Цифровое управляющее устройство (его варианты) Советский патент 1983 года по МПК G05B11/26 

2. Цифровое управляющее устройст-1 во, содержащее источник переменного I напряжения, выход которого через управляемый вентиль подключен к нагрузке и через последовательно соединенные делитель напряжения, уси.литель-охраничитель, первый одновибратор и элемент ИЛИ- к первому . управляющему входу вентиля и к уста новочному входу счетчика импульсов, выходами соединенного с первыми входами блока сравнения, а счетным входом - с выходом генератора импульсов, причем выход усилителя-ограничителя через последовательно соединенные инвертор и второй одновибратор подключен к второму входу элемента ИЛИ,

отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены ключ, триггер и посл довательно соединенные аналогог-цифровой преОбразователь и блок памяти, выходы которого подключены к вторым входам блока сравнения, выход л оторого через ключ соединен с вторым управляющим входом вентиля, причем выход делителя напряжения подключен к вxo ДУ аналого-цифрового преобразователя, а выход усилителя-ограничителя через делитель частоты - к первому входу триггера, второй вход которого соединен с выходом первого одновибратора, а выход - с управляющим входом ключа.

Изобаре тение относится к электроавтоматике и может быть использовано при построении аналого-цифровых автоматизированных систем управления технологическими процессами, напримёр диффузии, окисления и эпитаксии полупроводниковых пластин.

Известно устройство для управяения мощностью, содержащее источник 1еременного напряжения, выход которого через управляемый вентиль подключен к нагрузке чгрез нуль-органк одному из управляющих входов управляемого вентиля и к установочному входу счетчика импульсов, схему сравнения, выход которой подключен к другому управляющему входу управляемого вентиля, а первая группа эходов - к соответствующим выходам разрядов счетчика импульсов, очетный вход которого подключен к выходу ге нератора импульсов, при этом управляющий двоичный код подается на вторую группу входов схемы сравнения кодов.

Работа устройства основана на периодическом сравнении входного управляющего кода с выходным кодом двоичного счетчика импульсов и на отпирании управляемого вентиля в каждый полупериод напряжения, питающего нагрузку, на время, при котором код счетчика импульсов меньше входного управляющего кода Cl } ,

Недостатком известного устройства является невысокая стабильность выходного сигнала. Так, при изменении значения амплитуды питающего нагрузку напряжения на + 10% относительно номинального, значение средней за период напряжения мощности изменится соответственно на + 21% и -19%. .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является

1 ифровое управлякяцее устройство, соiдержащее источник переменного напряжения, выход которого через управляющий вентиль подключен к нагрузке и 5 через последовательно соединенные делитель напряжения, усилитель-ограни читель, первый одновибратор и элемент ИЛИ - к первому управляющему ; входу вентиля и к установочному входу

o счетчика импульсов, выходами соединённого с первыми входами блока сравнения, а счетным входом - с выходом генератора импульсов, причем выход ;усилителя-ограничителя через после5 |довательно соединенные инвертор и второй одновибратор под слючен к второму входу элемента ИЛИ С2 3.

Работа устройства основана на перодическом сравнении преобразованного входного кода с выходным кодом двоичного вычитающего счетчика импульсов и на отпирании yпpq вляeмoгo вентиля каждый полупериод напряжения, питающего нагрузку, на время, определенное преобразованным входным когдом. Преобразование входного управляющего кода производится с целью -.. уменьшения нестабильности выходного сигнала от амплитуды напряжения, питающего нагрузку, с помощью амплитудного детектора, интегратора, сумматора; нуль-органа, преобразователя код-напряжение, делителя частоты на два, регистра памяти и двоичного суммирующего счетчика. При этом значение средней (за полпериода напряжения на нагрузке ) мощности выразится как

(1)

N 2П2{г

вк I амплитудное значение напря.жения, питающего нагрузку/ номинальное значение ампли-, туды напряжения, питающего : нагрузку . МВУ - входной управляющий код; п - количество разрядов R - сопротивление нагрузки, Недостатком известного устройства является невысокая точность вследствие нестабильности выходного сигнала. Так, из выражения (1) следует, чт при изменении значения относительно номинального значения на + 10% знаг.чение также изменяется на + 10% Целью изобретену1я является повышение точности устройства. Указанная цель достигается тем, что в. цифровое управлякяцее устройство введены ключ, триггер и последа вательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и делитель частоты, второй вход котор го подключен к выходу усилит.еля-ограничителя, а выход - к первому вхо триггера, вторым входом соединенного с выходом первого одновибратора, а выходом - с управлякяцик входом ключа,.причей выход блока сравнения через Ключ подключен к второму управняющему входу вентиля, а вход ан лого-цифрового преобразователя - к делителя напряжения, В ифровое управляющее устройств введены ключ, триггер, и посл.едова.тельно соединенные аналого-цифровой преобразователь и блок памяти, выхо ды которого, подключены к вторым вхо дам блока сравнения,, выход которого через ключ соединен с вторым управляющим Еходом вентиля, причем выход делителя напряжения подключен к ВХОДУ аналого-1 ифрового преобразова теля, а выход усилителя-ограничителя через делитель частоты - к перво му входу триггера, второй вход кото рого соединен с выходом первого одновибратора, а выход - с управляющи входом ключа. На фиг.1 приведена блок-схема первого варианта цифрового управлякндего устройства; на фиг.2 - то же, второго варианта; на фиг.З а, бвременные диаграммы сигналов на выходах функциональных блоков. Устройство содержит источник 1 переменного напряжения, yпpaвляe мй вентиль 2, нагрузку 3, делитель 4 напряжения, усилитель-ограничитель 5,первый и второй одновибраторы 6 и 7, инвертор 8, элемент ИЛИ 9, счетчик 10 импульсов, блок 11 сравнения, ключ 12, генератор 13 импульсов, аналого-цифровой преобразователь 14, блок 15 памяти, делитель 16 частоты и триггер 17. Устройство, приведенное на фиг1Т, работает следующим образом, С выхода источника 1 переменного напряжения напряжение вида ia(t). , где и , TQ - амплитуда и период Ul), поступает на вход управляемого вентиля 2 и через делитель 4 напряжения на вход усилителя-ограничителя 5. С выхода последнего снимается последовательность прямоугольных импульсов напряжения, причем моменты смены уровня выходного напряжения усилителя-ограничителя 5 совпадают с моментами перехода напряжения источника 1 через нуль. Одновибраторы б и 7 формируют сигналы на выходе при изменеНИИ уровня выходного напряжения усилителя-ограничителя с низкого на высокий. . , Таким образом, на выходе первого одновибратора б сигналы появляются в моменты изменения полярнс сти напряжения источника 1 с отрицательной на положительную, а на выходе элемента ИЛИ 9 - в моменты перехода-этого напряжения через нуль. По этим сигналам двоичный вычитающий счетчик- 10 импульсов устанавливается в состояние, соответствующее коду , где п- число двоичных разрядов счетчика 10. На счетный вход |Счетчика 10 с выхода генератора 13 импульсов поступают импульсы.с периодом i TO J г гГ 2-2о Блок 11 сравнения осуществляет сравнение кода, соответствующего текущему состоянию счетчика 10 и кода Neyp являющегося входным управляющим сигналом, В момент равенства указанных кодов сигнал с выхода блока 11 сравнения поступает на вход ключа 12, Если ключ замкнут, то сигнал с выхода блока 11 сравнения проходит через ключ 12 на второй управляющий вход вентиля 2 и открывает его. Переменное напряжение подключается к нагрузке, 3 с солротивлениг;М р. При этом Длительность интервала времени t от момента появления сигнала на выходе блока 11 сравнения до момента сигнала на выходе элемента ИЛИ 9 (этот сигнал закры« вает управляела 1й вентиль 2 ) определяется как / Т ,N где п -количество разрядов кода Ng, а значение средней за период Тд мощности, выделенной на нагрузке 3, выразится как где t-o - момент открытия управляемо го вентиля 2, Одновременно напряжение l}(t) поступает на вход аналого-цифрового пр образователя (АЦП ) 14, С выхода ЛЦП 14 снимается код %n Jm, (3) где к - коэффициент преобразования адп., , Код поступает на адресные;: входы блока 1,5 памяти. Число ячеек блока памяти 15 равно максимально , возможному зна1ениюН; и п. В каждой я:чейке матрицы 15 гтамяти хранится код NC, f определяемый заранее по форм ле и.. . (Щ ,1 где - нижнее допустимое значение амплитуды, напряжения U(t), tti - число разрядов АЦП 14, Код NC с выхода блока 15 памяти поступает на управляющие входы делителя 16 частоты с переменным коэффициентом деления и определяет его к(: зффициент деления, На вход /5елителя. 1 б частоты посту пают импульсы с выхода усилителя-ог раничитёля 5 частотой 1/Т. Коэффициент деления делителя частоть равен Число импульсов, поступающих с выхода делителя 1 бочг тоты на. первый управляющий вход триггера 17, равно MC. , но при этом они расположены равйомерно на периоде, равном . . Каждый импульс устанавливает в ёдиничное состояние триггер 17, который .возвращается в нулевое состояние по окончанию очередно.го периода напряже йия и (t) сигналом с выхода одновибратора 6. . А так как сигнал с выхода тригге.ра 17 разрешает прохождение сигнала с выхода блока 11 сравнения через ключ 12 за пери.од () количество раз, равное NC, то Р на период выразится как -й..Лз,г |2 KI I ,2TtN 1 -sin-).U); ср 2R г 2 23Г Подставляя в выражение (в) формулу (4 . и учить1вая 3) получим :p«.f:..jL . Из формулы Сб) видно, что значени не зависит от изменений .амплитуд :напряжения, питающего нагрузку. . Работа устройства,.приведенного н фиг.2, не отличается от работы первого в.арианта устройства за исключением следующего. Код Nдмp , поступающий на адресные входы блока 15 памяти, устанавливает на его вь-хсде код Nji , определяемый заранее решением трансцедентного уравнения . 1 .. 2 , tn 2 зш- -- N t nПериод импульсов, поступающих на вход счетчика 10, равен Т« где m - количество разрядов АЦП 14. Блок 11 сравнения сравнивает текущее значение кода счетчика 10 и кода N(. , поступающего на блок ll сравнения с выходов блока 15 памяти. В момент равенства этих кодов блок 11 сравнения вырабатывает сигнал, который, проходя через открытый электронный ключ 12 на управляющий вход вентиля 2,. открывает его. При этом длительность -t интервала времени от момента появления сигнала на выходе блока 1Г сравнения до момента появления сигнала на выходе элемента ИЛИ 9, .Этот сигнал, закрывающий управляемый вентиль 2, определяется как а значение средней за период Тр мощности, выделенной на нагрузке 3, выраз.ится как . , . 1 2ЛЫ 1-1 P{t)3t - JLoin-- -IRW 2Ji 2 Коэффициент деления делителя 16 определяется кодом N и равен 1 Число импульсов, поступающих на первый управляющий вход триггера 17, равно Ngx, при этом они расположены равномерно на периоде, равном г TQ , Д так как сигнал с выхода триггера 17 разрешает прохождение сигнала с выхода блока 11 сравнения че- , рез ключ 12 за период 2 Т количество раз , равное Ng,,, то Р. за период 2Н Тр выраз11тся как p«-E fl-isi.). ( ср-гя 2Ti Подставляя в выражение (И) выражение (7 ) и .учитывая формулу (3 ) получаем i.i ы . . Hi) ср 2R г Из пос {рднего выражения следует, что PJp также не зависит от изменений ампли- туды напряжения,питающего нагрузку.

Неэависимо.сть выходного сигнгша от изменений алщлитуды напряжения, питающего нагрузку, в предлагаемом устройстве позволяет успешно использовать его при построекии автоматизированных высокоточных, инвариантных, относительно основных, возмуще ний систем управления, работающих

I

в режиме непосредственного цифрового управленияi Подобная система робна Обеспечить высокое качество ЛРОведения технологических цроцес.сов и лучшую воспроизводительность, что обуславливает получение определенного технико-экономического эф фeктa.

ilhHI

t-.-- t

i iS

n

X

r V Q f

V .. .V . A

-

«.

4i

ftSK

Фиг.1