РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР Российский патент 1998 года по МПК G05B11/14 G05B13/02 G05B11/01 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано в системах управления различными инерционными объектами, например, поворотными платформами, промышленными роботами, летательными аппаратами.

Известен релейный регулятор [1], содержащий сумматор, релейный элемент, охваченный интегрирующей отрицательной обратной связи, и управляемый формирователь импульсов.

Недостаток этого устройства состоит в том, что он имеет низкую помехозащищенность и ограниченный рабочий диапазон, определяемый линейной (информационной) зоной датчика позиционного отклонения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является релейный регулятор [3], содержащий последовательно соединенные сравнивающее устройство, усилитель с ограничением, сумматор, интегратор, релейный элемент и формирователь релейного сигнала с задержкой на выключение. Выход интегратора соединен с инвертирующим входом сравнивающего устройства, а выход релейного элемента - с инвертирующим входом сумматора.

Недостатком этого регулятора является то, что он оказывается неработоспособным, если поступающая на его вход информация от датчика позиционного отклонения имеет дискретную форму в виде последовательности импульсов (появление каждого импульса соответствует позиционному отклонению регулируемого параметра на некоторую малую величину Δ , например, изменению положения регулируемого объекта на указанную величину).

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей релейного регулятора за счет достижения работоспособности при использовании дискретных датчиков позиционного отклонения.

Сущность изобретения состоит в том, что релейный регулятор, содержащий последовательно соединенные сравнивающее устройство, усилитель с ограничением, сумматор, интегратор, релейный элемент и формирователь релейного сигнала с задержкой на выключение, при этом выход интегратора соединен с инвертирующим входом сравнивающего устройства, а выход релейного элемента - с инвертирующим входом сумматора, дополнительно содержит реверсивный счетчик, преобразователь код-напряжение, входы которого соединены с соответствующими выходами реверсивного счетчика, первый и второй формирователь эталонного сигнала амплитуды U_a и длительности τ₀ , входы которых соединены с соответствующими входами приема дискретного сигнала позиционного отклонения дискретности Δ релейного регулятора и реверсивного счетчика, а выходы - с соответствующими входами сумматора, при этом выход преобразователя код-напряжение подключен к инвертирующему входу сравнивающего устройства, а параметры U_a и τ₀ выбираются из соотношения U_a•τ₀= Δ .

На чертеже представлена структурная схема релейного регулятора, на которой показано: 1 - сранивающее устройство, 2 - усилитель с ограничением, 3 - сумматор, 4 - интегратор, 5 - релейный элемент, 6 - формирователь релейного сигнала с задержкой на выключение, 7 - реверсивный счетчик, 8 - преобразователь код-напряжение (ПКН), 9,10 - первый и второй формирователь эталонного сигнала амплитуды U_a и длительности τ₀ , 11,12 - входы приема дискретного сигнала позиционного отклонения (дискретности Δ ).

(В дальнейшем, для сокращения, помимо указанных наименований блоков при необходимости будут использованы их сокращенные названия блок 1, формирователь 6, счетчик 7 и т.д.)
Релейный регулятор выполнен следующим образом.

Входы 11 и 12 приема дискретного сигнала +ω и -ω соединены с входами счетчика 7 и входами формирователей 9 и 10. Параллельный выход счетчика 7 соединен с параллельным входом ПКН 8, выход которого соединен с неинвертирующим входом блока 1. Блоки 1-6 соединен последовательно, при этом выход формирователя 6 является выходом релейного регулятора. Блоки 2-3 охвачены цепью отрицательной обратной связи за счет соединения выхода интегратора 4 с инвертирующим входом блока 1. Блоки 4 и 5 охвачены цепью отрицательной обратной связи путем соединения выхода релейного элемента 5 с инвертирующим входом сумматора 3, с двумя неинвертирующими входами которого соединены выходы формирователей 9 и 10.

Остановимся вначале на качественных характеристиках входного сигнала, поступающего на релейный регулятор.

Предполагается, что сигнал позиционного отклонения представляет собой последовательность импульсов, каждый из которых формируется и появляется на выходе датчика при изменении позиционного отклонения объекта на некоторую малую величину Δ (дискретность датчика). При этом, в зависимости от знака отклонения, импульсы формируются на соответствующем выходе датчика - сигнал положительного отклонения +ω и сигнал отрицательного отклонения -ω. Эти сигналы поступают соответственно на входы 11 и 12 релейного регулятора.

При поступлении каждого входного импульса на входы формирователей 9 и 10 ими формируются импульсы заданной амплитуды U_a и длительности τ₀, при следующем соотношении:

Так как в любой конкретный момент времени t скорость изменения отклонения может быть только одного знака (положительная либо отрицательная), то в этот момент на выходе только одного из формирователей 9 или 10 может присутствовать импульс, т.е. импульсы U⁺ и U^- формируются всегда в разное время.

При этом на выходе формирователя 9 образуется сигнал U⁺ положительной полярности, а на выходе формирователя 10 - сигнал U^- отрицательной полярности.

ПКН 8 формирует двуполярный аналоговый сигнал, дискретность амплитуды которого соответствует сигналу Δ .

С учетом (I) выходной сигнал интегратора 4 изменяется на величину Δ от действия сигнала U⁺ или сигнала U^-. Покажем, что изменение выходного сигнала I интегратора 4 будет практически одинаковым как в случае подачи на его вход непрерывного или дискретного (в рассматриваемом случае) сигнала.

Если на вход интегратора 4 подается непрерывный сигнал U (для простоты считаем, что он постоянен по величине), то выходной сигнал I интегратора 4 будет равен
I = U•t, (2)
где
t - текущее время.

В соответствии со сделанным предположением, на вход II (считаем, что U > 0)будут поступать импульсы +ω (при использовании дискретного датчика) с частотой повторения f_ω.

f_ω = U/Δ. (3)
Так как сигнал U определяет скорость изменения позиционного сигнала X, то его изменение на Δ произойдет за время T, причем U•T = Δ , T = 1/f_ω . В рассматриваемом, с учетом (I), случае выходной сигнал I интегратора 4 от действия выходного сигнала U⁺ первого формирователя 9 будет определяться равенством
I = n•Δ = t_i•Δ/T = U•t_i, (4)
где
n - число импульсов за время t.

Сравнивая (2) и (4), приходим к выводу, что в любой момент времени t выходные сигналы I интегратора 4 в зависимости от того, какой сигнал подается на его вход: непрерывный (2) или дискретный (4) будут отличаться друг от друга не более, чем на малую величину Δ (за счет модуляции по амплитуде), т. е. эти сигналы будут практически одинаковыми. Иначе
< U⁺ + U^- > = U (5)
где <...> - означает эквивалентность.

Аналогично, сигнал позиционного отклонения X с выхода преобразователя код-напряжение равен
X = n•Δ (6)
и отличается от фактического значения позиционного отклонения X объекта в любой момент времени t не более, чем на малую величину Δ . Таким образом, можно считать, что в предлагаемой схеме на вход сравнивающего устройства 1 поступает непрерывный сигнал позиционного отклонения X, а на входы сумматора 3 - выходные сигналы U⁺ первого 9 и U^- второго 10 формирователей, действие которых эквивалентно подаче на вход сумматора 3 непрерывного сигнала U(5), определяющего скорость изменения сигнала позиционного отклонения X.

Пусть в начальный момент времени реверсивный счетчик обнулен (X=0) и на вход II начинают поступать импульсы +ω . В этом случае выходной сигнал X ПКН 8 начинает увеличиваться, а выходной сигнал I интегратора 4 растет, причем
I = X (7)
до момента срабатывания релейного элемента 5, которое происходит при I=h (h - уровень включения релейного элемента 5). Одновременно срабатывает формирователь 6, выходной сигнал M которого является выходом релейного регулятора. Формирователь 6 представляет собой релейный элемент с задержкой на выключение: срабатывание формирователя 6 происходит одновременно со срабатыванием релейного элемента 5, а выключение - через время τ после выключения релейного элемента 5. При поступлении импульсов +ω на вход II в контуре ПКН 8, сравнивающее устройство 1, усилитель с ограничением 2, релейный элемент 5 возникает "скользящий режим" [2], для которого характерно переключение релейного элемента 5 с частотой f_p, определяемой частотой f_ω поступления импульсов +ω (или скоростью изменения U сигнала позиционного отклонения X). Если
f_p > 1/τ, (8)
то выходной сигнал M регулятора непрерывен. Если
f_p< 1/τ, (9)
то выходной сигнал M регулятора - релейно-импульсный, частоты f_p и длительности τ.

Выбором наклона и ограничения выходной характеристики усилителя 2 достигаются требуемые характеристики линий переключения релейного регулятора.

Рассматриваемая схема релейного регулятора позволяет расширить его функциональные возможности за счет достижения работоспособности при использовании дискретных датчиков позиционного отклонения. Для предложенного регулятора принципиальным является отсутствие необходимости использования сигнала U, определяющего скорость изменения позиционного сигнала X. Дискретные датчики позиционного отклонения не имеют выходного сигнала, характеризующего скорость изменения позиционного отклонения

Получение (изменение) сигнала связано, как правило либо с установкой дополнительного датчика, либо с преобразованием входных импульсов ±ω частоты t_ω в аналоговый сигнал U_f, что связано с внесением дополнительного запаздывания в тракт формирования сигнала U и значительной погрешности. Оба этих фактора могут существенно повлиять на динамические характеристики релейного регулятора и привести, в конечном итоге, к невозможности его использования в системе управления.

Рассмотренная схема релейного регулятора при использовании дискретных датчиков позиционного отклонения не вносит дополнительного запаздывания в тракт формирования сигнала U и не ухудшает его точности, что расширяет функциональные возможности релейного регулятора.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

В качестве элементов для реализации релейного регулятора используются типовые схемы: реверсивный счетчик, ПКН, формирователь эталонного сигнала заданной амплитуды и, например, одновибратор, сумматор, усилитель, интегратор, релейный элемент, формирователь с задержкой на выключение.

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в системах управления различными инерционными объектами, например, поворотными платформами, промышленными роботами, летательными аппаратами. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей релейного регулятора за счет достижения его работоспособности при использовании дискретных датчиков позиционного отклонения. Релейный регулятор содержит реверсивный счетчик, преобразователь код - напряжение, Формирователи эталонного сигнала ампли- туды U_a и длительности τ₀, сравнивающее устройство сумматор, интегратор, формирователь релейного сигнала с задержкой на выключение, усилитель с ограничением, релейный элемент. 1 ил.

Релейный регулятор, содержащий последовательно соединенные сравнивающее устройство, усилитель с ограничением, сумматор, интегратор, релейный элемент и формирователь релейного сигнала с задержкой на выключение, при этом выход интегратора соединен с инвертирующим входом сравнивающего устройства, а выход релейного элемента - с инвертирующим входом сумматора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит реверсивный счетчик, преобразователь код - напряжение, входы которого соединены с соответствующими выходами реверсивного счетчика, первый и второй формирователи эталонного сигнала амплитуды U_a и длительности τ_o, входы которых соединены с соответствующими входами приема дискретного сигнала позиционного отклонения дискретности Δ релейного регулятора и реверсивного счетчика, а выходы - с соответствующими неинвертирующими входами сумматора, при этом выход преобразователя код - напряжение подключен к неинвертирующему входу сравнивающего устройства, а параметры U_a и τ_o выбираются из соотношения
U_a•τ_o= Δ.о