Цифровой регулятор Советский патент 1992 года по МПК G05B11/26 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано, например, в системах фазовой автоподстройки частоты или в прецизионных системах электропривода,

Известен цифровой регулятор, содержащий сумматоры, регистры, устройства сравнения, устройства умножения, одно- вибраторы, а также блок управления, тактовый генератор, дешифратор, источник опорных сигналов и логический блок.

Известен также цифровой регулятор, содержащий счетчики, конъюнкторы, ключи, задатчики скорости, триггеры и задатчик направления 1.

Наиболее близким к предлагаемому по техническому решению является цифровой регулятор, содержаний четыре сумматора и четыре регистра и ренлизуюций ПИД-закон регулирования 2.

Недостатком известных цифровых регуляторов является сложность схемотехнического решения.

Цель изобретения - упрощение схемной реализации цифрового регулятора.

Указанная цель достигается тем, что в цифровой регулятор, содержащий регистр и сумматор, в котором информационный вход регистра подключен к выходу сумматора, вход установки - к входу установки регулятора, а выход регистра является выходом регулятора, дополнительно введены п последовательно соединенных счетчиков, причем выход первого счетчика подключен к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу регистра, старший разряд информационного входа п-го счетчика подключен к первой шине питания. а остальные разряды - к второй шине питания, счетный вход каждого счетчика подключен к соответствующему входу задания тактовой частоты, входы установки, разрешения счета, направления счета каждого счетчика подключены, соответственно, к входам установки, разрешения счета и направления счета регулятора.

(Л

С

vj

00

00 GJ

На фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу регулятора.

Регистр 1, выход 2 которого является выходом регулятора, имеет многоразрядный информационный вход 3 и вход 4 установки. Информационный вход 3 регистра 1 подключен к выходу сумматора 5, первый вход 6 которого соединен с выходом первого счетчика 7, а второй вход 8 подключен к выходу 2 регистра 1. Первый счетчик 7 подключен своим информационным входом 9 к выходу второго счетчика 10. Информационный вход 11 второго счетчика 10 подключен к выходу третьего счетчика и т.д. Наконец, информационный вход 12 ( 1}-го счетчика 13 соединен с выходом п-го счетчика 14. Старший разряд 15 информационного входа п-го счетчика 14 соединен с первой (например, потенциальной) шиной 16 источника питания, а младшие разряды 17 п-го счетчика 14 подключены к второй (например, общей) шине 18 источника питания.

Счетные входы 19-22 счетчиков 7,10,13 и 14 подключены к Соответствующим входам 23-26 задания тактовых частот регулятора. Входы установки 27-30 счетчиков соединены с входом 4 установки регистра 1 и подключены к входу 31 установки регулятора. Входы 32-35 разрешения счета счетчиков подключены к входу 36 разрешения счета регулятора, а входы 37-40 направления счета счетчиков соединены с входом 41 направления счета регулятора.

На входы 23-26 регуляторов (фиг. 2) поступают соответственно тактовые частоты f 1,12, f(n - 1), fn с источника тактовых частот (не показан). Входное воздействие e(t) поступает на регулятор в виде последовательности импульсов разрешения счета U36 на вход 36, следующих с частотой квантования 1 /Т0, длительность которых на каждом такте квантования пропорциональна модулю e(t), и напряжения направления счета U41 на вход 41, соответствующего знаку e(t). В системах, где входное воздействие регулятора выделяется в аналоговом виде, напряжения U36 и U41 формируются из сигнала e(t) путем линейного широтно-импульсного преобразования любым известным способом. В системах фазовой автоподстройки с использованием частотно-фазовых детекторов напряжения U36 и U41 могут быть получены непосредственно с выхода детектора.

С приходом импульса установки U31 из регулируемой системы (с частотой квантования) на вход 31 установки регулятора информация с выхода каждого последующего по номеру счетчика передается в предыдущий счетчик, а в регистр 1 записывается

число, установленное на выходе сумматора 5. При этом, поскольку старший разряд 15 счетчика 14 подключен к потенциальной шине 16 источника питания, т.е. на него поступает логическая единица, а младшие разряды 17 подключены к общей шине 18 (логический нуль), то с приходом импульса установки на вход 30 на выходе счетчика 14 устанавливается код 100...00, который мо0 жет быть интерпретирован как арифметический двоичный нуль с инверсией в знаковом (старшем) разряде. Если после этого на счетный вход 22 счетчика 14 за время действия на входе 35 импульса разрешения счета

5 приходит некоторое количество импульсов, в зависимости от направления счета на выходе счетчика будет инициировано либо положительное число в прямом двоичном коде с инверсией в знаковом разряде, либо отри0 цательное число в дополнительном коде также с инверсией в знаковом разряде, равное по модулю числу поступивших импульсов.

До тех пор, пока входное воздействие

5 регулятора равно нулю, т.е. равна нулю длительность импульсов U36, на выходах всех счетчиков установлен код 100...00, соответствующий арифметическому нулю, который поступает на сумматор 5 (при использова0 нии стандартного сумматора содержимое знакового разряда предварительно инвертируется). На выходе регистра сохраняется предшествующее число U(0).

В таблице показано содержимое СИ,

5 Q2, Q(n - 1), Qn первого 7, второго 10, (п - 1)-го 13 и п-го 14 счетчиков соответственно, а также содержимое RG регистра 1 в различные моменты k t/T0 (где То - период квантования, t - действительное время) при

0 появлении импульсов входного воздействия (разрешения счета) U36(k) с длительностью e(k). При этом для определенности момент времени k разделен на два момента k- и k+, т.е. момент, непосредственно пред5 шествующий приходу сигнала установки U31 на входы счетчиков и регистра, и момент, следующий непосредственно за приходом сигнала установки. Поскольку на счетный вход каждого счетчика за время e(k)

0 поступают импульсы с тактовой частотой f 1, f2, f(n - 1) или fn, то к моменту очередной установки в счетчике накапливается число, равное алгебраической сумме числа, установленного в счетчи : в результате предше5 ствующей установки, и числа, равного произведению времени e(k) на соответствующую тактовую частоту. В регистр же записывается число, равное сумме предыдущего значения выходного числа регулятора и содержимого первого счетчика 7.

Так, к моменту времени k 1 в первом счетчике накапливается число Q1 И е(1), во ётором счетчике - Q2 f2 е(1), в (п - 1)-м счетчике - Q(n - 1) f(n - 1) е(1), в п-м счетчике - Qn fn е(1), в сумматоре - S U(0) + f1 е(1). С приходом импульса установки содержимое сумматора переписывается в регистр, содержимое второго счетчика переносится в первый счетчик, содержимое третьего счетчика переносится во второй счетчик и т.д., а n-й счетчик устанавливается в состояние 100...00, эквивалентное нулю. Аналогично происходит установка счетчиков и регистра и в последующие моменты времени k 2, 3, 4...(см. таблицу).

Таким образом, выходной сигнал регулятора можно записать в виде

U(k) - U(k - 1) + f 1 e(k) + f2 e(k - 1) + ... + f(n - 1) e.(k - n + 2) + fn e(k - n + 1).

Обозначив

I Pi l fi-n; 1 0, 1, 2... v;v n- 1, имеем передаточную функцию регулятора

GR(Z)Po+PlZ 1+P22 2 +... + PVZ

1 -Z

-1

При этом модули коэффициентов Pi равны частотам сигналов, поступающих на счетные входы соответствующих счетчиков. Знаки коэффициентов Р могут быть заданы заранее при проектировании путем организации входа направления счета соответствующего счетчика (прямой либо инверсный вход) или задаваться путем включения на входах направления счета логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые входы которых соединены с входом 41 направления счета регулятора, вторые подключены к одной из шин питания или к цепям установки знака коэффициента (не показаны), а выходы подключены к входам направления счета соответствующих счетчиков. Действительно, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ реализует булеву функцию f а Ь + а Ь, где а и Ь- входные логические сигналы. Если сигнал на входе Ь 0, то элемент выполняет функцию повторителя сигнала а, если Ь 1. то элемент является инвертором сигнала а. Инвертирование же сигнала на входе установку направления счета счетчика приводит к его реверсу, что соответствует изменению знака коэффициента Pi в передаточной функции регулятора.

Нетрудно видеть, что при различных значениях n и при соответствующем выборе частот fl регулятор является: при n 1 П-регулятор, при n 2 - ПИ-регулятор. при n 3 - ПИД-регулятор и т.д.

При этом путем изменения частот fl и знаков можно не только изменять парамет- 5 ры регулятора, но и изменять его структуру, приравнивая одну или несколько частот нулю.

В частном случае для n 3 свойства ПИД-регулятора характеризуются следую- 0 щими соотношениями:

К Ро - Р2 - коэффициент передачи;

CD P2/K - коэффициент опережения:

Ci (Ро + Pi + Р2)/К - коэффициент интегрирования.

5При этом регулятор является аналогом

непрерывного ПИД-регулятора с положительными коэффициентами, если выполняются условия

-(Ро+Pi) Рг Ро 0 и

,

В общем случае параметры регулятора, определенные в результате оптимизации, могут и не удовлетворять этим условиям, что 5 зависит от характеристик конкретного объекта управления, вида критерия оптимизации и возмущающего сигнала.

Таким образом, предлагаемый регулятор более прост, чем известные цифровые 0 регуляторы за счет исключения части регистров, но обладает при этом большими фун- кциональными возможностями за счет простоты перестройки структуры и изменения параметров. 5

Формула изобретения

Цифровой регулятор, содержащий регистр, сумматор, причем информационный вход регистра подключен к выходу суммато- 0 ра, вход установки - к входу установки регулятора, а выход регистра является выходом регулятора, отличающийся тем, что, с целью упрощения регулятора, в него дополнительно введены n последовательно сое- 5 диненных счетчиков, причем выход п-го счетчика подключен к первому входусумма- тора, второй вход которого подключен к выходу регистра, старший разряд информа ционного входа первого счетчика подклю- 0 чен к первой шине питания, а остальные разряды информационного входа первого счетчика подключены к второй шине питания, счетный вход каждого счетчика подключен к соответствующему входу задания 5 тактовой частоты, входы установки, разрешения счета, направления счета каждого счетчика подключены соответственно к входам установки, разрешения счета и направления счета регулятора.

16 18

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано, например, в цифровых системах фазовой автоподстройки частоты или в прецизионных системах регулируемого электропривода. Цель изобретения - упрощение регулятора. Для достижения цели в цифровой регулятор дополнительно введены п последовательно соединенных счетчиков. При этом старший разряд информационного входа первого счетчика соединен с первой шиной питания, а остальные разряды подключены к второй шине питания. 2 ил., 1 табл.