Релейная система регулирования

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

С щиалнстнческих

Республик

< »99901,2 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 061081 (21) 3344709/16-24 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 230283. Бюллетень Йо 7

Р М К з

0 05 Й 11/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

f33) УДК 82-50 (088.8) Дата опубликования описания 2302.83

P E Пасынков, К.K. Войтюк, М.Г. Погибко и Ю.Н. Капланец (72) Авторы изобретения

I, Ф .

«%Ы - « .ю

Научно производственное объединение по создан ю и Йй@3щКу, (71) Заявитель средств автоматизации горных машин "Автоматгормеш-". "««« -«,, Я (54) РЕЛЕЙНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ

Изобретение относится к релейным ,системам, содержащим релейный блок с инерционной обратной связью, и мо-, жет быть использовано при управлении и регулировании горными машинами, в частности при регулирования нагрузки проходческих комбайнов и буровых машин.

Известна релейная система регулирования, содержащая последовательно соединенные эадатчик, блок сравнения, трехпозиционный релейный блок, испол- нительный механизм и объект регулирования, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, а также инерционный блок обратной связи, первый вход которого подключен к выходу трехпоэиционного релейного блока, а второй вход через блек коррекции подключен к выходу блока сравнения,, а выход подключен к второму входу трехпозиционного релейного блока 513.

Однако регулятор известной системы имеет постоянный коэффициент усиления и поэтому она обладает низким быстродействием и точчостью в том случае, когда коэффициент усиления объекта регулирования изменяется в широких пределах. Появление высоко.частотных составляющих в известной степени приводит к частым срабатываниям релейного и исполнительного ме" ханизма, т.е. к сокращению срока службы всей системы.

Известна также релейная система регулирования, содержащая последовательно соединенные э адатчик, блок сравнения < трехпозиционный релейный блок, исполнительный механизм, объект регулирова» ння, выход которого соединен с вторым . входом блока сравнения, а также сум" мирующнй блок, первый вход которого соединен с выходом трехпозиционного релейного блока, второй выход череэ датчик скорости подключен к выходу испол.кительного механизма, а выход через инерционный блок соединен с вторым входом трехпозицяонного релеФного блока (23.

В этой системе за счет подстройк4 коэффициента усиления регулятора осуществляется .стабилизация общего кОзффициента усиления систеви в том случае, когда коэффициент усиления объекта регулирования меняется в ши- роком диапазоне. Однако определение необходимого коэффициента усиления .регулятора этой системы производится т0,на основе априорной информаиии об

999012 объекте регулиронания, которая «нляется н которым приближением его реальных параметров, поэтому,, несмотря на стабилизацию общего коэффициен— та усиления сист. мы,открытым остается вопрос оп гимален ли он. Известно, что для различных режимон работы системы нужны различные критерии оптимальности. Так например, при большом сигна— ле рассоглассвания оптимальным является критерий максимума быстродейст- 1)3 ния, что достигается увеличением коэффициента усиления системы до максимального. При малых сигналах рассогласования критерием оптимальности является минимум ошибки, что имеет мес- 15 то на границе устойчивости системы.

А при появлении высокочастотных составляющих н системе происходят частыс. срабатынания регулятора вхолостую, что сокращает срок службы системы и, следовательно, и этом режиме критери,ем оптимальности является увеличение срока службы системы. Таким образом, для различных режимов работы известной системы необходимы различные крите- 2 i рии оптимальности,а значит,и различные значения коэФфициентов усиления системы, а не стабилизация значения коэффициента усиления, осуществляемая в известной системе.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является релейная система регулирования, содержащая последовательно соединенные детектор и инерционный блок и последовательно соединенные эадатчик, первый блок сравнения, второй блок сравнения, усилитель, трехпозиционный релейный блок и исполнительный механизм, подключенный выходом к входу объекта регулирования, подключенного выходом 40 к второму входу первого блока сравнения, выход инерционного блока подключен к нторому входу второго блока :равнения t 3 ).

Недостатки известной системы —,ц низкие точность и быстродействие, а также малая ее долговечность.

Цель изобретения — повышение точности, быстродействия и долговечности системы.

56

Поставленная цель достигается тем, что в системе дополнительно установлены последовательно соединенные триггер и дифференцирующий блок, ныход которого соединен с входом детек-,. тора, а вход триггера подключен к выходу трехпоэиционного релейного блока.

На фиг. 1 представлена блок-схема системы; на Фиг. 2 — временные диаграммы работы ее основных блоков. «6О

Система содержит первый блок сравнения 1, релейный усилитель 2, второй блок сравнения 3, усилитель 4, трехпозиционньп релейный блок 5, объект регулирования б, триггер 7, Я дифферен;ирующий блок 8, детектор 9, инерционный блок 10, задатчик 11, исполнительный механизм 12,, егулятор

13, резисторы 14-1б, конденсаторы

17 и 18.Р, — сигнал на выходе i -ого блока системы, Ь - время.

Система работает следующим образом.

На блок сравнения 1 поступают фактическое значение регулируемого сигнала Р с выхода объекта регулиронаЬ ния б и сигнал задания Р 3 с выхода задатчика 11. В блоке сравнения 1 сигналы Рб и Р сравниваются и на его выходе формируется сигнал рассогласования Р, который поступает на вход релейного усилителя 2.Трехпозиционный релейный блок 5 релейного усилителя 2 устанавливается в одно из трех состояний: наброса (+ 1), сброса (-1) и нейтральное (О), и зависимости от величины и знака сигнала рассогласования Р и коэффициента усиления усилителя 4. Выходной сигнал, !

Р< релейного усилителя 2 через исполнительный механизм 12 воздействует на объект регулирования таким образом, чтобы регулируемый сигнал Р стремил6 ся к сигналу задания Р„ . Одновременно выходные сигналы релейного усилителя 2 поступают на триггер 7, который в завися,ости от полярности нходногэ сигнала переключаетс. в одно из своих состояний (1,0). Пока на выходе оелейного усилителя 2 отсутст ует энакопеременный сигнал (†1), триггер 7 находится в одном из .còçéчиных состояний (1 или О). При выходной сигнал триггера 7 не t р:.ходит через дифференцирующий блок и на выходе сигнал Р„ инерцион.-:ого блока 10 будет ранен нулю. При это.: усилитель 4 имеет максимальный коэффициент усиления„ равный практически бесконечности,. что повышает быстродействие системы и минимизирует ее ошибку, Рассмотренный случай характерен для режима системы, когда средняя величина ее сигнала рассогласования не равна н.лю. Если средняя величина рассогласования Р сис1 темы равна нулю, то это означает достижение объектом регулирования б заданной нагрузки. Отклонение сигнала рассогласования от нуля в положительную или отрицательную сторону приведет к появлению знакопеременного сигнала на выходе релейного усилителя 2, который воэдейстнует на объект регулирования б таким образом, чтобы сигнал рассогласования Р1 был равен нулю. Если этого сделать не удается, то на выходе релейного усилител.. 2 знакопеременный сигнал не исчезнет и будет вызывать переключение триггера 7 с частотой изменения сигнала Р5(фиг. 2). Знакопостоянные импульсы с выхода триггера 7 прохо999012 дят дифференцирующий блок 8 и преобразуются в последовательность знакопеременных импульсов типа дельтафункции, временное положение которых соответствует положению перед"его и заднего фронтов прямоугольных импульсов на выходе триггера 7. Детектор 9 пропускает с выхода дифференцирующего блока 8 импульсы только одной полярности. Таким образом, на выходе детектора 9 появятся знакопеременные импульсы типа дельта-функции, которые поступают на вход инерционного блока 10, где происходит их сглаживание и накопление. Постоянная времени заряда Т3 и постоянная времени разряда Т инерционного блока 10 определяются по формулам

Ъ 19 и + 16

1 (2) Выходной сигнал инерционного блока

10 поступает на блок сравнения З,где вычитается из сигнала рассогласования P . Это приводит к уменьшению коэффицйента усиления усилителя 2, до тех пор, пока знакопеременные импульсы на выходе релейного усилителя 2 нв исчезнут, или их частота не станет меньше 0,1 Гц, Частота 0,1 Гц является нижней частотой знакопеременного сигнала релейного усилителя 2, как при возникновении в системе автоколебаний, так и при появлении в спектре сигнала Р6 высокочастотной помехи, которую система не успевает отрабатывать. Эта частота определена при анализе осциллограмм нагрузок широкого класса проходческих комбайнов, бурильных и буровых машин, как минимальная частота знакопеременного выходного сигнала релейного усилителя

2 в установившемся режиме работы системы, т.е. при среднем значении ошибки рассогласования Р„, равной нулю.

Таким образом, если в спектре сигнала Р6 присутствует высокочастотная помеха, которую система из-за ограниченного быстродействия нв успевает отработать, то коэффициент усиления усилителя 4 уменьшается, что предотвращает частые срабатывания регулятора вхолостую и увеличивает срок его службы. Если в системе отсутствуют высокочастотные помехи, то она выводится на границу устойчивости, где достигается минимум ошибки, а следовательно, увеличивается ее качество.

Происходит это следующим образом.

Пока сигнал рассогласования не меняет своего знака, сигнал местной отрицательной обратной связи равен нулю, и коэффициент усиления усилителя 4 практически равен бесконечности, Однако максимальный коэффициент усиления усилителя 4 приводит к возникновению автоколебаний, отрицательные последствия которых общеизвестны.Автоколебания вызывают появление знакопеременного сигнала на выходе релейного усилителя 2 с частотой больше

0,1 Гц. Это вызывает увели .ение сигнала местной отрицательной обратной связи, а следовательно, уменьшение о коэффициента усиления усилителя 4 до тех пор, пока автоколебания не исчезнут, то с ними исчезает знакопеременный сигнал на выходе релейного усилителя 2, что вновь вызовет увеличение

15 коэффициента у-силения усилителя 4.

Таким образом, коэффициент усиления системы. будет иметь величину, близкую к границе устойчивости, не переходя в область неустойчивости, что д обеспечивает устойчивую работу системы с минимальной ошибкой. Причем нахождение системы на границе устойчивости обеспечивается при широком изменении как параметров объекта регулирования б, так и самого регулятора 13.

Если сигнал рассогласования представляет собой колебатвльный сигнал с переменным во времени средним значением, например нарастающим, это имеет место, когда среднее значение Рб больше Р<>, то на выходе релейного усилителя 2 будут появляться сигналы преимущественно одного знака(н данном случае сброса нагрузки ), а частота следования знакопвременных

Импульсов на его выходе будет уменьшаться, это приведет к уменьшению выходного сигнала инерционного блока

10, а следовательно, к увеличению ко40 эффициента усиления усилителя 4 и повышению быстродействия системы, что обеспечивает отработку сигнала рассогласования с минимальным временем. Таким образом, если среднее значение фактического сигнала Р изме6 няется во времени, то общий коэффициент усиления системы становится максимальным. Если среднее значение

P стабилизируется на заданном уров6 не, то общий коэффициент усиления системы приближается к границе устойчивости. Если в системе появятся высокочастотные помехи, которые регулятор 13 не успевает отработать, то коэффициент усиления его уменьшается до уровня, при котором эта помеха через регулятор 13 не проходит.

Если в системе появится сигнал с малым отклонением от среднего значения, которое стремится к заданному, 40 то он не будет вызывать появление знакопеременного сигнала на выходе релейного ус:лителя 2, что приведет. к увеличению коэффициента усиления усилителя 4 практически до бесконвч"

g5 ности, благодаря чему этот сигнал

999012 будет отрабатываться системой с максимальным быстродействием и минимальной ошибкой.

На фиг. 2 приведены временные диаграммы работы блоков 5, 7, 8, 9 и

10 регулятора 13. Причем рассматривается тот частный случай, когда выходной сигнал трехпозиционного релейного блока 5 является знакопеременным с периодом То. Реакция блоков

7-9 на этот сигнал описана выше, поэтому поясним лишь прохождение после- довательности знакопеременных импульсон типа дельта-функции через инерционный блок 10. Очевидно, что период понторения этих импульсов будет так- 15 же равен Т0, Используя методику расчета импульсных систем можно показать, что выходной сигнал инерционного блока 10 описывается разностным

УРавнением 2О ((о+");-О)= р 0 (,ПТ -О)+ . Е р (3)

Т 0

10 ((и+") 1, +0)=р1 ((и+1)Т -О)+ — — 1

3 . где Т З Т р — постоянные времени заряда и разряда инерционного блока 10;

Т вЂ” период выходного сигнала блока 5;

0 — сигнал логической единио цы триггера 7;

Т вЂ” постоянные. времени диф8 ференцирующего блока 8; натуральный ряд чисел

0,. р 2.

Очевидно, что сигнал Р„увеличи- . вается дс тех пор,. пока ;-е будет выполнено- соотношение р .(и -()Т -0)=р оТ -0, (5-) Г 4О 10 0 " 10(О

Подставляя формулу (3 ) н формулу (5 ), получим

U Т (Ро .то-0)%ах= Т-Е-, (6) 45

М

Т

Формул а (б ) будет выполнять ся при . (.7) зт 50

О

Используя формулу (6 ) можно получить максимальный коэффициент передачи цепи местной отрицательной обратной, связи и минимальн ч коэффициент усииення всего релейного усилителя 2

К К (е) 2чпю, К4К5 К Т

1+ 49

Т (е

Т

3 где К . — минимальный коэффициент 2min усиления релейного усили теля 2, K — коэффициент усиления усНлителя 4;

К вЂ” коэффициент усиления трехпозиционного релейного блока 5 (принимается обычно его линеаризонанное значение);

К вЂ” коэффициент усиления триг- гера 7, равен отношению модулей сигналов логической единицы на входе и выходе.

Для большинства выпускаемых серийно триггерсн K7 = 1. Учитывая то, что

Х - формулу (8 ) преобразуем к ви-ду

;)Т, Т (е -1) (9)

° К2= - (9)

Этот коэффициент усиления усилителя 2 будет иметь место лишь после того, когда будет выполнено соотношение (,7 ). Исходя из принятой минимальной частоты T0 - =0,1 Рц, прн которой выходной сигнал Р10 еще растет, определяем Т Р 3,3 с. Подставив зто значение

T p B формулу (7 ), получим пТ0-4 = Юс, где t — время установления минималь-уст ного коэффициента усиления

Релейного усилителя 2, Т.е. в течении 10 с после поннления знакопеременных импульсон на выходе релейного силителя 2 система отрабатынает возникшее рассогласонанание с высоким коэффициентом усиления, но если знакопеременные импульсы не исчезают, то через 10 с установится минимальный коэффициент усиления релейного усилителя 2, соответствующий формуле (9), при этом сигнал на его выходе будет отсутствовать.

Предлагаемой техническое решение позн<зляет .повысить точность системы на 20% s том случае, когда среднее значение сигнала рассогласования системы равно нулю, потому что ннедение новых блоков и связей обеспечивает работу системы на границе устойчивости, где ошибки минимальны.

Если среднее значение сигнала рассогласования не равно нулю, т.е. оно одного знака, то в системе благодаря наличию новых блоков и связей

Установится максимальное быстродействие, что достигается увеличением коэффициента усиления усилителя 4 практически до бесконечности.

Это позноляет повысить быстродействие системы н 1,5-2 раза по сравкению с известными системами.

Если в системе Возникнут высоко" частотные помехи, которые не могут быть отработаны регулятором 13 иэ-за ограниченного быстродействия,. то e-o коэффициент усиления уменьшается,что, исключает холостые срабатывания ре-.

999012

10 гулятора 13 и увеличивает срок службы системы в 1,5-2 раза по сравнению с известным.

Испытания экспериментального образца импульсного регулятора проводились в лабораторных условиях. Полоса частот входного сигнала выбиралась ниже полосы среза регулятора, но выше

0,1 Гц. Количество срабатываний регулятора определялось эа 20 периодов колебаний входного. сигнала. При этом регулятор. предлагаемой системы срабатывал 2-3 раза, а регулятор известной системы - 20, т.е. известное техническое решение реагировало на каждое колебание входного сигнала,.а предлагаемое — только на каждое десятое колебание.

Проведенные щах ные испытания подтвердили работоспособность предлагаемой системы и ее высокое качество. 2О

Было отмечено также отсутствие частых срабатываний регулятора в системе при достижении заданной нагрузки объекта регулирования, что увеличивает срок службы системы. 25

Формула изобретения

Релейная. система регулирования, содержащая последовательно соединенные детектор и инерционный блок и последовательно соединенные эадатчик, первый биок сравнения, второй блок сравнения, усилитель, трехпоэиционный релейный блок и исполнительный механизм, подключенный выходом к входу объекта регулирования, подключенного выходом к второму входу перного блока сравнения, а выход инерционного блока подключен к второму входу второго блока сравнения, о т л и» ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности, быстродействия и долговечности системы, в ней дополнительно установлены последовательно соединенные триггер и дифференцирующий блок, выход которого соединен с входом детектора, а вход триггера подключен к выходу трехпоэиционного релейного блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ю 391532, кл. G 05 В 11/16, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 266019, кл. G 05 В 11/00, 1968.

3. Авторское свидетельство СССР

М 430352, кл. G 05 В 11/00, 1972 (прототип).