Релейный регулятор



Релейный регулятор
Релейный регулятор

 


Владельцы патента RU 2408046:

Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)

Предлагаемое изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов. Технический результат заключается в повышении надежности. Релейный регулятор содержит в каждом из (2m+1) канале аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, счетчик импульсов, триггер, мультиплексор, первый и второй мажоритарные элементы, первый и второй элементы ИЛИ, одновибратор, элемент исключающее ИЛИ. Заданные параметры длительности тд и паузы тп управляющего сигнала как функции входного сигнала записаны в запоминающем устройстве, и благодаря непрерывному сравнению фактических величин с заданными релейный регулятор не вносит запаздывания в систему управления, а благодаря определенным связям достигается исправное функционирование релейного регулятора при отказах в m каналах регулятора. Предлагаемый релейный регулятор может быть использован в различных системах управления, в частности в системах управления космическими аппаратами. 1 ил.

 

Предполагаемое изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов, и может быть использовано, например, в резервированных системах управления космическими летательными аппаратами.

Известен релейный регулятор [1], содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, соединенный своим выходом с входом счетчика импульсов, триггер и мультиплексор, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала. Этот регулятор не вносит запаздывания в систему управления и не уменьшает область устойчивости.

Недостаток этого регулятора состоит в том, что он не обладает достаточной надежностью. Так при одном отказе какого-либо элемента релейный регулятор не обеспечивает выполнение своих функций, а система управления теряет свою работоспособность.

Наиболее близким техническим решением к релейному регулятору является устройство [2], содержащее (2m+1) (m=1, 2, …) каналов, а в каждом канале - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, соединенный своим выходом с входом счетчика импульсов, элемент исключающее ИЛИ, первый и второй мажоритарные элементы, первый элемент ИЛИ, триггер и мультиплексор, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала.

Недостаток этого релейного регулятора состоит в том, что при некоторых единичных отказах в одном из каналов он может формировать ложный выходной сигнал, определяемый характеристиками отказавшего канала.

Задача изобретения - повышение надежности релейного регулятора.

Эта задача достигается тем, что в релейный регулятор, содержащий (2m+1) (m=1, 2, …) каналов, а в каждом канале - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, соединенный своим выходом с входом счетчика импульсов, элемент исключающее ИЛИ, первый и второй мажоритарные элементы, первый элемент ИЛИ, триггер и мультиплексор, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала, вход АЦП соединен с входом релейного регулятора, а выходы регистра данных АЦП 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, выход цифрового компаратора соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом элемента исключающее ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом триггера, первым входом первого мажоритарного элемента и соответствующими входами первого мажоритарного элемента других каналов, второй вход элемента исключающее ИЛИ соединен с выходом первого мажоритарного элемента, входом старшего разряда регистра адреса ЗУ и сигнальным входом мультиплексора, управляющий вход которого соединен с выходом второго мажоритарного элемента, первый вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП и соответствующими входами второго мажоритарного элемента других каналов, в каждый канал дополнительно введены второй элемент ИЛИ и одновибратор, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, а вход одновибратора подключен к выходу первого элемента ИЛИ и второму входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с R-входом счетчика импульсов и со счетным входом триггера.

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 - шина положительного управляющего сигнала, 10 - шина отрицательного управляющего сигнала, 11 - первый мажоритарный элемент, 12 - первый элемент ИЛИ, 13 - элемент исключающее ИЛИ, 14 - второй мажоритарный элемент, 15 - одновибратор, 16 - второй элемент ИЛИ, 17 - первый канал, 18 - второй канал, 19 - (2m+1)-й (m=1, 2, …) канал.

Вход 1 в каждом канале релейного регулятора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 2, выходы регистра данных которого соединены с соответствующими входами регистра адреса запоминающего устройства 3, вход старшего разряда которого соединен с выходом первого мажоритарного элемента 11, сигнальным входом мультиплексора 8 и вторым входом элемента исключающее ИЛИ 13, первый вход которого соединен с выходом триггера 5, с первым входом первого мажоритарного элемента 11 и с соответствующими входами первого мажоритарного элемента 11 других каналов. Выходы регистра данных ЗУ 3 подключены к соответствующим входам регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора 4, входы регистра второго числа которого подключены к соответствующим выходам счетчика 6. Выход цифрового компаратора 4 соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 12, второй вход которого соединен с выходом элемента исключающее ИЛИ 13, выход первого элемента ИЛИ 12 соединен с входом одновибратора 15 и вторым входом второго элемента ИЛИ 16, первый вход которого соединен с выходом одновибратора 15, выход второго элемента ИЛИ 16 соединен со счетным входом триггера 5. Выходы мультиплексора 8 подключены к шинам положительного 9 и отрицательного 10 управляющего сигнала, управляющий вход мультиплексора 8 соединен с выходом второго мажоритарного элемента 14, первый вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП 2 и с соответствующими входами второго мажоритарного элемента 14 других каналов.

Релейный регулятор работает следующим образом. Для простоты будем рассматривать трехканальный релейный регулятор (m=1). Пусть на входы 1 каждого канала релейного регулятора подаются соответственно входные сигналы U1, U2, U3. Эти сигналы поступают на вход АЦП 2 соответственно первого 17, второго 18 и третьего 19 каналов и преобразуются в n-разрядный код, который фиксируется в регистре данных АЦП 2 соответствующего канала. В этих регистрах n-й разряд определяет знак входного сигнала, а разряды с 1 по (n-1) - значение (модуль) Ai(i=1, 2, 3) соответствующего входного сигнала Ui. Если Δt время преобразования АЦП, то в течение этого времени состояние регистра данных АЦП 2 остается неизменным. Код числа Д поступает на регистр адреса ЗУ 3, на старший n-й разряд которого подается выходной сигнал первого мажоритарного элемента 11. Состояние триггера 5 определяет на данный момент времени tk=kΔt(k=1, 2, …) формирование длительности τД или паузы τП выходного управляющего сигнала.

Если Fi - выходной сигнал триггера 5, то Fi=1 соответствует формированию длительности τД, Fi=0 соответствует формированию паузы τП управляющего сигнала. Сигналы Fi поступают на соответствующие входы первого мажоритарного элемента 11 всех каналов. Выходной сигнал Fm первого мажоритарного элемента 11 каждого канала определяет формирование длительности τД или паузы τП управляющего сигнала. Связь между выходным сигналом FM первого мажоритарного элемента 11 и выходными сигналами Fi триггера 5 всех каналов определяется соотношением (1)

где функция М означает мажоритарный выбор значения большинства (m+1) функций Fi из возможного числа значений (2m+1). Аналогично формируется выходной сигнал S второго мажоритарного элемента 14, определяющего знак входного сигнала.

Если выходной сигнал первого мажоритарного элемента 11 FM=1, а сигналы Ui>0, то выходной сигнал второго мажоритарного элемента 14 S=0 и выходной сигнал F+ мультиплексора 8 формируется на шине 9 положительного управляющего сигнала. При FM=1 формируется сигнал F+=1, длительность τД которого определяется величиной сигнала Ui. При FM=0 сигнал F+=0 (формируется пауза τп управляющего сигнала, определяемая величиной сигнала Ui). Если сигналы Ui<0, то сигнал S=1 и выходной сигнал F- мультиплексора 8 формируется на шине 10 отрицательного управляющего сигнала аналогично формированию положительного управляющего сигнала.

Выходной сигнал Ci 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 Ci=0, или

В запоминающем устройстве 3 каждого канала хранится массив МτД заданных значений длительности τД и массив МτП заданных значений паузы τП. Пусть на вход 1 каждого канала поступают близкие по значению входные сигналы соответственно U1, U2, U3, причем, U1>U2>U3. Задача релейного регулятора состоит в том, чтобы сформировать выходные управляющие сигналы F+ и F- таким образом, чтобы эти сигналы формировались синхронно в каждом канале, а значения длительности τд и паузы τП выходного управляющего сигнала определялись средним из трех входных сигналов, в рассматриваемом случае сигналом U2. Будем предполагать, что с увеличением сигнала U1 происходит увеличение длительности τД и уменьшение паузы τП управляющего сигнала.

Формирование длительности τД управляющего сигнала в каждом канале начинается при переходе триггера 5 в единичное состояние (Fi=1) и выходном сигнале FM=1 первого мажоритарного элемента 11. При переходе триггера 5 в единичное состояние выходной сигнал Ci=1 цифрового компаратора 4, проходя через первый элемент ИЛИ 12 и второй элемент ИЛИ 16, производит обнуление счетчика импульсов 6, в результате выполняются условия (2), и счетчик импульсов 6 начинает считать импульсы с генератора 7. Состояние цифрового компаратора 4 (Ci=0) не изменится до тех пор, пока не выполнятся условия (3), т.е. пока длительность τД не станет равной заданной. В этот момент времени Ci=1, а триггер 5 переходит в нулевое состояние (Fi=0).

Пусть в некоторый момент времени происходит формирование длительности τД управляющего сигнала. В этом случае FM=1, Fi=1, выходные сигналы цифрового компаратора 4 и элемента исключающее ИЛИ 13 равны нулю. Выходной сигнал первого 12 и второго 16 элементов ИЛИ также равен нулю, и на вход счетчика импульсов 6 каждого канала поступают импульсы с генератора 7. В соответствии со сделанным предположением формируемые длительность τД1 и пауза τП2 в первом канале 17, формируемые длительность τД2 и пауза τП2 во втором канале 18 и формируемые длительность τД3 и пауза τП3 в третьем канале 19 связаны соотношением τД1Д2Д3, τП1П2П3. Условия (3) первыми будут выполнены при формировании длительности τД3, т.е. в третьем канале 19. В этом случае выходной сигнал триггера 5 третьего канала 19 F3=0, а так как согласно (1) FM=1, то выходной сигнал элемента исключающее ИЛИ 13 этого канала будет равен единице. На выходе первого элемента ИЛИ 12 появляется высокий уровень, который поступает на вход второго элемента ИЛИ 16 и вход одновибратора 15, формирующего одиночный импульс. На выходе второго элемента ИЛИ 16 возникает высокий уровень, который удерживает счетчик импульсов 6 в нулевом состоянии до тех пор, пока сигнал Fm не станет равным нулю. Это произойдет в тот момент, когда выполнятся условия (3) при формировании длительности τД2, т.е. во втором канале 18. С этого момента времени F2=0 и согласно (1) FM=0. Так как F1=1, FM=0, то выходной сигнал элемента исключающее ИЛИ 13 первого канала 17 будет иметь высокий уровень и на выходе первого 12 и второго 16 элементов ИЛИ появляется также высокий уровень, который переводит триггер 5 в нулевое состояние. Одновибратор 15 обеспечивает необходимую длительность выходного сигнала второго элемента ИЛИ 16 для обнуления счетчика импульсов 7 и перехода триггера 5 в нулевое состояние. В это же время заканчивается формирование длительности импульса τД и начинается формирование паузы τП, т.е. длительность τД управляющего сигнала F+ равна длительности τД2, определяемой сигналом U2.

С момента появления сигнала FM=0 начинается формирование паузы τП управляющего сигнала F+, и с этого момента выходной сигнал элемента ИЛИ 12 всех каналов имеет низкий уровень, вследствие чего счетчики импульсов 6 этих каналов начинают воспринимать импульсы генератора 7, формируя тем самым паузу τП управляющего сигнала F+. Условия (3) первыми выполняются для сигнала U1. В этот момент вырабатывается сигнал C1=1, и триггер 5 первого канала 17 переходит в единичное состояние (F1=1). Так как F1=1, FM=0, то выходной сигнал элемента исключающее ИЛИ 13 этого канала будет равен единице. На R-вход счетчика импульсов 6 будет подан высокий уровень, что приводит к удержанию счетчика импульсов 6 в нулевом состоянии до тех пор, пока сигнал FM не станет равным единице. Условия (3) вторыми выполняются для сигнала U2. В этот момент вырабатывается сигнал С2=1, и триггер 5 второго канала 18 переходит в единичное состояние (F2=1). Так как сигналы F1=1, F2=1, то согласно (1) FM=1 и релейный регулятор переходит в режим формирования длительности τД управляющего сигнала F+. В этот момент F3=0, FM=1 и на выходе элемента исключающее ИЛИ 13 третьего канала 19 появляется высокий уровень, который формирует на выходе второго элемента ИЛИ 16 также высокий уровень, переводящий триггер 5 третьего канала 19 в единичное состояние. Таким образом, сформированная пауза τП управляющего сигнала F+ определяется сигналом U2 и равна τП2. Итак, в рассматриваемом случае формирование длительности τД и паузы τП управляющего сигнала F+ осуществляется сигналом U2.

Аналогично производится формирование длительности τД и паузы τП управляющего сигнала при отрицательных сигналах Ui<0. В этом случае n-й знаковый разряд АЦП 2 переходит в единичное состояние и выходной сигнал второго мажоритарного элемента 14 каждого канала S=1. Выходной сигнал F- мультиплексора 8 формируется теперь на шине 10 отрицательного управляющего сигнала аналогично описанному выше формированию положительного управляющего сигнала.

Отметим, что в момент начала формирования длительности τД или паузы τП управляющего сигнала триггеры 5 всех каналов устанавливаются в требуемое состояние.

Рассмотрим возможные случаи отказа в каком-либо канале релейного регулятора. При этом релейный регулятор считается исправно работающим, если, по крайней мере, (m+1) канала формируют управляющий сигнал синхронно и в соответствии с изменяющимся входным сигналом Ui. В резервированных системах управление релейными исполнительными органами осуществляется обычно путем формирования обобщенного мажорированного сигнала по правилу (1). В этом случае исправно работающие (m+1) канала обеспечивают детерминированное управление. Пусть, например, в первом канале 17 отказал триггер 5 и его выходной сигнал F1=1 вне зависимости от его входного сигнала С1. В этом случае при формировании длительности τД (пусть в этот момент времени F2=1, F3=1) сначала формируется сигнал С3=1, переводя триггер 5 третьего канала 19 в нулевое состояние (F3=0), а затем формируется сигнал С2=1, переводя триггер 5 второго канала 18 в нулевое состояние (F2=0). С этого момента времени выходной сигнал первого мажоритарного элемента 11 всех каналов FM=0, и начинается формирование паузы τП управляющего сигнала. В зависимости от соотношения близких по значению сигналов U2 и U3 формируется либо сигнал С2=1, либо сигнал С3=1, переводя либо триггер 5 второго канала 18, либо триггер 5 третьего канала 19 в единичное состояние. С этого момента времени выходной сигнал первого мажоритарного элемента 11 всех каналов FM=1 и начинается формирование длительности τД управляющего сигнала. Таким образом, формирование длительности τД и паузы τП управляющего сигнала осуществляется входным сигналом исправно работающего канала.

При других вариантах отказа в любом канале, например, при отказе мультиплексора 8 первого канала 17 (постоянно формируется управляющий сигнал F+=1), по крайней мере, два канала из рассматриваемых трех формируют управляющий сигнал, в соответствии с входным сигналом исправно работающих каналов. Таким образом, при любом отказе в одном канале релейного регулятора в случае m=1 работоспособность релейного регулятора не нарушается. При других значениях m работоспособность релейного регулятора не нарушается при отказах в m каналах из (2m+1).

Рассмотрим отказ такого типа, когда в одном из отказавших каналов формирование управляющего сигнала F+ и F- происходит по закону, существенно отличающемуся от заданного (например, вследствие значительного увеличения частоты генератора 7 одного из каналов). В этом случае формируемые длительности τД и паузы τП управляющего сигнала отказавшего канала будут существенно меньше заданных. В предлагаемом регуляторе формирование длительности τД или паузы τП начинается всегда с момента установки триггеров 5 всех каналов в заданное состояние. А это означает, что формирование длительности τД и паузы τП производится по срабатыванию двух каналов из трех, т.е. по срабатыванию исправно работающего канала.

В известном [2] регуляторе формирование длительности τД или паузы τП начинается с момента установки триггеров 5 двух каналов из трех в заданное состояние, а это означает, что в случае рассматриваемого варианта отказа формирование длительности τД и паузы τП производится по сигналам неисправного канала.

Отметим, что известный регулятор [2] при наиболее часто встречающихся отказах типа “обрыв” или “замыкание” обеспечивает заданное функционирование регулятора.

Таким образом, предлагаемый регулятор обеспечивает исправное функционирование при всех возможных видах отказа в любом из каналов.

Оценим надежность известного [2] и предлагаемого решения. Пусть надежность одного канала равна p, причем надежность генератора импульсов 7, входящего в состав канала, равна p1, а надежность остальной части схемы этого канала равна p2, при этом p=p1p2. Надежность РП предлагаемого решения можно оценить в виде

где C22m+1 - число сочетаний из (2m+1) по 2, Cm2m+1 - число сочетаний из (2m+1) по m.

Надежность РИ известного решения при учете возможной неисправности генератора импульсов можно оценить в виде

Пусть m=1, p1=0,99, p2=0,9. В этом случае из (4) и (5) соответственно имеем PП=0,967, PИ=0,943. Таким образом, надежность предлагаемого регулятора PП выше надежности известного регулятора PИ.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась 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 могут быть использованы микросхемы типа 1113ПВ1, 556РТ5, 564ИП2, 564КП1. Реализация счетчика, триггера, элемента ИЛИ хорошо известна (например, 564ИЕ14, 564ТМ2, 564ГГ1).

Источники информации

1. Патент РФ №2141124, G05B 11/26, 1999 г.

2. Патент РФ №2342690, G05B 11/26, 2008 г.

Релейный регулятор, содержащий (2m+1) (m=1, 2, …) каналов, а в каждом канале аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, соединенный своим выходом с входом счетчика импульсов, элемент исключающее ИЛИ, первый и второй мажоритарные элементы, первый элемент ИЛИ, триггер и мультиплексор, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала, вход АЦП соединен с входом релейного регулятора, а выходы регистра данных АЦП 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, выход цифрового компаратора соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом элемента исключающее ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом триггера, первым входом первого мажоритарного элемента и соответствующими входами первого мажоритарного элемента других каналов, второй вход элемента исключающее ИЛИ соединен с выходом первого мажоритарного элемента, входом старшего разряда регистра адреса ЗУ и сигнальным входом мультиплексора, управляющий вход которого соединен с выходом второго мажоритарного элемента, первый вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП и соответствующими входами второго мажоритарного элемента других каналов, отличающийся тем, что в каждый канал дополнительно введены второй элемент ИЛИ и одновибратор, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, а вход одновибратора подключен к выходу первого элемента ИЛИ и второму входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с R-входом счетчика импульсов и со счетным входом триггера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в оптических телескопах и лидарных станциях обнаружения и сопровождения космических объектов.

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

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

Изобретение относится к машинам и механизмам, использующим управляемый электромагнитный подвес ротора. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторных механизмах на электромагнитных опорах. .

Изобретение относится к автоматизированным системам регулирования с цифровым управлением и может быть использовано в магнитостроении при создании роторных механизмов на электромагнитных опорах.

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

Изобретение относится к области сельского хозяйства и предназначено для автоматизации полива. .

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

Изобретение относится к автоматизированным системам регулирования с цифровым управлением и может найти применение в машиностроении при создании роторных механизмов на электромагнитных опорах

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторных механизмах на электромагнитных опорах. Технический результат - уменьшение амплитуды колебания ротора в электромагнитном подшипнике. Цифровой регулятор для системы управления электромагнитным подвесом ротора содержит регистры, сумматоры, мультиплексор с запоминанием, триггер знака, блок ограничения, генераторы прямоугольных импульсов, блок синхронизации, шину входного сигнала, вход стробирования, шину выходного сигнала, шину знака выходного сигнала. 6 ил.
Наверх