БЛОК ПРЕДВАРЕНИЯ С ФИЛЬТРОМ ПОНИЖЕНИЯ ПОМЕХ Российский патент 1997 года по МПК G06G7/18 G06G5/00 

Изобретение относится к области автоматических систем регулирования (АСР) и может быть использовано во всех ее технических подобластях в электронных, электрических, пневматических, гидравлических АСР, а также в комплексных, например в таких, которые имеют управляющую часть, относящуюся к одной подобласти, а исполнительную к другой.

Известен блок предварения (БП) с фильтром ограничения помех, содержащий блок разности, первый вход которого связывается с выходом пропорционального блока преобразования величины, регулируемой автоматической системы, выход связан с узлом связей, первая выходная связь которого соединяется с инвертирующим входом блока разности заданной и преобразованной регулируемой автоматической системы величин, вторая выходная связь соединена с инерционным блоком с постоянной времени T и коэффициентом усилия K=1, выход которого связан с вторым инвертирующим входом блока разности блока предварения. Динамическая структурная схема этого БП приведена в работе Берендс Т.К. и др. "Элементы и системы пневмоавтоматики", М. Машиностроение, 1968, с. 157, рис. 100, а. Недостатком его является высокая инерционность, резко понижающая эффект вырабатываемого предварения фазу блока. Согласно расчету, значение его фазы может превысить плюс 20^o. Учитывая, что БП вводятся в АСР специально, такое значение фазы БП не может быть оценено как существенное.

Известны другие БП с фильтром ограничения помех. К таким БП относятся "цепочка опережение -запаздывание", описанная в работе Э.Льюса и Х.Стерна "Гидравлические системы управления", М. Мир, 1966, с. 359, ряд электрических аналогов, описанных в работе Бесекерского В.А. и Попова Е.П. "Теория систем автоматического регулирования", M. Наука", с. 269, табл. 10,1 (пп. 1 и 2). Динамические структурные схемы этих БП обеспечивают получение более высоких фаз. При этом у них в большей степени проявляется недостаток, присущий всем БП с фильтром ограничения помех, это свойство повышения до определенного уровня амплитуд выходных сигналов при роcте их частоты. Ограничение этого уровня ведет к ограничению значения фазы блока. Но такое ограничение характерно для всех БП с фильтром ограничения помех. Оно вызвано стремлением разработчиков АСР ограничить на выходах блоков амплитуды помех, которые, как правило, высокочастотны.

Известно, что назначением БП, как динамических звеньев в составе АСР, является внесение существенных положительных фаз в балансы фаз звеньев АСР с целью повышения запаса устойчивости последних по фазе и в целом. Повышение запаса устойчивости позволяет повысить динамическое быстродействие АСР. Вследствие повышения быстродействия понижаются амплитуды и уменьшается время переходных процессов, то есть повышается динамическая точность АСР, благодаря чему повышается срок службы объектов регулирования. Существенными для БП считаются фазы, значения которых не ниже 30-35^o.

Как дифференцирующие вычислительные устройства, производящие пропорционально-дифференциальную операцию, БП изменяют не только фазу, но и амплитуду входных сигналов. Так идеальный БП, аналитически способный обеспечивать АСР наибольшее повышение запаса устойчивости (так как вносит наиболее высокие положительные фазы и сохраняет постоянство коэффициента усиления), повышает амплитуды периодических входных сигналов приблизительно пропорционально их частотам. В связи с тем, что в реальной АСР на вход БП, как правило, поступают полезные сигналы с относительно большими амплитудами и малыми значениями частот и помехи с малыми амплитудами и высокими значениями частот, во много раз превосходящими значения частот полезных сигналов, в случае включения в АСР идеального БП вычисленные им амплитуды помех на выходе обычно повышены на столько, что подавляют полезные сигналы. Поэтому использование идеального БП на практике невозможно. Возникает необходимость в разработке и использовании БП, обеспечивающих ограничение или, что гораздо лучше, понижение амплитуд высокочастотных входных сигналов, то есть их фильтрацию. Такие устройства аналитически должны функционировать как последовательная цепь идеального БП и соответствующего фильтра. Разработка и надежная реализация такой цепи еще более сложна, чем разработка единых устройств, обладающих аналитически идентичным функционированием, поэтому последняя более предпочтительна. Такие устройства будем называть БП с фильтром ограничения помех и БП с фильтром понижения помех, понимая при этом, что речь идет об ограничении или понижении амплитуда помех на выходах этих БП.

Недостатки известных БП с фильтрами ограничения и понижения помех изложены выше. С учетом крайней сложности задачи технические требования к вновь разрабатываемому БП с фильтром понижения помех целесообразно привести в следующей формулировке:
значение максимума фазы не менее 40^o,
относительное повышение амплитуд помех (отношение повышения амплитуд помех к повышению амплитуды полезного сигнала):
до 4 раз в диапазоне частот малой вероятности возникновения помех, граница которого обычно превышает рабочую частоту в 6-8 раз,
до 2 раз в диапазоне част от вероятного возникновения помех.

резонансное превышение амплитудной частотной характеристикой амплитудной частотой характеристикой амплитудной частотной характеристики идеального БП до 1,5 раз.

Заявляемый БП отвечает этим требованиям, что будет показано описанием его действия. Такие качественные показатели обеспечены тем, что на участке связи блока разности с узлом связей введен инерционный блок с коэффициентом усилия K₁ и постоянной времени T₁, при этом значения динамических коэффициентов инертных блоков выбраны согласно алгоритму
,
где ω_o вспомогательная частота, значение которой подобрано для обеспечения требуемой частоты максимума фазы.

На фиг. 1 приведена блок-схема заявляемого БП, на фиг. 2 его динамическая структурная схема; на фиг. 3 графики амплитудных и фазовых частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) заявляемого БП в диапазоне частоты от 0 до 24 1/с, полученные при следующих сочетаниях коэффициентов, отвечающих алгоритму (1): K₁ 7,469, T₁ 0,189 с, T 1 с, ω_o 6,28 1/с графики 1;
K₁ 10,538, T₁ 0,1187 с, T 0,666 с, ω_o 9,42 1/с - графики 2;
K₁ 13,6465, T₁ 0,086 с, T 0,5 с, ω_o 12,56 1/с - графики 3;
T₁ 0,189 с, T 1,5 с, ω_o 6,28 1/с графики 4, а также пунктиром соответствующие графики идеального БП. На фиг. 4 приведены графики 1 и 3 амплитудных и фазовых частотных характеристик в диапазоне частоты от 0 до 60 1/с и пунктиром графики соответствующих характеристик заявляемого БП, реализованного в составе цифровой вычислительной машины с периодом повторения циклов τ= 0,02 с.
Заявляемый БП с фиксатором понижения помех содержит блок разности 1, инерционный блок 2 с постоянной времени T₁ и коэффициентом усиления K₁, инерционный блок 3 с постоянной времени Т и коэффициентом усиления К, узел связей 4, связи 5, 6, 7, 8, 9, 10. Первый вход блока разности 1 присоединяется связью 5 к выходу преобразователя величины, регулируемой АСР, выход блока разности соединен связью 6 со входом инерционного блока 2, выход инерционного блока 2 соединен связью 7 с узлом связи 4, разветвляющимися на выходе на связи 8 и 9. Связь 8 присоединяется к входу блока разности заданной и регулируемой АСР величин, то есть является выходной связью БП, связь 9 присоединена к входу в инерционный блок 3, выход которого присоединен связью 10 к второму инвертирующему входу блока разности 1.

Сигнал X_1i (см. фиг. 1 и 2), образовавшийся на выходе преобразователя величины, регулируемой АСР, проходит по связи 5 к первому входу блока разности 1. Одновременно к второму инвертирующему входу блока разности 1 по связи 10 от инерционного блока 3 проходит соответствующий сигналу X_1i сигнал X_2t. Сигнал X_2i образуется на выходе инерционного блока 3 в результате следующего последовательного функционирования блока разности 1, инерционного блока 2, узел связей 4 и инерционного блока 3:
1) блок разности 1 вычисляет разность сигналов
X_3i X_1i X_2i (2),
сигнал X_3i проходит по связи 6 к входу в инерционный блок 2;
2) инерционный блок 2 производит инерционное усилие сигнала в K₁ раз на его выходе образуется сигнал
X_4i W₂(P)•X_3i (3),
где в случае БП аналогового исполнения (аналогового БП) в составе непрерывной АСР (Б. А. Бесекерский, Е.П. Попов, Теория систем автоматического регулирования, М. Наука, 1972, с. 54)
W₂(P) K₁/(T₁P + 1)- (4)
передаточная функция инерционного блока 2,
сигнал X_4i проходит по связи 7 к входу узла связей 4;
3) узел связей 4 пропускает сигнал X_4i из связи 7 в связи 8 и 9, сигнал X_4i проходит по связи 9 к входу в инерционный блок 3;
4) инерционный блок 3 производит инерционное усилие сигнала X_4i в K раз на его выходе образуется сигнал
X_2i W₃(P)X_4i (5),
где W₃(P) K/(Tp + 1) (6)
передаточная функция инерционного блока 3.

Одновременно сигнал X_4i проходит по связи 8 к инвертирующему входу блока разности заданной и преобразованной АСР величин. Согласно системе дифференциальных уравнений (2), (3), (5) с учетом выражений передаточных функций (4) и (6)
X_4i W_БП(P)X_1t (7),
где
передаточная функция БП, из которой видно, что при описанном действии элементов БП вычисляет из сигнала X_1i инерционный пропорционально -дифференциальный сигнал X_4i, причем инерционность имеет 2-й порядок.

Передаточная функция (8) подстановкой p =jω(ω круговая часть преобразовывается в частотную передаточную функцию

В случае БП цифрового исполнения (цифрового БП) в составе дискретной АСР с цифровой вычислительной машиной (ЦВМ) при идентичном действии элементов, частотная передаточная функция имеет следующий вид:

где λ относительная псевдочастота.

Вывод этой частотной передаточной функции произведен с использованием методов Z- преобразования передаточных функций непрерывных частей АСР с ЦВМ (В. А. Бесекерский, Цифровые автоматические системы, М. Наука, 1976, с.75-115). Результаты вывода приведены в таблице.

Записи передаточных функций (9) и (10) становятся максимально идентичны, если в выражении (9) обозначить

Кроме того, известно, что при ωτ>>2 что имеет место в большинстве практических случаев, так как в современных ЦВМ значением τ назначается 0,02 с и менее, псевдочастоту можно считать равной круговой и заменить ею в соответствующих выражениях. Теперь при сравнении видно, что передаточная функция (10) заявляемого цифрового БП отличается от передаточной функции (9) заявляемого аналогового БП наличием дополнительного члена сомножителя в числителе, временной коэффициент которого K₁₃. При этом, как видно из выражений (11). (14) и соответствующих выражений коэффициентов в таблице, одинаково обозначенные коэффициенты зависят от одних и тех же коэффициентов передаточных функций блоков 2 и 3.

Во многих практических случаях, кроме того, необходимым будет соблюдение равенства
K₁=KK₁ + 1 (25)
за счет обеспечения равенства
K=1 1/K₁.

При этом значение коэффициента усиления БП K_g=1, что необходимо для обеспечения инвариантности АСР с объестами регулирования, имеющими передаточные функции с коэффициентами, изменяемыми по режимам и внешним условиям.

Из приведенных на фиг.3 и 4 графических АЧХ и ФЧХ, рассчитанных для случаев аналогового и цифрового БП, при выборе значений коэффициентов передаточных функций инерционных блоков 2 и 3 на соответствие алгоритму (1) и равенству (25) действие заявляемого БП описывается количественно.

Если входной сигнал полезный, то вычисленный БП полезный сигнал опережает входной сигнал по фазе в случае:
аналогового БП на 42.53^o,
цифрового БП на 43.63,5^o
Если входной сигнал периодическая помеха, то вычисленная БП выходная периодическая помеха в зависимости от значения частоты помехи может иметь амплитуду как превосходящую амплитуду в 1.N раз, так и пониженную в 1.N₁ раз при неограниченном значении N₁. Частота максимума N повышения помехи превосходит частоту максимума фазы полезного сигнала приблизительно в 3 раза. При этом значение максимума относительного повышения амплитуды может достигнуть в диапазоне частот малой вероятности возникновения помех в случае:
аналогового БП 2,9 раза,
цифрового БП 5 раз (при τ0,02с)
в диапазоне частот вероятного возникновения помех в случае:
аналогового БП 2,2 раза,
цифрового БП 2,25 раза.

АЧХ заявляемого БП превышает АЧХ соответствующего идеального БП в случае:
аналогового БП в 1.1,15 раза,
цифрового БП в 1.1,4 раза
при почти идентичном характере протекания.

Изложенное описание действия заявляемого БП показывает, что характер действия отвечает цели изобретения практически в полном объеме.

Изобретение относится к области автоматических систем регулирования и может быть использовано во всех областях систем регулирования - электронных, электрических, гидравлических. Цель изобретения - создание блока предварения, надежно производящего высокие положительные фазовые сдвиги полезного входного сигнала при наличии входных помех, что позволит значительно повысить качество регулирования и обеспечить повышение срока службы и надежность соответствующего объекта регулирования. Блок предварения содержит блок разности, неинвертирующий вход которого является входом блока предварения, узел связей, первая выходная связь которого соединена с выходом блока предварения, вторая - с входом инерционного блока с постоянной времени T коэффициентом усиления K=1, выход которого связан с инвертирующим входом блока разности, дополнительный инерционный блок с постоянной времени T₁ и коэффициентом усиления K₁, вход которого соединен с выходом блока разности, а выход - с входной связью узла связей. При этом значения коэффициентов T,K₁ и T₁ выбраны согласно соотношению K₁/ω2o

Блок предварения с фильтром понижения помех, содержащий блок разности, неинвертирующий вход которого является входом блока предварения, узел связей, первая выходная связь которого соединена с выходом блока предварения, вторая выходная связь соединена с входом инерционного блока с постоянной времени Т и коэффициентом усиления К 1, выход которого связан с инвертирующим входом блока разности, отличающийся тем, что он содержит дополнительный инерционный блок с постоянной времени Т₁ и коэффициентом усиления К₁, вход которого соединен с выходом блока разности, а выход с входной связью узла связей, при этом значения динамических коэффициентов инерционных блоков выбраны согласно соотношению

где ω_o- вспомогательная частота, обеспечивающая требуемое значение частоты максимума фазовой частотной характеристики блока предварения.