Динамический фильтр в релейных системах управления Советский патент 1993 года по МПК G05B5/01 

Изобретение относится к устройствам Ц ильтрации в релейных системах управления.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет форми- роаания истинного значения скорости изменений входного полезного сигнала и повышение точности.

На чертеже представлена схема динамического фильтра в релейных системах уп- равления.

Шина положительного релейного.управляющего сигнала 1 соединена с первым входом элемента ИЛИ 9 и управляющими входами второго 12 и третьего 14 ключей, шина отрицательного релейного управляющего сигнала 2 соединена со вторым входом элемента ИЛИ 9 и управляющими входами четвертого 15 и пятого 17 ключей. Каждое из п последовательно соединенных звеньев содержит последовательно включенные сравнивающее устройство 3, усилитель 4, сумматор 5 и интегратор 6. Выход интегратора 6п n-го звена соединен с первым входом суммирующего блока 7, второй вход которого подключен к выходу апериодиче- ского звена 8, а выход суммирующего блока

7соединен с вычитающими входами сравнивающих устройств 3i, За,...Зп всех звеньев. Инверсный выход элемента ИЛИ 9 соединен с управляющим входом первого ключа 10, сигнальный вход которого подключен к выходу сравнивающего устройства

Зп n-го звена, входу апериодического звена

8и сигнальным входам второго 12 и четвертого 15 ключей, а выход первого ключа 10 соединен со входом пе.рого интегрирующего блока 11, выход которого подсоединен ко вторым входам сумматоров 5i, 62,...5п всех звеньев установившейся скорости 18 входного сигнала. Выход второго ключа 12 сое-

динен с входом второго интегрирующего блока 13, выход которого соединен с шиной положительной скорости управления 19 и сигнальным входом третьего ключа 14, выход которого подсоединен к третьим входам сумматоров 5i, 52,...5п всех звеньев. Выход четвертого ключа 15 соединен с входом третьего интегрирующего блока 16, выход которого подключен к шине отрицательной скорости управления 20 и сигнальному входу пятого ключа 17, выход Которого соединен с четвертыми входами сумматоров 5i, 5г,...5п всех звеньев.

Динамический фильтр работает следующим образом. Пусть на вход фильтра поступают сигналы X + I, где Х- полезный сигнал, ц. - сигнал помехи, сигнал U - релейный управляющий сигнал на создание положительной скорости изменения входного сигнала X, сигнал U - релейный управляющий сигнал на создание отрицательной скорости изменения входного сигнала X, В соответствии со схемой, приведенной на фиг. 1, запишем очевидные соотношения в оперативной форме.

Si X+ /г-Z, е - Eq + Ју 4- е,

Rl KiSi + Ј Y,

Sn ,

Rn KnSn + Ј

+ Ys,

eq 0 eqi

(D

(Jk.Sn+4) , .1J

U

Ко о . „- , ,.,-1Будем рассматривать такие процессы

управления в релейных системах, для которых характерно при отсутствии сигналов U и U (0 1) зменение входного сигнала со 5 скоростью X Xq « const, при наличии сигнала U 1 изменение входного сигнала X со скоростью X - f Xq const, при нали- где Z - выходной сигнал фильтра, Si,... Sn - чии сигнала U - 1 изменение входного сиг- выходной сигнал сравнивающего устройст- нала X со скоростью Ху + Xq. const, т.е. ва первого и n-го звена, RL... Rn - выходной ю

БУ и (-y-Sn+fiyk) , U 0,1

Jl,ecnnU+ 0, U 0 О, если 1 или U 1

Х-.

Ху + Xq - const, если U 1

Хч - const, если U 1 ХУ + Хр - const, если U 1 С учетом (7)

Р2Х Р3Х

Рп+2 X - О

сигнал первого и n-го звена, Yi,... Yn - выходной сигнал интегратора первого и п-го звена, Ki,... Kn - коэффициент передачи усилителя первого и n-го звена, Јq - выходной сигнал первого интегрирующего блока 11, 15 выходной сигнал второго интегрирующего блока 14, - выходной сигнал третьего интегрирующего блока 17. Ys и Т - выходной сигнал и постоянная времени апериодического звена 8 соответственно, К0 -коэффици- Ј0 .. ент передачи первого 11. второго 13 и из и имеем третьего 16 иинтегрирующих блоков. Р d/dt, (

-оператор. eqi - значение сигнала Јq на «ЧП Јт

момент времени ti при котором U 0, Јyi+ - значение сигнала Ј у на момент времени tj, 25 при котором U 1. Јуk - значение сигнала Ју на момент времени tk, при котором U 1. Сигналы U+ и U принимают значения 0 или 1.

Из (1) имеем

ZA(p) XB(p)+//B(p)+ ЈmC(p) (2)

(7)

(8)

-,n+2

-X(an« Pn + ... + a3PJ +

+(a2-b2)P2) Откуда с учетом (8)

(9)

30

- +i$- +i№- m™

где

A(P) an+2Pn+2 + an+iPn 1 + + anPn+... + aiP + a0 B(P) b2P2 + aiP + a0 C(P) an+2Pn+1 + an+iPn+...+

(5)

т

+ aaP2 + CiP

ап+2 Т, ап+1 - KnT+2, an

(КпТн-1)Кп-1 + Кп

ап-1 (КПТ + 1) Кп-1 Кп-2 + Кп « Кп-1

а2 (КпТ+1) кп.1... К1 + Кп...К2

ai (Кп + К0Т) Kn-i...Ki, a0 - KoKn-1-..Ki

02 - (КПТ + 1) Kn-1...Kl. Ci Kn...K2

Јqi, если U 1

eqi + Ј , если U+ 1(6)

Јqi +. Јwyk, если U 1

ления в релейных системах, арактерно при отсутствии си 0 1) зменение входного с стью X Xq « const, при нал U 1 изменение входного оростью X - f Xq const, игнала U - 1 изменение вход X со скоростью Ху + Xq. c

Ху + Xq - const, если U 1

имеем , (

Х-.

Хч - const, если U 1 ХУ + Хр - const, если U 1 С учетом (7)

.. из и имеем , (

Рп+2 X - О

(8)

-,n+2

-X(an« Pn + ... + a3PJ +

+(a2-b2)P2) Откуда с учетом (8)

- +i$- +i№- m™

i- -„

)пределим , установившиеся значения

сигналов е q, е у+ и Ј у. Пусть U 1. Из (1)

«ч

Ко(ТР+1 )

( Kn Т + 1 ) Р2 + ( Kn + Ко Т ) Р + Ко

X ()+«ql(11)

Так как Јm const, то из (10) с учетом (5) после умножения на орератор Р имеем

РГРХ+ :-ВА(Р)Р (12)

Пусть

К Bpft) 1.(13)

A(J ау)

где коэффициент подавления сигнала (л. на частоте изменения этого сигнала ш. Как следует из (3) и (4) при определенно выбран- ных коэффициентах ai (I - О, 1. 2, ... п + 2) и D2 можно достичь значительного (пропорционального оЈ) подавления сигналами , поэтому из (10) имеем

Z-X. (PZ-PX)

(14)

7 18366568

Например, при oju 10 1/сек., n 3, ki установившемся состоянии из (6), (7), (21),

Кз.-1 1/сек., (22) и (23).

Т 5 сек. ,Бт Х, (ет РХ)(24)

3 Ц

Кр Э 2 .8 103Подставляя (24) в (9), получим

С учетом (7) и (14) для рассматриваемогоZ X+ В (р ) (25)

случая из (11) имеем 1А(Р)

Јq п (t ) Г Хп - eqi ) + 8q (15)Таким образом, рассматриваемый диV/VM ч/намический фильтр в релейных системах упгдеПЮ-.переходная функция на единичноеРавления без искажения пропускает

воздействие звена с передаточной функ- чсполезный сигнал X и осуществляет подавле- pjfp) 15ние сигнала помехи /л с коэффициентом поцииеиуугнп давления Кд.

Kofrp + iVОценим точность известного и предлаwn ( Р ) ---°, . . гаемого динамического фильтров. Пусть Ха

(кпт + 1)р + (кп +КОТ)Р +Ко(сигнал задатчика скорости изменения вход20ног° сигнала известного устройства) пред- Выбором коэффициентов Ко, Кп и Т можно до-ставляет собой релейную знакопеременную стичь монотонного возрастания функции ПЙ/Гог-функцию частотой ftiu и амплитудой Ха. да на любом интервале(Q,tH-i). для которого ,Предположим, что истинное значение ско- ;рости изменения входного сигнала X отли- Xq - Јqi Xq - Јq() + 1) (1-7) 25чается от заданного значения Ха на

величину г. Разложим функции r(t) и X(t) в

где Јq(i+i) - значение сигнала е q в моментряд Фурье и ограничимся первой гармони- времени П4-1.кой- Погрешность б динамического фильт- По истечении некоторого времени tkpa определим в виде

Xq-Јq 0(18) 3Q

где А-малая величина. С учетом (18) уста- X - Хф ,.

повившееся значение Јq равно Х0

eq gql (19)где Хо - амплитуда истинного сигнала X, Хф

фактическое значение сигнала Z на выходе

Аналогично можно определить устано-динамического фильтра,

вившееся значение е у4 (U - 1) Для этогоИстинное значение Х0 (Ха + г) .

случаяфактическое значение Хф можно опреде,лить в виде

Јy+SWn(P) (PZ-( 40.

Xф Xo+Wтq(йЛ)г(27)

у уrfleWTq(Wu )- коэффициент передачи извеС учетом (7) и (14) из (20) имеемстного фильтра по отношению к сигналу г.

45Коэффициент передачи WTq( Wu ) можно

V n(t)((Јq,4-оценитьввиде

+ 4))+4 (21)WTq() (28)

--50

Учитывая (19) из (21) находим устано- ЕслИ1 например г - 0.1 Ха, то погрешность

вившееся значение Ју

+

известного фильтра д при 3 1/сек, с учетом (26); (27) и (28) будет равна 0;09 (9%). ; Для рассматриваемого сличая считаем, 55 что в моменты времени, когда Ха 0, формируется сигнал U+ e 1, а при Ха 0 формируется сигнал U 1. Погрешность предлагаемого динамического фильтра как

Бу

+

(22)

Аналогично находится и устанойившее- ся значение Бу

известного фильтра д при 3 1/сек, с учетом (26); (27) и (28) будет равна 0;09 (9%). ; Для рассматриваемого сличая считаем, 55 что в моменты времени, когда Ха 0, формируется сигнал U+ e 1, а при Ха 0 формируется сигнал U 1. Погрешность предлагаемого динамического фильтра как

это следует из (25) сводится к нулю (считаем,

щ ЕуТ (23) / что коэффициент подавления Kj высок), так

ЕслИ1 например г - 0.1 Ха, то погрешность

известного фильтра д при 3 1/сек, с учетом (26); (27) и (28) будет равна 0;09 (9%). ; Для рассматриваемого сличая считаем, что в моменты времени, когда Ха 0, формируется сигнал U+ e 1, а при Ха 0 формируется сигнал U 1. Погрешность предлагаемого динамического фильтра как

как выходной сигнал фильтра Z равен истинному значению сигнала X, т.е. Z Х0 Хф, Как следует из (25), предлагаемый динамический фильтр сводит к нулю и интеграл ошибки, т.е. имеет более высокую точность.

Предлагаемая схема динамического фильтра расширяет функциональные возможности за счет формирования на выходе первого 11, второго 13 и третьего 16 интегрирующих блоков сигналов фактической скорости изменения полезного сигнала установившегося состояния (19), режима управления положительной скоростью (22) и режима управления отрицательной скоростью (23). Например, в релейных системах управления ориентацией твердого тела (угловой скоростью вращения) сигнал с выхода первого интегрирующего блока 11 характеризует угловое ускорение от возмущающего момента, действующего на твердое тело, сигнал с выхода второго 13 и третьего 16 интегрирующих блоков характеризует ускорение, создаваемое управляющим двигателем при задании положительной или отрицательной скорости движения твердого тела. Знание углового ускорения имеет важное значение для процесса управления, так как априорное их определение с заданной точностью невозможно из-за неточного знания управляющего момента и момента инерции твердого тела и незнания возмущающего момента.

Предлагаемый динамический фильтр пропускает без искажения полезный сигнал X и осуществляет подавление сигнала помехи fi с коэффициентом подавления К и.

Сравнение заявляемого решения с другими решениями показывает, что использование ключей, элементов ИЛИ. интегрирующих блоков известно. Однако, введение в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемый динамический фильтр вышеназванных элементов приводит к проявлению новых свойств: повышению точности и расширению функцио- нальных возможностей за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала.

Формула изобретения Динамический фильтр в релейных системах управления, содержащий первый интегрирующий блок, апериодическое звено,

0

5

0

5

0

5

0

5

0

суммирующий блок и последовательно соединенные п звеньев, каждое из которых содержит последовательно включенные сравнивающее устройство, усилитель, сумматор и интегратор, при этом выход интегратора n-го звена соединен с первым входом суммирующего блока, второй вход которого подключен к выходу апериодического звена, вход которого соединен с выходом сравнивающего устройства n-го звена, а выход первого интегрирующего блока соединен с вторыми входами сумматоров каждого звена, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала и повышения точности, в него введены дополнительно второй и третий интегрирующие блоки, с первого по пятый ключи и элемент ИЛИ, инверсный выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, выход которого подключен к входу первого интегрирующего блока, а сигнальный вход соединен с выходом сравнивающего устройства n-го звена и сигнальными входами второго и четвертого ключей, выходы которых соединены соответственно с входами второго и третьего интегрирующих блоков, подключенных выходами соответственно к сигнальным входам третьего и пятого ключей, выходы которых соединены соответственно с третьими и четвертыми входами сумматоров всех звеньев, вычитающие входы сравнивающих устройств которых подключены к выходу суммирующего блока, при этом управляющие входы второго и третьего ключей и первый вход элемента ИЛИ соединены с входом положительного релейного управляющего сигнала динамического фильтра, управляющие входы четвертого и пятого ключей и второй вход элемента ИЛИ соединены с входом отрицательного релейного управляю- .щего сигнала динамического фильтра, выход первого интегрирующего блока является выходом сигнала установившейся скорости входного сигнала динамического фильтра, выход второго интегрирующего блока является выходом положительной скорости управления динамического фильтра, выход третьего интегрирующего блока является выходом отрицательной скорости управления динамического фильтра.

Изобретение относится к устройствам фильтрации. Целью является расширение области применения за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала и повышение точности. Шина релейного управляющего сигнала 1 соединена со входами элемента ИЛИ и управляющими входами второго 12 и третьего 14 ключей, шина отрицательного релейного управляющего сигнала 2 соединена со вторым входом элемента ИЛИ и управляющими входами четвертого 15 и пятого 17 ключей. Каждое из л последовательно соединенных звеньев содержит последовательно включенные сравнивающее устройство 3, усилитель 4, сумматор 5 и интегратор 6. Выход интегратора 6п п-го