пускает полезный сигнал и значительно ослабляет сигнал помехи, При этом повышается точность и расширяются функциональные возможности фильтра за счет формирования истинных значений скорости изменения входного полезного сигнала. 1 ил.

Еу =U (Sn+Fó ), U (Q1) 1836656

1,если0 =О.U =0

О, если О -1 или 0 -1

ГдЕ Z — ВЫХОдНОй СИГНаЛ фИЛЬтра, S1..., Sn— выходной сигнал сравнивающего устройства пеРвого и и-го звена, R1,... Rn — выхоДной сигнал первого и и-го звена, Y1,... Yn — выходной сигнал интегратора первого и и-го звена, K1,... Kn — коэффициент передачи усилителя первого и п-го.звена, ея — выходной сигнал первого интегрирующего блока 11, c+y — выходной сигнал второго интегрирующего блока 14, а у — выходной сигнал третьего интегрирующего блока.17. Ys и Т вЂ” выходной сигнал и постоянная времени апериодического звена 8 соответственно, Ко — козффици- Я() ент передачи первого 11, второго 13 и третьего 16 иинтегрирующих блоков, P d/dt — оператор, aqua — значение сигнала сч на момент времени ti при котором U = О, еу{+—

+ значение сигнала е у на момент времени tJ, 25 при котором 0 = 1, ку{ — значение сигнала

Яу на момент вРемени tk, пРи котоРом О = 1.

Сигналы 0 и 0 принимают значения 0 или 1.

Из (1) имеем

ЕА(р) = ХВ(р) + р В(р) + яп1 С(р) (2) 30 (7) ° . r

С учетом (7) (8) Р2Х РзХ Рп+2 Х

Иэ (2) имеем

+(а2 Ь2)Р ) Откуда с учетом (8) где

35 (3) Ко TP +1 (4) х (г —:

Так как Em - coAst, то из (10) с учетом (5) после умножения на орератор P имеем (5) (12) 45

Пусть (13) К

50 А()N ) где К вЂ” коэффициент подавления сигнала рс на частоте изменения этого сигнала и,. Как следует иэ(3) и (4) при определенно выбран55 ных коэффициентах а{ (! - О, 1. 2... A + 2) и

Ь2 можно достичь значительного (и ропорционального м" ) подавления сигнала,и, поэтому иэ (10) имеем (6) Z X, (PZ РХ) (14) Еу = U (Sn +fyk }, U =E0 1) A(P) = а +2 Рп 2+ an+1 Рп 1+

+ anPn+... + a1P + ao

В(Р) Ь2Р + а1Р + ао

С(Р) = ап+2 Р + an+1 Р +... +

+азР +С1Р ап+2=Т, an+1 = KnT+2, а

= (KnT + 1) Кп-1 + Kn ап-1 = (KnT + 1) Кп-1 Êï-2 + Kn Kn-1 а2 (KnT+ 1) Кп-1" K1+ Кп "K2

à1-(Kn+ KoT) Кп-1 К1, ао - KoKn-1 К1

Ь2 = (КпТ+ 1) Кп-1...К1, C1 = Кп...К2 явь если U = 1

+ + е,п - еч{ + е у{, если U = 1

Яя{+ Eyk, если О = 1

Будем рассматривать такие процессы управления в релейных системах, для кото+ рых характерно при отсутствии сигналов U и 0 (О = 1) изменение входного сигнала со скоростью Х = Хя - const, при наличии сигнала U - 1 изменение входного сигнала Х

° ° ( со скоростью Х - Xy + xq - const, при наличии сигнала U - 1 изменение входного сигнала Х со скоростью Х-Xy+ Xq. const, т.е., ° 1 +

Xy +Xq coAst, есЛи 0 -1

М ф

X -. Хя - const, если О - 1 у+ Xq - const, если U - 1

ZA(P) ХА(Р) + р В(Р) + em С(Р)-Х(PA+2 + + РЗ + z = x+ -- {- - + - {- - - . < о1

А(Р) А(Р) Определим, установившиеся значения сигналов яq, ау и8 у. Пусть U = 1. Из(1) 2

X (К Т. +1 ) Р + (Kn + Ko T) P + Ko z- x+ p — А(Р}

1836656

Е.=X, (F.m-PX) (24) 2=X+

В P

A(P) р (25) 30

> x. -х

Хо (26) (19) Еп еч! Xq

40 (20) Wxq (шо ) =

é4 (28) (21) 50

Если, например r - 0,1 Х»,.то погрешность известного фильтра д при в -3 1/сек. с учетом (26); (27) и (28) будет равна О;09 (97,).

Для рассматриваемого случая считаем, 55 что в моменты времени, когда Х» > О, формируется сигнал U 1, э при X» < 0 формируется сигнал 0 - 1. Погрешность предлагаемого динамического фильтра как это следует из(25) сводится к нулю(считаем, что коэффициент подавления К высок), тэк еу =.еу -Х„ (23) I а;

Например, при су 10 1/сек., п = 3, Кс - Кг

Кз - 1 1/сек., Т-5 сек.

К = " -"— м 0,8 10 з ,Р . Ьг

С учетом (7) и (14) для рассматриваемого случая из (11) имеем ел n (t) (Xq — eql )+eqg (15) . где fl(t) —.переходная функция на единичное воздействие звена с передаточной функциией Wn(P) и (р)—

"о тР+1)

П г (К, т+1) Р +(Kp + Kp T) P + Kp

Выбором коэффициентов К<, К и Т можно достичь монотонного возрастания функции П(т). Тогда на любом интервале(Ф, tw), для которого 0 —; 1, Xq — aqua > Xq — Kq((+1) {17) где еч(н-1) значение сигнала е q в момент времени тн-1.

По истечении некоторого времени Ь

Xq-еч < 0 {18) где Л- малая величина. С учетом (18) установившееся значение е q равно

Аналогично можно определить установившееся значение E y (0 - l) Для этого случал еу - VVn (P ) (Р2 — (ела +

+ еуГ ) ) + еу1

С учетом (7) и (14) из (20) имеем еу =П(т) (Х, +Х, — (е, +

+ +

+еу) ) )+еуГ

Учитывал (19) из (21) находим установившееся значение еу

1

/ еу =еу " Ху (22)

Аналогично находится и установившее-

CA 3H8qeHN8 Еу

В установившемся состоянии из (6), (7), (21), (22) и (23) Подставляя (24) в (9), получим

Таким образом, рассматриваемый динамический фильтр в релейных системах управления без искажения пропускает полезный сигнал Х и осуществляет подавление сигнала помехи,и с коэффициентом подавления Кр, Оценим точность известного и предлагаемого динамического фильтров. Пусть Хэ (сигнал задэтчика скорости изменения входного сигнала известного устройства) представляет собой релейную знакопеременную функцию частотой в и амплитудои Ха.

Предположим, что истинное значение скорости изменения входного сигнала Х отличается от заданного значения Х» на величину r. Разложим функции r(t) и X(t) в ряд Фурье и ограничимся первой гармоникой. Погрешность д динамического фильтра определим. в виде где Xp — амплитуда истинного сигнала Х, Хф

-фактическое значение сигнала 2 на выходе динамического фильтра. б — 1

Истинное значение Xp = (Х»+ r) в„ фактическое значение Хф можно определить в виде

Хф =Xp+WTq(N0}r (27) где крутя (во ) — коэффициент передачи известного фильтра по отношению к сигналу r.

Коэффициент передачи W>q(а ) можно оценить в виде

1836656 дом отрицательного релейного управляю.щего сигнала динамического фильтра, выход первого интегрирующего блока является выходом сигнала установившейся скорости входного сигнала динамического фильтра, выход второго интегрирующего блока является выходом положительной скорости управления динамического фильтра, выход третьего интегрирующего блока является выходом отрицательной скорости

Формула изобретения

Динамический фильтр в релейных системах управления, содержащий первый интегрирующий блок, апериодическое звено, управления динамического фильтра.

Составитель Г,Леденев

Техред М,маргентал Корректор И, Кешеля

Редактор

Заказ 3019 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 как выходной сигнал фильтра Z равен истинному значению сигнала Х, т,е. Z = Х, = Хф, Как следует из (25), предлагаемый динамический фильтр сводит к нулю и интеграл ошибки, т.е. имеет более высокую точность.

Предлагаемая схема динамического фильтра расширяет функциональные возможности за счет формирования на выходе первого 11, второго 13 и третьего 16 интегрирующих блоков сигналов фактической скорости изменения полезного сигнала установившегося состояния (19), режима управления положительной скоростью (22) и режима управления отрицательной скоростью (23). Например, в релейных системах управления ориентацией твердого тела (угловой скоростью вращения) сигнал с выхода первого интегрирующего блока 11 характеризует угловое ускорение от возмущающего момента, действующего на твердое тело, сигнал с выхода второго 13 и третьего 16 интегрирующих блоков характеризует ускорение, создаваемое управляющим двигателем при задании положительной или отрицательной скорости движения твердого тела. Знание углового ускорения имеет важное значение для процесса управления, так как априорное их определение с заданной точностью невозможно из-за неточного знания управляющего момента и момента инерции твердого тела и незнания возмущающего момента.

Предлагаемый динамический фильтр пропускает без искажения полезный сигнал

Х и осуществляет подавление сигнала помехи р, с коэффициентом подавления К .

Сравнение заявляемого решения с другими решениями показывает, что использование ключей, элементов ИЛИ, интегрирующих блоков известно, Однако, введение: в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемый динамический фильтр вышеназванных элементов приводит к проявлению новых свойств: повышению точности и расширению функциональных возможностей за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала.

40 суммирующий блок и последовательно соединенные и звеньев, каждое из которых содержит последовательно включенные сравнивающее устройство, усилитель, сумматор и интегратор, при этом выход интегратора и-го звена соединен с первым входом суммирующего блока, второй вход которого подключен к выходу апериодического звена, вход которого соединен с выходом сравнивающего устройства n-ro звена, а выход первого интегрирующего блока соединен с вторыми входами сумматоров каждого звена, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала и повышенияточности, в него.введены дополнительно второй и третий интегрирующие блоки, с первого по пятый ключи и элемент ИЛИ, инверсный выход которого соединен с управляющиМ входом первого ключа, выход которого подключен к входу первого интегрирующего блока, а сигнальный вход соединен с выходом сравнивающего устройства и-ro звена и сигнальными входами второго и четвертого ключей, выходы которых соединены соответственно с входами второго и третьего интегрирующих блоков, подключенных выходами соответственно к сигнальным входам третьего и пятого ключей, выходы которых соединены соответственно с третьими и четвертыми входами сумматоров всех звеньев, вычитающие входы сравнивающих устройств которых подключены к выходу суммирующего блока, при этом управляющие входы второго и третьего ключей и первый вход элемента ИЛИ соединены с входом положительного релейного управляющего сигнала динамического фильтра, управляющие входы четвертого и пятого ключей и второй вход элемента ИЛИ соединены с вхо