Экстремальный регулятор для резонансногооб'екта

 

О П C

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнк

Соцналнстмческнх

Республик

«i>798705

J г (61) Дополнительное к авт. саид-ву— 5 .,(„з (22) Заявлено 090179 (2I) 2711223/18-24 с присоединением заявки М (23) Приоритет

G 05 В 13/02

Государственный «оинтет

СССР яо делам изобретений и открытий

Опубликовано 220131. Бюллетень 89 3 (53) УДК б 2-50 (088.8) Дата опубликования описания 2 30 181 (72) Авторы изобретения

В.Д. Волков и Л. Г. Гол ьбендерг (71) Заявитель

Воронежский инженерно-строительный институт (54 ) ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ РЕЗОНАНСНОГО

ОБЪЕКТА, Изобретение относится к электрическим системам управления и может быть использовано в си темах автоматического управления резонансными объектами, вибрационными машинами различного назначения, RLC-контурами и т д.

Известен экстремальный регулятор, испольауеьый для выявления и поддержания экстремума, в объектах, обладающих экстремальной статической характеристикой, дрейфующей при изменении внутренних и внешних возмущений, поступающих на объект., Известный регулятор содержит датчик управляющего воздействия, датчик управляемой величины, два пороговых элемента, два дифференциатора, триггер с,раздельными,входами, два выпрямителя, ийтегратор, исполнительный механизм и использует особенность резонансных объектов — однозначную зависимость между амплитудными характеристиками объекта, имеющи м и экстремум (резонансный режим),. и его фазовыми характеристиками, иэменякщимися монотонно. Регулятор, путем использования фазовых характеристик объекта, выявляет и поддерживает экстремум в таких разонансны1

2 объектах, в которых при резонансе угол фазового сдвига между управляю- щими воздействием и управляемой вечиной (например, между воэмущакщей силой и амплитудой колебаний в вибрационной машине, между напряжением на входе RLC-контура и напряжением на конденсаторе этого контура) равен /с/2. Объекты с указанным свойством характеризуются высокой добротностью и распрорастранены в технике, однако не охватывают всего разнообразия резонансных объектов (1).

Однако известный регулятор не при15 меним к резонансным объектам с низкой добротностью, в которых угол фазового сдвига между управляющим воздействием и управляемой величиной при резонансе не равен %/2, и в которых

20 использование характерных особенностей этого угла и фазовых характеристик в целом не представляется возможным.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является экстремальный регулятор, последовательно содержащий соединенные дат чик управляемой величины, выпрямитель, нагруэочный элемент и первый

30 пороговый элемент, последовательно

798705 соединенные элемент сравнения, интегратор и исполнительный механизм и последовательно соединенные первый элемент И и первый триггер, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами

5 элемента. сравнения, второй выход датчика управляемой величины. через элемент памяти соединен со входом первого порогового элемента, третий выход - со входом второго порогового элемента, а выход выпрямителя за30 земле н (2 ).

Недостатком известного регулятора является невозможность обеспечения поиска и поддержания экстремума в объектах с низкой добротностью.

Недостаток обусловлен принципиальной особенностью резонансного объекта, состоящей в том, что экстремальная характеристика такого объекта формируется из амплитуды колебаний управляемой величины при различных частотах. Поэтому во времени управляемая величина имеет множество локальных экстремумов, и, следовательно, поиск и поддержание экстремального (резонансного) режима соответствует поиску и поддержанию глобального экстремума из множества локальных экстремумов.

Это приводит к низкой точности регулятора. 30

Цел ь и з обре т е ни я — повыше н ие точности регулятора.

Поставленная цель достигается тем, что экстремальный регулятор для резо- З5 нансного объекта, содержит первый формирователь импульсов, последовательно соединенные второй формирователь импульсов, второй триггер и второй элемент И, выход которого соединен-со вторым входом первого триггера, и последовательно соединенные третий формирователь импульсов, третий элемеит И и ключ, первый и второй выходы которого соединены соответственчо со входом первого порогового 4$ элемента и со вторым выходом датчика управляембй величины, выход первого порогового элемента через первый формирователь импульсов соединен. со вторым входом второго триггера, выход которого соединен со вторым входом первого и третьего элементов

И выход второго порогового элемента соединен со входами второго и третьего фоРмиРователей импульсов, а выход третьего формирователя импульсов соединен со вторыми входами первого и второго элементов И, третьи входы которых соединены с первым и вторым входами элемента сравнения соответственно;,формирователи, импульсов dO выполнены в виде последовательного соединения дифференциатора, селектора импульсов и порогового элемента, выход которого соединен с выходом формирователя импульсов, а вход диффе- б5 ренциатора соединен со входом формирователя импульсов.

На фиг. 1 изображена схема регулятора, на фиг. 2 и фиг. 3 — эпюры напряжений, поясняющие работу экстремального регулятора.

Схема содержит резонансный объект

1, исполнительный механизм 2, датчик

3 управляемой величины, интегратор

4, выпрямитель (диод) 5, нагрузочный элемент (резистор) 6, элемент памяти (конденсатор) 7, первый пороговый элемент 8, второй пороговый элемент 9, первый формирователь 10 импульсов аданной длительности, второй форми ователь 11 импульсов заданной длител». ности, третий формирователь 12 импульсов заданной длительности, второй триггер 13 с раздельными входами, первый элемент И 14, второй элемент

И 15, третий элемент И 16, первый триггер 17 с раздельными входами, элемент 18 сравнения, разрядный ключ 19.

На эпюрах напряжений обозначены:

U - напряжение на выходе датчика

3 управляемой величины, Ug - напряжение на конденсаторе 7, U - напря жение на резисторе 6, 04 - йапряжение на выходе первого порогового элемента 8, U - напряжение на выходе второго порогового элемента 9, 0< — напряжение на выходе первого формирователя 10 импульсов заданной длительности, 0 — напряжение на выходе второго формирователя 11 импульсов заданной длительности, 08 — напряжение на выходе третьего формирователя 12 импульсов заданной длительности, U > напряжение на выходе второго триггера

13 с раздельными входами, 0 — напряжение на первом выходе первого триггера 17 с раздельными входами, 0„„ — напряжение на втором выходе первого триггера 17 с раздельными входами, U - напряжение на выходе элемента 18 сравнения, 0 - напряжение на выходе интегратора 4, U<< — напряжение на выходе первого элемента 14 И, U - напряжение на выходе второго элемента 15 И, U 6 — напряжение на выходе третьего элемента 16 И.

Экстремальный регулятор для резонансного объекта функционирует следующим образом.

На вход резонансного объекта 1 . (фиг. 1) от исполнительного механизма 2 поступает регулирующее воздей» ствие, приводящее к колебаниям управЛяемой величины объекта. Эти колебания воспринимаются датчиком 3 управляембй величины, на первом и втором выходах которого формируется напряже,бйие 0< (фиг. 2). Для поиска такого значения частоты регулирующего воздействия, при котором амплитуда колебаний управляемой величины имеет экстремум, частота изменяется во времени по линейному закону со скоростью,.

798705 существенно меньшей скорости изменения регулирующего воздействия. Линейный закон изменения частоты обеспечивается интегратором 4, включенным перед исполнительным механизмом 2.

С первого выхода датчика 3 напряжение U„ поступает на последовательно соедйненные диод 5, резистор 6 ,и конденсатор 7.

Наличие экстремальной зависимости между амплитудой колебаний управляемой величины и частотой колебаний привод т к тому, что процессы в последовательно соединенных диоде 5, резисторе 6 и конденсаторе 7 зависят от того в какой области указанной экстре мальной ависимости (дорезонансной или зарезонансной) происходит возрастание или убынание частоты. Анализ этих процессов позволяет синтезировать алгоритм поиска и поддержания экстремума в резонансном объекте с 20 низкой добротностью.

Пусть, например, в дорезонансной области происходит увеличение часТоты (фиг. 2а). При этом амплитуда каждого последующего интервала поло- 25 жительности напряжения U превосходит амплитуду предыдущего интервала. Это приводит к подзаряду конденсатора 7 на каждом интервале положительности (фиг. 2а, кривая U2), т.е. протекание р импульсов тока через последовательно соединенные диод 5, резистор 6, кон-.. денсатор 7 и появление импульсов напряжения на резисторе 6 (фиг,2а, кривая 0 ). При уменьшении частоты V+ в дорезонансной области (фиг. 2б) амплитуда каждого последующего интервала продолжительности меньше амплитуды предыдущего интервала, поднаряд конденсатора 7 не происходит и импульсы на всех последующих интерналах отсутствуют.

Если увеличение частоты происходит в зарезонансной области, то амплитуда каждого последующего интервала положительности меньше амплитуды ф5 предыдущего интервала и импульсы U> на всех последующих интервалах отсутствуют. При уменьшении частоты в зарезонансной области амплитуды каждого последующего интервала по- щ яожительности больше амплитуды предыдущего и импульсы И появляются ч на каждом интервале положительности.

Таким образом, движение к экстре муму характеризуется увеличением амплитуды колебаний управляемой величи55 ны и появлением импульсов напряжения, пропорциональных току подзаряда конденсатора 7, .на каждом интервале положительности. Движение же от экстремума характеризуется уменьшением 40 амплитуды управляемой величины к отсутствием импульсов напряжения.

Алгоритм поиска и поддержания экстремума и учетом изложенного сводится к переключению исполнитель- Я ного механизма в направление, которое обеспечинает наличие импульса напряжения на каждом интервале положительности управляемой величины.

Для реализации алгоритма поиска и поддержания экстремума импульсы напряжения U (фиг. 3) с выхода резистора

6 поступают на вход первого порогового элемента 8 на выходе которого формируется последовательность прямоугольных импульсов напряжени -. U4 длительность которых равна длительности импульсов напряжения U, а напряжение U со второго выхода датчика 3 вторым пороговым элементом

9 преобразуется н последовательность прямоугольных импульсов напряжения

О, длительность которых равна длительности интервала положительности напряжения U . На выходе первого формирователя 10 импульсов заданной длительности, со стороны входа подключенного к выходу пйрвого порогового элемента 8, возникает последовательность импульсов напряжения U6 фиксированной длительности, причем формирование напряжения U6 осуществляется таким образом, чтобы задний фронт импульсов напряжения U+ совпадал с передним фронтом импульсов напряжения. Последовательности импульсов напряжения и импульсон напряжения

U g формируются соответственно на выходах второго формирователя 11 и третьего формирователя 12 импульсов заданной длительности, причем передний фронт импульсов напряжения совпадает с передним фронтом импульсов напряжения 0>, т.е. с началом интервала положительности напряжения U6, а передний фронт импульсов напряжения U8 совпадает с задним фронтом импульсов напряжения U6-, т.е. с концом интервала положительности напряжения 04 .

Первый, второй и третий формирователи импульсов заданной длительности выполнены в виде последонательно соединенных дифференциатора, селектора импульсов и порогового элемента, Пусть экстремальный регулятор включен в работу при некотором, не соответствующем экстремуму, значении управляемой величины. Интегратор 4 начинает изменять частоту регулируемого воздействия. Далее изменение частоты регулирующего воздействия приводит к унеличению амплитуды управляемой величины, причем для определенности примем, что изменение частоты происходит в дорезонансной области (фиг. 3). При этом с выхода первого формирователя импульсов заданной длительности на первый вход второго триггера 13 поступает последовательность импульсов напряжения

U>, à с выхода второго формирователя .11 на второй вход второго триг798705 гера 13 поступает последовательность импульсов напряжения U6, причем импульсы напряжения устанавливают на выходе триггера 13 логический "0"

1 а импульсы напряжения U> -логическую "1". 5

Поскольку в дорезонансной области каждый импульс последовательности U6 возникает после каждого импульса последовательности О,, в конце каждого интервала положительности на выходе )g второго триггера 13 будет логический

"0" (фиг. 3, кривая в дорезонансной области).

Так как выход второго триггера 13 подключен к первым входам первого элемеьта 14 И, второго элемента 15 И и третьего элемента 16 И, а на вторые входы всех трех элементов И, напряжение 08 поступает только в конце каждо» го интервала положительности, то, независимо от наличия напряжений на 20 третьих входах первого элемента 14 И, и второго элемента 15 И, на выходах всех трех элементах И в конце интерва ла положительности устанавливается ло логический "0". Первый триггер 17 g5 сохранит логическую "1" на первом выходе (фиг. 3, кривая U ), логический "0" на втором выходе (фиг. 3, кри» вая U ),;.которые, поступая на элемент

18 сравнения, формируют на его выходе рц положительное напряжение (фиг. 3, кривая U ),обеспечивающее возрастание напряжения на выходе интегратора 4 (фиг.3 кривая 1 ) и частоты регулирующего воздействия. 3S

При некотором значении частоты регулирующего воздействия управляемая величина достигает экстремального значения, причем функционирование экстремального регулятора дорезонансной области происходит согласно 4( изложенному.

Дальнейшее возрастание частоты регулирующего воздействия приводит к уменьшению амплитуды колебаний управляемой величины (фиг. 3 зарезо- ф5 нансная область), На интервале положительности импульс напряжения U собтветственно, импульс последовательности U отсутствует. На выходе второго триггера 13 на интервале yg положительности управляемой величины не устанавливается логический ф", и к концу интервала на его выходе остается логическая "1" (фиг.3 кривая U ). Таким образом, в конце интервала положительности, определяемом импульсом последовательности

0й, на первых и вторых входах первого элемента 14 И, второго элемента

15 И и третьего элемента 16 И устанавливаются логические "1", поступаю- 46 щие соответственно с выхода второго триггера 13 и третьего формирователя 12 импульсов заданной длительности. Так как в конце интервала поло» жительности на третий вход первого Я элемента 14 И поступает логический

"0" со второго выхода первого триггера 17, а на третий вход второго элемента 15 И вЂ” логическая "1" с

его первого выхода, то на выходе первого элемента 14 И появится логический "0" (фиг. 3, кривая U

17, переключает его, на втором выходе этого триггера появляется логическая

"1" (фиг. 3, кривая U < ), на первом выходе — логический "0" (фиг. 3, кривая U ), которые, поступая на входы элемента 18 сравнения, изменяют знак напряжения U на его выходе. При изменении знака напряжения 0, поступающего на интегратор 4, напряжение

0 на его выходе начинает уменьшаться. Это приводит к уменьшению частоты регулирующего воздействия и увеличению амплитуды управляемой величины.

Одновременно с переключением первого триггера 17 импульс с выхода третьего элемента 16 И поступает на вход разрядного ключа 19, который обеспечивает разряд конденсатора 7, подготавливая его к новому циклу работы.

На следующем после разряда конденсатора 7 интервал положительности управляемой величины происходит заряд конденсатора, появляется импульс напряжения Ug и импульс последовательности U . Это не приводит к переключению первого триггера 17 и частота регулирующего воздействия продолжает уменьшаться.

Управляемая величина вновь достигает экстремального значения и после этого переходит в дорезонансную область. Поскольку понижение частоты приводит к уменьшению амплитуды колебаний управляемой величины, импульсы

U и U ь на интервале положительности управляемой величины не возникают и произойдет переключение первого триггера 17. Отличие от изложенного состоит в том, что переключение первого триггера 17 происходит за счет появления на его первом входе логической "1", которая поступает с выхода пергого элемента 14 И, и возникает за счет того, что на третий вход этого элемента со второго выхода ранее переключающегося первого триггера 17 поступает логическая "1", на второй вход - логическая "1", соответствунхцая концу интервала положительности, а на первый вход— логическая "1" с выхода второго триггера 13, который не переключился изза отсутствия импульса напряжения

Ug . Частота регулирующего ноздейст-.

798705

10 вия начинает возрастать и рассмотренное изменение управляемой величины повторится. Одновременно с переключением первого триггера 17 импульс 0 6, поступая на вход разрядного ключа 19, обеспечивает разряд конденсатора 7, подготавливая его к новому циклу работы.

Возникает автоколебательный режим, в котором амплитуда управляемой величины колеблется относительно ее tO максимального значения, что соответствует поддержанию экстремума с некоторым значением потерь на рыскание в его окрестности.

Если первоначальное включение регулятора происходит в зарезонансной $ области или дрейф экстремальной характеристики, то поиск и поддержание экстремума осуществляется согласно изложенному, поскольку алгоритм поиска и поддержания экстремума не 20 содержит каких-либо ограничений и основан лишь на том, что при движении к экстремуму амплитуды колебаний управляемой величины увеличивается, а при движении от экстремума — уменьшается.

Использование новых элементов (трех формирователей импульсов заданной длительности, трех элементов И и второго триггера с раздельными входами) выгодно отличает предлагаемый экстремальный регулятор от известных устройств. Из-за возможности поиска и поддержания экстремума на резонансных объектах с низкой доброт- . ностью расширяется область применения экстремального регулирования на технологических объектах в 1,8-2 раза.

Формула изобретения

1. Экстремальный регулятор для резонансного объекта, содержащий последовательно соединенные датчик управляемой величины, выпрямитель, нагрузочный элемент и первый пороговый элемент, последовательно соединенные элемент сравнения, интегратор и исполнительный механизм и последовательно соединенные первый элемент И и первый триггер, первый © и второй выходы которого соединены с соответствующими входами элемента сравнения, второй выход датчика управ . ляемой величины через элемент памяти, соединен со входом первого порогового элемента, третий выход — со входом второго порогового элемента, а выход выпрямителя заземлен, о т л и ч а ю щ и и с ÿ тем, что, с целью повышения точности регулятора, он содержит первый формирователь импульсов, последовательно соединенные второй формирователь импульсов, второй триггер и второй элемент И, выход которого соединен со вторым входом первого триггера, и последовательно соединенные третий формирователь импульсов, третий элемент И и ключ, первый и второй выходы которого соединены соответственно со входом первого порогового элемента и со вторым выходом датчика управляемой величины, выход первого порогового элемента через первый формирователь импульсов соединен со вторым входом второго триггера, выход которого соединен со вторыми входами первого и третьего элементов И, выход второго порогового элемента соединен со входами второго и третьего формирователей импульсов, а выход третьего формирователя импульсов соединен со вторыми входами первого и второго элементов И,третьи входы которых соединены с первым и вторым входами элемента сравнения соответственно.

2. Экстремальный регулятор для резонансного объекта по п.1, о т л ич а ю шийся тем, что формирователи импульсов выполнены в виде последовательного соединения дифферен» циатора, селектора импульсов и порогового элемента, выход которого сое- динен с выходом формирователя импульсов, а вход дифференциатора соединен со входом формирователя импульсов.

Источники информ щии, принятые во внимание при экспертизе

1 ° Авторское свидетельство СССР

М 590695, кл. G 05 В 13/02, 1976.

2. Либерзон Л.И. и др. Системы экстремального регулирования. М., "Энергия", 1965, с. 29-34 (прототип), 798705

3арекнанс- Рионанс- ЯереюРсмнансная ная, бластер ная аб- нансная Реьанансная абл асам лапщ область область

Составитель A. Дащев

Техред Т. Маточка

Корректор H. Швццкая

Редактор H.Poãóëè÷

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 10044/60 Тираж 951 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретениЯ и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушскан неб., д. 4/5