Устройство для моделирования динамических процессов в системах автоматического управления
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Союз Советекнк
Социалиетичееких
Реевубпн (»)866566
К АВТОРСКОМУ СВМДЕТИЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву(22) Заявлено 04.12.79 (21) 2887199/18-24 (е,1)М К„З
G Об G 7/бб с присоединением заявки ¹Государетвеииый комитет
СССР по делам изобретений и открытий (23) ПриоритетОпубликовано 230981. Бюллетень Н9 35, 53) УДК б81.ззз (088. 8) Дата опубликования описания 2 30981 (72) Автор изобретения
А.A. Ардашов ( ( (71) Заявитель (54) устРойс1ЪО Для моДелиРоВАния
ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ
АВтОмАтическОГО упРАВления
Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к аналоговым вычислительным устройствам, применяемым для моделирования дискретных систем, и может быть использовано при исследовании динамических процессОв в дискретных системах управления (ДСУ) с широтно-импульсной модуляцией и в системах с амплитудно-импульсной модуляцией, в которых осу!
О ществляется формоимпульсное преобразование.
Известно устройство для моделирования динамических процессов в системе автоматического регулирования, 15 пневмодвигателя, содержащее блок моделирования пневморегулятора,блок моделирования силового дроссельного клапана, блок моделирования.пневмодвигателя и блок моделирования тахо- 2О метра (1).
Однако это устройство может быть использовано для моделирования лишь непрерывных систем управления.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является система для моделирования динамических процессов в системах автоматического управления, содержащее усилители,,сумматор, последовательно соединенные 30 первый и второй дифференциаторы и блок переключения (2).
Недостаток известного устройства заключается в том, что область применения его ограничена возможностями моделирования линейных дискретных систем управления с амплитудно-импульсной модуляцией при прямоугольной и многотактной формах импульсов.
Наличие в известном устройстве только линейных элементов принципиально исключает воэможность его использования для моделирования процессов в системах с широтно-импульсной модуляцией, которые являются существенно нелинейными.
Цель изобретения — расширение области применения путем обеспечения возможности моделирования динамических процессов в ДСУ с широтно-импульсным преобразователем без перестройки структуры этого устройства.
Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования динамических процессов в системах автоматического управления, содержа-, щее три усилителя, два последовательно соединенных дифференциатора, блок переключения, соединенный с первыми входами усилителей, и первый сумма866566 тор, входы которого, подключены к выходам первого, второго и третьего усилителей, вторые входы второго и третьего усилителей соединены с выходами соответственно первого и второго дифференциаторов, вход первого дифференциатора подключен к выходу первого усилителя, второй вход которого соединен с выходом моделируемого объекта управления, введены блоки умножения, четвертый усилитель, ключ, квадратор, второй сумматор и блок выделения модуля, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения и .со входом квадрато-, ра, выход которого через четвертый усилитель подключен к первому входу второго блока умножения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подклю-: чен к первому информационному входу ключа, выход которого соединен с входом моделируемого объекта управления, выход блока переключения под« ключен к управляющему входу ключа, выход первого сумматора соединен со вторым информационным входом ключа и входом блока выделения модуля, выход второго усилителя подключен к второму входу первого .блока,умножения, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого подключен к выходу первого усилителя, выход третьего усилителя соединен со вторым входом второго блока умножения.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для моделирования динамических процессов в системах автоматического управления; на фиг. 2 структурная схема широтно-импульсного модулятора (ШИМ); на фиг.3 — схема широтно-импульсного модулятора, общий вид.
Устройство содержит первый усилитель 1, первый и второй дифференциаторы 2 и 3, второй и третий усилители,4 и 5, первый сумматор б, моделируемый объект 7 управления, блок 8 переключения, блок 9 выделения модуля, блоки 10 и 11 умножения, квадратор 12, четвертый усилитель
13, второй сумматор 14 и ключ 15.
В основу разработки положено использование приближенного эквивалентного представления ДСУ с широтноимпульсной модуляцией в виде непрерывной модели.
Схема широтно-импульсного модуля-, тора (фиг. 2) включает экстраполятор 16 нулевого порядка с интервалом запоминания т, релейный элемент 17, экстраполятор 18 нулевого порядка с интервалом запоминания „., времязадающий элемент 19, который управляет работой экстраполятора 18.-нулевого порядка с переменным интервалом запоминания 1 (С - длительность
i-го импульса). Характеристика время- задающего элемента 19 г„.= (х;) т, . <1)
1 представляет собой четную положи5 тельную функцию, ограниченную сверху величиной периода дискретности Ч .
В общем виде ШИМ включает (фиг. 3) .идеальный импульсный элемент 20 и ,некоторое формирующее устройство 21. (0 При подаче мгновенного импульса величины Х на вход этого устройствЪ на выходе erî oпоявляется прямоугольный импульс единичной высоты и длительности % . Поэтому передаточная функция формирующего устройства 21 для
1-ео момента времени записывается в виде :
%$(P) =М Ь" +J)l iiTo7(P
+, 6 (X(ito)p ) (2)
I где 1 - Ь (То) !То,. б
Как следует из этого выражения, система с ШИМ является нелинейной, так как ее параметры зависят от величины
25 входного сигнала, а длительность импульсов в общем случае является нелинейной функцией сигнала. Кроме того, при модуляции импульсов по длительности не выполняется принцип суперЩ позиции. Исследование такой системы как аналитическими, так и экспериментальными методами представляет сложную задачу. Значительного упрощения задачи исследования можно достичь, З5 если воспользоваться эквивалентным непрерывным представлением исходной дискретной систеьы с ШИ. 1.
Известно, что модель реального объекта управления, как непрерывного элемента системы автоматического уп40 равления, обладает свойствами фильтра низких частот. Если период дискретности Tg (интервал между двумя соседними моментами замыкания ключа) мал по сравнению с основными постоян
45 ными времени Т модели объекта управления, т.е.
Тй 7 T 5Q ключ заменен безынерционным усилителем с коэффициентом 1/Те. Условие (4) обычно выполняется при моделировании динамических процессов в системах с инерционным 55 объектом управления. Если в выраже-. нии (2) ехр(-Т;Р) разложить в ряд Маклорена и ограничиться первыми тремя членами ряда, тогда передаточную функцию формирующего устройства 21 системы с ШИМ можно записать в е0 виде 866566 6 Таким образом, сигнал на выходе широтно-импульсного модулятора может быть приближенно описан нелинейным дифференциальным уравнением 2-го по- 35 рядка. Устройство работает следующим образом. С блока 8 переключения в зависимости от моделирования процессов фор- 40 моимпульсного илн широтно-импульсного преобразования, во-первых, на вход ключа 15 подают сигнал, по которому через ключ 15 пропускается сигнал или с выхода сумматора 6. (при моделировании процессов формоимпульсного преобразования), или с выхода сумматора 14 (при моделировании систем с ШИМ), во-вторых, устанавливают соответствующие значения коэффициентов К х К х К и К4 В усилителях 1, 4, 5 и 13. Ъри моделировании динамического процесса в САУ с ШИМ значения коэффициентов устанавливаются равными г К =М, Ко=То!Я k То J6 k4 ра.(B) При включении системою сигнал с выхо- да моделируемого объекта.7 управления усиливается и по трем цепям по- 40 дается на входы сумматора бг по одной цепи - непосредственно,.по второйчереэ дифференциатор 2 и усилитель 4, rto-третьей - через дифференциаторы 2, 3 -и третий усилитель 5. С вы- Ы Коэффициенты этой передаточной функции остаются постоянными лишь в пре(делах одного периода дискретности. Сигнал на выходе формирующего устройства 21 системы с tttHN в течение каждого периода дискретности будет определяться выражением тоМ х>\М:и x(t>- -х-(х(1т,>/х(х>+ + JX (i )(A(t), Для того, чтобы получить выражение для сигнала на выходе ШИМ, справедливое на всем участке времени, в выражении (6) величину Х (iTo ), являющуюся выходным сигналом экстраполятора 16 нулевого порядка; заменим ее приближенным выражением: Т X(iTp) =X(t)-. ХЬ)+ X (О Окончательно будем иметь 3(4) X(%) ) g(t)- <<(t)+ — )(ЩХ()+ - и + х fx(>>-х х(Ы+ x(>>P(((t>. 30 хода сумматора б, сигнал, эквивалентный результату формоимпульсного преобразования, через ключ 15 подается на вход моделируемого объекта 7 управления. При моделировании динамических процессов в системах с ШИМ сигнал с выхода сумматора б подается на вход блока 9 выделения модуля. СигнаЛ с выхода блока 9 по двум цепям подается на вход сумматора 14: по одной цепи - через блок умножения 10, по второй †.через квадратор 12, усилитель 13 и блок умножения 11. При этом на второй вход блока умножения 10 поступает сигнал с усилителя 4, а на второй вход блока умножения ll — с выхода усилителя 5. На. третий вход сумматора 14 сигнал поступает непосредственно с усилителя 1. С выхода сумматора 14 сигнал, эквивалентный"результату широтноимпульсного преобразования, через ключ 15 подается на вход моделируемого объекта 7 управления ° При исследовании процессов преобразования с другими параметрами осуществляют перестройку коэффициентов K Ä Kg„ K> ,и К 4 я усилителях 1, 4, 5 и 13. Поскольку устройство без каких-либо изменений структуры может быть использовано при моделировании как формо-импульсного, так и широтноимпульсного преобразования, то тем са>им расширяется область его применения. Формула изобретения Устройство для моделирования динамических процессов в системах.автоматического управления, содержа" щее три усилителя, два последователь но,соединенных дифференциатора, блок переключения, соединенный с п рвыми входами усилителей и первый сумматор, входы которого подключены к выходам первого, второго и третьего усилителей, вторые входы второго и третьего усилителей соединены с выходами соответственно первого и второго дифференциаторов, вход первого дифференциатора подключен к выходу первого усилителя, второй вход которого соединен с выходом моделируемого объекта управления, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения области применения устройства, оно содержит блоки умножения, четвертый усилитель, ключ, квадратор, второй сумматор и блок выделения модуля, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения и со входом квадратора, выход которого через четвертый усилитель подключен к первому входу второго блока умноже« ния, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выхоД которого подключен к первому информаци866566 8 онному входу ключа, выход которого соединен с входом моделируемого . объекта управления, выход блока-пе- 1 реключения подключен к управляющему входу ключа, выход первого сумматора соединен со вторым информационным . входом ключа и входом блока выделения.модуля, выход второго, усилителя подключен к второму входу первого . блока умножения, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, третий вход которого подклю- ® чен к выходу первого, усилителя, выход третьего усилителя соединен со вторым входом второго блока умножения. Истоъники информации, принятые во внимание при экспертиэе 1. Авторское свидетельство СССР 9 524196, кл. G 06 G 7/48, 1974 ° 2. Авторское свидетельство СССР Р 645126„ кл. G 05 B 17/02, 1977 (прототип). ВНИИПИ Заказ 8079/71 Тираж 748 Подписное Филиал ППП "Патент," г- Ужгород, ул. Проектная, 4
