Способ формирования управляющего сигнала в релейных системах и релейный регулятор для реализации этого способа

 

Предлагаемое изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов. Технический результат заключается в расширении области устойчивости, снижении времени переходного процесса и энергозатрат. Способ формирования управляющего сигнала в релейных системах основан на независимом, поочередном формировании длительности τ_д и паузы τ_п управляющего сигнала по фиксированным значениям измеренного входного сигнала и не вносит запаздывания в систему управления. Релейный регулятор, реализующий данный способ, содержит аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, цифровой компаратор, триггер, мультиплексор, генератор и счетчик импульсов. Заданные параметры τ_д и τ_п как функции входного сигнала записаны в запоминающем устройстве и благодаря непрерывному сравнению фактических величин с заданными релейный регулятор не вносит запаздывания в систему управления. Предлагаемые способ формирования управляющего сигнала и релейный регулятор могут быть использованы в различных системах управления объектами, в частности в системах управления космическими аппаратами. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов.

Известен способ формирования управляющего сигнала в релейных системах [1], основанный на использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Недостаток этого способа состоит в том, что возможности этого способа ограничены: 1) реализация известного способа предполагает линейное изменение (увеличение) длительности управляющего релейного сигнала в зависимости от входного сигнала, что во многих случаях является неприемлемым; 2) изменение длительности и паузы релейного управляющего сигнала является взаимозависимым, что не позволяет реализовать требуемые характеристики динамического процесса.

Известен релейный регулятор [1], содержащий компаратор, фазоразделительный блок, инерционное звено обратной связи, выходной усилитель. Недостаток этого регулятора состоит в том, что достижение заданной длительности τ_д и паузы τ_п управляющего сигнала осуществляется за 1 счет параметров инерционного звена, что, во-первых, делает их изменение взаимозависимыми и, во-вторых, существенно ограниченными.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу формирования управляющего сигнала является способ, реализованный в устройстве [2], основанный на измерении в момент времени t_k = kΔt (k = 1,2.., Δt - малая величина) входного сигнала U(t_k) и формировании заданной длительности периода релейного управляющего сигнала при неизменной длительности импульса (т.е. формировании заданной паузы) в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t_k).

Недостаток этого способа состоит в том, что он вносит запаздывание τ_з в систему управления. Вследствие этого система имеет меньшую область устойчивости, большее время переходного процесса и повышенные энергозатраты.

Наиболее близким техническим решением к релейному регулятору является устройство [3], содержащее генератор импульсов, счетчик импульсов, триггер, шифратор, ключ.

Недостаток этого устройства состоит в том, что он формирует только длительность импульса (или только паузу), оставляя неизменным период включения T исполнительных органов. Использование такого устройства в системе управления приводит к запаздыванию на время T, что в свою очередь уменьшает область устойчивости системы управления, увеличивает время переходного процесса и энергозатраты.

Задача изобретения - увеличение области устойчивости, уменьшение времени переходного процесса и энергозатрат.

Эта задача достигается тем, что способ формирования управляющего сигнала в релейных системах, включающий измерение и фиксацию в моменты времени t_k = kΔt (k=1, 2..., Δt - малая величина) входного сигнала U(t_k) и формирование заданной паузы (τ_п)_i (i = 1,2...) релейного управляющего сигнала в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t_k), отличающийся тем, что момент t_k окончания формирования длительности (τ_д)_i определяют в соответствии с заданным законом для τ_д по совпадению формируемой длительности (τ_д)_i заданными значениями, соответствующими входному сигналу U(t_k) в момент времени t_k.

Релейный регулятор, содержащий генератор импульсов, соединенный своим выходом со входом счетчика импульсов, и триггер, отличается тем, что в него дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор и мультиплексор, управляющий вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП, остальные выходы которого соединены с соответствующими входами регистра адреса ЗУ, выходы регистра данных которого соединены с соответствующими входами регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора, входы регистра второго сравниваемого числа которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, R-вход которого подключен к выходу цифрового компаратора и счетному входу триггера, выход которого соединен со входом старшего разряда регистра адреса ЗУ и сигнальным входом мультиплексора, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала, а вход АЦП соединен со входом релейного регулятора.

На фиг. 1 приведена схема релейного регулятора, реализующего способ формирования управляющего сигнала. На фиг. 1: 1 - вход релейного регулятора, 2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 3 - запоминающее устройство (ЗУ), 4 - цифровой компаратор, 5 - триггер, 6 - счетчик импульсов, 7 - генератор импульсов, 8 - мультиплексор, 9 и 10 - соответственно шины положительного и отрицательного управляющих сигналов.

Вход 1 релейного регулятора соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 2, выходы регистра данных которого соединены с соответствующими входами регистра адреса запоминающего устройства 3, вход старшего разряда которого соединен с входом триггера 5 и сигнальным входом мультиплексора 8. Выходы регистра данных ЗУ 3 подключены к соответствующим входам регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора 4, входы регистра второго сравниваемого числа которого подключены к соответствующим входам счетчика 6. Выход цифрового компаратора 4 соединен со счетным входом триггера 5 и входом R счетчика импульсов 6, вход которого соединен с выходом генератора импульсов 7. Выход знакового разряда регистра данных АЦП 1 соединен с управляющим входом мультиплексора 8, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного 9 и отрицательного 10 управляющего сигнала.

Релейный регулятор работает следующим образом. Пусть на вход 1 релейного регулятора подается входной сигнал U. Этот сигнал поступает на вход АЦП 1 и преобразуется в n-разрядный код, который фиксируется в регистре данных АЦП 1. В этом регистре n-ый разряд определяет знак входного сигнала U, а разряды с 1 по (n-1) - значение (модуль) А входного сигнала U. Если Δt время преобразования АЦП, то в течение этого времени состояние регистра данных АЦП 1 остается неизменным. Код числа А поступает на регистр адреса ЗУ 3, на старший n-ый разряд которого подается выходной сигнал триггера 5. Состояние триггера 5 определяет на данный момент времени t_k = kΔt (k=1, 2, 3...) формирование длительности τ_д или паузы τ_п выходного управляющего сигнала.

Если F - выходной сигнал триггера 5, то при F=1 формируется длительность τ_д, при F=0 формируется пауза τ_п управляющего сигнала.

В запоминающем устройстве 3 хранится массив M(τ_д) заданных значений длительности τ_д массив M(τ_п) заданных значений паузы τ_п. Пусть F = 1, а U > 0. В этом случае входной сигнал S знакового разряда регистра данных АЦП 1 равен нулю (S=0) и входной сигнал F+ мультиплексора 8 формируется на шине 9 положительного управляющего сигнала. При F=1 формируется управляющий сигнал F+= 1, длительность которого (τ_д)_i (i=1, 2, 3...) определяется значением D1 регистра данных ЗУ 3 на момент времени t_k.

Выходной сигнал C цифрового компаратора 4 формируется следующим образом: если значение числа D1, записанного в регистр первого сравниваемого числа цифрового компаратора 4, больше значения D2, записанного в регистр второго сравниваемого числа, то сигнал C=0, или Если D1 ≥ D2, то C=0 (1) Если D1 < D2, то C=1 (2) Формирование длительности (τ_д)_i начинается в момент перехода триггера 5 в единичное состояние (F=1). Это происходит в момент времени, когда появляется сигнал C= 1 (триггер 5 изменяет свое состояние при появлении на его счетном входе сигнала высокого уровня). При C=1 происходит обнуление счетчика импульсов 6. В этот момент времени выполняются условия (1) и счетчик импульсов 6 начинает считать импульсы, поступающие с генератора 7. Состояние цифрового компаратора 4 (C=0) не изменится до тех пор, пока не выполнятся условия (2), т.е. пока длительность (τ_д)_i не стала равной заданной. В этот момент времени C=1, триггер 5 переходит в нулевое состояние (F=0) и с этого момента производится формирование паузы (τ_п)_i управляющего сигнала F+=0, определяемой значением D1 регистра данных ЗУ 3. Формирование паузы (τ_п)_i производится аналогично формированию длительности (τ_д)_i. Если входной сигнал U < 0, то S=1 и выходной сигнал F_ мультиплексора 8 формируется на шине 10 отрицательного управляющего сигнала аналогично уже описанному.

Таким образом, в рассматриваемом релейном регуляторе начало и окончание формирования длительности (τ_д)_i и паузы (τ_п)_i определяются текущими значениями входного сигнала U(t_k), т.е. релейный регулятор практически не вносит запаздывания в систему управления. Запаздывание τ_з в системе определяется малой величиной Δt, равной времени преобразования входного сигнала U в код, что можно не учитывать.

В устройстве-прототипе начало и окончание формирования длительности (τ_д)_i определяется текущим значением входного сигнала на момент времени начала формирования длительности и не зависит от изменения входного сигнала в течение времени Т - периода формирования управляющего сигнала (периода широтно-импульсной модуляции). Таким образом, запаздывание τ_з в известном устройстве определяется временем T.

Рассматриваемый релейный регулятор позволяет реализовать практически любые требования к параметрам (τ_д)_i и (τ_п)_i, которые записываются в массивах M(τ_д) и M(τ_п). Покажем эффективность предлагаемого релейного регулятора на примере управления объектом второго порядка с передаточной функцией w_o=1/p² (например, управление ориентацией твердого тела).

Пусть входной сигнал U определяется в виде U=x+my, (3) где - x - координата, - скорость изменения координаты, m - коэффициент.

Линию переключения релейного регулятора определили в виде
x + my = 0 (4)
на фазовой плоскости x, y.

Уравнение фазовой траектории можно записать в виде
y²-y²₀+2ε(x-x₀) = 0 (5)
где x₀, y₀ - начальные значения координат x и y соответственно, ε - характеристика исполнительного двигателя, причем

С учетом запаздывания τ_з линии переключения будут иметь вид
x+(m-τ_з)y = 0 (7)
Для простоты будем считать, что при нахождении изображающей точки за пределами линии переключения (6) реализуется релейное управление. В этом случае, если в момент включения исполнительного органа значения координат равны x₀ и y₀, то в момент очередного переключения исполнительных двигателей координата y₁ = -y₀+2ε(m-τ_з). Время включенного состояния исполнительного двигателя t₁ равно

Для i-го цикла переключения (i=1, 2,...)

y_i = -y₀+2iε(m-τ_з) (9)
Число циклов переключения i можно определить из условия y_i = 0, т.е.

Время переходного процесса T_n определится в виде

Энергозатраты Q определяем как некоторую величину, пропорциональную времени включения двигателей T_n, т.е.

Q = IT_n, (12)
где I - коэффициент.

Пусть y₀= 10^o/c, m = 1 с, τ_з = 0,5 с (Т = 0,5), ε = 1 ^o/c². Тогда для известного устройства i = 20, T_n = 145 с, Q = 145I. Для предлагаемого релейного регулятора i' = 10, T'_n = 70 с, Q = 70I.

Иначе говоря, время переходного процесса и энергозатраты рассматриваемого релейного регулятора значительно ниже времени переходного процесса и энергозатрат известного устройства. Условия устойчивости системы определяются в виде
(m-τ_з) > 0
или
m > T для известного устройства,
m > Δt для предлагаемого релейного регулятора, т.е. область устойчивости системы при использовании предлагаемого релейного регулятора больше области устойчивости при использовании известного устройства.

Предлагаемая совокупность признаков в рассматриваемых авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве АЦП, ЗУ, цифрового компаратора, мультиплексора могут быть использованы микросхемы типа 1113ПВ1, 556РТ5, 564ИП2, 564КП1.

Реализация счетчика, триггера, генератора широко известна (например 564ИЕ14, 564ТМ2, 564ГГ1).

Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 537347, G 06 F 11/00, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР N 894668, G 05 В 11/28, 1981.

3. Авторское свидетельство СССР N 502493, H 03 К 5/04, 1976.

Формула изобретения

1. Способ формирования управляющего сигнала в релейных системах, включающий измерение и фиксацию в моменты времени t_к= k·Δt (k = 1,2,..., Δt - малая величина) входного сигнала U(t_к) и формирование заданной паузы (τ_n)_i (i = 1,2,...) релейного управляющего сигнала в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t_к), отличающийся тем, что момент t_к окончания формирования длительности (τ_д)_i определяют в соответствии с заданным законом для τ_д по совпадению формируемой длительности (τ_д)_i с заданными значениями, соответствующими входному сигналу U(t_к) в момент времени t_к.

2. Релейный регулятор, содержащий генератор импульсов, соединенный своим выходом со входом счетчика импульсов, и триггер, отличающийся тем, что в него дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор и мультиплексор, управляющий вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП, остальные выходы которого соединены с соответствующими входами регистра адреса ЗУ, выходы регистра данных которого соединены с соответствующими входами регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора, входы регистра второго сравниваемого числа которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, R-вход которого подключен к выходу цифрового компаратора и счетному входу триггера, выход которого соединен с входом старшего разряда регистра адреса ЗУ и сигнальным входом мультиплексора, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала, а вход АЦП соединен с входом релейного регулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1