Способ интегрирования сигнала рассогласования для астатических систем автоматического регулирования и устройство для его осуществления

Изобретение относится к приборостроительной технике и может быть использовано в системах автоматического регулирования. Достигаемый технический результат - повышение динамической точности и упрощение конструкции. Устройство интегрирования сигнала рассогласования для астатических систем автоматического регулирования содержит блок выделения сигнала положительной полярности и блок выделения сигнала отрицательной полярности, два интегрирующих усилителя, сумматор, два элемента вычитания, два управляемых переключателя, инерционное звено, два усилителя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к приборостроительной промышленности и может быть использовано в системах автоматического регулирования широкого класса при наличии переменных задающих воздействий по знаку и величине.

В качестве известных решений следует отметить распространенное применение непосредственно процесса интегрирования и интегрирующих звеньев для достижения требуемого астатизма в системах автоматического управления (САУ) [1]. Основу решений составляет подача на интегрирующее звено (интегрирующий элемент, интегрирующий усилитель) сигнала управления или компоненты этого сигнала, например, рассогласования. В замкнутом контуре регулирования обеспечивается при этом сведение к нулю сигнала на входе интегрирующего элемента. Так, при регулировании с интегральным законом по рассогласованию достигается астатизм I-го порядка, установившееся значение регулируемой координаты Х_р равно задающему воздействию g_зад., рассогласование ε=g_зад.-Х_р сводится к нулю.

Известные решения имеют существенный недостаток для систем автоматического регулирования с существенно переменными задающими воздействиями, состоящий в следующем. При изменении сигнала g_зад. на этапах перекладки со сменой полярности или при периодических воздействиях на интегрированный сигнал предшествующей полярности входного сигнала на интегральном элементе происходит затягивание процесса по отработке измененного сигнала g_зад., что сужает положительные свойства астатического регулирования, ухудшая характеристики САУ по точности и быстродействию.

Наиболее близким техническим решением является реализация процесса регулирования на основе раздельного интегрирования по сигналам положительной и отрицательной полярности [2]. Способ включает в себя выделение входного сигнала положительной полярности, усиление сигнала положительной полярности, интегрирование усиленного сигнала положительной полярности, выделение входного сигнала отрицательной полярности, усиление сигнала отрицательной полярности, интегрирование усиленного сигнала отрицательной полярности и суммирование интегрированных сигналов положительной и отрицательной полярности.

Известное устройство имеет в своем составе блок выделения сигнала положительной полярности и блок выделения сигнала отрицательной полярности, входы которых являются входом устройства, первый и второй интегрирующие усилители и сумматор [2].

Недостатками известных способа и устройства являются невысокая динамическая точность при отработке сигналов с изменяющейся полярностью, обусловленная затянутостью списывания сигнала предшествующей полярности, а также сложность устройства.

Технической задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является повышение динамической точности и упрощение конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе интегрирования сигнала рассогласования для астатических систем автоматического регулирования, заключающемся в том, что выделяют входной сигнал положительной полярности, усиливают сигнал положительной полярности, интегрируют усиленный сигнал положительной полярности, выделяют входной сигнал отрицательной полярности, усиливают сигнал отрицательной полярности, интегрируют усиленный сигнал отрицательной полярности и суммируют интегрированные сигналы положительной и отрицательной полярности, дополнительно обнуляют интегрированный сигнал положительной полярности при наличии входного сигнала отрицательной полярности, обнуляют интегрированный сигнал отрицательной полярности при наличии входного сигнала положительной полярности и фильтруют суммарный сигнал.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известное устройство интегрирования сигнала рассогласования для астатических систем автоматического регулирования, содержащее блок выделения сигнала положительной полярности и блок выделения сигнала отрицательной полярности, входы которых являются входом устройства, первый и второй интегрирующие усилители и сумматор, дополнительно введены первый элемент вычитания, вход которого соединен с выходом блока выделения сигнала положительной полярности, а выход - со входом первого интегрирующего усилителя, последовательно соединенные первый управляемый переключатель и первый усилитель, выход которого соединен со вторым входом первого элемента вычитания, первый и второй входы первого управляемого переключателя соединены соответственно с выходами первого интегрирующего усилителя и блока выделения сигнала отрицательной полярности, а второй выход - с первым входом сумматора, второй элемент вычитания, вход которого соединен с выходом блока выделения сигнала отрицательной полярности, а выход - со входом второго интегрирующего усилителя, последовательно соединенные второй управляемый переключатель и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом второго элемента вычитания, первый и второй входы второго управляемого переключателя соединены соответственно с выходами второго интегрирующего усилителя и блока выделения сигнала положительной полярности, а второй выход - со вторым входом сумматора, инерционное звено, вход которого соединен с выходом сумматора, а выход является выходом устройства.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства интегрирования сигнала рассогласования для астатических систем автоматического регулирования.

Устройство интегрирования сигнала рассогласования для астатических систем автоматического регулирования содержит последовательно соединенные блок выделения сигнала положительной полярности 1 (БВСПП), первый элемент вычитания 2 (1 ЭВ), первый интегрирующий усилитель 3 (1 ИУ), первый управляемый переключатель 4 (1 УП), первый усилитель 5 (1 У), выход которого соединен со вторым входом первого элемента вычитания 2, последовательно соединенные блок выделения сигнала отрицательной полярности 6 (БВСОП), второй элемент вычитания 7 (2 ЭВ), второй интегрирующий усилитель 8 (2 ИУ), второй управляемый переключатель 9 (2 УП), второй усилитель 10 (2 У), выход которого соединен со вторым входом второго элемента вычитания 7, выходы блоков выделения сигнала положительной 1 и отрицательной 6 полярности соединены соответственно со вторыми входами второго 9 и первого 4 управляемых переключателей, а входы блоков выделения сигналов положительной 1 и отрицательной 6 полярностей являются входом устройства, вторые выходы первого 4 и второго 9 управляемых переключателей соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 11 (С), выход которого через инерционное звено 12 (ИЗ) соединен с выходом устройства.

Устройство интегрирования сигнала рассогласования для астатических систем автоматического регулирования, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Доминирующее интегрирование осуществляется по одному из двух каналов, т.е. по положительной или отрицательной компонентам входного сигнала ε. Канал интегрирования положительной компоненты входного сигнала ε включает в себя блоки 1, 2, 3, 4 и 5, отрицательной - блоки 6, 7, 8, 9 и 10. В сумматоре 11 интегральные компоненты суммируются. Группы блоков 4, 5, 9, 10 и 12 обеспечивают регулирование процессов смежных компонент, безударно сводя их до нулевого уровня. Входной сигнал ε поступает на блоки 1 и 6 для селектирования сигналов положительной или отрицательной составляющих соответственно. С выхода блока 1 снимается сигнал положительной полярности ε⁺:

соответственно, с выхода блока 6 снимается сигнал отрицательной полярности ε^-:

Пусть сигнал ε>0, тогда с блока 1 сигнал ε⁺=ε, а с блока 6 сигнал ε^-=0. Сигнал ε⁺ поступает на блок 2, сигнал с выхода которого ε⁺ _и формируется в виде

При этом для этого случая U⁺ _о.с.=0 с выхода блока 5, так как цепь переключателя 4 по обратной связи - блокам 5 и 2 разомкнута.

Таким образом, в этой ситуации

и сигнал ε⁺ _и поступает на интегрирующий усилитель 3, в котором начинается процесс интегрирования, выходной его сигнал равен:

где К_и - коэффициент усиления интегрирующих усилителей 3 и 8.

Сигнал U⁺ по замкнутой цепи первого управляемого переключателя 4 поступает на сумматор 11.

Сигнал ε⁺ с выхода блока 1 поступает также на блок 9 для управления снятием отрицательной компоненты U^- на выходе второго интегрирующего усилителя 8, т.е. при наличии сигнала ε⁺ переключатель 9 разомкнут по цепи прохождения сигнала U^- на сумматор 11 и замкнут по цепи этого сигнала на второй усилитель 10 с передаточным коэффициентом К_с и далее на второй элемент вычитания 7.

Такую же величину К_с имеет и первый усилитель 5 в цепи сигнала положительной полярности.

Таким образом, в режиме отработки сигнала ε>0 на выходе сумматора 11 имеем сигнал:

Цепь сигнала U^- замкнута по блокам 7, 8, 9 и 10, образующим для этого режима апериодическое звено, обнуляющее сигнал на выходе второго интегрирующего усилителя 8.

Постоянная времени этого контура составляет:

Сигнал U с сумматора 11 подается через инерционное звено 12 на выход устройства, т.е. выходной сигнал σ равен:

где Т_ин. - постоянная времени инерционного звена 12, выбираемая из условия малости по отношению к эквивалентной постоянной времени объекта регулирования.

Введение инерционного звена 12 на выходе обеспечивает безударность перехода процессов интегрирования с одной полярности входного сигнала ε на другую.

Величина Т подбирается достаточно малой - на порядок и более меньше постоянной времени замкнутого контура регулирования объектом.

При смене полярности сигнала ε сигнал ε⁺ становится равным 0 в соответствии с (1). Переключатель 9 переключает сигнал U^- с цепи обратной связи по второму усилителю 10 на цепь к сумматору 11. В то же время наличие сигнала ε^- переключает сигнал первого интегрирующего усилителя 3 U⁺ с подачи на сумматор 11 на цепь обратной связи через первый усилитель 5 и первый элемент вычитания 2, т.е. на выходе сумматора 11 в этом режиме имеем сигнал:

При этом идет процесс интегрирования каналом интегрирования отрицательной компоненты входного сигнала. Сигнал ε^- _и блока 7 определяется:

где U^- _o.c=0, так как цепь переключателя 9 по обратной связи - через блок 10 на блок 7 разомкнута.

Во втором интегрирующем усилителе 8 сигнал интегрируется по аналогии с (5):

Сигнал U с сумматора 11 подается через инерционное звено 12 на выход устройства в соответствии с (8).

Достижение технического результата видно из аналитического рассмотрения процессов и подтверждено результатами математического моделирования.

Все составные звенья могут быть реализованы на современных элементах автоматики и вычислительной техники, например, по [3], а также программно-алгоритмически.

Источники информации

1. В.А.Бесекерский, Е.П.Попов. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, Главная редакция физматлит., 1972, с.204, 604.

2. А.С. СССР №1695330, G 06 G 7/186, 1989.

3. А.У.Ялышев, О.И.Разоренов. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики. М.: Машиностроение, 1981, с.103.

1. Способ интегрирования сигнала рассогласования для астатических систем автоматического регулирования, заключающийся в том, что выделяют входной сигнал положительной полярности, усиливают сигнал положительной полярности, интегрируют усиленный сигнал положительной полярности, выделяют входной сигнал отрицательной полярности, усиливают сигнал отрицательной полярности, интегрируют усиленный сигнал отрицательной полярности и суммируют интегрированные сигналы положительной и отрицательной полярности, отличающийся тем, что обнуляют интегрированный сигнал положительной полярности при наличии входного сигнала отрицательной полярности, обнуляют интегрированный сигнал отрицательной полярности при наличии входного сигнала положительной полярности и фильтруют суммарный сигнал.

2. Устройство интегрирования сигнала рассогласования для астатических систем автоматического регулирования, содержащее блок выделения сигнала положительной полярности и блок выделения сигнала отрицательной полярности, входы которых являются входом устройства, первый и второй интегрирующие усилители и сумматор, отличающееся тем, что оно содержит первый элемент вычитания, вход которого соединен с выходом блока выделения сигнала положительной полярности, а выход - со входом первого интегрирующего усилителя, последовательно соединенные первый управляемый переключатель и первый усилитель, выход которого соединен со вторым входом первого элемента вычитания, первый и второй входы первого управляемого переключателя соединены соответственно с выходами первого интегрирующего усилителя и блока выделения сигнала отрицательной полярности, а второй выход - с первым входом сумматора, второй элемент вычитания, вход которого соединен с выходом блока выделения сигнала отрицательной полярности, а выход - со входом второго интегрирующего усилителя, последовательно соединенные второй управляемый переключатель и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом второго элемента вычитания, первый и второй входы второго управляемого переключателя соединены соответственно с выходами второго интегрирующего усилителя и блока выделения сигнала положительной полярности, а второй выход - со вторым входом сумматора, инерционное звено, вход которого соединен с выходом сумматора, а выход является выходом устройства.