Многопороговый релейный элемент с опережающей характеристикой Советский патент 1991 года по МПК H03K5/24 G05B1/02 

i

(Л

режающей характеристикой обеспечивает возможность нелинейного формирования управляющего сигнала при несовпадении знаков этого сигнала и скорости изменения регулируемой координаты. В многопороговом релейном элементе выхбд элемента 1 сравнения соединен с входами первого 2 и второго 3 релейных элементов, выходы которых JQ через интегратор 4 заведены на инвертирующий вход элемента 1 сравнения и входы элементов И 7-10. Выходы третьего 5 и четвертого б релейных

15

элементов заведены на другие входы , элементов И 7-10 и на входы элементов И 13 и 14. Формирование выходного сигнала U+ осуществляется с выхода первого триггера 19, устанавливаемого в 1 элемента И 7 и обнуляемого сигналом элемента И 14 через последовательно соединенные элемент ИЛИ 16, делитель частоты 17 и реверсивный счетчик 18 импульсов. Через эту последовательную цепь элементом И 13 производится обнуление второго триггера 20, формирующего выходной сигнал. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для формирования управляющего сигнала исполнительными органами системы управления динамическим объектом. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, снижение энергозатрат и уменьшение времени переходного процесса. Многокодовый релейный элемент с one

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования управляющего сигнала исполнительными органами систем управления динамическим объектом.

Цель изобретения - расширение фун кциональных возможностей за счет нелинейного формирования управляющего сигнала при несовпадении знаков этог сигнала и скорости изменения регули- руемой координаты, снижение энергозатрат на управление и уменьшение перерегулирования и времени переходного процесса.

На фиг. 1 представлена схема мно- гопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой; на фиг. 2 - схема фазовых траекторий системы управления, использующей предлагаемый многопороговый релейный элемент с опер жающей характеристикой.

Многопороговый релейный элемент с опережающей характеристикой содержит элемент 1 сравнения, первый 2 и второй 3 релейные элементы, интег- ратор 4, третий релейный элемент 5, четвертый релейный элемент 6, первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10, пятый 11, шестой 12, седьмой 13 и восьмой 14 элементы И, два элемента ШШ15 и 16, делитель 17 частоты, реверсивный счетчик 18, два триггера 19 и 20. При этом выход элемента 1 сравнения соединен с входом первого релейного элемента 2 и входом второго релейного элемента 3. Выход первого релейного элемента 2 подключен к первому входу интегратора 4 и к входам первого элемента И7, четвертого элемента И10 и седьмого элемента И13. Выход второго релейного элемента 3 соединен с вторым входом интегратора 4. Инверсный выход второго релейного элемента 3 подключен к входам второго элемента И8, третьего элемента И9 и восьмого элемента И14. Выход третьего релейного элемента 5 соединен с другими входами первого элемента И7 и третьего элемента И9. Выход четвертого релейного элемента 6 соединен с другими входами второго элемента И8 и четвертого элемента И10. Инверсный выход третьего релейного элемента 5 соединен с вторым входом пятого элемента И11 и вторым входом седьмого элемента И13, инверсный выход четвертого релейного элемента 6 соединен с вторым входом восьмого элемента И14 и с первым входом пятого элемента И11, выход которого подключен к входу установки в О реверсивного счетчика 18 импульсов. Выход первого элемента И7 соединен с входом установки в 1 первого триггера 19 и первым входом второго элемента ИЛИ16. Выход второго элемента И8 соединен с входом установки в 1 второго триггера 20 и вторым входом второго элемента ИЛИ16.

Второй элемент ИЛИ16, делитель 17 частоты, реверсивный счетчик 18 импульсов, восьмой элемент И14 и первый триггер 19 соединены последова- . тельно. Выход третьего элемента И9 подключен к первому входу первого элемента ИЛИ15, второй вход которого подключен к выходу четвертого элемента И10. Выход реверсивного счетчика

18 импульсов соединен с первым входом шестого элемента И12, второй вход которого подключен к выходу певвого элемента ИЛИ15. Инверсный выход ревер- сивного счетчика 18 импульсов соединен с третьими входами седьмого 13 и восьмого 14 элементов И. Выход седьмого элемента И13 соединен с

UQ (Utf - уровень выходного сигнала Uj) вызывает изменение выходного сигнала интегратора 4 I на величину

7

(релейный элемент 2 включен до тех пор, пока выходной сигнал элемента 1 сравнения S не станет равным 0). Выходной сигнал элемента 1 сравнения равен S X - I. Условие 8 0 (условия отвходами установки в О второго триг- пускания первого релейного элеменгера 20 и делителя 17 частоты, выход восьмого элемента И14 соединен с входом установки в О первого триггера 19 и делителя 17 частоты. Выход шестого элемента И12 подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 18 импульсов.

На схеме (фиг. 2) обозначено: X - регулируемая координата (входной сигнал); X - скорость изменения р егули- 20 руемЈй координаты; LQ, L4, Ъг, L0, 1J., Ъл линии переключения на фазовой плоскости X, X .

Схема работает следующим образом. Пусть входной сигнал X увеличивается от 0. До тех пор, пока X h( где h - уровень срабатывания третьего релейного элемента 5, выходные сигналы

та 2) при X S могут быть выполнены при . Полагая далее, что /X/«U0, можно считать, что изменение сигнала I на величину Q происхо- 15 дит за короткое время Ј (Ј- время - включенного состояния релейного эле- 1мента 2). в течение которого величина X изменяется несущественно.

Если далее сигнал X продолжает возрастать, то при X 2$ срабатывает первый релейный элемент 2 на С

время с , подтверждая нулевое состояние второго триггера 20 и увеличивая

25 сигнал I на величину (I 2fr) .

Пусть X увеличивается до величины Х( . В этом случае включение первого релейного элемента 2 произойдет i раз (i Х, /о) и величина I станет равной I X Ј.

третьего 5 и четвертого 6 релейных элементов соответственно U (U t- инверсный сигнал) и U (Uj инверсный сигнал) равны: Ut 0, Г з 1, U О, Ъ 1, О обозначает низкий уровень, 1 - высокий уровень. В этом случае выходной сигнал пятого элемента И11 RQ 1 осуществляет об30

35

40

нуление реверсивного счетчика 18 импульсов, а выходные сигналы 1-4 элементов И 7-10 равны соответственно R ° RЈ ° Rg 0 и R4 0.

При достижении входным сигналом X значения X 0 происходит срабатывание первого релейного элемента 2 (0 - уровень срабатывания первого релейного элемента 2, считаем, что в начальный момент времени интегратор 4 обнулен и его выходной сигнал I 0)и его выходной сигнал U (поступает на вход интегратора 4 и входы четвертого 10 и седьмого 13 элементов И. Так как U О (о h), то выходной сигнал четвертого элемента И 1Ц 0. Выходной сигнал седьмого элемента И13 R 1, так как инверсный выходной сигнал реверсивного счетчика 18 импульсов с 1 (счетчик 55 18 импульсов обнулен). Сигнал U 1. Сигнал R 1 производит обнуление второго триггера 20 и делителя 17 частоты. Одновременно сигнал Uj

45

50

UQ (Utf - уровень выходного сигнала Uj) вызывает изменение выходного сигнала интегратора 4 I на величину

7

пускания первого релейного элемен

та 2) при X S могут быть выполнены при . Полагая далее, что /X/«U0, можно считать, что изменение сигнала I на величину Q происхо- дит за короткое время Ј (Ј- время включенного состояния релейного эле- 1мента 2). в течение которого величина X изменяется несущественно.

Если далее сигнал X продолжает возрастать, то при X 2$ срабатывает первый релейный элемент 2 на С

0

5

0

5

время с , подтверждая нулевое состояние второго триггера 20 и увеличивая

5 сигнал I на величину (I 2fr) .

Пусть X увеличивается до величины Х( . В этом случае включение первого релейного элемента 2 произойдет i раз (i Х, /о) и величина I станет равной I X Ј.

Пусть h n У(п 1, 2, 3, ... - заданное число). При X h произойдет включение третьего релейного элемента 5. Его выходной сигнал U t 1, Uз 0. Выходной сигнал пятого элемента И11 RQ 0 снимает обнуление счетчика 18 импульсов. Сигнал 1)з 1 дает разрешение на прохождение импульсов через первый элемент И7 на вход второго элемента ИЛШб и установку в 1 первого триггера 19. При X h первый триггер 19 устанавливается в единичное состояние и его выходной сигнал 11 1 (выходной управляющий сигнал при положительном входном сиг-

5 нале ).

Одновременно сигнал U 3 1 дает разрешение на прохождение сигналов . с выхода второго релейного элемента 3 через третий элемент И9 первого элемента ИЛИ15. Сигнал Ua 1, если сигнал Ug -U0 (включен второй релейный элемент 3) и Ug 0, если U 0 (второй релейный элемент выключен).

Сигнал Ug 0 запрещает прохождение сигналов обнуления RY через седьмой элемент И13, сигнал Ug 0 (второй релейный элемент 3 выключен) запрещает прохождение сигналов Rg об0

нуления первого триггера 19 и делителя 17 частоты с выхода восьмого элемента И14 (сигнал Rg 0),

Пусть сигнал X продолжает возрастать Предположим, что коэффициент деления делителя 17 частоты равен m (m 1). Предположим также, что сигнал X достиг своего максимального значения в точке X Хр Р-Ј. За это время на вычитающий вход реверсивного счетчика 18 импульсов с делителя 17 частоты поступит г Ј(Р - n)/mj импульсов (квадратные скобки обозначают целую часть числа). После поступления первого импульса на вычитающий вход реверсивного счетчика 18 с выхода делителя 17 частоты выходной сигнал реверсивного счетчика 18 С О, С 1 (код числа в реверсивном счетчике 111 ... 11). Сигнал С 0 запрещает прохождение сигнала обнуления Rgi а сигнал С 1 разрешает прохождение сигнала Rp с выхода первого элемента ИЛИ15 на суммирующий вход реверсивного счетчика 18

В момент достижения сигналом X значения Р о выходной сигнал интегратора 4 I Р-ф. Пусть сигнал X после своего достижения максимального значения X Р о начинает уменьшаться. При X (Р - 1)о сигнал элемента 1 сравнения S - о . При этом срабатывает второй релейный элемент 3 (его уровень срабатывания равен - о , а уровень отпускания равен О)., Вы- ходной сигнал второго релейного элемента -3 U g U0 (-U0 - величина выходного сигнала Ug) поступает на второй вход интегратора 4, а „ - 1 поступает на второй вход элемента И8, третьего элемента И9 и восьмого элемента И14. Сигнал U 1 проходит через третий элемент И9 (U 1), первый злемент ИЛИ15 и шестой элемент И12 (С 1) на суммирующий вход реверсивного счетчика 18.

Сигнал На - -Uo изменяет (уменьшает) выходной сигнал интегратора 4 I на величину , т.е. при х (Р - - 1)# I (Р - 1)Г . В дальнейшем при уменьшении X на величину 0 происходит повторное включение второго релейного элемента 3 на время Ј , которое уменьшает на величину $ сигнал I, ас выхода U подает импульсный сигнал через третий элемент И9, первый элемент И15 и шестой элемент И12 на суммирующий вход реверсивного счетчика 18 (во время этого импуль

0

5

0

5

0

5

са их выходные сигналы равны соответственно: Кя 1, RK и R+ 1).

При дальнейшем уменьшении сигнала X импульсы 11й будут поступать до тех пор на суммирующий вход реверсивного счетчика 18 импульсов, пока код этого счетчика не станет равным 000 ... 00. Это произойдет после поступления г импульсов (на вычитающий вход реверсивного счетчика 18 импульсов поступило с выхода делителя 17 частоты также г импульсой). В этот момент времени выходные сигналы счетчика 18 кмпульсов станут равными: С О, С 1 , Сигнал С О запрещает прохождение импульсов R на суммирующий вход счетчика 18, а сигнал С 1 разрешает прохождение импульсов U через восьмой элемент И 14 (Uу 1) на вход установки в О первого триггера 19 и делителя 17 частоты. В этот

и- установлен в нулевое состоямомент времени и 0 (первый триггер 19 ние) .

Таким образом, при формирование выходного сигнала U+ начинается при X h (h n-Ј), а заканчивается при X X 6 Р Г - г д (Р - г) J , где X максимальное значение

i P входного сигнала X,

г i; с .э лс.чс-п«

- ГР - п1

Ч m Г

5

0

5

0

5

((Р-п),0

Иными словами, формирование выходного сигнала начинается при X h, а заканчивается при X Xg, т.е. имеет место эффект опережения.

Определим ширину зоны опережения Н в виде

H X&-h(P-n)

При уменьшении X от нуля () устройство работает аналогичным образом. В этом случае при X -$ срабатывает второй релейный элемент 3 и его выходной сигнал 1 1 через восьмой элемент И14 (С 1, 1) производит установку в О первого триггера 19 и делителя 17 частоты. При X -h срабатывает четвертый релейный элемент 6 (его уровень срабатывания равен -h), разрешая прохождение сигналов U через второй элемент И8, который своим выходным сигналом R 1 (U Ј - 1 U 1) устанавливает второй триггер 20 в единичное состояние. С этого момента времени начинается формирование выходного сигнала U -1 при (с выхода второго триггера 20). Сигнал - 1 разрешает прохождение сигна-

лов IJj- через четвертый элемент И10. Сигнал U Т 0 снимает сигнал обнуления Ro с реверсивного счетчика t8 импульсов. Импульсы с выхода второго элемента И8 начинают поступать через второй элемент ИЛИ 16 (сигнал Re) и делителя 17 частоты (сигнал R) на вычитающий вход реверсивного счетчика 18.

Пусть после достижения минималь - ного. значения входным сигналом X -Хр Pfl последний начинает увеличиваться . При. этом срабатывает первый релейный элемент 2 и его выходной сигнал Ut 1 (X -(Р - 1))че- рез четвертый элемент ИТ0, первый элемент ИЛШ5 и шестой элемент И12 поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 18. После поступления на этот вход г импульсов (г Г(Р - n/m | код счетчика 18 станет равным 000.. „00, сигналы С О, С 1 Сигнал С 1 разрешает прохождение импульсов Uj через седьмой элемент И13 (U - 1), на вход установки в О второго триггера 20 и делителя 17 частоты (выходной сигнал седьмого элемента И13 R7 1). В этот момент вре- мени второй триггер 20 устанавливает-

I.,

X м

(h - X), X -h

где Xfl - значение ускорения координаты X, возникающего при формировании управляющего сигнала U1 1 (или U 1). Уравненияг линий переL, могут быть получе- ги: ос к ости X, X с уче- (1), определяющего уро сигнала X h + Н, при

ключения L( и ны на фазовой том равенства вен ь входного котором происходит отключение управляющего сигнала (U1 О, U 0).

Рассмотрим движение изобража ющей точки А (0, ХА) на фазовой плоскости X, X (фиг. 2). Система управления с предлагаемым многопороговым релейным элементом с опережающей характеристикой имеет фазовую траекторию:

, (точки

принадлежат линиям

переключения Ld,

Ь 4 о I к

Система управления с известным

многопороговым релейным элементом с опережающей характеристикой имеет

фазовую траекторию: А .- -А 6- А Ав,.

А

.

0

5

о

0

5

ся в нулевое состояние и его выходной сигнал U 0.

Таким образом, при формирование выходного сигнала U начинается при X -h, а заканчивается при X -Х,0 -(Р - г) о . Ширина зоны опережения Н определяется аналогично (1) с противоположным знаком.

Рассмотрим процесс управления на фазовой плоскости X, X на примере управления инерционным объектом второго порядка с передаточной функцией 1/Рг.

Состояние объекта: управления определим координатами X и X (X - координата положения объекта, X - координата скорости изменения положения объекта). Если управляющий сигнал U О (и О, U 0), то фазовые траектории - линии, параллельные оси X. Если управляющий сигнал U t (U 1) или U -1 (U 1), то фазовые траектории параболы. I

Управления линий переключения имеют вид

У0(Р)

h,

X h. (), X -h, ()

линии выключения ,

линии

включе- (2) ния

(3)

0

5

0

5

Как уже отмечалось, известное устройство не формирует управляющий сигнал при несовпадении знаков этого сигнала и скорости изменении регулируемой координаты (в правой полуплоскости при X 0 и в левой полуплоскости при X-sO), либо формирование управляющего сигнала заканчивается всегда при одном и том же значении регулируемой координаты, пусть, например, при -X Х. Линии включения для рассматриваемого случая L0 и L0, а линии выключения L

X

На интервале h - |X| Х„ линией выключения будет ось X. Однако за счет конечного значения величкны о форми- рование управляющего сигнала будет заканчиваться с некоторым запаздыва- нием, что обусловливает набор скорости изменения регулируемой координаты

X

и L определяются уравнениями Хн и X - -Xk, если .

- -4 2ХП. 8 при и X

при .

Оценим энергозатраты Q, перерегулирование V в переходном режиме и время переходного процесса Тт, Счита- ем, что переходной процесс заканчивается, (если скорость изображающей точки Х/ Х1() в области -h «ЈХ h (Xn некоторая заданная величина). Под перерегулированием N будем пони- мать отношение ,, где Ху„, - максимальное значение координаты X при управляющем сигнале U одного знака, Хтг максимальное значение координаты X при управляющем (очеред- ном) сигнале U другого знака.

Энергозатраты Q можно оценить в

виде Q K EI/Xjf, где К(- коэффициент пропорциональности, X j - скорость движения изображаемой точки в области -h i X h, если I X j | X0 с учетом ее набора и гашения (считаем, что энергозатраты Q производятся в течение времени формирования управляющего сигнала U 1, U 1).

При использовании предлагаемого многопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой энергозатраты Q равны

Q K(/XJ + 2/Х./+ /Х2/).

При.использовании известного многопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой энергозатраты (У будут равны ,

Q1 - К((Х0|+ 2 /X J 2/J4/ + /X1,/) Использование предлагаемого многопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой в системах управления динамическим объектом позволяет осуществлять нелинейное формирование управляющего сигнала при несовпадении знаков этого сигнала и скорости изменения регулируемой координаты (линии выключения LjHLj) Эти линии (3) на фазовой плоскости X, X являются параболами с горизонтальной осью. Такое формирование управляющего сигнала расширяет функциональные возможности многопорогового релейного элемента с опережающей характеристикой, что приводит к значительному улучшению динамических характеристик системы управления.

Формула изобретения

Многопороговый релейный элемент с опережающей характеристикой, содер

5

п

5

5

0

0

5

жащий элемент сравнения, выход4 которого подключен к входам первого и второго релейных элементов, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами интегратора, подключенного выходом к инвертируемому входу элемента сравнения, неинвертирующий вход которого соединен с входом третьего релейного элемента, подключенного выходом к первому входу первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого релейного элемента, а выход соединен с входом установки в 1 первого триггера, при этом инверсный выход второго релейного элемента подключен к первому входу второго элемента И, выход которого соединен с входом установки в 1 второго триггера, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет нелинейного формирования управляющего сигнала при несовпадении знаков этого сигнала и скорости изменения регулируемой координаты, снижения энергозатрат на управление и уменьшения перерегулирования и времени переходного процесса, в него дополнительно введены четвертый релейный элемент, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, делитель частоты и реверсивный счетчик импульсов, при этом выход третьего релейного элемента соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго релейного элемента и первым входом восьмого элемента И, первый вход четвертого элемента И соединен с выходом первого релейного элемента и первым входом седьмого элемента И, второй вход четвертого элемента И соединен с вторым входом второго элемента И и выходом четвертого релейного элемента, вход которого подключен к неинвертирующему входу элемента сравнения, а инверсный выход соединен с вторым входом восьмого элемента И и с первым входом пятого элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу третьего релейного элемента и к второму входу седьмого элемента И, а выход пятого элемента И соединен с входом установки в О реверсивного счетчика импульсов, выход которого подключен к первому входу шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом третьего элемента И, а второй вход - с выходом четвертого элемента И, выход первого элемента И соединен с пергым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу второго элемента И, а выход соединен с входом делителя частоты, выход которого подключен к вычитающему входу реверсивного счет

чика импульсов, суммирующий гход которого соединен с выходом шестого элемента И, а инверсный выход реверсивного счетчика импульсов подключен к третьим входам седьмого и восьмого элементов И, причем выход седьмого элемента И соединен с входом установки в О делителя частоты и второго триггера, а выход восьмого элемента И соединен с входом установки в О делителя частоты и первого триггера.

Т,