Двухканальный экстремальный регулятор Советский патент 1988 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано для управления различными объектами с экстремальными характеристиками, преимущественно малоинерционными,

Цель изобретения - повьшение быстродействия регулятора путем, использования независимого поиска с по- мощью непрерывного поискового сигнала.

На фиг,1 приведена функциональная схема двухканального экстремального регулятора, на фиг. 2 - электрич еская схема.управляемого генератора ортогональных сигналов; на фиг.З - 5 - графики, поясняющие работу устройства.

Регулятор () содержит управ- ляемый генератор ортогональных сигналов 1, каналы формирования поиско- вого сигнала 2 и 3, триггер Шмитта 4 дифференциатор 5,, одновибратор б, первьй ключ 7д первый масштабирую- Щий резистор 8, емкостной делитель 9j второй масштабирующий резистор 10 усилитель П, первый повторитель 12, второй ключ ISj конденсатор 14, второй повторитель J5 и третий мае- штабируюгаий резистор J6,

. Управляемый генератор J ортого- .нальных сигналов (фиг„2) содержит коммутируемый по входу автогенератор 7 прерывистых (автомодулированных) колебаний, змиттерный повторитель 18 и фазорасщепитель 19 в виде двух фа- зосдвигшощих КС цепочек с общим входом, которые являются выходами гене- ратора 1 (разность фаз выходных сигналов составляет (+90) йоги.(-90 , знак роли не играет j цепь автосмещения 20. На фигурах введены также обозначения сигналов на выходе ге- нератора () 21 () траектории движения 22 - 24 (фиг,4)-5 импульсы 25 - 29 (фиг.5)5 общая шина 30,

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда система авторегулирования разомкнута, напряжение на входе регулятора U., 0. Напряжение на выходе триггера 4 ты тш мин генератор I и ключи 7, 13 выключены, напряжения на конденсаторе 14 и выходах регулятора равны нулю.

g

5

0 5 0

5 о 5

0

При замыкании системы авторегулирования на вход регулятора поступает напряжениеJ свидетельствующее о со- стоя нии объекта регулирования, котот рое по определенно является показателем качества объекта Q .(), где Xj и Xj. - входные управляемые) параметры,-Путем преобразования выходного параметра Y () всегда можно получить Q(X., 5X2) в виде напряжения требуемой полярности, В дальнейшем для определенности будем считать, что Q (X,,X2)Ug 0.

При увеличении U от, О до UBX Е 5 где п порог срабатывания триггера 4, напряже:ние на его выходе скачком yвe;л{iчивaeтcя до значения rhi мцкс Запускается автогенератор 17 и одповремеьпю открывается ключ 7, при этом гекерируе гые сигналы с выходов генератора 1 проходят через делитель 9, резистор 10 и усилитель 11 ла вьошды регулятора. За полный период геперируемог о колебания Т. напряжения и 5 и2 HS. выходах регулятора дважды проходят экстремальные значения противоположных знаков. Соответствующие им параметры объекта X,, Xg и Q Ug,изменяются от минимального до максимального в пределах данного периода значений, т,е. происходит сканирование, В каждом последующем периоде амплитуды сканирования экспоненциально нарастают (график на фиг,3). Ортогональность напряжений Uj и Ug позволяет рассматривать процесс экстремального поиска в виде некоторой функции на фазовой плоско- CTPI с декартовьии координатами Ц и. За.дадим ее в виде

F (и, ,и) uf -f и. (1)

Уравнения ортогональных составляющих в параметрическом виде

(t) cosQt, U2,R(t) (2)

где P(t)P(oD)l-exp(-t/ c:Ko)l (3) R(t)R(oo)l-epx(-t/C,,7 J бающие радиоимпульсы 21 на переднем фронте;

Р()|и,макоИ. (°о). /и,л,с.кс1 R - максимальные значения амплитуд поисковых сигналов в установившемся режиме генерации при , Различие между значениями Р и R обусловлено различием регулировочным характеристик исполнительных устройств систем по параметрам Х и Х. Требуе 14

мое в каждом конкретном случае отношение P/R устанавлдаается выбором коэффициента усиления усилителя 11 в каналах регулятора,

Выражения (1)-(3) образуют систему уравнений эллиптической ра зворачиваго- щейся спирали с шагом, убьшающим по экспоненциальному закону. Аналогичным образом можно составить систему уравнений сворачивающейся эллиптической спирали, соответствующей спаду импульса (фиг.З).

Закон изменения модулирующего сигнала не играет существенной роли, в частности, огибающая радиоимпульсная может подчиняться гармоническому закону. Существенным является непрерывный характер функций P(t) и R(t),4TO необходимо для реализации описьшаемо- го алгоритма поиска.

На фиг.4 показана траектория (22) движения по разворачивающейся спирали точки А, принадлежащей функции F (и,,и). Точка Ад на фазовой плос- кости соответствует экстремальному состоянию объекта: Q(AQ)U (A)0. Точность регулирования определяется областью допустимых отклонений координат экстремума от точки Ад, кото- рая в свою очередь зависит от порогов отпускания Е, и срабатьшания Е триггера 4. EJ, Е на величину гистерезиса триггера 4. Границы областей представляют собой эллипсы 23 и 24, соотношение полуосей которых равно P/R.

Сканирование ортогональных напряжений по гармоническому закону с на- рас±анием амплитуды соответствует движению точки А из нулевой координаты по спирали, приближающейся к точке Ад. При пересечении границы, обозначенной эллипсом 23, и триг- гер 4 выключается (U,UTU, мин Ь За счет инерционности процесса регулирования, обусловленной задержкой исполнительных устройств, самого объекта регулирования, преобра:зователя выходного параметра объекта, а также элементов регулятора момент установления экстремума несколько запаздывает. Точка А,, соответствующая моменту остановки поиска, находится внутри области, ограниченной эллипсом 23. Автогенератор 17 и ключ 7 выключаются, а напряжения U« и U., соответствующие AJ , запоминаются в де13

лителе 9 (точнее, запоминаются значения и,/Кд.и UJ /KOIJ, где KQIJ - коэффициент усиления усилителя 11). Поскольку выходное сопротивление ключа 7 велико, то для запоминания напряжений на делителе 9 необходимо, чтобы либо цепь разряда была достаточно высокоомной, либо происходила подзарядка от другого источника, согласованного с делителем 9 по напряжению. Последнее обладает преимуществом, так как одновременно позволяет осуществлять каждый последующий цикл поиска с учетом координат экстремума найденных в предыдущем цикле, что непосредственно связано с повышением быстродействия регулятора. Такая задача решается с помощью второго запоминающего устройства, выполненного на элементах 12-15.

При выключении триггера 4 в момен времени t (А) запускается одновибра тора 6 импульсом на выходе дифференциатора 5, фронт которого совпадает со спадом импульса триггера 4 (фиг.5 Импульс, сформированный одновибра- тором 6, открывает ключ 13 и напряжение с выхода делителя 9 через повторитель 12 и ключ 13 заряжает конденсатор 14, коэффициенты передачи повторителя 12 и Ключа 13 близки к единице. Процесс заряда конденсатора 14 достаточно кратковременный, так как выходное сопротивление открытого ключа велико. Повторитель 12 служит для развязки между делителем 9 и конденсатором 14 (благодаря высокому входному сопротивлению повторителя 12 разряда конденсатора нижнего плеча делителя 9 не происходит). В дальнейшем напряжение на делителе 9 поддерживается повторителем 15, к входу

которого подключен конденсатор 14, Цепь разряда конденсатора 14 образуется параллельным соединением выходного сопротивления разомкнутого ключа 13 и входного сопротивления повторителя 15, каждое из которых высоко, благодаря чему напряжение на конденсаторе 14 изменяется медленно. На фиг.4 этому процессу соответствует отрезок траектории 22, на фиг.З графики 25-29 на интервале времени t,-t2 между импульсами триггера 4. .Медленному разряду конденсатора 14 (график 27) соответствует аналогичное изменение напряжений U , U ( фик 28) и UBX(график 29). Особенность

5

последнего состоит в том, что естественное его постепенное приближение к порогу Е сопровождается флуктуацией за счет изменения координат экстремума во времени, обусловленной воздействием на объект регулирования внешних факторов о

За интервап времени t,tg между двумя циклами поиска конденсатор (верхнего плеча) делителя 9 должен быть разряжен через резистор 8.для того, чтобы при включении ключа 7 конденсатор делителя 9 скачком не разрядился через относительно низкое внутреннее сопротивление ключа 7. В то же время разряд через резистор 8 :не должен сопровождаться заметным изменением напряжения на входе усилителя По

С момента t повторного срабатывания триггера 4 начинается второй .цикл поиска при открьшании -ключа 7. ,С коэффициентом передачи; близким к ,величине R g/(R,o-К,б) суммарное на- Спряжение поступает на вход усилите- ля 1I и усиленное в KQH раз - на выход регулятора. Второй и последующие циклы поиска заканчиваются за долю периода Tj., На второму циклу поиска соответствует отрезок А,,А , траектории 22, а на - графики 25--29 на Ш1тервале времени t.

Резистор 16 служит для предотвра- щения шунтирования поискового сигнала низкоомным выходным сопротивле- :нием повторителя 15 Совместно с резистором 10 он образует делитель напряжения j необходимый для выравнива- НИЛ напряжений, приходящих, на вход усилителя 11 с делителя 9 и повторителя 15. -В противном случае при пе- .:резаписи напряжения, с выхода делителя 9 на конденсатор 14 и передаче его через повторитель 15 произойдет ,скачок величины этого напряжения,так как коэффициенты передачи блоков 12, ;13.и 15 несколько меньше единицы, : Независимый от состояния объекта регулирования (точнее, релейный) характер поиска с помощью непрерывного .сигнала практически не наклад,ьюает огранкнений на быстродействие, поскольку исключаются потерн времени на пошаговую обработку информации, а также автогенераторы гармонических колебаний, в отличие от релаксацион- ных (импульсных)5 имеют значительно

ю 15 20

25 30

g 4045 gQ gg

4А7136

более широкий диапазон генерируемых частот.

Сложение поискового сигнала с напряжением, запомненным в делителе 9 в предыдущем цикле, позволяет снизить время поиска до долей периода генерируемого сигнала, что дополнительно усиливает положительньй эффект данного решения. При этом первый наиболее продолжите.ггьный цикл поиска (фиг.5) можно рассматривать как начальный переходный процесс, свойственнь1й практически любой, например, радиоэлектронной системе в момент ее вк.шочения.

Независимый характер поиска обеспечивает развязку между входным и выходными сигналами регулятора, т.е. разрьш обратной связи на время поиска. Этим достигается большая, чем при других алгоритмах регулирования, устойчивость. систе1 1ы к самово збужде- нию.

Формула изобретения

Двухканальньй экстремальный регулятор, содержащий управляемый генератор ортогональньк сигйй.лов, первый выход которого подключен к информа- ; ционному входу первого канала формирования поискового сигнала, выход которого подключен к первому выходу регулятора, второй канал формирования поискового сигнала, выход которого подключен к второму выходу регулятора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия регулятора, в введены триггер 1Чмитта, дифференциатор и од- нов.ибратор,- причем вход триггера Шмитта соединен с входом регулятора, а выход триггера Шготтта соединен с первыз-ш управляющими входами первого и второго каналов формирования поискового сигнала, с 1зходом дифференциатора и с управляющим входом управляемого генератора ортогональных сигналов, второй выход которого соединен с информационным входом второго канала формирования поискового сигнала, второй управл.яющий вход которого соединен с вторым управляющим входом первого канала форг-гирования поисковот го сигнала и с выходом одновибрато-ра, подключенного входом к выходу дифференциатора, а каждьш канал формирования поискового сигнала содержит первый и второй ключи, первый, второй и третий масштабирующие резисторы, eNncocTHbtf) делитель, усилитель, первый и второй повторители, разделительный конденсатор, причем управляющий вход первого ключа соединен с первым управляющим входом канала формирования поискового сигнала, ин- формационньм вход которого соединен с информационным входом первого ключа, подключенного выходом к первому выводу первого масштабирующего резистора и к входу емкостного делителя, выход которого соединен с входом первого повторителя и через вто

рой резистор - с входом усилителя, выход которого подключен к выходу канала формирования поискового сигнала, второй управляющий вход которого соединен с управляющим входом второго ключа, информационный вход которого подключен к выходу первого повторителя, а выход - к первому выводу разделительного конденсатора и к входу второго повторителя, выход которого соединен через третий масштабирующий резистор с входом усилителя, вторые выводы первого масштабирующего резистора и разделительного конденсатора соединены с общей шиной.

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано для управления различными объектами с экстремальными характеристиками, преимущественно малоинерционными. Цель изобретения - повьшение быстродействия регулятора. Регулятор содержит управляемый генератор ортогональных сигналов 1, два канала формирования поискового сигнала 2, 3, триггер и1митта 4, дифференциатор 5, одновиб- ратор 6. Повышение быстродействия достигается за счет независимого поиска с помощью непрерьшного поискового сигнала, при котором каждьй последующий цикл производится с учетом координат экстремума, найденных в предыдущем цикле, 5 ил.

77 W

SJ(

УХI

о-ЧГГНЦ

I

Зб/Jrf О

CPU г. г

Фае. 5

Ui

Фае.

I

tJLl(m

г

28

и.