Импульсный регулятор Советский патент 1986 года по МПК G05B11/26 

Изобретение относится к теплоэнер гетике и химической промышленности и может быть применено в импульсных систейах автоматического управления объектами, обладающими фильтрующими свойствами.

Цель изобретения - повышение быс- тродействия и упрощение регулятора.

На фиг.1 представлена функциональная схема регулятора; на фиг.2 и 3 - принципиальные схемы вариантов вьшолнения входного фильтра; на фиг.4 - эпюры выходных напряжений основных блоков регулятора.

На фиг.1-4 приняты, следующие обоз- начения: входной фильтр 1, четвертый, третий, второй и первый релейные блоки 2 - 5, широтно-импупьсный модулятор 6, одновибратор 7, детектор 8, ключ 9, фильтр 10, третий, первьй и второй элементы И 11, 12 и 13, первьй и второй -усилители 14 и 15 мощности, сумматор 16, RS-триггер 17, пятый релейный блок 18, интегратор 19, исполнительный механизм 20, исполнительный электродвигатель 21, редуктор 22, измеритель рассогласования 23, резисторы 24 и 25, конденсатор 26, операционный усилитель 27, ключ 28, Uj,-входное напряжение импульсного регулятора (т.е. напряжение рассогласования) выходное напряжение входного фильтра 1, U,j- выходное напряжение четвер ;того релейного блока 2, Uj- выходное напряжение одновибратора 7, вы- ходное напряжение широтно-импульсного модулятора 6, Uj- аыходное напряжение детектора 8, выходное напряжение ключа 9, выходное напряжение фильтра 10, Ug- выходное напряжение третьего релейного блока 3, выходное напряжение третьего элемента И 11, и , ,Ц, - выходные напряжения

10 11

соответственно второго и первого релейных блоков. 4 и 3, Ц, вьпсодные напряжения соответственно первого и второго элементов И 12 и 13, Ug,x выходной сигнал исполнительного механизма 20. I . ..

Широтно-импульсный модулятор 6 содержит сумматор 16, триггер 17, пятый релейный блок 18 и интегратор 19. В качес тве триггера 17 может быть применен известный RS-триггер.

В качестве исполнительного механизма 20 в данном случае применяется исполнительный механизм постоянной скорости, который содержит (однофаз

to

15 j

380252

ный) электродвигатель 21 и (силовой) редуктор 22.

В качестве входного фильтра 1 может быть применен один из вариантов 5 выполнения входного фильтра, представленных на фиг.2 и 3. Первьй вариант вьтолнения входного фильтра представляет собой управляемый интегратор и содержит резистор 24, ко нден- сатор 26, операционный усилитель 27 и ключ 28. Второй вариант выполнения входного фильтра представляет собой апериодическое звено и содержит резисторы 24 и 25, конденсатор 26, опе- рационньй усилитель 27 и ключ 28. Кроме того, указанное периодическое звено может быть реализовано любым Известным способом.

Фильтр 10 выполняет в данном регу- ляторе функции блока выделения постоянной составляющей сигнала рассогласования. В качестве фильтра 10 может быть использован любой известньй фильтр низких частот. В качестве детектора 8 может быть использован любой известный двухтактный детектор.

Регулятор работает следующим образом.

На вход регулятора поступает напряжение , пропорциональное разности, между заданным и дейстйительным значениями регулируемого параметра. Напряжение U поступает одновременно на сигнальньй вход входного фильтра 1, на входы второго и первого релейных блоков 4 и 5, фиксирующих знак напряжения рассогласования Ug,, и на вход детектора 10. Структурная схема данного регулятора обеспечивает возможность работы на трех режимах в зависимости от величины зоны нечувствительности третьего релейного блока 3, обладающего в указанном примере выполнения регулятора трехпозицион- ной характеристикой. Если зона нечувствительности третьего релейного блока -равна нулю, то данный регулятор работает в режиме частотно-импульсной модуляции, при котором на выходах первого и второго элементов И 12 и 13 формируются импульсные Напряжения и U,j, импульсы которых имеют постоянную длительность и частоту следования, определяемую величиной напря- жения рассогласования U. В этом слу

чае при любой величине напряжения и на выходе фильтра 10 на выходе третьего релейного блока 3 имеется

отличное от нуля напряжение Ug, которое подается на второй (инверсный) вход третьего элемента И 11 и препятствует появлению на его выходе отличного от нуля напряжения Ug, обеспечивающего замыкание ключа 9, т.е. включение цепей коррекции длительности импульсов управляющего напряжения.

При повышении напряжением U, на выходе входного фильтра 1 величины, достаточной для срабатывания четвертого релейного блока 2, на его вьпсо- де появляется напряжение Uj, поступающее на тактовый вход широтно-им- пульсного модулятора 6. Происходит переключение триггера 17 и на выходе широтно-импульсного модулятора 6 появляется напряжение U , поступающее на вторые входы первого и второго элементов И 12 и 13.. В зависимости от полярности напряжения рассогласования Ug происходит появление напряжения U (или U,j) на выходе элемен- та И 12 (или 13), что определяется соответственно наличием напряжения (или Ц,,) на выходе релейного бло- jca 4 (или 5). При появлении напряжения V на выходе четвертого релейно- го блока 2 происходит срабатывание одновибратора 7 по переднему фронту напряжения и.. На выходе одновибратора 7 возникает короткий импульс напряжения и , поступающий на управляющий вход входного фильтра 1 и вызывающий его обнуление. В дальнейшем происходит пропадание напряжения U на вьгходе широтно-импульсного модулятора 6, поскольку напряжение U, поступает через сумматор 16 На вход интегратора .19 и при достижении его выходным напряжением величины, достаточ- ной для срабатывания пятого релейного блока 18, происходит обратное переключение триггера 17 и возврат широтно- импульсного модулятора 6 в исходное состояние. При сохранении напряжения рассогласования на входе регулятора процесс регулирования повторяется и на выходе усилителей 14 и 15 мощности формируются прямоугольные импульсы напряжения управления постоянной длительности, у

Если зона нечувствительности Третьего релейного блока 3 не равна нулю, в регуляторе обеспечивается дополнительная модуляция импульсов уп равляющих н апряжений по длительности. Наибольший эффект от применения данного регулятора обеспечивается в ав

токолебательных системах автоматического регулирования объектом, который обладает фильтрующими свойствами. В этом случае величина зоны нечувствительности третьего релейного блока 3 выбирается таким образом, чтобы исклю тть замыкание ключа 9,.т.е. исключить возможность работы цепей коррекции регулятора в переходном режиме работы, когда происходит отра- ботка регулятором управляющего или возмущающего воздействия до момента возникновения автоколебательного режима работы регулятора, характеризующегося попеременным появлением импульсов управляющих напряжений на выходах первого и второй элементов И 12 и 13.

Когда в результате отработки регулятором внешнего воздействия постоянная составляющая напряжения рассогласования и, достигает заданной величины (например, момент времени t, , фиг.2), то напряжение U на выходе третьего релейного блока 3 пропадает. При возникновении на выходе широтно- импульсного модулятора 6 переднего. фронта очередного импульса напряжения U; происходит замь1кание кл|рча 9 и напряжение I- с выхода детектора 8 поступает на управляющий вход широтно-импульсного модулятора 6 и, соответственно, на второй вход сумматора 16. При этом длительность им- пульсов напряжения U, определяется суммой напряжений U, и U . .

Если в системе управления, в которой применяется данный регулятор, обеспечивается симметричный автоколебательный режим работы, характеризующийся тем, что ось колебаний выходного сигнала U, регулятора находится на одинаковом расстоянии от значения сигнала Ugj,, в момент отсутствия импульсов напряжений U, и на выходах первого и второго элементов И 12 и 13, то на выходе регулятора импульсы сигнала U,, имеют постоянную длительность. Это связано с тем, что симметричному автоколебательному сигналу на выходе исполнительного механизма 20 в регуляторе с модуляцией данного класса соответствует симметричный процесс изменения напряжения на выходе входного фильтра 1. В этом сигнале при различных полярностях напряжения рассогласования Ug, длительность импульсов выходного сигнала 11,, регулятора увеличивается в результате воздействия корректирующего напряжени Ug на одну и ту же величину. Если из- за соответствующих начальных условий в регуляторе возник несимметричньй автоколебательный выходной сигнал Vgbtx или несимметричньй автоколебатель ньй-выходной сигнал Ug, явился следствием внешнего возмущения (например, момент времени t, фиг,2), то соответственно происходит изменение напряжения и на выходе входного фильтра 1. При этом происходит коррекция длительности импульсов управляющих напряжений и Ц на выходах первого и второго элементов И 12 и 13 до тех пор, пока на выходе регулятора не установится симметричный автоколеба- тельньй сигнал U,

выл в случае, если в качестве входного

фильтра 1 используется пе рвый известный вариант вьшолнения входного фильтра (см.фиг.2), то за счет обеспечения симметрии выходного сигнала регу лятора обеспечивается повышение точности регулятора, так как обеспечивается уменьшение величины отклонения регулирующего параметра от его заданного значения.

Если в качестве входного фильтра t используется второй известный вариант выполнения входного фильтра (см .фиг.3), то существенно повышается быстродействие регулятора. Это объясняется тем, что при использовании второго варианта выполнения входного фильтра в автоколебательном режиме работы регулятора величина постоянной составляющей его выходного сигнала и..,, зависит только от степени его

несимметрии и равна нулю при симмет-

ричном выходном сигнале Ugb,x регулятора. При этом замена первого варианта выполнения входного фильтра вторым вариантом существенно улучшает динамические характеристики регулятора, Повьш1ение быстродействия данного регулятора обеспечивается за счет того, что в отличие от регулятора-прототипа коррекция выходного сигнала Uee,y регулятора обеспечивается непосред- ственно при возникновении его асимметрии и постоянно, в то время как в прототипе указанная коррекция обеспечивается только при появлении третьего импульса управляющего напряжения относительно момента начала асимметрии выходного сигнала регулятора - прототипа. .

0

5

0

5

.

При необходимости в данном регуляторе может быть обеспечен режим работы с постоянной частотно-широтной модуляцией управляющего напряжения. В этом случае величина зоны нечувствительности третьего релейного блока 3 устанавливается больше, чем максимально возможная величина постоянной составляющего напряжения рассогласования Ug . . Таким образом, в данном регуляторе обеспечивается возможность создания внутреннего контура регулирования начальных условий, обеспечивающего устранение постоянной составляющей .ошибки (т.е. статической ошибки) регулирования при работе регулятора в автоколебательном режиме, позволяющего при необходимости обеспечивать частотно-широтную модуляцию управляющих напряжений и обладающего по сравнению с известными импульсными регуляторами простотой технической реализации.

Формула изобретения

1. Импульсный регулятор, содержащий первый и второй релейные блоки, входы которых соединены между собой, а вьЕходы подключены к первьм входам соответственно первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены между собой,, первый и второй усилители мощности, подключенные выходами к первому и второму входам исполнительного механизма, входной фильтр, соединенный cигнaJIЬным входом через фильтр с входом третьего релейного блока, управляющим входом - с выходом одновибратора, а выходом через четвертьй релейный блок - с тактовым входом широтно-импульсного модулятора, управляющим входом подключенного к выходу ключа, соединенного управляющим входом с выходом третьего элемента И, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьш ения быстродействия и упрощения регулятора, в нём; дополнительно установлен детектор, соединенный выходом с ;игнальным входом ключа, а входом - с выходом входного фильтра, подключенного сигнальным входом к входу первого релейного блока, выход четвертого релейного блока соединен с входом одновибратора, выход широтно-импульсного модулятора подключен к второму входу первого элемента Инк первому входу

7

третьего элемента И, соединенного вторым входом с выхрдом третьего релейного блока, выходы первого и второго элементов И подключены к входам соответственно первого и второго усилителей мощности.

2.. Регулятор поп.1,отлича- ю щ и и с я тем, что широтно-импульс- ный модулятор содержит последовательно соединенные RS-триггер, сумматор, интегратор и релейный элемент, подключенный выходом к R-входу RS-триггера, соединенного S-входом с тактовым входом гаиротно-импульсного модулятора , инверсным выходом - с управляющим входом интегратора, прямым выходом - с выходом широтко-импульс123

12380258

ного модулятора, подключенного управляющим входом к второму ВХОДУ сумматора.

3. Регулятор по пп. 1 и 2, о т л и- тем, что входной фильтр содержит операционный .усилитель, соединенный входом с первой обкладкой конденсатора и первыми выводами первого и второго резисторов и , а выходом - с второй обкладкой конденсатора, вторыми выводами второго резистора и ключа и выходом входного фильтра, входом соединенного с

вторым выводом первого резистора, а управляющим входом - с управляющим входом ключа.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и химической промьпп- ленности и может быть применено в импульсных системах автоматического управления объектами, обладающими, фильтрующими средствами. Целью изобретения является повышение быстродействия и упрощение регулятора. В даннсда регуляторе сигнал рассогласования поступает на входы фильтра, первого и второго релейных блоков и на информационный вход входного фильтра, выходной сигнал которого поступает на входы детектора и третьего релейного блока. Выходной сигнал третьего релейного блока поступает на первый вход широтно-импульсного модулятора и через одновибратор - на управляющий вход входного фильтра. Выходной сигнал детектора через ключ постуйает на второй вход-широтНо-импульсного модулятора, выходной сигнал которого .поступает на первые входы первого, второго и третьего элементов И. Выходной сигнал фильтра через четвертьй релейный блок поступает на .второй вход первого элемента И и с его выхода - па управляющий вход ключа. Выходные сигналы первого и зторого релейных блоков поступают на вторые входы соответственно второго и третьего элементов И. Выходные сигналы второго и третьего элементов И через первый и второй усилители мощности поступают на соответствующие входы исполнительного механизма. В качестве входного фильтра может бь1Ть применен либо управляемый интегратор, либо управляемое апериодическое звено. .2 3.п.ф-лы., 4 ил. (О с (О ее 00 о IND сд

vm23

Js

УЛ

fe

Vs.

; U-, 4гМ -ГЛ- ГЦ

t

,ft

Составитель Ю Гладков Редактор М.Дылыи Техред О.Гортвай Корректор Т.Колб

Заказ 3289/47 Тираж 836Подписное

ВНИИ1Ш Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, А