Система автоматического регулирования Советский патент 1993 года по МПК G05B11/01 G05B9/02 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано при построении высоконадежных систем автоматического регулирования, в частности систем управления движением.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и расширение функциональных возможностей за счет определения неисправности.

На фиг. 1 представлена блок:схема системы автоматического управления; на фиг. 2

- то же, формирователя контрол ьного сигнала.

Система автоматического управления содержит датчики регулируемого параметра 1 и 2, датчики скорости изменения регулируемого параметра 3 и 4, устройство формирования управляющих воздействий 5, коммутаторы 6, 7 и 21, пороговые релейные элементы 8,9,10,11,12, и 13, элементы ИЛ И 14, 15, 16, 17, 18 и 19, формирователь контрольного сигнала 20, триггеры 22. 23, 24 и 25, элементы И 26 и 27, элемент временной

00

ы о о сл

XI

ы

задержки 28, дешифратор 29, сравнивающие устройства 30. 31 и 32.

При этом выходы датчиков регулируемого параметра 1 и 2 через первое сравнивающее устройство 30 соединены со входами первого и второго пороговых релейных элементов 8 и 9, а также через коммутатор 6 с первым входом устройства формирования управляющих воздействий 5. Выходы датчиков скорости изменения регулируемого параметра 3 и 4 через второе сравнивающее устройство 31 соединены со входами третьего и четвертого пороговых релейных элементов 10 и 11, а также через коммутатор 7 со вторым входом устройства формирования управляющих воздействий 5. Выходы первого и второго коммутаторов 6и7 соединены соответственно с первым и вторым сигнальными входами третьего коммутатора 21. Выходы первого и второго пороговых релейных элементов 8 и 9-через первый элемент ИЛИ 14 соединены со входом первого элемента И 26, выходы третьего и четвертого пороговых репейных элементов 10 и 11 через второй элемент ИЛИ 15 соединены со входом второго элемента И 27, выходы пятого и шестого пороговых релейных элементов 12 и 13 через третий элемент ИЛИ 17 соединены с первым входом дешифратора 29. Выходы первого и второго элементов И 26 и 27 соединены соответственно со вторым и третьим входами дешифратора 29, а также через четвертый элемент ИЛИ 16 и временную задержку 28 с четвертым входом дешифратора 29. Первый выход дешифратора 29 соединен с управляющим входом первого триггера 22 и через пятый элемент ИЛИ 18с управляющим входом второго триггера 23, второй выход дешифратора 29 соединен с другим входом пятого элемента ИЛИ 18, третий выход дешифратора 29 соединен с управляющим входом третьего триггера 24 и через шестой элемент ИЛИ 19 с управляющим входом четвертого триггера 25. Пятый выход дешифратора 29 соединен с управляющим входом третьего коммутатора 21 и формирователя контрольного сигнала 20, выход третьего коммутатора 21 через формирователь контрольного сигнала 20 соединен с первым входом третьего сравнивающего устройства 32. Выход первого коммутатора 6 через второй вход третьего сравнивающего устройства 32 соединен со входами пятого и шестого пороговых релейных элементов 12 и 13, выходы первого и третьего триггеров 22 и 24 соединены соответственно с управляющими входами первого и второго коммутаторов 6 и 7. Выходы второго и четвертого триггеров 23 и 25 соединены со входами соответственно первого и второго элементов И 26 и 27.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема формирователя контрольного сигнала. Она включает в себя операционный усилитель 33, конденсатор 34, коммутатор

35 и резисторы 36, 37, 38 и 39. При этом инвертирующий вход операционного усилителя 33 соединен с первым выводом конденсатора 34, с выходом коммутатора 35 и через первый резистор 36 - с сигнальным входом

формирователя контрольного сигнала, выход операционного усилителя 33 соединен со вторым выводом конденсатора 34, с выходом формирователя контрольного сигнала и через последовательно соединенные

второй и третий резисторы 37 и 38 с сигнальным входом формирователя контрольного сигнала, общая точка второго и третьего резисторов 37 и 38 соединена с сигнальным входом коммутатора 35, управляющий вход

которого соединен с управляющим входом формирователя контрольного сигнала, неинвертирующий вход операционного усилителя 33 через четвертый резистор 39 соединен с нулевой шиной питания.

Система автоматического управления работает следующим образом.

В исходном состоянии коммутатор 21 подключает ко входу устройства формирования контрольного сигнала 20 выходной сигнал с коммутатора 6, В исходном состоянии это устройство без изменения передает этот сигнал на вход устройства сравнения 32, на другой, вход которого поступает сигнал также с выхода коммутатора 6. В исходном состоянии триггеры 23 и 25 устанавливаются таким образом, что сигнал на их выходе является разрешающим уровнем для элементов И соответственно 26 и

27, а триггеры 22 и 24 устанавливаются в такое состояние, что сигнал на их выходе, поступающий на управляющие входы коммутаторов соответственно 6 и 7 обеспечивает подключение к выходу коммутаторов

сигналов датчиков соответственно 1 и 3. По этим сигналам устройство формирования управляющих воздействий 5 осуществляет управление регулируемым параметром. На выходе устройств сравнения 30 и 31 имеется сигнал, равный разности показаний датчиков соответственно 1, 2 и 3, 4. Если эта разность не превосходит по модулю величины, определяемой пороговыми релейными элементами 8, 9, 10 и 11, сигнал на выходе каждого из них отсутствует. В случае отказа

одного -из датчиков, его показания будут отличаться от показания другого аналогичного датчика. Пусть, например, показание отказавшего датчика 1 стало больше показаний исправного датчика 2 на величину, большую зоны нечувствительности порогового релей

ного элемента 8. В этом случае на его выходе появится сигнал, который поступит на элемент ИЛИ 14 и далее на второй вход дешифратора 29. Таблица соответствия дешифратора будет приведена ниже. При наличии сигнала на втором или третьем входах дешифратора, на его пятом выходе появляется сигнал, обеспечивающий подключение коммутатором 21 ко входу устройства формирования контрольного сигнала 20 сигнала с выхода коммутатора 7, т.е. сигнала датчика скорости изменения регулируемого параметра. Этой же командой с пятого выхода дешифратора формирователь контрольного сигнала переводится в режим интегрирования поступающего на его вход сигнала. При этом начальное значение интеграла равно по величине сигналу, поступающему на вход устройства 20 непосредственно перед переключением в режим интегрирования. Таким образом, на выходе устройства 20 сигнал равен сумме сигнала о величине регулируемого параметра, который имел датчик 1 непосредственно перед срабатыванием порогового элемента 8 и сигнала о приращении величины регулируемого параметра, полученного интегрированием сигнала датчика скорости изменения регулируемого параметра. Выходной сигнал устройства 20 сравнивается на элементе 32 с сигналом датчика 1. Поскольку мы предположили отказ датчика 1, приращение его сигнала не совпадает с приращением, полученным интегрированием показаний исправного датчика 3, на выходе элемента 32 появится сигнал, который вызовет срабатывание одного из пороговых релейных элементов 12 или 13. Сигнал с выхода этих элементов через элемент ИЛИ 17 поступает на первый вход дешифратора 29. Этот сигнал анализируется дешифратором при наличии сигнала с элемента временной задержки 28 на его четвертом входе. Элемент временной задержки запускается сигналом с выхода любого из элементов И 26 и 27, поступающим на его вход через элемент ИЛИ 16. Величина временной задержки выбирается из условия, чтобы разность приращений сигнала регулируемого параметра превысила величину зоны нечувствительности порогового релейного элемента 12 или 13 при минимально воз- .можной скорости изменения величины регулируемого параметра. При наличии сигналов на первом, втором и четвертом входах, дешифраторов формирует сигнал на своем первом выходе, который поступает на триггер 22 и, через элемент ИЛИ 18. на триггер 23, изменяя их состояние. Триггер 22 переключает коммутатор 6, на выход которого теперь поступает сигнал исправного датчика 2, а триггер 23 теперь подает запрещающий сигнал на элемент И 26. Тем самым обеспечивается снятие сигналов со второго и четвертого входов дешифратора, вследствие этого снимается сигнал с пятого выхода дешифратора и коммутатор 32 и устройство формирования контрольного сигнала 20 приходят в исходное состояние. Поскольку теперь на оба входа устройства сравнения 32 поступает сигнал датчика 2, релейные

0 пороговые элементы также приходят в исходное состояние и сигнал с первого входа дешифратора снимается.

В случае, если произошел отказ не первого, а второго датчика, система автоматиг

,- ческого управления работает аналогично. Однако в этом случае элементы 12 (или 13) не сработают (т.к. в этом случае на устройстве сравнения сравниваются приращения регулируемого параметра, полученные с поА мощью двух различных исправных датчиков), поэтому в момент появления на четвертом входе дешифратора сигнала с выхода элемента временной задержки сигнал на первом входе дешифратора будет отсутствовать. Это приведет к появлению сигна5 ла на втором выходе дешифратора, который через элемент ИЛИ 18 поступит на триггер 23 и переключит его, что, как и в ранее описанном случае, приведет к снятию всех сигналов со входов и выходов дешифратора.

0 Рассмотрим случаи отказа одного из датчиков 3 илм 4. Пусть, например, сигнал неисправного датчика 3 стал меньше сигнала датчика 4. На выходе сравнивающего устройства 31 появится сигнал, больший (по

5 модулю) зоны нечувствительности порогового релейного элемента 11, что приведет к его срабатыванию. Сигнал с выхода элемента 11 через элемент ИЛИ 15 поступит на вход элемента И 27 и с его выхода - на

Q третий вход дешифратора 29, что приведет к появлению сигнала на его пятом выходе. Как и в ранее описанном случае, это приведет к тому, что на вход устройства сравне- . ния 32 поступят сигнал датчика параметра

движения и сигнал, представляющий собой сумму величины сигнала этого же датчика в момент отказа датчика 3 и приращения величины регулируемого параметра, полученного интегрированием сигнала датчика скорости изменения регулируемого пара0 метра (в данном случае неисправного датчика 3). В случае, если бы датчик 3 был исправен, эти сигналы должны быть совпасть. В рассматриваемом же случае эти сигналы будут отличаться друг от друга и на

5 выходе сравнивающего устройства 32 появится сигнал, который приведет к срабатыванию пороговых элементов 12 (или 13) и, тем самым, к появлению сигнала на первом входе дешифратора 29. Как и в ранее описанном случае этот сигнал анализируется

после поступления на четвертый вход дешифратора сигнала с выхода элемента вре менной задержки 28, который запускается сигналом с элемента И 27 через элемент ИЛИ 16. При наличии сигнала на первом, третьем и четвертом входах, дешифратор формирует сигнал на своем третьем выходе, который переключает триггер 24 и, через элемент ИЛИ 19, триггер 25. Сигнал с триггера 24 переключает коммутатор 7 таким образом, что на его выход начинает поступать сигнал исправного датчика 4, а сигнал с триггера 25 запрещает прохождение сигнала через элемент И 27, что приводит к снятию сигналов со всех входов дешифрато- а.

В случае, если отказал датчик 4, а не 3, система автоматического управления работает аналогично. Однако, поскольку теперь приращение величины регулируемого параметра будет получено интегрированием по казании исправного датчика, сигнал на выходе сравнивающего устройства 32 будет отсутствовать, элементы 12 и 13 несработа - ют и сигнал на первый вход дешифратора 29 не поступит. Поэтому при поступлении на четвертый вход дешифратора сигнала с выхода элемента временной задержки 28 появится сигнал на четвертом выходе дешифратора, который переключит только триггер 25 (через элемент ИЛИ 19), что, как и было показано ранее, приведет к снятию сигналов со всех входов дешифратора,

В случае, если отказ одного из датчиков 1 или 2 производят после отказа одного из датчиков 3 или 4 и после того, как произой- дет определение отказавшего датчика (соот- ветственно 3 или 4), определение отказавшего датчика происходит точно так же, как это было описано выше.

В таблице приведено соответствие между входными и выходными сигналами дешифратора. Знак 1 соответствует наличию сигнала, знак 0 - отсутствию.

Таким образом, предложенная система автоматического регулирования оказывает- ся работоспособной при отказе одного из датчиков регулируемого параметра и одного из датчиков скорости изменения регулируемого параметра, т.е. сохраняет свою работоспособность при сохранении работоспособности хотя бу одного из каждой пары имеющихся датчиков.

Устройство формирования контрольного сигнала .работает следующим образом.

В исходном состоянии (при отсутствии сигнала на управляющем входе устройства и, следовательно, на управляющем входе коммутатора 35) коммутатор 35 замкнут и все устройство представляет собой апериодическое звено. Величина сопротивлений

0

Q

5 0

5

о

0

5

резисторов 36, 37, 38 выбирается таким образом, чтобы коэффициент передачи этого звена был равен единице, При поступлении сигнала на управляющий вход устройства коммутатор 35 размыкается и все устройство представляет собой интегратор, при этом на конденсаторе 34 в первый момент имеется заряд, обеспечивающий начальное значение сигнала на выходе интегратора, а следовательно, и всего устройства, равное сигналу, поступавшему на сигнальный вход устройства в момент поступления сигнала на его управляющий вход.

Постоянная времени интегратора определяется произведением емкости конденсатора и сопротивления резистора 3В Коэффициент передачи устройства в случае работы в качестве апериодического звена определяется отношением сопротивления резистора 37 к сопротивлению параллельно соединенных резисторов 38 и 39, а его постоянная времени - произведением емкости конденсатора и .сопротивления резистора 37. Постоянную времени интегратора желательно иметь как можно больше, что достигается выбором достаточно большой величины резистора 36, постоянную времени апериодического усилителя желательно иметь как можно меньшей что достигается выбором достаточно малой величины сопротивления 37, необходимая величина сопротивления параллельно соединенных резисторов 36 и 38 достигается за счет выбора нужной величины резистора 38.

Таким образом, формирователь контрольного сигнала действительно обеспечивает выполнение тех функций, которые он должен выполнять в системе автоматического регулирования: передает без изменения на свои выход входной сигнал при отсутствии сигнала на своем управляющем входе и интегрирует входной сигнал при наличии сигнала науправляющем входе.

В предложенной системе достигнуто упрощение по сравнению с системами, использующей троирование чувствительных элементов за счет снижения количества таких элементов, являющихся, как правило, сложными устройствами (гироскопы, электронно-оптические устройства и т.п.),

Расширение функциональных возможностей системы достигается за счет определения отказавшего датчика.

Надежность чувствительных элементов системы, использующей троирование датчиков регулируемого параметра и датчиков скорости регулируемого параметра Pi, определяется формулой

,

Р1-(р +-Зр%

03

Надежность чувствительных элементов предложенной системы Р определяется формулой

Р2 Р2(р2 + 4pq + 4q2)

(2)

Здесь р - вероятность безотказной работы одного датчика в течение заданного времени, q 1-р - вероятность отказа одного датчика за это же время. Формулы получены при упрощающем предположении, что вероятности безотказной работы всех датчиков одинаковы.

Разность величин Р2 PI равна

P P2-Pi 4p2q(1-p)(1+pq)

(3)

Выражение (3) больше 0, т.е. предложенная система более надежна.

Действительно,при р 0,9 вероятность безотказной работы троированной системы равна 0,9448, а вероятность безотказной работы предложенной системы 0,9801. .

Сопоставительный анализ прототипа показывает, что заявляемая система автоматического регулирования отличается наличием новых элементов:: задержки, И, ИЛИ, сравнивающих устройств, пороговых релейных элементов, дешифратора, формирователя контрольного сигнала, ключей и триггеров и их связями с остальными элементами схемы. :

Таким образом, заявляемая система автоматического регулирования отвечает критерию новизна,

Сравнение заявляемого решения с другими решениями показывает, что использование ключей,, сравнивающих устройств, пороговых релейных элементов, дешифратора, элементов задержки и триггеров известно. Однако, введение :в вышеназванной связи с остальными элементами схемь формирователя контрольного сигнала и вышеназванных элементов приводит к появлению новых свойств: упрощению системы, расширению ее функциональных возможностей и повышению надежности.

Формула изобретения

1. Система автоматического регулирования, содержащая два датчика регулируемого параметра и два датчика скорости изменения регулируемого параметра, выходы которых через соответственно первый и второй коммутаторы соединены с входами устройства формирования управляющих воздействий, отличающаяся тем, что с целью повышения функциональных возможностей за счет определения неисправности, повышения надежности и упрощения, в нее дополнительно введены с первого по третий сравнивающие устройства, с первого по шестой пороговые релей0

ные элементы, с первого по шестой элементы ИЛИ, формирователь контрольного сигнала, третий коммутатор, с первого по четвертый триггеры, первый и второй эле- 5 менты И, а также элемент задержки и дешифратор, при этом выходы датчиков регулируемого параметра через первое сравнивающее устройство соединены с входами первого и второго пороговых релейQ ных элементов, выходы датчиков скорости изменения регулируемого параметра через второе сравнивающее устройство соединены с входами третьего и четвертого пороговых релейных элементов, выходы первого и

с второго коммутаторов соединены соответственно с первым и вторым сигнальными входами третьего коммутатора, выходы первого и второго пороговых релейных элементов через первый элемент ИЛИ - с первым входом первого элемента И, выходы третьего и четвертого пороговых релейных элементов через второй элемент ИЛИ - с первым входом второго элемента И, выходы пятого и шестого пороговых релейных элементов через третий элемент ИЛИ - с пер5 вым входом дешифратора, выходы первого и второго элементов И - соответственно с вторым и третьим входами дешифратора, а также, через последовательно соединенные четвертый элемент ИЛИ и элемент задерж0 ки с четвертым входом дешифратора, первый выход дешифратора соединен с управляющим входом первого триггера и через пятый элемент ИЛИ с управляющим входом второго триггера, второй выход - с

5 ДРУгим входом пятого элемента ИЛИ, третий выход- с управляющим входом третьего тригтёр-а и через шестой элемент ИЛИ с управляющим входом четвертого триггера, пятый выход - .с. управляющими входами

0 третьего коммутатора и формирователя контрольного сигнала, выход третьего коммута- тора подключен к сигнальному входу формирователя контрольного сигнала, выход которого соединен с первым входом

. третьего сравнивающего устройства, выход первого коммутатора подключен к второму входу третьего сравнивающего устройства, выход которого соединен с входами пятого и шестого пороговых релейных элементов, выходы первого и третьего триггеров соединены соответственно с управляющими входами первого и второго коммутаторов, выходы второго и четвертого триггеров - с вторыми входами соответственно первого и второго элементов И.

5 2. Система по п. 1,отличающаяся тем, что формирователь контрольного сигнала содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом конденсатора, выходом коммутатора и через первый резистор - с

0

сигнальным входом формирователя контрольного .сигнала, выход операционного усилителя соединен с вторым выводом запоминающего конденсатора, Q выходом формирователя контрольного сигнала и чет-. рез последовательно соединениыевтрррй и третий резисторы с сигнальным входом формирователя контрольного сигнала, :.о б

щий вывод второго и третьего резисторов соединен с сигнальным входом коммутэто- ра.управляющий вход которого соединен с управляющим входом формирователя контрольного сигнала, неинвертирующий вход операционного усилителя через четвертый резистор соединен с нулевой шиной пита- ния.-;-: .-.. :: : ... . .

Изобретение относитсл к системам автоматического регулирования. В системе автоматического регулирования достигается расширение функциональных возможностей за счет определения неисправности, упрощение и повышение надежности. Сигналы двух датчиков (параметра регулирования 1 и 2 и скорости изменения параметра регулирования 3 и 4) сравниваются между собой с помощью пороговых релейных эле- ментов8-11 и в случае несравнения показаний одной из пар сигнал датчика параметра регулирования сравнивается с сигналом формирователя 20 контрольного сигнала, представляющим собой сумму показаний одного из датчиков параметра регулирования непосредственно перед этим моментом и интервала сигнала одного из датчиков скорости изменения параметра регулирования. По результатам сравнения с помощью пороговых элементов 12,13 и логических элементов И 26, 27 и ИЛИ 14-17, а также дешифратора 29, элемента задержки 28 и триггеров 22-25 производится определение отказавшего датчика и переключение системы на работу с исправным датчиком коммутаторами 6 и 7. 1 з.п, ф-лы, 2 ил. 1 табл. сл с

Фие.1

Фиг .2