УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ Российский патент 1997 года по МПК G06F11/18 G05B23/02 

Изобретение относится к устройствам автоматического управления и может быть использовано при построении высоконадежных систем автоматического управления, в частности систем управления движением.

Известно использование однотипных чувствительных элементов при мажоритарном принципе выбора правильно работающего элемента (например, "2" из "3", "3" из "5" и т.п.) [1]
Недостаток этого способа резервирования состоит в большой избыточности чувствительных элементов, которые, как правило, являются сложными и дорогостоящими устройствами (например, акселерометры, гироскопы, датчики угловой скорости и т.д.). При этом с ростом числа допустимых отказов чувствительных элементов резко возрастает количество избыточных датчиков.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для управления объектом [2] содержащее n датчиков параметра и m датчиков скорости изменения параметра, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго мультиплексоров, первый и второй последовательно включенные счетчики, разрядные выходы которых соединены соответственно с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, последовательно соединенные коммутатор, формирователь контрольного сигнала, выполненный в виде переключаемой структуры апериодическое звено интегратор, блок сравнения, пороговый элемент и первый элемент И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, второй вход с выходом генератора импульсов и управляющими входами формирователя контрольного сигнала и коммутатора, первый сигнальный вход которого подключен к выходу первого мультиплексора и второму входу блока сравнения, а второй сигнальный вход к выходу второго мультиплексора.

Недостаток этого устройства состоит в том, что при возникновении отказа (отказов) датчиков параметра или датчиков скорости изменения параметра с момента возникновения отказа до момента определения комбинации исправно работающих датчиков в систему управления объектом поступает искаженная информация о состоянии объекта, что может привести к хаотичному срабатыванию (или непрерывному включению) органов управления, что в свою очередь может нарушить процесс управления и привести к выходу из строя системы управления.

Задача изобретения повышение функциональной надежности за счет блокирования ложных сигналов, возникающих в процессе функционирования устройства.

Указанная задача решается тем, что в устройство для управления объектом, содержащее n датчиков параметра и m датчиков скорости изменения параметра, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго мультиплексоров, первый и второй последовательно включенные счетчики, разрядные выходы которых соединены соответственно с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, последовательно соединенные коммутатор, формирователь контрольного сигнала, выполненный в виде переключаемой структуры апериодическое звено интегратор, блок сравнения, пороговый элемент и первый элемент И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, второй вход с выходом генератора импульсов и управляющими входами формирователя контрольного сигнала и коммутатора, первый сигнальный вход которого подключен к выходу первого мультиплексора и второму входу блока сравнения, а второй сигнальный вход к выходу второго мультиплексора, введены триггер, второй элемент И, инвертор, элемент задержки, первый и второй ключи, сигнальные входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго мультиплексоров, а управляющие входы к выходу триггера, R-вход которого соединен с выходом первого элемента И, S-вход с выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом второго элемента И, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу генератора и инвертора, соединенного своим входом с выходом порогового элемента, при этом выходы первого и второго ключей являются соответственно первым и вторым выходами устройства.

На чертеже представлена структурная схема устройства для управления объектом. На этой схеме выходы n датчиков параметра 1 соединены с соответствующими информационными входами первого мультиплексора 3, управляющие входы которого подключены к разрядным выходам первого счетчика 5, выходы m датчиков 2 скорости изменения параметра соединены с соответствующими информационными входами второго мультиплексора 4, управляющие входы которого подключены к разрядным выходам второго счетчика 6. Выход первого мультиплексора 3 соединен с сигнальным входом первого ключа 17, первым сигнальным входом коммутатора 8 и вторым входом блока сравнения 10, выход второго мультиплексора 4 соединен с сигнальным входом второго ключа 18 и вторым сигнальным входом коммутатора 8, управляющий вход которого подключен к выходу генератора импульсов 7, управляющему входу формирователя контрольного сигнала 9, первому входу первого элемента И 12 и второму входу второго элемента И 13. Последовательно соединены коммутатор 8, формирователь контрольного сигнала 9, блок сравнения 10, пороговый элемент 11, инвертор 14, второй элемент И 13, элемент задержки 15, выход которого подключен к S-входу триггера 16, R-вход которого соединен с выходом первого элемента И 12 и счетным входом первого счетчика 5, последовательно соединенного с вторым счетчиком 6. Выход триггера 16 соединен с управляющими входами первого 17 и второго 18 ключей, выходы которых подключены соответственно к первому 19 и второму 20 выходам устройства. Второй вход первого элемента И 12 соединен с выходом порогового элемента 11.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии счетчиков импульсов 5 и 6 их выходные сигналы поступают на управляющие входы первого 3 и второго 4 мультиплексоров соответственно и обеспечивают подключение к входам коммутатора 8, а через первый 17 и второй 18 ключи к первому 19 и второму 20 выходам устройства управляющих сигналов одного из имеющихся n датчиков 1 параметра (например, с номером 1) и одного из имеющихся m датчиков 2 скорости изменения параметра (также, например, с номером 1). Первый 17 и второй 18 ключи открыты, если триггер 16 находится в единичном состоянии, и закрыты, если указанный триггер находится в нулевом состоянии. Если упомянутые ключи открыты, то сигналы датчика параметра 1 через мультиплексор 3 поступают на первый выход устройства 19 (а значит, и в систему управления), а с датчика 2 скорости изменения параметра через мультиплексор 4 на второй выход устройства 20.

Будем считать, что генератор импульсов 7 формирует прямоугольные импульсы длительностью τ и периодом следования T. В момент формирования импульса высокий уровень выходного напряжения U_г генератора 7 переводит коммутатор 8 в положение, при котором на его выход подключается сигнал второго мультиплексора 4 (сигнал выбранного датчика 2 скорости изменения параметра). Одновременно высокий уровень выходного напряжения генератора 7 (U_г=1) подается на выходы первого 12 и второго 13 элементов И и управляющий вход формирователя контрольного сигнала 9, представляющего собой переключаемую структуру апериодическое звено интегратор, при этом при U_г=1 формирователь 9 представляет собой интегратор, а при U_г= 0 - апериодическое звено с постоянной времени t_a причем τ_a <<T_п, где T_п=T-τ (длительность паузы между импульсами генератора 7). При формировании паузы между импульсами длительностью T_п низкий уровень выходного напряжения генератора 7 (U_г=0) переводит коммутатор 8 в положение, при котором на его выход подключается сигнал первого мультиплексора 3 (сигнал выбранного датчика параметра 1), при этом формирователь контрольного сигнала 9 по своей структуре соответствует апериодическому звену.

Пусть в начальный момент времени выходной сигнал генератора импульсов 7 U_г= 0. В этом случае на вход формирователя контрольного сигнала 9 (для рассматриваемого случая апериодическое звено) подается сигнал u₁ с выхода первого мультиплексора 3. Выходной u_ф сигнал формирователя 9 будет практически равен сигналу u₁, а выходной сигнал блока сравнения 10 Du u_ф-u₁ близок к нулю. Постоянная времени τ_a формирователя 9 выбирается из условия
τ_a ≪ T_п, τ_a ≪ T_и (1)
где T_и возможный период (частота) изменения сигнала u₁. Сигнал U_г=0 блокирует прохождение сигналов через первый 12 и второй 13 элементы И, вследствие чего состояние первого счетчика импульсов 5 и триггера 16 остается неизменным.

По истечении времени t=T_п начинается формирование импульса U_г=1. В этом случае формирователь контрольного сигнала 9 представляет собой интегратор, коммутатор 8 переходит в состояние, при котором на его выход поступает выходной сигнал второго мультиплексора 4, а первый 12 и второй 13 элементы И разблокируются.

Рассмотрим возможные варианты работы устройства в зависимости от неисправности датчиков параметра 1 и датчиков скорости изменения параметра 2. Пусть названные датчики исправны. В этом случае выходной сигнал формирователя контрольного сигнала 9 u_ф равен

где u₁₀ значение выходного сигнала первого мультиплексора 3 u₁ на момент окончания паузы T_п, t текущее время от момента T_п. В соответствии с (2) выходной сигнал Δu блока сравнения 10
Δu = u_ф-u₁ (3)
близок к нулю (<h), h уровень срабатывания порогового элемента 11). В этом случае пороговый элемент 11 выключен и его выходной сигнал U_п=0 через инвертор 14, второй элемент И 13 подается на элемент задержки 15. По истечении времени τ_з (время задержки элемента 15) выходной сигнал элемента задержки 15 подается на S-вход триггера 16 и переводит его в единичное состояние. При этом открываются первый 17 и второй 18 ключи, осуществляя соответственно подключение сигнала датчика параметра 1 к первому выходу 19 и сигнала датчика скорости изменения параметра 2 к второму выходу 20 устройства.

Предположим, что датчик параметра 1 (с номером 1) неисправен. В этом случае выполняется неравенство

При формировании импульса U_г=1 нарушается равенство (2) и сигнал блока сравнения 10 Δu в некоторый момент времени t становится по модулю более значения h уровня срабатывания порогового элемента 11, выходной сигнал которого U_п=1 через первый элемент И 12 подается на R-вход триггера 16 и счетный вход первого счетчика 5. Триггер 16 устанавливается в нулевое положение, блокируя тем самым через первый 17 и второй 18 ключи прохождение сигналов датчика параметра 1 и датчика скорости изменения параметра 2 соответственно на первый 19 и второй 20 выходы устройства. Одновременно изменяется код первого счетчика 5, тем самым осуществляется подключение к выходу первого мультиплексора 3 другого датчика параметра, например с номером 2.

Если далее подключенные первым мультиплексором 3 датчик параметра и вторым мультиплексором 4 датчик скорости изменения параметра исправны, то устройство функционирует в соответствии с описанным выше вариантом для исправно работающих датчиков, при этом исправно работающие датчики подключаются к первому 19 и второму 20 выходам устройства.

Если один из подключенных первым мультиплексором 3 датчик параметра или вторым мультиплексором 4 датчик скорости изменения параметра неисправны, то устройство функционирует в соответствии с описанным выше вариантом для неисправно работающих датчиков, при этом последовательно перебираются все комбинации подключения датчиков параметра 1 и датчиков скорости изменения параметра 2 до тех пор, пока не будет найдена комбинация двух исправно работающих датчика параметра и датчика скорости изменения параметра.

Время T_x от момента появления неисправности одного из подключенных к выходам 19 и 20 устройства датчиков до момента нахождения комбинации исправно работающих датчиков в зависимости от числа отказавших к этому времени датчиков параметра или датчиков скорости параметра лежит в пределах
2T<T_x<n•m•T. (5)
В рассматриваемом устройстве время T_н от момента появления неисправности одного из подключенных к выходам 19 и 20 датчиков до момента обнаружения неисправности не превышает значения
T_н<2T. (6)
Сравним по функциональной надежности известное [2] и предлагаемое устройства. В известном устройстве [2] выходной сигнал с неисправно работающих датчиков поступает в систему управления в течение времени T_x, в предлагаемом устройстве в течение времени T_н (по истечение времени T_н закрываются первый 17 и второй 18 ключи, блокируя прохождению ложных сигналов на первый 19 и второй 20 выходы устройства). Если в систему управления поступает ложный сигнал, то возникает динамический неуправляемый процесс, который может сопровождаться, например, постоянным включением исполнительных органов системы управления.

Сравним функциональную надежность известного [2] и предлагаемого устройства на примере управления ориентацией космического объекта. Будем считать, что при поступлении ложного сигнала с датчика параметра (углового положения) или с датчика скорости изменения параметра (угловой скорости) несанкционированно включается исполнительный двигатель. В известном устройстве [2] время несанкционированного включения равно T_x, в предлагаемом устройстве T_н. Если, например, n=m=3, T=2 с, то угловое отклонение α₁ космического объекта за время T_х равно

где ε угловое ускорение при включенном исполнительном двигателе.

Угловое отклонение a₂ космического объекта за время T_н равно

При ε= 1 град•с^-2, T_x= 8T, T_н=1,5T a₁=128^o, α₂=4,5^o. Из приведенного примера ясно, что при использовании известного устройства фактически нарушается ориентация космического объекта (α₁=128^o), т.е. система управления не выполняет свою функцию (наступает функциональный отказ). При использовании предлагаемого устройства изменение ориентации составляет 4,5^o, что практически не нарушает ориентацию космического объекта, т.е. система сохраняет свою функциональную надежность.

Предлагаемое устройство для управления объектом реализуется с использованием типовых стандартных элементов: мультиплексоров типа 564КП2, счетчиков импульсов типа 564ИЕ10, триггера, элементов И, ключей типа 590КН4, коммутатора типа 590КН5, релейных элементов, генератора и формирователя контрольного сигнала, выполненных на базе операционных усилителей и пассивных R-, C-элементов.

Литература.

1. Епифанов А.Д. Надежность систем управления. М. Машиностроение, 1975, с. 129, рис. 5.1.

2. Патент Российской Федерации N 2006940, кл. G 06F 15/46, G 05B 23/02, 1994 (прототип).

Изобретение относится к устройствам автоматического управления. Технический результат заключается в повышении функциональной надежности за счет блокирования ложных сигналов, возникающих в процессе функционирования, и достигается за счет того, что сигналы n датчиков параметра и m датчиков скорости изменения параметра через первый и второй мультиплексоры подаются на первый и второй ключи, выходы которых являются первым и вторым выходами устройства. При возникновении отказов датчиков формирователь контрольного сигнала, блок сравнения и пороговый элемент вырабатывают сигнал, который через первый и второй элементы И, элемент задержки, триггер закрывают первый и второй ключи, осуществляя тем самым блокировку ложных сигналов, что позволяет повысить функциональную надежность. 1 ил.

Устройство для управления объектом, содержащее n датчиков параметра и m датчиков скорости изменения параметра, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго мультиплексоров, первый и второй счетчики, разрядные выходы которых соединены соответственно с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, а выход переполнения первого счетчика соединен со счетным входом второго счетчика, коммутатор, формирователь контрольного сигнала, выполненный в виде переключаемой структуры "апериодическое звено интегратор", блок сравнения, пороговый элемент и первый элемент И, причем выход коммутатора соединен с информационным входом формирователя контрольного сигнала, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход которого через пороговый элемент соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, а второй вход первого элемента И соединен с выходом генератора импульсов и управляющими входами формирователя контрольного сигнала и коммутатора, первый сигнальный вход которого подключен к выходу первого мультиплексора и второму входу блока сравнения, а второй сигнальный вход к выходу второго мультиплексора, отличающееся тем, что в него введены триггер, второй элемент И, инвертор, элемент задержки, первый и второй ключи, сигнальные входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго мультиплексоров, а управляющие входы к выходу триггера, R-вход которого соединен с выходом первого элемента И, S-вход с выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом второго элемента И, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу генератора и инвертора, соединенного своим входом с выходом порогового элемента, при этом выходы первого и второго ключей являются первым и вторым выходами устройства.