СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩЕГО СИГНАЛА В РЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМАХ С ЗОНОЙ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ЗОНОЙ НЕПРЕРЫВНОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2011 года по МПК G05B11/26 

Предлагаемое изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов, и может быть использовано, например, в системах управления космическими летательными аппаратами.

Известен способ формирования управляющего сигнала [1], основанный на измерении в момент времени t_k=k∆t(k=1, 2 …, ∆t - малая величина) входного сигнала U(t_k) и формировании заданной длительности периода релейного управляющего сигнала при неизменной длительности импульса (т.е. формировании заданной паузы) в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t_k).

Недостаток известного способа состоит в том, что он вносит запаздывание τ₃ в систему управления. Вследствие этого система имеет меньшую область устойчивости, большее время переходного процесса и повышенные энергозатраты.

Известен релейный регулятор [2], содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов, триггер, шифратор, ключ.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно формирует только длительность (или только паузу), оставляя неизменным период включения Т исполнительных органов. Использование такого релейного регулятора в системе управления приводит к запаздыванию на время Т, что в свою очередь уменьшает область устойчивости системы управления, увеличивает время переходного процесса и энергозатраты.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу формирования управляющего сигнала является способ [3], основанный на измерении и фиксации в моменты времени t_k=k∆t(k=1, 2 …, ∆t - малая величина) входного сигнала U(t_k), формировании заданной паузы (τ_п)_i (i=1, 2 …) и заданной длительности (τ_д)_i релейного управляющего сигнала в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t_k), определении момента t_k окончания формирования паузы (τ_п)_i и длительности (τ_д)_i в соответствии с заданным законом для τ_п и τ_д по совпадению формируемой паузы (τ_п)_i или формируемой длительности (τ_д)_i, определяемыми сигналом реального времени, с заданными значениями, соответствующими входному сигналу U(t_k) в момент времени t_k.

Недостаток этого способа состоит в том, что при формировании релейного управляющего сигнала в зоне нечувствительности пауза τ_п→∞, длительность τ_д→0, а в зоне непрерывного управления пауза τ_п→0, длительность τ_д→∞, что приводит либо к неоправданно громоздким (например, по числу разрядов) формирователям заданного сигнала паузы τ_п (длительности τ_д) и сигнала реального времени, либо при ограничении заданной величины τ_п к многократному формированию в зоне нечувствительности управляющего сигнала неопределенной длительности, зависящей от задержек элементов в цепи формирования управляющего сигнала на исполнительный двигатель, что является недопустимым.

Наиболее близким техническим решением к релейному регулятору является устройство [3], содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, счетчик импульсов, генератор импульсов, соединенный своим выходом с входом счетчика импульсов, триггер и мультиплексор, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала. Этот регулятор не вносит запаздывания в систему управления и не уменьшает область устойчивости.

Недостаток этого устройства состоит в том, что при формировании релейного управляющего сигнала в зоне нечувствительности пауза τ_п→∞, длительность τ_д→0, а в зоне непрерывного управления пауза τ_п→0, длительность τ_д→∞, что приводит либо к неоправданно громоздким (например, по числу разрядов) формирователям заданного сигнала паузы τ_п (длительности τ_д) (запоминающее устройство) и сигнала реального времени (счетчик импульсов), либо при ограничении заданной величины τ_п к многократному формированию в зоне нечувствительности управляющего сигнала неопределенной длительности, зависящей от задержек элементов в цепи формирования управляющего сигнала на исполнительный двигатель, что является недопустимым. Кроме того, исполнительные релейные двигатели могут терять свою работоспособность, если сигнал управления по длительности меньше некоторой заданной величины τ₀. Поэтому во всех режимах длительность управляющего сигнала должна быть не меньше τ₀. Известный релейный регулятор может формировать управляющий импульс по длительности меньше τ₀.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения заданного закона формирования управляющего сигнала в зоне нечувствительности и в зоне непрерывного управления.

Эта задача достигается тем, что способ формирования управляющего сигнала в релейных системах с зоной нечувствительности и зоной непрерывного управления, включающий измерение и фиксацию в моменты времени t_k=k∆t(k=1, 2 …, ∆t - малая величина) входного сигнала U(t_k), формирование заданной паузы (τ_п)_i(i=1, 2 …) и заданной длительности (τ_д)_i релейного управляющего сигнала в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t_k), определение момента t_k окончания формирования паузы (τ_п)_i и длительности (τ_д)_i в соответствии с заданным законом для τ_п и τ_д по совпадению формируемой паузы (τ_п)_i или формируемой длительности (τ_д)_i, определяемыми сигналом реального времени, с заданными значениями, соответствующими входному сигналу U(t_k) в момент времени t_k, отличающийся тем, что в зоне нечувствительности заданную паузу (τ_п)_i, а в зоне непрерывного управления заданную длительность (τ_д)i формируют по величине, большей некоторого заданного значения τ_m, при этом при формировании паузы τ_п в зоне нечувствительности и формировании длительности τ_д в зоне непрерывного управления производят ограничение сигнала реального времени на уровне τ_m, а заданную длительность (τ_д)_i в зоне нечувствительности формируют равной длительности τ₀, соответствующей границе зоны нечувствительности.

Релейный регулятор, содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов, триггер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор и мультиплексор, управляющий вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП, остальные выходы которого соединены с соответствующими входами регистра адреса ЗУ, выходы регистра данных ЗУ соединены с соответствующими входами регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора, входы регистра второго сравниваемого числа которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, R-вход которого подключен к выходу цифрового компаратора и счетному входу триггера, выход триггера соединен с входом старшего разряда адреса ЗУ и сигнальным входом мультиплексора, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала, а вход АЦП соединен с входом релейного регулятора, отличается тем, что в него дополнительно введен элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора, второй вход соединен с инверсным выходом старшего разряда счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента И, при этом число разрядов m счетчика импульсов выбирают из условия 2^m-1Т₀=τ_m, где Т₀ - период следования импульсов генератора, τ_m - заданная длительность.

На чертеже приведена схема релейного регулятора, реализующего способ формирования управляющего сигнала в релейных системах с зоной нечувствительности и зоной непрерывного управления. На чертеже: 1 - вход релейного регулятора, 2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 3 - запоминающее устройство (ЗУ), 4 - цифровой компаратор, 5 - триггер, 6 - счетчик импульсов, 7 - генератор импульсов, 8 - мультиплексор, 9 - шина положительного управляющего сигнала, 10 - шина отрицательного управляющего сигнала, 11 - элемент И.

Вход 1 релейного регулятора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 2, выходы регистра данных которого соединены с соответствующими входами регистра адреса запоминающего устройства 3, вход старшего разряда которого соединен с выходом триггера 5 и сигнальным входом мультиплексора 8, управляющий вход мультиплексора 8 соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП 2. Выходы мультиплексора 8 подключены к шинам положительного 9 и отрицательного 10 управляющего сигнала. Выходы регистра данных ЗУ 3 подключены к соответствующим входам регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора 4, входы регистра второго числа которого подключены к соответствующим выходам счетчика 6. Выход цифрового компаратора 4 соединен со счетным входом триггера 5 и R-входом счетчика импульсов 6, счетный вход которого соединен с выходом элемента И 11. Инверсный выход старшего разряда счетчика 6 соединен с первым входом элемента И 11, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов 7.

Основная задача управления - приведение изображающей точки системы в зону нечувствительности. В релейных системах можно выделить три области управления: зона нечувствительности, где управляющий сигнал равен нулю (τ_п→∞, τ_д→0), область импульсного управления, где длительность τ_д и пауза τ_п имеют конечные значения, область непрерывного управления, где управляющий сигнал F=±1 (длительность τ_д→∞, пауза τ_п→0). Релейный регулятор должен обеспечить формирование заданной паузы и заданной длительности управляющего сигнала во всех зонах управления, в том числе и формирование минимально допустимой для данного исполнительного двигателя длительности включения.

Релейный регулятор, реализующий способ формирования управляющего сигнала в релейных системах с зоной нечувствительности и зоной непрерывного управления, работает следующим образом. Пусть на вход 1 релейного регулятора подается входной сигнал U. Этот сигнал поступает на вход АЦП 2 и преобразуется в n-разрядный код, который фиксируется в регистре данных АЦП 2. В этом регистре n-ый разряд определяет знак входного сигнала, а разряды с 1 по (n-1) - значение (модуль) A_i (i=1, 2, 3) соответствующего входного сигнала U_i. Если ∆t - время преобразования АЦП, то в течение этого времени состояние регистра данных АЦП 2 остается неизменным. Код числа A_i поступает на регистр адреса ЗУ 3, на старший n-ый разряд которого подается выходной сигнал триггера 5. Состояние триггера 5 определяет на данный момент времени t_k=k∆t (k=1, 2, …) формирование длительности τ_д или паузы τ_п выходного управляющего сигнала.

Если F - выходной сигнал триггера 5, то F=1 соответствует формированию длительности τ_д, F=0 соответствует формированию паузы τ_п управляющего сигнала.

В запоминающем устройстве 3 хранится массив М(τ_д) заданных значений длительности τ_д и массив М(τ_п) заданных значений паузы τ_п. Если выходной сигнал F=1, а сигналы U_i>0, то выходной сигнал S знакового разряда регистра данных АЦП 2 равен нулю (S=0) и выходной сигнал F₊ мультиплексора 8 формируется на шине 9 положительного управляющего сигнала. При F=1 формируется сигнал F₊=1, длительность τ_д которого определяется величиной сигнала U_i или значением D₁ регистра данных 3У 3 на момент времени t_k. При F=0 сигнал F₊=0 (формируется пауза τ_п управляющего сигнала, определяемая величиной сигнала U_i). Если сигналы U_i<0, то сигнал S=1 и выходной сигнал F_- мультиплексора 8 формируется на шине 10 отрицательного управляющего сигнала аналогично формированию положительного управляющего сигнала.

Выходной сигнал С_i цифрового компаратора 4 формируется следующим образом. Если значение числа D₁, записанного в регистр первого сравниваемого числа цифрового компаратора 4, больше значения D₂, записанного в регистр второго сравниваемого числа, то сигнал C_i=0, или

Формирование длительности τ_д управляющего сигнала начинается при переходе триггера 5 в единичное состояние (F_i=1). При переходе триггера 5 в единичное состояние сигнал C_i=1 цифрового компаратора 4 производит обнуление счетчика импульсов 6, в результате выполняются условия (1) и счетчик импульсов 6 начинает считать импульсы с генератора 7. Счетчик 6 формирует сигнал реального времени D₂, который сравнивается с заданным сигналом D₁, формируемым запоминающим устройством 3. Состояние цифрового компаратора 4 (C_i=0) не изменится до тех пор, пока не выполнятся условия (2), т.е. пока длительность (τ_д)_i не станет равной заданной. В этот момент времени C_i=1, а триггер 5 переходит в нулевое состояние (F_i=0), и с этого момента производится формирование паузы (τ_п)_i управляющего сигнала F₊=0, определяемой значением D₁ регистра данных 3У 3. Формирование паузы (τ_п)_i производится аналогично формированию длительности (τ_д)_i.

Если входной сигнал U_i<0, то сигнал S=1 и выходной сигнал F_- мультиплексора 8 формируется на шине 10 отрицательного управляющего сигнала аналогично формированию положительного управляющего сигнала.

Рассмотрим процесс формирования паузы (τ_п)_i и длительности (τ_д)_i в зоне нечувствительности релейной системы. В зоне нечувствительности пауза управляющего сигнала τ_п→∞, длительность τ_д→0. Пусть в области импульсного управления максимальное значение длительности τ_д или паузы τ_п равно τ_m. Пусть также генератор 7 формирует импульсы с периодом следования Т₀. Выберем разрядность m счетчика 6 такой, чтобы выполнялось соотношение (3)

В этом случае при заполнении счетчика 6 импульсами генератора 7 процесс счета прекращается при переходе старшего разряда счетчика 6 в единичное состояние. Если старший разряд счетчика 6 находится в нулевом состоянии, то на его инверсном выходе формируется высокий уровень, который подается на первый вход элемента И 11 и разрешает прохождение импульсов генератора 7 на вход счетчика 6. При переходе старшего разряда счетчика 6 в единичное состояние его низкий уровень запрещает счет импульсов, т.е. производится ограничение сигнала реального времени D₂. Таким образом, максимальное содержимое число счетчика 6 равно 2^m-1Т₀=τ_m, что определяет уровень ограничения сигнала реального времени D₂.

Выберем заданные значения длительности τ_д и паузы τ_п в зоне нечувствительности в виде

где τ₀ - значение длительности τ_д, соответствующее заданному значению при входном сигнале U_i, равном границе зоны нечувствительности. Если входной сигнал U_i находится в зоне нечувствительности, то согласно (4) при формировании паузы τ_п сигнал D₁>D₂ и в соответствии с (1) сигнал C_i=0, что препятствует переходу триггера 5 в единичное состояние (в режим формирования длительности). Иначе говоря, при нахождении входного сигнала U_i в зоне нечувствительности невозможно формирование управляющего сигнала F=1.

Рассмотрим процесс формирования длительности (τ_д)_i в зоне непрерывного управления релейной системы. В этой зоне пауза управляющего сигнала τ_п→0, длительность τ_д→∞. Выберем заданные значения длительности τ_д в зоне непрерывного управления в виде

Если входной сигнал U_i находится в зоне непрерывного управления, то согласно (4) при формировании длительности τ_д сигнал D₁>D₂ и в соответствии с (1) сигнал C_i=0, что препятствует переходу триггера 5 в нулевое состояние (в режим формирования паузы). Иначе говоря, при нахождении входного сигнала U_i в зоне непрерывного управления невозможно формирование управляющего сигнала F=0.

Рассмотрим работу релейного регулятора при формировании управляющего сигнала на границе зоны нечувствительности. В этом случае при любом входном сигнале, соответствующем зоне нечувствительности, заданное значение длительности τ_д устанавливается равным τ₀ (D₁=τ₀). Это значение соответствует заданной длительности на границе зоны нечувствительности. Если в момент формирования длительности τ₀ изображающая точка войдет в зону нечувствительности за счет действия управляющего сигнала, то длительность управляющего сигнала останется равной τ₀, так как не произойдет изменение сигнала D₁ при изменении входного сигнала в зоне нечувствительности.

В известном регуляторе при управлении системой с зоной нечувствительности формирование паузы в этой зоне из-за отсутствия ограничения на сигнал, определяющий паузу, всегда наступит момент, при котором формируемая длительность станет больше заданной, и система перейдет в режим формирования импульса (в зоне нечувствительности система может находиться неограниченно долго). Даже, если заданная пауза установлена равной нулю, необходимо прохождение хотя бы одного импульса с генератора, чтобы сформировался импульс C_i=1, который переводит триггер в нулевое состояние (в режим формирования паузы). В этом случае произойдет включение исполнительного двигателя на короткое время, что недопустимо.

Таким образом, рассматриваемый релейный регулятор, реализующий способ формирования управляющего сигнала в релейных системах с зоной нечувствительности и зоной непрерывного управления, обеспечивает заданный закон формирования управляющего сигнала в зоне нечувствительности, в зоне импульсного и в зоне непрерывного управления, 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 АЦП, ЗУ, цифрового компаратора могут быть использованы микросхемы типа 1113ПВ1, 556РТ5, 564ИП2, 564КП1. Реализация счетчика, триггера, элемента И, широко известна (например, 564ИЕ14, 564ТМ2, 564ГГ1).

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №894668, G05B 11/28, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР №502493, H03K 5/04, 1976.

3. Патент РФ №2141124, G05B 11/26, 1999.

Изобретение относится к технике автоматического управления, в частности, к технике формирования управляющих сигналов. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения заданного закона формирования управляющего сигнала в зоне нечувствительности и в зоне непрерывного управления. Способ формирования управляющего сигнала основан на измерении и фиксации входного сигнала U(t_k), формировании заданной паузы (τ_п)_i(i=1, 2 …) и заданной длительности (τ_д)_i релейного управляющего сигнала в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t_k), формировании в зоне нечувствительности заданной паузы (τ_п)_i, а в зоне непрерывного управления заданной длительности (τ_д)_i по величине, большей некоторого заданного значения τ_m, ограничении сигнала реального времени, формирующего длительность (τ_д)_i и паузу (τ_д)_i, на уровне τ_m. Релейный регулятор содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, счетчик импульсов, триггер, мультиплексор, элемент И. Благодаря введению элемента И, обеспечивающему ограничение счета импульсов на заданном уровне, формируются заданные длительности и паузы управляющего сигнала. Релейный регулятор может быть использован в различных системах управления, в частности в системах управления космическими аппаратами. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования управляющего сигнала в релейных системах с зоной нечувствительности и зоной непрерывного управления, включающий измерение и фиксацию в моменты времени t_k=kΔt (k=1, 2, …, Δt - малая величина) входного сигнала U(t_k), формирование заданной паузы (τ_п)_i (i=1, 2, …) и заданной длительности (τ_д)_i релейного управляющего сигнала в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t_k)_i, определение момента t_k окончания формирования паузы (τ_п)_i и длительности (τ_д)_i в соответствии с заданным законом для τ_п и τ_д по совпадению формируемой паузы (τ_п)_i или формируемой длительности (τ_д)_i, определяемыми сигналом реального времени, с заданными значениями, соответствующими входному сигналу U(t_k) в момент времени t_k, отличающийся тем, что в зоне нечувствительности заданную паузу (τ_п)_i, а в зоне непрерывного управления заданную длительность (τ_д)_i формируют по величине, большей некоторого заданного значения τ_m, при этом при формировании паузы τ_п в зоне нечувствительности и формировании длительности τ_д в зоне непрерывного управления производят ограничение сигнала реального времени на уровне τ_m, а заданную длительность (τ_д)_i в зоне нечувствительности формируют равной длительности τ₀, соответствующей границе зоны нечувствительности.

2. Релейный регулятор, содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов, триггер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор и мультиплексор, управляющий вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП, остальные выходы которого соединены с соответствующими входами регистра адреса ЗУ, выходы регистра данных ЗУ соединены с соответствующими входами регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора, входы регистра второго сравниваемого числа которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, R-вход которого подключен к выходу цифрового компаратора и счетному входу триггера, выход триггера соединен с входом старшего разряда адреса ЗУ и сигнальным входом мультиплексора, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала, а вход АЦП соединен с входом релейного регулятора, отличающийся тем, что в него дополнительно введен элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора, второй вход соединен с инверсным выходом старшего разряда счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента И, при этом число разрядов m счетчика импульсов выбирают из условия 2^m-1T₀=τ_m,
где Т₀ - период следования импульсов генератора;
τ_m - заданная длительность.