Нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением Советский патент 1992 года по МПК G05B5/01 

Предлагаемое корректирующее устройство относится к классу нелинейных и может быть использовано для повышения устойчивости и улучшения динамических характеристик систем автоматического управления.

Известно большое разнообразие нелинейных корректирующих устройств, эквивалентные амплитудно-фазовые частотные характеристики которых не зависят от амплитуды входного сигнала и которые могут быть отнесены к классу псевдолинейных. Наиболее желательными корректирующими устройствами этого типа являются такие, которые обеспечивают с ростом частоты входного сигнала подавление усиления без изменения фазы, увеличение фазового опережения без изменения усиления или подавления усиления, сопровождаемое увеличением фазового опережения. При этом желательно, чтобы нелинейное корректирующее устройство сохраняло заданные характеристики и было работоспособным

при наличии постоянной составляющей во входном сигнале.

В работах Фастер У,, Г зекинг Д.. Уеймейер У. Нелинейный филс.р с незайи симыми трактами для фазы и амплитуды (с примерами применения). Теоретические основы инженерных расчетов. Труды Американского общества инженеров-механиков, серия Д, Мир 1966, № 2 и Нелинейные корректирующие устройства в системах авто- матического управления./Под ред. КХИ.Топчеева, М.: Машиностроение, 1971, с. 13-32, 73-77 рассмотрены и проведены исследования нелинейных корректирующих устройств, относящихся к подклассу псев- долинейных. Рассмотренные в указанных работах структурные схемы псевдослучайных корректирующих устройств реализованы в виде многоканальных, в частном случае двухканэльных, нелинейных фильтров, в которых, как правило, каналы для фазы и амплитуды являются независимыми, а выходной сигнал формируется в виде произсо

с

VI оо

со ю

ведения сигналов с выходов каждого из каналов. При этом одним из основных элементов рассматриваемых структурных схем псевдолинейных корректирующих устройств являются линейные фильтры с за- данными передаточными функциями, включенные в соответствующие каналы устройств, блоки взятия модуля, блоки сигнатуры, блоки деления и умножения, функциональные блоки, усилители, инвер- торы и сумматоры. С помощью таких корректирующих устройств удается получить эквивалентный эффект, соответствующий подавлению усиления без изменения фазы, увеличению фазового опережения без из- менения усиления или подавлению усиления, сопровождаемого увеличением фазового опережения с ростом частоты входного сигнала. Однако такие корректирующие устройства обладают рядом суще- ственных недостатков, основными из которых являются следующие: существенно нелинейный характер выходного сигнала, часто являющегося разрывной функцией времени, что может вызывать вознмкнове- ние автоколебаний в корректируемой систе- ме автоматического управления, ограниченные возможности по величине эквивалентного фазового опережения, не превышающего 90°, сложность настройки и регулировки, слабая помехозащищенность и надежность в работе из-за использования линейных упреждающих фильтров в каналах фазы и амплитуды. Кроме того, такие корректирующие устройства могут работать только в том случае, если входной сигнал является гармоническим. Наличие во входном сигнале постоянной составляющей приводит к потере работоспособности этих корректирующих устройств.

Известно псевдолинейное корректирующее устройство по авт.св. № 703772, кл. G 05 В 5/01, опублик. 15.12.79. Оно содержит блок выделения модуля, два блока умножения, три релейных элемента, два блока срав- нения, суммирующее устройство и усилитель. Это корректирующее устройство позволяет получить постоянное эквивалентное фазовое опережение, которое не зависит от амплитуды и частоты входного сигнала. Однако такое корректирующее устройство обладает указанными выше недостатками, сложно в реализации, не обеспечивает возможности регулирования величины эквивалентного фазового олере- жения и сохраняет работоспособность только при гармоническом входном сигнале.

Известно псевдослучайное корректирующее устройство по авт.св. № 708298, кл. G 05 В 5/01, опублик. 05.01.80. Оно содержит

линейные фильтры в фазовом и амплитудном каналах, блок сигнатуры, инвертор, два элемента И, нуль-орган и экстраполятор нулевого порядка. Корректирующее устройство позволяет добиться независимости эквивалентных амплитудной и фазовой частотных характеристик. Эквивалентное фа; зовое опережение может достигать до а выходной сигнал до некоторой степени сглаживается экстраполятором нулевого порядка. Однако это корректирующее устройство также обладает недостатками. Его выходной сигнал остается существенно нелинейным, экстраполятор нулевого порядка вносит дополнительное запаздывание, сравнительно мало эквивалентное предельное фазовое опережение, а линейные упреждающие фильтры, включенные в фазовом и амплитудном каналах устройства, снижают помехозащищенность. Работает такое корректирующее устройство только при гармоническом входном сигнале.

Известно псевдолинейное корректирующее устройство для систем управления, содержащее последовательно соединенные блок сигнатуры, блок выделения модуля, интегратор с конденсатором в цепи обратной связи и блок умножения 1. С целью уменьшения фазового запаздывания и повышения точности воспроизведения входного сигнала в него введены логический блок, а также последовательно соединенные сумматор и усилитель, выход которого соединен с вторым входом блока умножения, причем вход устройства является входом блока сигнатуры, сумматора и логического блока, выход которого соединен параллельно с конденсатором интегратора и является его вторым входом. Выход блока умножения соединен с вторым входом сумматора и является выходом устройства. Недостатком корректирующего устройства является то, что выходной сигнал является разрывной функцией времени, величина эквивалентного фазового опережения ограничена узким диапазоном частот, а само корректирующее устройство работает только при гармониче- ском-входном сигнале.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением, содержащее два усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, два низкочастотных фильтра, два инвертора, два сумматора, множительный элемент и блок деления 2. Это нелинейное корректирующее устройство позволит осуществить эквивалентное неминимально-фазовое преобразование входного сигнала с фазовым опережением бэз изменения крэффи;о

циента усиления, его эквивалентная передаточная функция имеет вид w(p)(1 +TP)/(1- - Тр), которая не может быть реализована никакой линейной комбинацией линейных звеньев. Недостатки данного корректирующего устройства заключаются в его ограни- ченных функциональных возможностях, обусловленных тем, что оно может работать только при гармоническом входном сигнале, а также имеется возможность сбоя в работе блока деления, когда синфазные гармонические сигналы, поступающие на его входы, проходят через нуль.

Цель изобретения - расширение области применения устройства за счет снятия ограничений на вид входного сигнала.

Цель достигается тем, что в нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением, содержащее первый инвертор, вход которого объединен с входом усилите ля с фиксированным коэффициентом усиления, выход которого соединен с последовательно включенными первым и вторым низкочастотными фильтрами и первым входом первого множительного элемента, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого является выходом нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением, причем выход первого низкочастотного фильтра соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого инвертора, введены усилитель с перестраиваемым коэффициентом усиления, информационный вход которого является входом устройства, дифференциатор, интегратор, второй множительный элемент и третий сумматор, выход которого через интегратор соединен с вторым входом первого множительного элемента и первым входом второго множительного элемента, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго низкочастотного фильтра, при этом выход второго интегратора соединен с вторым входом второго множительного элемента и третьим входом третьего сумматора, вход устройства соединен с третьим входом первого сумматора, выход усилителя с настраиваемым коэффициентом усиления, вход коррекции коэффициента усиления которого является корректирующим входом устройства, через дифференциатор соединен с входом первого инвертора. Подобное выполнение предлагаемого нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением позволяет расширить область его применения за счет снятия ограничений на вид входного сигнала, а именно такое нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением способно работать как при гармоническом входном сигнале, так и при наличии во входном сигнале постоянной 5 или медленно меняющейся составляющей. Устройства с предлагаемой совокупностью признаков в просмотренных источниках информации не обнаружены. Следовательно, можно сделать вывод о том, 10 что заявляемое нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 представлена структурная схема нелинейного корректирующего устрой- 15 ства с фазовым опережением; на фиг. 2 - эпюры сигналов на входе и выходе блоков устройства; на фиг. 2 -его логарифмические частотные характеристики.

Нелинейное корректирующее устройст- 20 во с фазовым опережением включает в себя усилитель 1 с перестраиваемым коэффици- . ентом усиления, дифференциатор 2, усилитель 3 с фиксированным коэффициентом усиления, первый 4 и второй 5 низкочастот5 ные фильтры, первый 6 инвертор, второй 7 сумматор, второй 8 инвертор, третий 9 сумматор, интегратор 10, второй 11 и первый 12 множительные элементы и первый 13 сумматор.

0 Нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением содержит первый 6 инвертор, вход которого объединен с входом усилителя 3 с фиксированным коэффициентом усиления. Выход последнего со5 единен с последовательно включенными первым 4 и вторым 5 низкочастотными фильтрами и входом первого 12 множительного элемента, выход которого соединен с первым входом первого 13 сумматора. Вы0 ход первого сумматора является выходом нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением, выход первого низкочастотного фильтра 4 соединен с первым входом второго 7 сумматора, второй

5 вход которого соединен с выходом первого б инвертора, а выход через второй 8 инвертор соединен с вторым входом первого 13 сумматора. Выход третьего сумматора 9 через интегратор 10 соединен с вторым вхо0 дом первого множительного элемента 12 и первым входом второго множительного элемента 11, выход которого соединен с первым входом третьего 9 сумматора, второй вход которого соединен с выходом etoporo

5 низкочастотного фильтра 5. Выход второго инвертора 8 соединен с вторым входом второго множительного элемента 11 и третьим входом третьего сумматора 9, вход устройства соединен с третьим входом первого сумматора 13. Выход усилителя 1 с перестраиваемым коэффициентом усиления, вход коррекции коэффициента усиления которого является корректирующим входом устройства, через дифференциатор 2 соединен с входом первого 6 инвертора.

Нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением работает следующим образом.

Входной гармонический сигнал, содержащий постоянную составляющую

UBX I)C + UA sin cat,

проходя через усилитель 1 с перестраиваемым коэффициентом усиления и дифференциатор 2, описываемые передаточной функцией

wi(p) krp/(1+rp)

преобразуется в сигнал U2-UA Di(ft) sin СУ t + A (CD ),

где01( ы) krftJ Л (ад) arcsin

V1 +

1 Vi+

Обозначим

U2A UA Di(w); Qt (t)t + A ( со). Тогда 1)г U2A sin Qt.

Сигнал Ua, проходя через первый канал, состоящий из последовательно соединенных усилителя 3 с фиксированным коэффициентом усиления, первого 4 и второго 5 низкочастотных фильтров и описываемый

передаточной функцией

W9fn)2/f1 4-Тп)2.

w2(p) 2/(, преобразуется в сигнал Us U2A D2( sin Qt- р2((0 ),

Гдв 02(0)-

(fu) arc cos

1 -T2ft)2

1 -t-T2ft 2

Тот же сигнал U2, проходя через второй канал, состоящий из двух параллельных трактов, первый из которых-состоит из последовательно соединенных усилителя 3 с фиксированным коэффициентом усиления и первого 4 низкочастотного фильтра, а второй - из первого инвертора 6 и последовательно с ним соединенного второго сумматора 7, к первому входу которого под- ключей выход первого тракта, описываемый передаточной функцией

юз(р) (1-Тр)/(1-кТр), преобразуется на выходе второго сумматора 7 в сигнал

U U2A Оз( У) sin fit - .рз ( (0)1 где Оз( ео)- 1;

рз ( ft) arc cos

1 4-Т2 ft)2

На втором инверторе 8 сигнал UT меняет знак:

Ue -U2A рз (со )}.

Сумма сигналов Us и Us, получаемая на третьем сумматоре 9, имеет вид

Ug U2A D4( u)sfn Qt- рз(ш ),

где DA( со )

1 -T2uJ2 1

Отсюда видно, что сигналы Uen Ug име-. ют одинаковые фазовые сдвиги, т.е. синфаз- ны, но отличаются амплитудными характеристиками. Отношение этих сигналов на каждой заданной частоте в любой момент времени является постоянной величиной, равной

q - --9 х -COS Ф ( СО ),

1+Т2ш2Г

0

5

0

5

0

5 0

5

где ) р2(а))рз(ш) ,

Отношение сигналов Ug и Ue осуществляется на интеграторе 10, в цепи обратной связи которого включен второй множительный элемент 11, на второй вход которого подается сигнал Us с второго инвертора 8. В установившемся режиме на выходе интегратора 10 сформированр отношение сигналов Ug и Ue:

Uto q -cos p( w)

На первом множительном элементе 12 осуществляется умножение выходного сигнала усилителя 3 с фиксированным коэффициентом усиления на выходной сигнал интегратора 1.0:

Ui2 2qU2 2U2ACos $Ј(«) sin Qt.

На первом сумматоре 13 осуществляется снижение входного сигнала и выходных сигналов второго инвертора.8 и первого множительного элемента 12:

UBbix UBx-U2ASiry Qt- p( + 2U2ACOS

р( u))sinQ t Uex + U2ASin|;Q t+ р(ш ). В итоге на выходе нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением формируется сигнал

UBb,x Uc + UA{slr ft)t +

1 + т а

Qt 1+ Х( У)+ (f (О))},

где

0° у( со) 180°.

Отсюда видно, что выходной сигнал нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением содержит постоянную составляющую входного сигнала и линейную комбинацию гармонических сигналов. Относительно переменной составляющей входного сигнала эквивалентнаяпередаточнаяфункциякорректирующего устройства имеет вид

,Mp),1 + k T|L.. |±TJ.

Если принять k 2 и Г Т, то эквивалентная передаточная функция нелинейного корректирующего устройства по переменной составляющей имеет вид

wk(p)- ЦД

1 - Г р

а выходной сигнал

ивых Uc + UA sin ш 1 + р( ш).

Изобретение расширяет область применения устройства за счет снятия ограни- чений на вид входного сигнала.

Формула изобретения

Нелинейное корректирующее устройство с фазовым опережением, содержащее первый инвертор, вход которого объединен с входом усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, выход которого соединен с последовательно включенными первым и вторым низкочастотными фильтрами и первым входом первого множитель- ного элемента, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого является выходом нелинейного корректирующего устройства с фазовым опережением, причем выход первого низко- частотного фильтра соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого инвертора, а выход чсреч пгорой инвертор соединен с вторым вх-олпм п-рвого сумматора, о т л и ч а ю щ е е с к тсм, что, с целью расширения области применения за счет снятия ограничений на вид входного сигнала, в него введены усилитель с перестраиваемым коэффициентом усиления, информационный вход которого является входом устройства, дифференциатор, интегратор, второй множительный элемент и тре- тий сумматор, выход которого через интегратор соединен с вторым входом первого множительного элемента и первым входом второго множительного элемента, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго низкочастотного фильтра..при этом выход второго инвертора соединен с вторым входом второго множительного элемента и третьим входом третьего сумматора, вход устройства соединен с третьим входом первого сумматора, выход усилителя с перестраиваемым коэффициентом усиления, вход коррекции коэффициента усиления которого является корректирующим входом устройства, через дифференциатор соединен с входом первого инвертора.

Изобретение относится к нелинейным корректирующим устройствам и может быть использовано для повышения устойчивости и улучшения качества путем автоматического управления. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет снятия ограничений на вид входного сигнала. Устройство содержит усилитель с настраиваемым коэффициентом усиления, дифференциатор, усилитель с фиксированным коэффициентом усиления, два низкочастотных фильтра, три сумматора, два инвертора и два множительных элемента. Сущность изобретения заключается во введении входного дифференциатора и делителя на основе интегратора и множительного элемента, что позволяет снять ограничение на входной сигнал. 3 ил.

Фиъ1

Iфиг.2

4 ()