Измеритель параметров состояния объектов управления

 

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в системах автоматического управления, а также в системах другого назначения, имеющих электрически измеримый выход. Вновь введенные в устройство признаки обусловили появление нового свойства - на выходе АЦП и в блоках измерения конечной разности сигналов формируются значения параметров, однозначно характеризующие состояние объекта управления. Сущность изобретения: сигнал с электрически контролируемого объекта управления поступает на аналоговый вход АЦП, с выхода которого поступают сведения о величине сигнала с объекта управления, с выхода первого блока измерения конечной разности - сведения о приращении сигнала за период дискретизации, с выхода второго - сведения о приращении приращения и так далее до выхода "n"-го блока, с выхода арбитра разности поступают сведения о числе параметров, характеризующих состояние объекта. Таким образом, данные с выходов измерителя образуют в комплексе вектор параметров состояния, включающий сведения о величине выходного сигнала объекта и всех его конечных разностей, отличных от нуля. Рациональное использование данных измерителя открывает новые возможности в организации контроля и управления объектом. 5 ил.

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в системах автоматического управления, а также в системах другого назначения, имеющих электрически измеримый выход.

Известна система определения или идентификации параметров объекта, содержащая модель объекта идентификации, блока сравнения, блок памяти, блок запрета, первый и второй блока реализации алгоритмов идентификации и коммутатор (авт. св. СССР N 1156001, кл. G 05 B 13/02, 1983), в которой величины коэффициентов динамической модели, включенной в систему, целенаправленно меняются, достигают значений, при которых сигнал, характеризующий степень несовпадения выходных переменных модели и объекта, минимален, в этом положении фиксируются и принимаются за параметры, характеризующие объект.

Недостатком известной системы являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные предопределенностью модели, заложенной в систему и ее вероятным несовпадением с типом модели, объективно соответствующим объекту, а также малое быстродействие, характерное для любых процедур подстройки.

Известно устройство для контроля, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), дешифратор, первый регистр, генератор тактовых импульсов и регистратор (авт. св. СССР N 1406604, кл. G 06 F 15/46, 1986). Основное назначение этого устройства установление соответствия сигналов с объекта сигналам уставки, формируемым извне.

Однако это устройство не определяет величин, характеризующих объект, что является основным его недостатком.

Целью изобретения является обеспечение возможности измерения величин параметров состояния за счет преобразования значений напряжений, поступающих с выхода АЦП, в значения параметров состояния объекта управления.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель, содержащий аналого-цифровой преобразователь, дешифратор, первый регистр, генератор тактовых импульсов, и регистратор, снабжен буфером данных и преобразователем напряжение-состояние, выполненным из последовательно соединенных идентичных n блоков измерения конечной разности (БИКР) уровней сигналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого регистра, второго регистра и сумматора, второй вход первого регистра соединен с вторым входом сумматора, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом первого регистра первого блока измерения конечной разности уровней сигналов и с первым входом буфера данных, каждый предыдущий первый выход сумматора соединен с входом каждого последующего первого регистра блока измерения конечной разности и с втоpым входом буфера данных, первый выход генератора тактовых импульсов соединен с синхровходами АЦП и преобразователя напряжение-состояние, а второй выход генератора тактовых импульсов соединен с третьим входом синхронизации буфера данных, измеритель снабжен также арбитром размерности, выполненным из n компараторов, двоичного шифратора и элемента И-НЕ с числом входом > 1 + log₂n, вход каждого компаратора соединен с вторым выходом сумматора соответствующего блока измерения конечных разностей, выходы n компараторов соединены с входами двоичного шифратора, выходы которого соединены с четвертым входом буфера данных и с количеством входом элемента И-НЕ, численно равным log₂n, выход элемента И-НЕ соединен с пятым входом буфера данных, а первый и второй выходы генератора тактовых импульсов соединены также с синхровходами арбитра размерности.

Благодаря указанному выполнению измерителя на выходе АЦП и в блоках измерения конечной разности сигналов формируются значения параметров, однозначно характеризующих состояние объекта управления. При этом с выхода АЦП поступают сведения о величине сигнала с объекта, с выхода первого блока измерения конечной разности сведения о приращении сигнала за период дискретизации, с выхода второго сведения о приращении приращения и так далее до выхода n-го блока, с выхода же арбитра размерности поступают сведения о числе параметров, характеризующих состояние объекта.

Данные с выходов измерителя образуют в комплексе вектор параметров состояния, включающий сведения о величине выходного сигнала объекта и всех его конечных разностей, отличных от нуля. Рациональное использование данных измерителя открывает новые возможности в организации контроля и управления объектом.

На фиг.1 приведена блок-схема измерителя параметров состояния; на фиг.2 принципиальная электрическая схема генератора тактовых импульсов и АЦП; на фиг. 3 принципиальная электрическая схема блока измерения конечной разности; на фиг. 4 принципиальная электрическая схема арбитра размерности; на фиг.5 возможная принципиальная электрическая схема буфера данных.

Измеритель параметров состояния объектов управления содержит последовательно соединенные генератор 1 тактовых импульсов, аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП), преобразователь 3 напряжение-состояние, выполненный из последовательно соединенных идентичных n блоков 4 измерения конечной разности (БИКР) уровней сигналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого регистра 5, второго регистра 6 и сумматора 7, буфер 8 данных, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 2, второй вход соединен с первыми выходами сумматоров 7, третий синхровход с вторым выходом генератора 1 тактовых импульсов, выход буфера 8 данных соединен с регистратором 9, в качестве которого используется микроЭВМ, второй выход первого регистра 5 соединен с вторым входом сумматора 7, каждый предыдущий первый выход сумматоров 7 соединен с входом каждого последующего первого регистра 5 блока 4 измерения конечной разности уровней сигналов, первый выход генератора 1 тактовых импульсов соединен также с синхровходом преобразователя 3 напряжение-состояние, арбитр 10 размерности, выполненный из n компараторов 11, двоичного шифратора 12 и элемента И-НЕ 13 с числом входов ≥ 1+log₂n, вход каждого компаратора 11 соединен с вторым выходом сумматора 7 соответствующего блока 4 измерения конечной разности уровней сигналов, выходы компараторов 11 соединены с входами двоичного шифратора 12, выходы которого соединены с четвертым входом буфера 8 данных и с количеством входов элемента И-НЕ 13, численно равным log2n, выход элемента И-НЕ 13 соединен с пятым входом буфера 8 данных, а первый и второй выходы генератора 1 тактовых импульсов соединены также с синхровходами арбитра 10 размерности.

Реализация предлагаемого измерителя может быть осуществлена на микросхемах малой и средней степени интеграции. На фиг.2 приведена принципиальная схема АЦП 2 и генератора 1 тактовых импульсов. Генератор 1 тактовых импульсов реализован на микросхеме КМ 1804 ГГ1, являющейся системным тактовым генератором для работы с частотой, определяемой внешним кварцевым резонатором BQ 1 и внешними конденсаторами С3 и С4. Выходной сигнал генератора снимается с вывода 14, усиливается, инвертируется и используется для синхронизации функциональных узлов измерителя. В качестве АЦП 2 используется микросхема К 1107 ПВ2-восьмиразрядный АЦП параллельного действия с временем преобразования 0,1 мкс. Работой микросхемы управляет тактовый сигнал Т_и, поступающий на вывод 30. По фронту тактового импульса инициируется выборка аналогового сигнала, а по срезу кодирование. Результат кодирования по фронту следующего импульса записывается в выходной регистр микросхемы и подается на входы преобразователя 3 напряжение-состояние и буфера 8 данных.

Принципиальная схема одного блока 4 измерения конечной разности (БИКР) уровней сигналов преобразователя 3 напряжение-состояние приведена на фиг.3. БИКР 4 реализован на микросхемах К155 ИР 13 и К155 ИП3. Микросхема К155 ИР13 высокоскоростной, универсальный, восьмиразрядный, синхронный регистр сдвига. При параллельной загрузке слово, подготовленное на входах D0-D7, появится на выходах Q0-Q7 после прихода последующего положительного перепада тактового импульса. Два регистра блока соединены последовательно и каждый выходами соединен с арифметически-логическим устройством (АЛУ) так, что на входы АЛУ, реализованного на микросхемах К155 ИП3, в каждый момент времени подаются значения напряжений, соответствующих двум соседним моментам времени. В предлагаемой схеме два микросхемы К155 ИП3 работают как одно восьмиразрядное АЛУ, выполняющее операцию сложения в обратном двоичном дополняющем коде и на блок-схеме обозначаются как сумматор 7. Разность величин сигналов, поданных на входы, получается в прямом двоичном коде. Полученный результат подается на вход буфера 8 данных, а значение бита нуля является информационными входами арбитра 10 размерности, принципиальная схема которого приведена на фиг.4.

Основой арбитра 10 размерности является микросхема К155 ИВ1 управляемый шифратор восьми входом на три выхода, где и формируется трехразрядный двоичный код, соответствующий номеру старшего блока измерения конечной разности, на котором не зафиксировано значащих результатов. На микросхеме И-НЕ фиксируется отсутствие сигнала на входе измерителя.

Одна из возможных схем буфера 8 данных приведена на фиг.5. Восьмиразрядные универсальные регистры принимают информацию с выходов БИКР 4 после завершения цикла работы преобразователя 3 напряжение-состояние, которая считывается затем регистратором 9.

Измеритель работает следующим образом.

Сигнал с объекта (на фиг.1 не показан) поступает на аналоговый вход АЦП 2, который по фронту синхросигнала Т_и генератора 1 тактовых импульсов производит выборку аналогового сигнала, а по срезу перевод в двоичный цифровой код (кодирование). Результат кодирования по фронту следующего импульса записывается в выходной регистр АЦП 2 и далее подается на входы буфера 8 данных и на вход первого регистра 5 первого блока 4 измерения конечной разности (БИКР) уровней сигналов преобразователя 3 напряжение-состояние.

Сигнал, поданный с АЦП 2 на вход буфера 8 данных в двоичном коде, представляет величину сигнала, поступившего с объекта на измеритель, и является первым элементом, характеризующим состояние объекта.

Сигнал, поданный с АЦП 2 на вход первого регистра 5 первого БИКР 4 по очередному тактовому импульсу Т_и генератора 1, подается на входы второго регистра 6 первого БИКР 4 в то время, как первый регистр 5 первого БИКР 4 принимает сигнал, соответствующий следующему значению напряжения, поступившего с выхода АЦП 2.

К моменту поступления любого очередного тактового импульса Ти на выходах первого 5 и второго 6 регистров первого БИКР 4 зафиксированы значения напряжений, поступивших с АЦП 2 в настоящий и предыдущий моменты времени соответственно. Эти же значения напряжений, соответствующих настоящему и предыдущему моментам времени, поданы на входы сумматора 7.

Нетактируемый сумматор 7 выполняет операцию сложения двух чисел в дополняющем двоичном обратном коде, что соответствует операции вычитания. Результат появляется на выходах сумматора 7 через 20-50 нс в зависимости от серии микросхем, используемых для конкретной реализации измерителя. Полученный в прямом двоичном коде результат подается на входы буфера 8 данных, на вход первого регистра 5 второго БИКР преобразователя 3 напряжение-состояние и на компаратор 11.

Сигнал, поданный с первого БИКР 4 на вход буфера 8 данных, представляет разность напряжений в соседние моменты времени, является вторым элементом, характеризующим состояние объекта, и свидетельствует о скорости изменения напряжения, поступающего с объекта.

Сигнал, поданный с выхода первого БИКР 4 на вход первого регистра 5 второго БИКР 4, подвергается такой же обработке, как и сигнал, поданный с выхода АЦП 2 на вход первого регистра 5 первого БИКР 4 преобразователя 3 напряжение-состояние. Результат, полученный на выходе второго БИКР 4, подается на входы буфера 8 данных, на вход первого регистра 5 третьего БИКР 4 и на компаратор 11.

Сигнал, поданный с выхода второго БИКР 4 на вход буфера 8 данных, представляет разность напряжений в соседние моменты времени, является третьим элементом, характеризующим состояние объекта, и свидетельствует о скорости, с которой меняется напряжение на выходе первого БИКР 4.

Процедура выделения разностей высшего порядка аналогична описанной выше и повторяется в каждом из последующих БИКР.

Сигналы, полученные с выходов последующих БИКР 4, подаются на входы буфера 8 данных, представляют разность напряжений в соседние моменты времени, являются элементами, характеризующими состояние объекта, и по своей физической сути близки к производным высших порядков.

На входы буфера 8 данных подаются также результаты, полученные арбитром 10 размерности. Входными элементами арбитра 10 размерности являются компараторы 11, сравнивающие результаты работы сумматоров 7 с нулем. Выходной двухуровневый (ноль или единица) сигнал с компараторов 11 подается на двоичный шифратор 12, который преобразует полученную информацию в номер последнего БИКР 4, на выходах которого появлялись отличные от нуля результаты. Эти сведения в составе данных буфера 8 позволяют ограничить размерности матриц в процессе обработки результатов измерений регистратором 9, в качестве которого используется микроЭВМ, и значительно сократить время обработки в тех случаях, когда количество БИКР 4 достаточно велико. Включенный в состав арбитра 10 размерности многовходовый элемент И-НЕ 13 с числом входов 1+log2n сигнализирует о произведенном измерении. На один из его входов подается сигнал, соответствующий окончанию цикла измерения Т_ц, а на остальные log2n входов сигналы с выходов двоичного шифратора 12. Измерение считается состоявшимся, если на выходе хотя бы одного из компараторов 11 имелся сигнал отличия от нуля. В случае же нулевых результатов на всех БИКР 4 на буфер 8 данных подается нулевой уровень сигнала, свидетельствующий о непоступлении сигнала с объекта или о неисправности в цепи измерения.

Сигналы, поступающие с выхода АЦП 2, выходов всех БИКР 4 и арбитра 10 размерности фиксируются буфером 8 данных по сигналу Тц генератора 1 тактовых импульсов, который формируется только после того, как на выходе последнего БИКР 4 появится результат вычисления разности n-го порядка.

Таким образом, по окончании цикла измерения на выходах буфера 8 данных будут зафиксированы данные о величине напряжения, поступившего с объекта в момент времени, соответствующий последнему (n+2)-му импульсу Т_и в цикле измерения, и разности напряжений порядка от первого до n-го, полученные в БИКР 4 по результатам измерений напряжения, поступившего с объекта в моменты времени, соответствующие импульсам Т_и с номерами от первого до (n+1)-го. Зафиксированные данные однозначно характеризуют состояние объекта управления в данный момент времени, что увеличивает достоверность, сокращает объем вычислений, уменьшает время обработки и улучшает качество процесса управления.

Формула изобретения

Измеритель параметров состояния объектов управления, содержащий блок памяти, подключенный выходом к входу регистратора, генератор тактовых импульсов, n параметров и n каналов для измерения n параметров вектора состояния, каждый из которых включает первый регистр, соединенный входом разрешения записи и считывания с первым выходом генератора тактовых импульсов, а выходом с первым информационным входом сумматора и с информационным входом второго регистра, подключенного выходом к второму входу сумматора, выход которого связан с первым информационным входом блока памяти, отличающийся тем, что в него введены шифратор, аналого-цифровой преобразователь, компараторы каналов и элемент И НЕ, соединенный выходом с вторым информационным входом блока памяти, а входом с выходом двоичного шифратора, синхронизирующий вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, подключенного первым выходом к синхронизирующему входу аналого-цифрового преобразователя, соединенного выходом с третьим информационным входом блока памяти и с информационным входом первого регистра первого канала, выход сумматора каждого канала подключен к входу первого регистра последующего канала и к входу соответствующего компаратора, связанного выходом с соответствующим информационным входом шифратора, второй выход которого соединен с четвертым информационным входом блока памяти.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5