Нелинейный преобразователь для систем с переменной структурой Советский патент 1983 года по МПК G05B13/02 

со

С71

СР

00

НЕЛИНЕЙНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СИСТЕМ С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ, содержащий последовательно соединенные инерционный блок, сравнивающий элемент и переключаемый элемент, соединенный выходом с входом инерционного блока и с входом первого . фильтра низких частот, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, быстродействия и снижения энергопотребления преобразователя, он содержит второй фильтр низких частот, подключенный входом к выходу переключаемого элемента, а выходом - к управляющему входу переключаемого элемента, выполненного в виде трехпозиционного релейного элементаСО смещаемой по оси ординат линейной зоной статической характе- .... ристики.5g

./

Изобретение относится к самонастраивающимся системам и может быть использовано для -систем с переменной структурой, а также для преобразования переменных состояний объекта и оценки его фазовых координат. 5

Известны нелинейные преобразователи, содержащие двухпозииионный релейный элемент (РЭ), охваченный инерционной отрицательной обратной связью (ООС). В зависимости от назначения jQ устройотва в качестве входов и. выходов использованы различные токИ указанного контура: в дифференцирующем устройстве выходным элементом является фильтр низких частот (НЧ), 5 в нелинейном фильтре выходом устройства является выход ООС Cl и С2 3.

В указанных, а также в других аналогичных устройствах, основным средством преобразования информации явля- ется скользящий режим, формируемый поСигналу ошибки переключаемым элементом. Точность преобразования информации зависит от полосы пропуска7 Ния РЭ, т.е. от степени приближения реального скользящего режима к иде- 5 альному, определяющему теоретически . достижимую точность. Полоса пропускания РЭ зависит от его собственных . . неидеальностей (гистерезиса, запаздывания, динамических неидеальностей), 30 которые определяют максимально возможные частоты скользящего режима для каждого конкретного построения.

Однако при низких частотах сколь- . зящих режимов увеличивается перемен- Зэ ная составляющая выходного сигнала . . на выходе фильтров, устанавливаемых после РЭ, либо требуется увеличение их постоянных времени. Кроме того, увеличение частоты скользящих режи- 40 мов с увеличением энергопотребления РЭ, обусловленного динамическими потерями при переключении.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является нели- 45 нейный преобразователь для систем с переменной структурой, содержащий последовательно соединенные инерционный Ъпок, сравнивающий элемент и переключаемый элемент, соединенный вы- -л ходом с входом инерционного блока и с входом первого фильтра низких частот Сз J.

Недостатком известного устройства является либо необходимость с« больших постоянных времени при филь- трации выходного сигнала РЭ при понижейных частотах скользящего режима, либо увеличение динамических потерь при их увеличении.

Цель изобретения - повышение точ- 60 нести, быстродействия и уменьшение энергопотребления преобразова -еля.

Цель достигается тем,, что преобразователь содержит второй фильтр низких частот, подключенный входом

к выходу переключаемого элемента, а выходом - к управляющему входу пе реключаемого элемента, выполненного в виде трехпозиционного релейного элемента со смещаемой по оси ординат линейной зоной статической, характеристики.

На фиг. 1 изображена- блок-схема .нелинейного преобразователя;.на фиг. 2 и 3 - то же, примеры использова ия изобретения соответственно в нелинейном фильтре и-блоке деления; на фиг. 4 - статические характеристики переключаемого элемента; на фиг. 5 - пример принципиальной элект рической схемы переключаемого элемента.

Блок-схема (фиг.. 1-3) содержит нелинейный преобЕ азователь 1, переключаемый элемент 2, инерционный блок 3, первый фильтр 4 низких частот (ФНЧ), сравнивающий элемент 5, второй фильтр б низких частот (ФНЧ), двухпозиционный релейный элемент 7 (РЭ). .. На фиг. 4 обозначено входной 5 и выходной и сигналы переключаемо- го элемента 2, релейные участки а и Ь характеристик., смещаемую линей- ную-зону с статической характеристики, сигнал управления Uyrip.

Переключаемый элемент содержит (фиг. 5) операционный усилитель(ОУ)8 цепь автокоммутируемой ООС 9, резисторы 10-15, коммутирующий- элемент .16 и инвертор 17. . . .

Схема, представленная на фиг. 3,. отличается от схем (фиг. 1 и 2) наличием двухпозиционного РЭ 7, включенного последовательно между элементами 2 и 3. Так как устройство (фиг. 3) осуществляет операцию деления (т.е. Z i х/у), управляющий вход РЭ 7 является входом сигнала у,

Переключаемь1й элемент (фиг, 5) представляет собой ОУ 8, охваченный автокоммутируемой .(через коммутирующий элемент 16) ООС 9 и резисторы 10 и 11. Выход коммутирующего элемента, который при использовании диодов является одновременно его управляющим входом, соединен через делитель (резисторы 13 и 14) с неинвертирующим входом ОУ 8 и Через резистор 15 с входом управления переключаемого элемента 2, а выход ОУ 8 соединен через инвертор 17 с, выходом переключаемого элемента 2.

Принцип действия переключаемого элемента 2.

рперационным усилителем 8, охваченн лм автоко мутируемой ООС 9, формируется релейный сигнал, если (фиг. 4), где 5 - постоянная величина, и линейиый сигнал если ISK S., Сигнал и формируется релейным, если.. коммутируквдий элемент 16 пропускает сигнал (один из диодов открыт), т.е. разрывается цепь ООС и переключаемый элемент 2 становится компаратором напряжения. Уровень срабатывания I(величина S) зависит от соотношения резисторов 10 и 12 и от величины сиг нала на выходе элемента 16, Причем уровень срабатывания; не зависит от величины управляющего напряжения ,jpp, так как оно подается одновремеино через соответствующий делитель напряжения (резисторы 13 и 14) на неинвертирующий вход ОУ 8. Величиной напряжения Uynp определя ется смещение непрерывной статической характеристики с внутри зоны нечувствительности, определяемой tioi- ложением релейных участков ot и Ъ .ха рактеристики и f (S, и Резистор 15 служит для -формирования небольшой положительной образной связи, способствующей ускоренному, пере ходу с участка с на участки d и Ъ статической характеристики. . Оператор преобразования входного сигнала S переключаемого элемента 2 в его выходной сигнал имеет вид . О, при S : 5 , упр Kj, при IS I д, при S 5, - величина зоны нечувствитель ности релейной характеристики элемента 2 (фиг. 4)} UQ - амплитуда релейного сигнала определяемая уровнями насыщения звена 9; статический коэффициент передачи линейной характеристики/коэффициент передачи по тракту управления (коэффициент усиления сигнала Uynp). Нелинейный преобразователь работает следующим образом. Если S -0, т.е. в качестве переключаемого элемента используется двухпозиционный РЭ, и не требуется применения звена б, устройство (фиг. 1) представляет собой известное, например С1,и Сз, дифференцирующее устройство. Принцип дйй- . ствия его основан на том, что при выполнении «условий скользящего режима1Im § 0{ 1im S О, S , величина S близка.к нулю. Выходной сигнал интегратора 3 близок по величине к сигналу X, т.е. . Следовательно, постоянная составляющая (0,8- по терминологии известного ЗЗ релейного Сигнала U близка .к сигиа- лу X. В идеальном скользящем режиме Пт Z .- X (при ), г «а S -Si .л., Если переключаемый элемент 2 имеет- статическую характеристику (фиг. 4), то скользящий режим может возникнуть, если выполнены .условия а) Urn S О, Пт S о; S .5) j ,. ; где S и S - положение релейных участков « и Ъ характеристики U.« f (S, и,,пр). Иначе говоря, при вьтолнении соответствующих условий может возникнуть скользящий режим как на участке с , так и на участке Ъ релейной характ еристийи. Например, в некоторый момент t, при котором выходные сигналы звеньев 3, 4 и б (фиг.. 1) равны нулю, на вход преобразователя начинает поступать сигнал вида X -, et, где t - постоянная величина (f UQ), При достижении сигналом х границы S. статической характеристики и f (S, U.,rtp), В контуре их элементов 2-3-5 (фиг.5) возникает скользящий режим, при кртором§ -0-, S - X - ( v и, следовательно, и - « В (фиг. 4б). На выходе устройства появляется сигнал. где Д.(р) - переменная составляющая сигнала, амплитуда которой зависит от постоянной времени Т звена 4, от частоты изменения сигнала U и от его амплитуды А (фиг. 4б) . По мере увеличения сигнала амплитуда А .колебаний сигнала U уменьшается за счет смещения участка с статической характеристики к значению (фиг. 46). При А & }Q U&K8 ьзящий режим прекращается и сигнал S начинает уменьшаться ( при ,), т.е. рабочая точка контура 2-3-5 определяется лийейной характеристикой. В этом случае исчезает переменная составляющая сигнала и, который имеет вид - , - Ki :; и « При соответствующем выборе величин К и Т легко добиться, чтобы и i X J. При этом выходной сигнал z имеет Тр Т 1 т.е. в -установившемся сигнале отсутствует переменная составляющая, а в переходных режимах она меньше, чем в известных схемах. При этом, в связи с уменьшением.уровня пульсаций сигнала можно уменьшить постоянную времени фильтра НЧ 4 . Это объясняется тем, что амплитуда (соответствующая двойной амплитуде сигналаU) всегда меньше двойной амплитуды сигнала двухпозиционного РЭ, т.е. А 2U, Следует отметить, что частота колебаний сигнала U мало зависит от величины U0J так как первая в основном определяется динамическими воз.можностями РЭ и не удается ее сущест венно увеличить в целях уменьшения пульсаций сигнала -z за счет увеличения уЬовНя насыщения РЭ (сигнала U Если в процессе проектирования схемы оказывается, что постоянные времени Т и С (звенья 4 и 6) близки по величине, в качестве сигнала Uypp можно использовать выходной сиг в этом случае нал Z , т.е. и фильтр НЧ б не требуется, а управляющий вход переключаемого элемента непосредственно связан с выходом уст ройства, Все приведенные рассуждения полностью относятся к схемам, приведенным на фиг; 2 и 3 с учетом следующих уточнений.

.J

9Ve.2 При возникновений скользящегореясима в нелинейном фильтре (фиг. 2) Ug ST либо Uj . -S, (x-o;oJt.| . Следовательно, U U, т.е. низкочастотный сигнал x мало искажается фильтром. В блоке деления: (фиг.-3) , математическое описание, которого в целом дано в известном СзЛ, .всегда существует скользящий режим, формируемый РЭ 7, в переходных режимах - переключаемым элементом 2.. В установившемся режиме сигнал 1Г для обеспечения переключения РЭ 7 должен быть близок к нулю, поэтому, чтобы обеспечить близость к нулю сигнала S,. коэ.ффициент К звена 4 должен быть больше 1. Из приведенного опис.ания следует, что нелинейный преобразователь для СПС обеспечивает по сравнению с известными более высокую точность преобразования (за счет уменьшения пульсаций сигнала U), повышенное бысЛ-родействие (за счет уменьшения инерционности первого фильтра НЧ), . пониженное энергопотребление (за счет уменьшения динамических потерь в переключаемом элементе). Кроме того, предлагаемое устройство являетс.я источником помех меньшей интенсивности (за счет уменьшения амплитуды сигнала и) посравнению с известными. Переключаемый элемент при его использовании в. указанных устройствах имеет меньшую пульсацию выходного напряжения.. .

«)Uyfip O

S)

Фиг.

us.S i/