Программная следящая система Советский патент 1984 года по МПК G05B19/406 

Изобретение относится к автоматическому упра1влению перемещением и скоростью различных исполнительных механизмов и может применяться например, для автоматического регулирования технологических процессов Известны программные следящие си темы, содержащие непосре ственно следящую систему с исполнительным органом и датчиком положения и аналого-цифровой интегратор с реверсив ным счетчиком импульсов, цифроаналоговым преобразователем и генератором импульсов, который через нуль орган и логическую схему подключен к счетчик импульсов, триггер управ ления которого в зависимости от зна ка сигнала на входе нуль-органа настраивает счетчик на сложение или вычитание импульсов , Недостатком таких систем является то, что при восстановлении инфор мации в счетчике после сбоев он требуют специальных аналоговых запо минающих устройств. Это усложняет схему системы в целом и снижает ее надежность. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является программная следящая система, в которой восстановление информации в счетчике достигается без специаль ного элемента аналоговой памяти. В этой системе роль запоминакицего эле мента играет исполнительный орган, а в качестве управляющего сигнала для перехода в режим восстановления информации используется выходное напряжение усилителя рассогласования следящей системы. Данная система содержит последовательно соединенные нуль-орган, логическую схему, подключенную к генератору импульсов, реверсивный счетчик импуль сов, цифроаналоговый преобразователь и элемент сравнения с усилителем рассогласования, подключенным к исполнительному органу следящей системы. Контур восстановления информации образован пороговым элементом, подключенным к выходу усилителя рассогласования следящей сис темы, и перекл1очателем, входы которого соединены с задатчиком и датчиком положения, а выход подключен к нуль-органу. При сбоях счетчика напряжение на выходе усилителя рассогласования превыщает уставку поро 42 гового элемента, что приводит к его срабатыванию. В результате программное устройство системы переходит в режим слежения за выходным сигналом датчика положения. В режиме слежения генератор импульсов работает на высокой частоте, благодаря чему процесс восстановления информации протекает сравнительно быстро :21. Однако программное устройство известной системы, представлякщее собой наиболее сложную часть системы, постоянно находится в работе. При внезапных отказах программного устройства его выходное напряжение может скачком принимать произвольное значение, которое отрабатывается следящей системой с большой скоростью, существенно превышающей скорость программы. В результате могут возникать аварийные ситуации и объект управления выводится из действия на длительное время. Непрерывное нахождение программного устройства под питанием приводит также к увеличению энергопотребления системы и вызывает дополнительные тепловые потери, что ведет к нагреву аппаратуры и соответственно снижает ее надежность и ресурс. Цель изобретения - повышение надежности и снижение энергопотребления системы. Поставленная цель достигается тем, что в систему введены блок контроля, элемент ИЛИ, второй переключатель и блок совпадения, первый вход которого соединен с первым информационным входом второго переключателя и с задающим входом системы, второй вход - с первым входом блока контроля и с выходом датчика обратной связи, а выход - с входом блокировки блока питания и с управляющим входом второго переключателя , выходом подсоединенного к второму входу блока сравнения, а вторым информационным входом к выходу цифроаналогового преобразователя и к второму входу блока контроля, шина питания которого соеинена с блоком питания, а выход с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выхоу порогового блока, а выход - к входу блокировки исполнительного органа.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемой системы; на фиг. 2 - одна из возможных реализаций блока контроля, на фиг. 3 временные диаграммы работы системы.

В состав системы входят реверсивный счетчик 1, блок 2 управления реверсом и счетом, цифроаналоговьй преобразователь 3, генератор 4 импульсов , нуль-орган 5, блок 6 сравнения, усилитель 7, исполнительный орган 8, датчик 9 обратной связи, пороговый блок 10, первый переключатель 11.

Блок 2 управления реверсом и счетом включает в себя двухвходовые логические элементы И 12, 13 и логический элемент ИЛИ 14. Первые входы логических элементов И 12, 13, являющиеся тактовыми входами блока 2, соединены с выходом генератора 4 импульсов, а их вторые входы, являющиеся управляющими входами блока 2, подключен к нуль-органу 5. Выходы элементов И 12, 13 соединены с входами + и - управления реверсом счетчика и через элемент ИЛИ 14 с его счетным входом. Реверсивный счетчик 1 с блоком 2 управления, цифроаналоговый преобразователь 3, генератор 4, нуль-орган 5, пороговый блок 10 и переключатель 11, образующие программное устройство 15, запитываются от управляемого блока 16 питания.

В систему дополнительно введены блок 17 контроля, второй переключатель 18, логический элемент ИЛИ 19 и блок 20 совпадения. Блок 17 контроля включает в себя двухвходовую схему 21 сравнения и цепь 22 временной задержки. На фиг. 2 показана одна из возможных схемных реализаций блока 1-7 контроля, в котором функции двухвходовой схемы 21 сравнения и цепи 22 временной задержки выполняет операционный усилитель 23 с входными резисторами 24 и 25, цепью отрицательной обратной связи на конденсаторе 26 и диодном мосте 27, снабженном резисторами смещения 58, 29, и нагрузочным электромагнитным реле 30, один из контактов которого формирует выходной сигнал блока контроля (), а другой используется в цепи сигнализации неисправности программного устройства (лампа 31). Входы блока

контроля подключены к выходам цифроаналогового преобразователя 3 (Up,) и датчика 9 обратной связи (Uq) Принцип действия системы заключается в следующем.

В исходном состоянии (момент времени to на фиг. 3) сигналы задатчика Uj, программного устройства U и датчика обратной связи Ug равны

нулю (Uj U Uq. 0) и блок 20 совпадения находится в положении, при котором блок 16 питания не подает напряжение питания на функциональные узлы программного устройства 15 и блока 17 контроля. Поскольку при этом пороговьй блок 10 и операционный усилитель 23, а следовательно, и реле 30 в блоке 17 контроля находятся в выключенных

состояниях, то входные сигналы элемента ИЛИ 19 имеют нулевые значения и сигнал на его выходе равен нулю, что соответствует отсутствию блокировки исполнительного органа 8.

Под действием нулевого сигнала с выхода блока 20 совпадения переключатель 18 устанавливается в положение, при котором к входу блока 6 сравнения подключен сигнал задатчика U,j и за счет действия обратной связи (сигнал Uq) исполнительный орган 8 удерживается усилителем 7 в нулевое положение (Ucj Uj 0).

При изменении сигнала U, (поступлении от оператора заявки на программное изменение положения исполнительного органа, момент времени t) на фиг. 3) происходит срабатывание блока 20 совпадения, благодаря чему с блока 16 подается питание на программное устройство 13 и блок 17 контроля. Одновременно переключатель 18 подключает выходной сигнал программного устройства 15 и к входу блока 6 сравнения. Так как при подаче питания на устройство 15 входящий в него счетчик 1 может установиться в любое состояние, то в первый момент времени после подачи питания на выходе цифроаналогового. преобразователя 3 возникает напряжение UK Uc5 ,0. Выявленное блоком 6 сравнения и усиленное усилителем 7 рассогласование между сигналами Ur, и UQ приводит к срабатьшанию порогового блока 10 и система переходит в режим записи начальных усS

ловий в программное устройство 15. При этом под действием сигнала порогового блока 10 происходит перестройка генератора 4 на высокую частоту и переключение переключателя It, через который на вход нульоргана 5 поступает сигнал UQ. На входах нуль-органа 5 происходит сравнение сигналов Uy- и Uq . При и # UQ на одном из выходов логических элементов И 12, 13 (в зависимости от знака рассогласования меазду сигналами Un и Но) появляется единичный сигнал, по которому импульсы генератора 4 пропускаются на входы + или - управления реверсом счетчика 1, на счетный вход которого при этом поступают импульсы с выхода логического элемента ИЛИ 14. В результате код в счетчике 1 и, следовательно, напряжение и,7 на выходе преобразователя 3 изменяются в сторону уменьшения рассогласования между сигналами Un и Ug

Во время записи начальных условий {промежуток времени t-i на фиг. 3) сигнал Q сохраняет нулевое значение, так как под действием единичного сигнала на выходе порогового блока 10 логический элемент ИЛИ 19 вырабатывает сигнал, поступающий на блокирукяций вход исполнительного органа 8 (например, отключает обмотку возбуждения в случае применения двигателя в исполнительном органе). После выполнения условия Ur Uq О, что соответствует записи в программное устройство 15 начальных условий (в данном случае нулевых), пороговый блок 10 изменяет свое состояние, в результате чего переключатель 11 подключает на вход нуль-органа 5 сигнал задания Uj, генератор 4 перестраивается на низкую частоту, а элемент Ш1И 19 снимает блокируютщй сигнал с исполнительного органа 8, и система переходит в режим программного управления.

В режиме программного управления блок 20 совпадения под действием разности сигналов задания U, и датчика обратной связи UQ находится в положении, при котором переключател 18 подключает выход цифроаналогового преобразователя 3 к входу блока 6 сравнения. При отсутствии сбоев счетчика 1 переключатель 11 подает

8394«

сигнал задания U на вход нуль-органа 5 , на другой вход которого поступает напряжение Ui- с выхода цифроаналогового преобразователя 3. В

5 зависимости от знака рассогласования между сигналами Ua,H U,, выявляемого нуль-органом 5, блок 2 настраивает счетчик 1 на режим сложения или вычитания импульсов, вырабаты0 ваемых генератором 4, период повторения которого определяет скорость временной развертки сигнала Uj. При этом код в счетчике 1, а следовательно , и выходной сигнал дифроаналого5 вого преобразователя 3 изменяется в сторону уменьшения рассогласования сигналов и и Ui . Скорость изменения программного сигнала Un меньше скорости отработки следящей

20 системы, поэтому в любой момент времени сигнал обратной связи Ucj практически равен Ur, и напряжение на выходе усилителя 7 лежит в зоне нечувствительности порогового бло25 ка 10.

При выполнении условия Uq U (момент времени tj на фиг, 3) происходит отпускание блока 20 совпа Q дения, в результате чего снимаются напряжения питания с устройства 15 и блока 17 контроля, а переключатель 18 подключает на вход блока 6 сравнения сигнал задания Uj, и исполнительный орган 8 удерживается в положении, соответствующем заданному.

Аналогичным образом система работает и при уменьшении сигнала Ug (момент времени Ц на фиг. 3). При этом вновь срабатывает блок 20 совпадения и подается питание на устройство 15 и блок 17 контроля. В первый момент времени после подачи питания в программном устройстве 15 за счет установки счетчика 1 в произвольное состояние UK, ид и система переходит в режим записи начальных условий (промежуток времени

t на фиг. 3), благодаря которому выходной сигнал устройства 15 за относительно малое время принимает значение, соответствующее действительному положению исполнительно5 го органа 8 (и, Un), которьй при этом не изменяет своего положения за счет блокировки его по сигналу логического элемента ИЛИ 19.

Если в процессе формирования программы происходит сбой счетчика 1 вследствие влияния помех ипи кратковременных перерывов питания (момент времени t на фиг, 3), то абсолютная величина разности сигналов и и Un , выявляемая блоком 6 сравнения, превышает уровень срабатывания порогового блока 10, что приводит к изменению состояния переключателя 11. В результате на вход нуль-органа 5 вместо сигнала задания % .подаётся сигнал Ua с датчика 9 обратной связи. Одновременно, происходит переключение частоты генератора 4 импульсов и система переходит в режим слежения за сигналом Ua с датчика 9 аналогично тому, как это имеет место в режиме записи начальных условий. Под деист вием единичного сигнала на выходе порогового блока 10 логический элемент ИЛИ 19 вырабатывает сигнал, поступающий на блокирующий вход исполнительного органа 8, который сохраняет свое положение. Вследствие этого сигнал обратной связи с датчика 9 остается неизменным и счечик 1 возвращается в состояние, в котором он находился до сбоя (момент времени t на фиг. 3).

После восстановления информации система продолжает работать в режиме программного управления. Этот режим заканчивается, когда сигнал программы Uf и соответственно сигнал датчика обратной связи Uq достигают уровня задания U- (момент времени tg, на фиг. 3). При условии

UQ - и.} блок 20 совпадения переходит в положение, при котором переключатель 18 подключает к входу блока 6 сравнения сигнал задания U-j вместо сигнала программы и. Одновременно блок 20 совпадения снимает питание с программного устройства 15 и блока 17 контроля. В результате исполнительный орган 8 удерживается в положении, соответствукяцем заданному.

Таким образом, при каждом вводе программного устройства в работу блок контроля обеспечивает проверку его исправности.

Рассмотрим функционирование блока 17 контроля в различных режимах работы системы. Пусть после подачи питания на устройство 15 и блок 17„

контроля выполняется условие Ur lU Тогда при равенстве сопротивлений резисторов 24 и 25 разность токов через эти резисторы равна нулю и в диодном мосте 27 протекает ток, определяемый напряжениями питания Е. и Е. и сопротивлениями резисторов 28, 29 смещения, вследствие чего выходное напряжение операционного усилителя 23 близко к нулю и контакты реле 30 разомкнуты.

Если после подачи питания на бло 17 контроля (например, в моменты времени t,, t на фиг. 3) рассогласование Un и U(j таково, что разност входных токов через резисторы 24 и 23 превышает ток смещения диодного моста 27, то обратная связь усилителя 23 через диодный мост 27 разрывается, конденсатор 26 начинает заряжаться и выходное напряжение услителя 23 изменяется от нуля в сторону положительного или отрицательного насыщения (в зависимости от знака рассогласования между сигналами U,, и UQ ). В случае исправной работы программного устройства 15 возникшее в первый момент времени рассогласование между сигналами U и U(j устраняется при записи начальных условий в программное устройство за относительно малое время (интервалы времени t, , tg- t на фиг. 3), за которое выходное напряжение усилителя 23 не успевает достичь порога срабатывания реле 30 (уровни и , Ц.,р ). При выполненют условия Uy UQ (моменты времени t, tj. на фиг. 3) разность токов через резисторы 24, 25 становится меньще тока смещения диодного моста 27, диодный мост открывается, обеспечивая разряд конденсатора 26, и выходное напряжение усилителя 23 становится близким к нулю.

При возникновении неисправности в программном устройстве 15 оно не обеспечивает быстрого изменения сигнала U, до уровня Ug в режиме записи начальных условий или восстановления информации. Так, например, в случае отказа порогового блока 10 при подаче питания на устройство 15 (момент времени tg на фиг. 3) не происходит переключения переключателя 11 и перестройки генератора 4 на высокую частоту, в результате чего после установления в счетчи9ке 1 произвольного кода и соответст вукицего ему сигнала Un (U,o) происходит медленное изменение этого сигнала, а следовательно, и положения исполнительного органа 8, и рассогласование между сигналами Ui и UQ сохраняется относительно длительное время. При этом :- блоке 17 контроля под воздействием разности входных токов, превышающей ток смещения диодного моста 27, происходит заряд конденсатора 26 и выходное напряжение усилителя 23 через время задержки Тд, достигает порога срабатывания реле 30. Это реле выдает оператору сигнал о неисправности программного устройства (путем засветки сигнальной лампы 31), и сигнал UK через логический элемент ИЛИ 19 блокирует исполнительный орган, предотвращая его дальнейшее перемещение и, следовательно, исключая возможность возникнове ния аварийной ситуации. 4 Таким образом, введение в программную следящую систему дополнительных элементов с соответствующими связями обеспечивает возможность отключения программного устройства в промежутках времени, когда не требуется изменять режим работы объекта управления. Благодаря этому повыщается надежность и ресурс работы системы, а также снижается ее энергопотребление. Важным фактором, способствукищям повышению надежности управления объектом, является также введение в систему автоматического контроля исправности программного устройства, который осуществляется при каждом вводе в работу программного устройства. При этом неисправное программное устпойство не изменяет положения исполнитель ного органа, что имеет исключительное значение для повышения безопасности работы объекта управления.

ПРОГРАММНАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА, содержащая последовательно соединенные блок сравнения, усилитель, исполнительньй орган и датчик обратной связи, подключенный выходом к первому входу блока сравнения и к первому информационному входу первого переключателя, второй янформа ционньй вход которого соединен с задающим входом системы, управляющий вход - с входом генератора импульсов и черезпороговый блок с выходом усилителя, а выход - с первым входом нуль-органа, вторым . входом подключенного к выходу цифроаналогового; преобразователя, а выходами - к управляющим входам блока управления реверсом и счетом, соединенного тактовым входом с выходом генератора импульсов, а информационным и управляющими выходами со счетным и управляющими входами реверсивного счетчика, выход которого подключен к входу цифроаналогового преобразователя, причем шины питания первого переключателя, нульоргана, реверсивного счетчика, цифроаналогового преобразователя и по- рогового блока соединены с общим блоком питания, отличаю щ ая с я тем, что, с .целью повышения надежности и снижения энергопотреб- ления системы, в нее введены блок контроля, элемент ИЛИ, второй переключатель и блок совпадения, первый вход которого соединен с первым информационным входом второго переключателя и с задающим входом системы, второй вход - с nepBbiM входом блока контроля и с выходом датчика обратной связи, а выход - с входом блокировки блока питания и с управляющим входом второго переключателя, выходом подсоединенного к второму входу блока сравнения, а вторым информационным входом - к выходу цифроаналогового преобразователя 30 и к второму входу блока контроля, : шина питания которого соединена с со блоком питания, а выход - с первым лОм элемента ИЛИ, второй вход 4ib которого подключен к выходу порогов.ого блока, а ВЬЕХОД - к входу блокировки исполнительного органа.