Релейный регулятор Советский патент 1993 года по МПК G05B11/14 

Р И

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в системах управления различными инерционными объектами: поворотными стендами, промышленными роботами, летательными аппаратами и т.п.

Наибольшее применение данное предложение может найти при необходимости получения высококачественного управления с возможностью регулирования характеристик переходных процессов, в том числе при наличии помех в сигналах датчиков первичной информации (ошибки управления).

Регулировка характеристик переходных процессов дает возможность согласовать в широких пределах требования к величине перерегулирования по ошибке отклонения и ее скорости с характеристиками исполнительных органов системы управления, в составе которой используется релейный регулятор.

Известны релейные регуляторы, содержащие трехпозиционный релейный элемент (ТРЭ), охваченный цепью отрицательной обратной связи (О О С) 1,2,3, например, апериодической 1 .

Недостатком указанных регуляторов является то, что величина перерегулирования по скорости в переходных режимах зависит от начальных фазовых координат, а перерегулирование по ошибке отклонения зависит также от величины зоны нечувствительности ТРЭ. При требуемых параметрах установившихся режимов указанные характеристики переходных процессов не могут быть заданы предварительно.

Устройство-прототип 4 представляет собой релейный регулятор, выполненный в виде трехпозиционного релейного элемента, охваченного цепью инерционной ООС через сумматор. Цепь инерционной ООС содержит интегратор с усилителем с ограничением в виде собственной ООС. Неинвертирующий вход сумматора является входом регулятора, а выход трехпозиционного релейного элемента является выходом регулятора.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулировки характеристик переходных процессов в части устранения их колебательности и устранения перерегулирования по ошибке отклонения регулируемой величины.

Целью настоящего изобретения является улучшение качества переходных режимов за счет обеспечения возможности их регулировки, а также обеспечение возможности устранения знакопеременного колебательного характера последних по регулируемой величине.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее сумматор, неинвертирующий вход которого является входом сигнала ошибки регулирования регулятора, усилитель с ограничением, суммирующий интегратор, первый неинвертирующий вход которого соединен с выходом усилителя с ограничением, и трехпозиционный релейный элемент, выход которого является выходом регулятора, введены последовательно соединенные второй и третий трехпозиционные релейные элементы и блок умножения, первый вход которого соединен с инвертирующим входом сумматора и выходом суммирующего интегратора, соединенного с входом первого трехпозиционного релейного элемента, выход которого соединен со вторым входом блока умножения и вторым входом третьего трехпозиционного релейного элемента, первый вход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с выходом усилителя с ограничением, а второй вход - с выходом интегратора, выход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с вторым неинвертирующим входом суммирующего интегратора, второй инвертирующий вход которого соединен с выходом третьего трехпозиционного релейного элемента, а третий неинвертирующий вход суммирующего интегратора является входом сигнала скорости регулируемой величины регулятора, выход сумматора соединен с входом усилителя с ограничением, при этом параметры трехпозиционных релейных элементов связаны соотношением

INI Inl iRl IPl Irl,

где IPl, INI и Inl - абсолютные значения выходных сигналов первого, второго и третьего трехпозиционных релейных элементов, соответственно;

IRI и Irl - абсолютные значения, соответственно, порогов срабатывания и отпускания третьего трехпозиционного релейного элемента.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 представлена структурная схема релейного регулятора в составе системы управления, на фиг.2 и 3 представлены фазовые портреты системы управления, в состав которой входит релейный регулятор. На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - релейный регулятор; 2 - шина сигнала ошибки управления (в дальнейшем - шина 2); 3 - сумматор; 4 - усилитель с ограничением; 5 - суммирующий интегратор (в дальнейшем - интегратор 5); 6, 8, 9 - соответственно, первый, второй и третий

51

трехпозиционные релейные элементы (ТРЭ); 7 - блок умножения; 10 - шина сигнала скорости ошибки управления, (в дальнейшем - шина 10); 11 - выходная шина (выход устройства); 12 - объект управления; 13 - измеритель (датчик) сигнала ошибки управления X; 14 - измеритель (датчик) сигнала скорости ошибки управления Y.

Релейный регулятор выполнен следующим образом.

Тракт прохождения сигнала ошибки управления содержит последовательно соединенные сумматор 3, усилитель с ограничением 4, интегратор 5 и первый ТРЭ 6. Второй неинвертирующий вход интегратора 5 соединен с шиной 10. Выход интегратора 5 соединен с инверсным входом сумматора 3, одним из входов второго ТРЭ 8 и с одним из входов блока умножения 7, второй вход которого соединен с выходом первого ТРЭ 6, являющимся выходом релейного регулятора 1. Выход блока умножения 7 соединен с инвертирующим входом сумматора 3. Второй вход второго ТРЭ 8 соединен с выходом усилителя с ограничением 4. Выход второго ТРЭ 8 соединен с одним из входов третьего ТРЭ 9 и с одним из неинвертирующих входов интегратора 5, второй инвертирующий вход которого соединен с выходом третьего ТРЭ 9. Выход интегратора 5 соединен с вторым входом третьего ТРЭ 9.

Выходной сигнал релейного регулятора 1 воздействует на объект управления 12, фазовые координаты которого (X и Y) измеряются датчиками сигнала ошибки управления (13) и скорости сигнала ошибки управления (14).

Рассмотрим функционирование заявляемого устройства, .полагая, для простоты общего изложения что объект управления описывается выражением (1) - двойное интегрирующее звено

Y Z + Z

(1, а (1, б),

X Y

где Z, ZB - сигналы управления и возмущения, действующие на объект управления.

Регулятор 1 описывается следующим образом.

s a+Y-K7sU+c-d, (2),

где

ПРИ f a f , о

ПРИ -f f f , (3) о о

ПРИ f Ј -f

X-s,

(4)

о

.,ПРИ s г h,

-J О,ПРИ -h s h,(5)

1,ПРИ s i -h,

,ПРИ a+s a:v+lN,

{ О,ПРИ -Ъ+IN a+s v+lN,

N,ПРИ a+s Ј-v+lN,

i,ПРИ c+U s N-mn,

1 О,ПРИ -N+mn c+U N+mn,

-n,ПРИ c+U Ј-N+mn,

(6)

(7)

z - Ki2U,

a - выходной сигнал усилителя с ограничением 4 (фиг.1);

b - выходной сигнал блока умножения 7;

с - выходной сигнал ТРЭ 8;

d - выходной сигнал ТРЭ 9;

f - выходной сигнал сумматора 3;

U - выходной сигнал ТРЭ 3;

К - масштабный коэффициент блока умножения по входу

Ki2 - коэффициент передачи исполнительных органов (ИО) объекта управления 12;

Ка - масштабный коэффициент усилителя с ограничением на линейной участке характеристики;

h, V, R - абсолютные значения границ зон нечувствительности ТРЭ 6, 8, и 9, соответственно;

v, г - абсолютные значения границы порогов отпускания ТРЭ 8 и ТРЭ 9, соответственно;

Р, N, n - абсолютные значения уровней выходных сигналов ТРЭ 6, ТРЭ 8 и ТРЭ 9, соответственно;

пш, IN - значения гистерезисов ТРЭ 8 и ТРЭ 9, соответственно.

Пусть, например, в некоторый момент изображающая точка М на фазовом портрете (фиг.2, а) занимала положение М0, т.е. занимала положение с координатами X О, Y Yo, выходные сигналы ТРЭ 6, ТРЭ 7 и ТРЭ 8, исходя из предыдущих событий, равны нулю.

Тогда, исходя из (1) и (2) при движении в зоне нечувствительности (участок Mo - Mi на фиг.2) можно записать: I К f + Y,

а

или, с учетом (4)

s К Cx-s) + Y,

El

откуда, с учетом (1, б)

s x (9)

При попадании т.М на границу зоны нечувствительности ТРЭ 6, последний включается и на ИО объекта управления 12 начинает поступать сигнал U. Отсюда следует, что

Li: x h,

L : х -h,

1 а 0.

В зависимости от начальной скорости Y (при одинаковой эффективности ИО) возможны два типа траекторий изображающей точки (I и II):

1x1 V, сигнал s не превышает по абсолютной величине уровень срабатывания V ТРЭ 8;

1X1 Z- V, Т-е. сигнал s превышает по абсолютной величине уровень срабатывания V ТРЭ 8;

Рассмотрим вначале первый случай.

В этом случае выражение (2) преобразуется в вид

s a+Y-K sU.

При отработке начальной скорости в принципе могут возникнуть три типа движений, отличающихся режимом работы ТРЭ 6: только скользящий режим; сначала непрерывный, а затем скользящий; только непрерывный режим.

Первый тип движений возникает, если

lY I s К hU(s h); 07второй и третий типы

IY I к ш.

движений возможный при °7

На фиг.2 штриховкой показана область скользящего режима. Границы окончания

- С и С

скользящего режима L2, Ьз, 2 3 определяются параметрами (3) усилителя с ограничением 4. В частности, наклон линий

С L2 и 2 определяется коэффициентом Ка

их уравнения:

L2:Y -Ка (X - Ю, (10)

L : Y -К (X+h),(11)

2а

а положение линий Ьз и 3 определяется

L параметрами -аш и аш. Линии L4 и 4

соответствуют моментам окончания непрерывного управления. Эти кривые имеют асимптоты:

Y - am + K7h - Ki2, (12) Y am - K7h + Ki2, (13).

Указанные выражения следуют из (1-5) при использовании аппарата исследования скользящих режимов.

По окончании скользящего режима (т.Мз, фиг.2, а) изображающая точка следует по траектории Мз - NU до попадания на линию

L

включения х (смещенная линия LI), расположенную в области между линиями С и С 1 2 При движении на участке Мз М4 сигнал s изменяется по закону, s X+Y/K exp-K t,

ла

что следует из (1) и (2). В точке Мз s h, в точке М4 s -h.

На участке М4 - MS вновь возникает управление (среднее значение сигнала U не равно нулю). Далее процесс повторяется.

Рассмотрим второй случай. При начальной скорости

IY I

О12

сигнал s превышает по абсолютной величине порог срабатывания V ТРЭ 8. При этом последний включается (отметим, что при ZB 0 в силу (1-5) сигнал а близок к нулю) и включает ТРЭ 9 в силу того, что INI IR1. Совместное действие сигналов с и d на интегратор 5 при одновременном включении ТРЭ 8 и 9 равно нулю т.к. INI Ы, а в уравнение (2) указанные сигналы входят с противоположными знаками.

При попадании изображающей точки на линию v (т.М) - уровень выключения ТРЭ 8, последний выключается, и сигнал d перестает компенсироваться сигналом с. Вследствие этого происходит интенсивное изменение сигнала s со скоростью -п, что на фазовом портрете (фиг.2, б) эквивалентно

С смещению линии 1 в направлении +Х.

Указанное смещение происходит до тех пор, пока не выполнится условие s -h, при котором сигналом UClRl 1Ш 1Н) вы

ключается ТРЭ 9. Если скорость смещения

С линии значительно выше абсолютного

С

значения сигнала Y, то линия 1 практически занимает положение v.

Далее процесс гашения скорости происходит в соответствии с уравнениями (1-3) - при учете того, что s -h - по траектории MV - Ms, а фазовые координаты т.М асимптотически стремятся к т. -h, 0.

Рассмотрим случай действия внешнего возмущения.

Пусть, например, на объект управления начало действовать возмущение, при котором с течением времени изображающая точка займет положение равновесия j (фиг.З), которое в силу уравнений (1, 2) и условий s 0 и s h имеет значение

J

+h.

При определенном значении ZB в процессе подхода к положению равновесия за счет действия сигнала а (в скользящем режиме при наличии возмущения а j - h) включаются ТРЭ 8 и 9. Далее, при исчезновении возмущения изображающая точка попадает в положение Mi z и процесс протекает аналогично рассмотренным выше случаям.

Обеспечение возможности регулировки параметров переходного процесса и обеспечение возможности устранения знакопеременного его характера следует из независимости регулировки усилителя с ограничением 4, ТРЭ 8 и ТРЭ 6. В частности, параметрами аш и -am (3)

регулируется положение линий выключения

Ьз и 3 что обеспечивает заданное перерегулирование по скорости ошибки управления. Выбором коэффициента Ка усилителя с ограничением 4 формируется

наклон линий L2 и 2 , что влияет на качество фильтрации ошибки управления и на остаточные скорости после выключения ИО. Выбором значений параметров V и v ТРЭ 8 формируется требуемая протяженность траектории скользящего режима внутри зоны нечувствительности -h, при этом траектория не пересекает границу -h, т.е. устраняется перерегулирование по координате X. Следовательно, характер процесса становится апериодическим.

Релейный регулятор, содержащий сумматор, неинвертирующий вход которого является входом сигнала ошибки регулирования регулятора, усилитель с ограничением, суммирующий интегратор, первый неинвертирующий вход которого соединен с выходом усилителя с ограничением, и трехпозицион- ный релейный элемент, выход которого является выходом регулятора, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества переходных режимов за счет обеспечения возможности их регулировки, а также возможности устранения знакопеременного колебательного характера по регулируемой величине, в регулятор введены последовательно соединенные второй и третий трехпозиционные релейные элементы и блок умножения, первый вход которого соединен с инвертирующим входом сумматора и выходом суммирующего интегратора, соединенного с входом первого трехпозици- онного релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом блока умножения и вторым входом третьего трехпозиционного релейного элемента, первый вход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с выходом усилителя с ограничением, а второй вход - с выходом интегратора, выход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с вторым неинвертирующим входом суммирующего интегратора, второй инвертирующий вход которого соединен с выходом третьего трехпозиционного релейного элемента, а третий неинвертирующий вход суммирующего интегратора является входом сигнала скорости регулируемой величины регулятора, выход сумматора соединен с входом усилителя с ограничением, при этом параметры трехпозиционных релейных элементов связаны соотношением INI Inl IRI IPl Irl, где P N Inl - абсолютные значения выходных сигналов первого, второго и третьего трехпозиционных релейных элементов соответственно; R г абсолютные значения соответственно порогов срабатывания и отпускания третьего трехпозиционного релейного элемента. с 00 W Os О 01 оо и

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Релейный регулятор, содержащий сумматор, неинвертирующий вход которого является входом сигнала ошибки регулирования регулятора, усилитель с ограничением, суммирующий интегратор, первый неинвертирующий вход которого соединен с выходом усилителя с ограничением, и трехпозицион- ный релейный элемент, выход которого является выходом регулятора, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества переходных режимов за счет обеспечения возможности их регулировки, а также возможности устранения знакопеременного колебательного характера по регулируемой величине, в регулятор введены последовательно соединенные второй и третий трехпозиционные релейные элементы и блок умножения, первый вход которого соединен с инвертирующим входом сумматора и выходом суммирующего интегратора, соединенного с входом первого трехпозици- онного релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом блока умножения и вторым входом третьего трехпозиционного релейного элемента, первый вход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с выходом усилителя с ограничением, а второй вход - с выходом интегратора, выход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с вторым неинвертирующим входом суммирующего интегратора, второй инвертирующий вход которого соединен с выходом третьего трехпозиционного релейного элемента, а третий неинвертирующий вход суммирующего интегратора является входом сигнала скорости регулируемой величины регулятора, выход сумматора соединен с входом усилителя с ограничением, при этом параметры трехпозиционных релейных элементов связаны соотношением

INI Inl iRl IPl И,

где P l Ni, Inl - абсолютные значения выходных сигналов первого, второго и третьего трехпозиционных релейных элементов соответственно;

IRI. г1 - абсолютные значения соответственно порогов срабатывания и отпускания третьего трехпозиционного релейного элемента.

Г

zi

(р

8599Ш

U