Управляющее устройство Советский патент 1985 года по МПК G05B11/16 

Изобретение отнрсится к регулирую щим устройствам систем управления и регулирования, к управляющим элементам применяемым в системах общего назначения, реализующих релейные и линейные законы управления. Известно управляющее устройство, состоящее из релейного блока, на вход которого дополнительно подается высокочастотный периодический сигнал от генератора колебаний, вследствие чего достигается вибрационная линеаризация характеристики устройства Cl Однако использование дополнительного генератора для линеаризации характеристики управляющего устройст ва усложняет его конструкцию. Наиболее близким к предлагаемому является управляющее устройство, имеющее вибрационно-линеаризованную характеристику, состоящее из последовательно соединенных первого резис тора, операционного усилителя и исполнительного релейного блока, при чем к выходу усилителя присоединен конденсатор 1,2 J. Недостатком этого управляющего устройства является малая точность и нелинейность его характеристики, обусловленная тем, что в устройстве неинвертируюпщй вход усилителя соединен с конденсатором через резистор, что приводит к экспоненциальному характеру заряда и разряда конденсатора. Цель изобретения - повышение точности управляющего устройства и линейности его характеристики. Указанная цель достигается тем, что в управляющее устройство, содержащее первый резистор, подключенный к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход которого связан с входом исполнительного релейного блока и первым выводом конденсатора, дополнительно введены стабилизатор тока и два резистора, причем неинвертирующий вход операционного усилителя через стабилизатор тока соединен с вторьм выводом конденсато ра, а инвертирующий вход операционного усилителя связан через второй резистор с выходом операционного уси лителя и через третий резистор заземлен. , На фиг. 1 представлена блок-схема управляющего устройства; на фиг.,2 схема стабилизатора тока; на фиг. 3 типовая характеристика стабилизатора; на фиг. 4 - графики процессов, протекающих в управляющем устройстве. Управляющее устройство (фиг. 1) состоит из первого резистора (R1) 1, соединенного с неинвертирующим входом операционного усилителя 2, который охвачен положительной связью через конденсатор 3 и стабилизатор тока (Ст) 4 и отрицательной обратной связью через второй резистор (R2) 5. Третий резистор (R3) 6 включен между входом усилителя- 2 и землей. Выход операционного усилителя 2 соединен с входом исполнительного релейного блока 7, который представляет собой, например, электромеханический релейный рулевой привод, электромеханическое реле или другие исполнительные устройства. На фиг. 2 приведен пример выполнения стабилизатора тока 4 с использованием двух встречно включенных диодов 8 и 9, а также полевых транзисторов 10 и 11 (Вольт-амперная характеристика стабилизатора тока 4 показана на фиг 3). В результате введения в операционный усилитель 2 положительной обратной связи через последовательно соединенные конденсатор 3 и стабилизатор тока 4 в усилителе возникает генерация колебаний. В результате введения отрицательной обратной связи увеличивается диапазон входных сигналов, при которых сохраняется генерация колебаний в усилителе. При генерации колебаний с выхода операционного усилителя 2 на вход исполнительного релейного блока 7 поступает сигнал в виде последовательности разнополярных импульсов, длительность которых зависит от величины входного сигнала устройства. Линеаризованная характеристика устройства рассматривается как зависимость сигнала М (постоянная составляющая разложения в ряд Фурье сйгнала 1 на выходе управляющего устройства) от сигнала U на его входе и определяется по формуле tl.t - длительности положительного и отрицательного импульсов соответственно. Длительность генерируемых импульсов -- и tj определяется временем нарастания напряжения на конденсаторе в цепи положительной обратной связи, которое зависит от величины входного сигнала усилителя. Для устройства-прототипа характер заряда конденсатора экспоненциальный, в силу чего длительности импульсов t и tj нелинейно зависят от величины входного сигнала. В предлагаемом уст ройстве вследствие введения стабилизатора тока заряд конденсатора происходит линейно, что позволяет улучшить линейность характеристики устройства. Характер процессов, происходящих в операционном усилителе управляющего устройства в реямме колебаний, иллюстрируется фиг. 4. Работа операционного усилителя рассматривается при условии, что значение входного сопротивления операционного усилителя значительно.больше значений сопро тивлений R,, Rj, За начало отсчета времени выбран момент, когда напряжение Uy на выходе усилителя ме няет свое значение с -и„ на +U (где UH - напряжение насьщения усилителя фиг. 4). Сигнал И на выходе устройства повторяет напряжение U. В интервалах знакопостоянства управления (отрезки времени t и t) работа стабилизатора 3 характеризуется двумя режимами - режимом стабилизации тока 1 и режимом работы, когда ток в цепи стабилизатора меняется. При Ig const падение напряжения Uj на стабилизаторе удовлетворяет условию I и h/а j где а - зона линейности характеристики стабилизатора (фиг. 3). Режиму стабилизации соответствуют на фиг. 4 отрезки времени t, и tj .В режиме стабилизации обеспечивается постоянство напряжеНИИ и и Uj на входах усилителя (фиг. 4). Напряжение U пропорционально выходному напряжению усилителя, равному напряжению насыщения, а напряжение U, определяемое по формуле Resign Uj, (2) постоянно, так как I5 const. По мере заряда конденсатора током величина падения напряжения U на стабилизаторе уменьшается, но U2 const. При ( начинается уменьшение тока в цепи Стабилизатора, вследствие 1 1 чего происходит изменение напряжения Uj . До тех пор, пока выполняется условие |и,-и,|.где у. .- коэффициент усиления усили теля, усилитель находится в насыщении. При IUji-U. I -- усилитель выходит из насыщения. За счет положительной обратной связи усилитель неустойчив, если выполняется условие (н ЬтгЖ/ где К - крутизна линейного участка характеристики стабилизатора тока (см. фиг. 3). Неустойчивость усилителя приводит, к тому, что он практически мгновенно изменяет знак выходного напряжения и входит в насьщение. Максимальное значение падения напряжения на стабилизаторе U mcjuc устанаеливается сразу после скачкообразного изменения знака выходного напряжения усилителя и определяется зависимостью U«M«KC(UH-IOR,) Sign Uj-U,. (5) в предельном случае, когда , зависимость (1) имеет вид i;R7u; при этом получают линейную зависимость постоянной составляющей разложения в ряд Фурье сигнала на выходе устройства от входного сигнала. Технико-экономический эффект т использования предлагаемого правляюа его устройства по сравнеию с устройством-прототипом.обусовлен увеличением степени линейности характеристики устройства и увеичением его точности. В случае, огда параметры предлагаемого устройства таковы, что выполняется условие iUt oKcUa, т.е. когда стабилизатор тока работает как резистор (см. характеристику стабилизатора на фиг.З) меет место экспоненциальный заряд конденсатора. В этом случае характеристика предлагаемого устройства совпадает с характеристикой устройства-прототипа и определяется по формулеiV4(/V M-V iRi HlS-ti) (JJ) ,l в случае, когда а характеристика предлагаемого устрой ства определяется выражением (6). При изменении параметров устройс ва и обеспечении условия 1и4д,акс1 а линейность характеристики вьш1е, чем у устройства-прототипа. Таким образом, при выборе параметров, обеспечивающих lUg,, улучшается линейность характеристик по сравнению с характеристикой устройства-прототипа. Отрицательная обратная связь при водит к увеличению диапазона входных сигналов уси.лителя при работе усилителя в линейном диапазоне. Однако в управляющем устройстве уси литель работает в основном в режиме насыщения. Усилитель работает в линейном режиме только в моменты пере ключений, длительность которых пренебрежимо мала по сравнению с длительностью интервалов знакопостоянства управления t и t (фиг.4). Расширение диапазона работы предлагаемого устройства вследствие введе ния отрицательной обратной связи обосновьюается формулой (U,UJ(-.U,-U,) (Л-Ц,)Иц-Ц.) (81 -Ун-). ч-х-о

8

U2 1 1ft При m, стремящемся к нулю, рабочий диапазон входных сигналов устройства стремится к диапазону устройствапрототипа, определяемому областью линейности по входным напряжениям усилителя без обратной связи. Таким образом, введение отрицательной обратной связи ПОЗВОЛЯЕТ во много раз расширить диапазон входных сигналов, при которых обеспечивается линеаризация характеристики устройства. При этом существенно повышается точность устройства в результате того, что дрейф нуля операционного усилителя становится несравнимо меньше диапазона входных сигналов. За базовый объект принято устройство С11, состоящее из релейного блока, на вход которого дополнительно подается высокочастотный периодический сигнал от генератора колебаний. Предлагаемое управляющее устройство конструктивно проще базового, так как не содержит дополнительного генератора. В случае, когда в базовом устройстве используется генератор гармонического сигнала, характеристика устройства нелинейна (см. например, .23), при этом погрешность линейности характеристики базового устройства достигает 15%. Релейные управляющие устройства более надежны в работе и более экономичны что определяет возможность широкого применения предлагаемого управляемого устройства в системах с релейным и линейным управлением. Проблема совмещения релейного и линейного законов управления может быть решена с помощью использования управляющих устройств с релейной характеристикой, выполненных на основе предлагаемого устройства.

Фиг.:5

V,.i/i.Ut,.Us.Uf,l

УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее первый резистор, подключенный к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход которого связан с входом исполнительного релейного блока и первым выводом конденсатора, отличающееся тем, что, с целью пов1йешения точности управляющего устройства и линейности его характеристики, в него введены стабилизатор тока и два резистора, причем неинвертирующий вход операци- онного усилителя через стабилизатор тока соединен с вторым вьшодом конденсатора, а инвертирующий вход операционного усилителя связан через второй резистор с выходом операционного усилителя и через третий резистор заземлен. сл