Экстремальный регулятор для резонансногоОб'ЕКТА Советский патент 1981 года по МПК G05B13/02 

(54) ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ РЕЗОНАНСНОГО ОБЪЕКТА, 1соединенные элемент сравнения, интегратор и исполнительный механизм и последовательно соединенные первый элемент И и первый триггер, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами элемента-сравнения, второй выход датчика управляемой величины, через элемент памяти соединен со входом первого порогового элемента, третий выход - со входом второго порогового элемента, а выход- выпрямителя заземлен 2. Недостатком известного регулятора является невозможность обеспечения поиска и поддержания экстремума в объектах с низкой добротностью. Недостаток обусловлен принципиальной особенностью резонансного объекта, состоящей в том, что экстремсшьная характеристика такого об ъекта формируется из амплитуды колебаний упр ляемой величины при различных часто тах. Поэтому во времени управляемая величина имеет множество локальных экстремумов, и, следовательно, поиск и поддержание экстремального (резонансного) режима соответствует поис и поддержанию глобгшьного экстремум из множества локальных экстремумов. Это приводит к низкой точности регу лятора. Цель изобретения - повышение точности регулятора. Поставленная цель достигается тем что экстремальный регулятор для резо нансного объекта, содержит первый форг/шрователь импульсов, последовательно соединенные второй формирователь импульсов, второй триггер и вто рой элемент И, выход которого соединен- со вторым входом первого триггера, и последовательно соединенные третий формирователь импульсов,трети элемент И и ключ, первый и второй выходы которого соединены соответствёнчо со входом первого порогового элемента и со вторым выходом датчика управляемой величины, выход первого порогового элемента через первый формирователь импульсов соединен. со вторым входом второго триггера, выход которого соединен со вторым вурдом первого и третьего элементов Hjj выход второго порогового элемента соёдин-ен со входами второго и третье го формирователей импульсов, а выход третьего формирователя импульсов сое динен со вторыми входами первого и второго элементов И, третьи входы которых соединены с первым и вторымГ входами элемента сравнения соответственно; ,формирователи.импульсов выполнены в виде последовательного соединения дифференциатора, селектор импульсов и порогового элемента, выход которого соединен с выходом формирователя импульсов, а вход дифференциатора соединен со входом формиователя импульсов. На фиг, 1 изображена схема регулятора; на фиг. 2 и фиг. 3 - эпюры напряжений, поясняняцие работу экстремального регулятора. Схема содержит резонансный объект 1, исполнительный механизм 2, датчик 3 управляемой величины, интегратор 4, выпрямитель (диод) 5, нагрузочный элемент (резистор) 6, элемент памяти (конденсатор) 7, первый пороговый элемент 6, второй пороговый элемент 9, первый формирователь 10 импульсов заданной длительности, второй форми рователь 11 импульсов заданной длител. ности, третий формирователь 12 импульсов заданной длительности, второй триггер 13 с раздельными входами, первый элемент И 14, второй элемент И 15, третий элемент И 16, первый триггер 17 с раздельными входами, элемент 18 сравнения, разрядный ключ 19. На эпюрах напряжений обозначены: и - напряжение на выходе датчика 3 управляемой величины, U2 - напряжение на конденсаторе 7, U . - напря- жение на резисторе б, Oj. напряжение на выходе первого порогового элемента 8 , и,. - напряжение на выходе второго порогового элемента 9, U - напряжение на выходе первого формирователя 10 импульсов заданной длительности, U-J - напряжение на выходе второго формирователя 11 импульсов заданной длительности, Ug - напряжение на выходе третьего формирователя 12 импульсов заданной длительности, U , напряжение на выходе второго триггера 13с раздельными входами, напряжение на первом выходе первого ТЕВХгера 17с раздельными входами, 0 - напряжение на втором выходе первого триггера 17 с раздельными входами, и напряжение на выходе элемента 18 сравнения, и. - напряжение на выходе интегратора 4, - напряжение на выходе первого элемента 14 И, . - напряжение на выходе второго элемента 15 И, и - напряжение на выходе третьего элемента 16 И. Экстремальный регулятор для резонансного объекта функционирует следующим образом. На вход резонансного объекта 1 (фиг. 1) от исполнительного механизма 2 поступает регулирующее воздействие, приводящее к колебаниям управляемой величины объекта. Эти колебания воспринимаются датчиком 3 управляембй величины, на первом и втором выходах которого формируется напряже ие и (фиг. 2), Для поиска такого значения частоты регулирующего воздействия, при котором амплитуда колебаний управляемой величины имеет экстремум, частота изменяется во времени по линейному закону со скоростью.

существенно меньшей скорости изменени регулирующего воздействия. Линейный закон изменения частоты обеспечивается интегратором 4, включенным перед исполнительным механизмом 2.

С первого выхода датчика 3 напряжение поступает на последовательно соединенные диод 5, резистор 6 ,и конденсатор 7.

Наличие экстремальной зависимости между амплитудой колебаний управляемой величины и частотой колебаний привод т к тому, что процессы в последовательно соединенных диоде 5, резисторе 6 и конденсаторе 7 зависят от того в какой области указанной экстре мальной зависимости (дорезонансной или зарезонансной) происходит возрастанье или убывание частоты. Анализ этих процессов позволяет синтезировать алгоритм поиска и поддержания экстремума в резонансном объекте с низкой добротностью.

Пусть, например, в дорезонансной области происходит увеличение частоты (фиг. 2а). При этом амплитуда каждого последующего интервала положительности напряжения U превосходит амплитуду предыдущего интервала. Это приводит к подзаряду конденсатора 7 на каждом интервале положительности (фиг. 2а, кривая т.е. протекание импульсов тока через последовательно соединенные диод 5, резистор 6, кон денсатор 7 и появление импульсов напряжения на резисторе б (фиг.2а, кривая и). При уменьшении частоты в дорезонансной области (фиг. 26) амплитуда каждого последующего интервала продолжительности меньше амплитуды предыдущего интервала, подзаряд конденсатора 7 не происходит и импульсы на всех последующих интервгшах отсутствуют.

Если увеличение частоты происходит в зарезонансной области, то амплитуда каждого последующего интервала положительности меньше амплитуды предыдущего интервала и импульсы Uo на всех последующих интервалах отсутствуют. При уменьшении частоты в зарезонансной области амплитуды каждого последующего интервала попожительности больше амплитуды предыдущего и импульсы U-J появляются V на каждом интервале положительности.

Таким образом, движение к экстре-i муму характеризуется увеличением амплитуды колебаний управляемой величины и появлением импульсов напряжения, пропорциональных току подзаряда конденсатора 7, .на каждом интервале положительности. Движение же от экстремума характеризуется уменьшением амплитуды управляемой величины и отсутствием импульсов напряжения.

Алгоритм поиска и поддержания экстремума и учетом изложенного сводится к переключению исполнительного механизма в направление, которое обеспечивает наличие импульса нпряжения на каждом интервале положительности управляемой величины.

Для реализации алгоритма поиска и поддержания экстремума импульсы напржения U-5 (фиг. 3) с выхода резистора 6 поступают на вход первого порогового элемента 8, на выходе которого формируется последовательность прямоугольных импульсов напряжени1 i , длительность которых равна длительности импульсов напряжения U,|, а напряжение и у со второго выхода датчика 3 вторым пороговым элементом 9 преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов напряжения Uj, длительность которых равна длительности интервала положительности напряжения U . На выходе первого формирователя 10 импульсов заданной длительности, со стороны входа подклченного к выходу первого порогового элемента 8, возникает последовательность импульсов напряжения U фиксированной длительности, причем формрование напряжения U осуществляется таким образом, чтобы задний фронт импульсов напряжения U совпадал с передним фронтом импульсов напряжения. Последовательности импульсов напряжения и импульсов напряжения и d формируются соответственно на выходах второго формирователя 11 и третьего формирователя 12 импульсов заданной длительности, причем передний фронт импульсов напряжения совпадает с передним фронтом импульсов напряжения U-j , т.е. с начгшом интервала положительности напряжения Ug- , а передний фронт импульсов напряжения Ug совпадает с згщним фронтом импульсов напряжения U, т.е. с концом интервала положительности напряжения U.

Первый, второй и третий формирователи импульсов заданной длительности выполнены в виде последовательно соединенных дифференциатора, селектора импульсов и порогового элемента.

Пусть экстремальный регулятор включен-в работу при некотором, не соответствующем экстремуму, значении управляемой величины. Интегратор 4 начинает изменять частоту регулируемого воздействия. Далее изменение частоты регулирующего воздействия приводит к увеличению амплитуды управляемой величины, причем для определенности примем, что изменение частоты происходит в дорезонансной области (фиг. 3). При этом с выхода первого формирователя импульсов заданной длительности на первый вход второго триггера 13 поступает последовательность импульсов напряжения U-J , а с выхода второго формирователя 11 на второй вход второго триггера 13 поступает последовательность импульсов напряжения U, , причем импульсы напряжения устанавливают на выходе триггера 13 логический- О а импульсы напряжения U-j -логическую 1.

Поскольку в дорезонансной области каждый импульс последовательности U, возникает после каждого импульса последовательности и , в конце каждого интервала положительности на выходе второго триггера 13 будет логический О (фиг. 3, кривая в дорезонансной области).

Так как выход второго триггера 13 подключен к первьил входам первого элемента 14 И, второго элемента 15 И и третьего элемента 16 И, а на вторые входы всех трех элементов И, напряжение Ug поступает только в конце каждо го интервала положительности, то, независимо от наличия напряжений на третьих входах первого элемента 14 И, и второго элемента 15 И, на выходах всех трех элементах И в конце интерва ла положительности устанавливается ло логический О. Первый триггер 17 сохранит логическую 1 на первом выходе (фиг. 3, кривая ) , логический О на втором выходе (фиг. 3, кривая и) .« KOTOpfcJe j. поступая на элемент 18 сравнения, формируют на его выходе положительное напряжение (фиг. 3, кривая ) (Обеспечивгиоадее возрастание напряжения на выходе интегратора 4 (фиг.З кривая U,.j) и частоты регулирующего воздействия.

При некотором значении частоты регулирукнцего воздействия управляемая величина достигает экстремального значения, причем функциониров ание экстремального регулятора дорезонансной области происходит согласно изложенному.

Дальнейшее возрастание частоты регулирующего воздействия приводит к уменьшению амплитуды колебаний управляемой величины (фиг. 3 зарезонансная область). На интервале положительности импульс напряжения U, соответственно, импульс последовательности Uj отсутствует. На выходе второго триггера 13 на интервале положительности управляемой величины не устанавливается логический JP, и к концу интервала на его выходе остается логическая 1 (фиг.З кривая UQ). Таким образом, в конце интервала положительности, определяемом импульсом последовательности Ug, на первых и вторых входах первого элемента 14 И, второго элемента 15 И и третьего элемента 16 И устанавливаются логические 1, поступающие соответственно с выхода второго триггера 13 и третьего формирователя 12 импульсов заданной длительности. Так как в конце интервала поло жительности на третий вход первого

элемента 14 И поступает логический О со второго выхода первого триггера 17, а на третий вход второго элемента 15 И - логическая 1 с его первого выхода, то на выходе первого элемента 14 И появится логический О (фиг. 3, кривая и,а на выходе второго элемента 15 И - логическая 1 (фиг. 3, кривая ) .Одновременно логическая 1 (фиг. 3, кривая Uj,) появится и на выходе третьего элемента 16 И. Логическая 1 с выхода второго элемента 15 И, поступая на второй вход первого триггера 17, переключает его, на втором выход этого триггера появляется логическая 1 (фиг. 3, кривая и ), на первом выходе - логический О (фиг. 3, кривая ) , которые, поступая на входы элемента 18 сравнения, изменяют знак напряжения Ui2. на его выходе. При изменении знака напряжения поступающего на интегратор 4, напряжение . его выход-е начинает уменьшаться. Это приводит к уменьшению частот регулирующего воздействия и увеличению амплитуды управляемой величины.

Одновременно с переключением первого триггера 17 импульс с выхода третьего элемента 16 И поступает на вход разрядного ключа 19, который обеспечивает разряд конденсатора 7, подготавливая его к новому циклу работы.

На следующем после разряда конденсатора 7 интервале,положительности управляемой величины происходит заряд конденсатора, появляется импульс напряжения U и импульс .последовательности U, Это не приводит к переключению первого триггера 17 и частота регулирукицего воздействия продолжает уменьшаться. Управляемая величина вновь достигает экстремёшьного значения и после этого переходит в дорезонансную область. Поскольку понижение частоты приводит к уменьшению амплитуды колебаний управляемой величины, импульсы и и и {, на интервале положительности управляемой величины не возникают и произойдет переключение первого триггера 17. Отличие от изложенного состоит в том, что переключение первого триггера 17 происходит за счет появления на его первом входе логической 1, которая поступает с выхода пергого элемента 14 И, и возникает за счет того, что на третий вход этого элемента со второго выхода ранее переключающегося первого триггера 17 поступает логическая 1 на второй вход - логическая 1, соответствующая концу интервала положительности, а на первый вход логическая 1 с выхода второго триггера 13, который не переключился изза отсутствия импульса напряжения и . Частота регулирующего воздейст-. ВИЯ начинает возрастать и рассмотре ное изменение управляемой величины повторится. Одновременно с переключ нием первого триггера 17 импульс U поступая на вход разрядного ключа 1 обеспечивает разряд конденсатора 7, подготавливая его к новому циклу ра боты. Возникает автоколебательный режи в котором с1мплитуда управляемой величины колеблется относительно ее максимсшьного значения, что соответ ствует поддержанию экстремума с некоторым значением потерь на рыскани в его окрестности. Если первоначальное включение ре гулятора происходит в зарезонансной области или дрейф экстремальной характеристики , то поиск и поддержание экстремума осуществляется согла но изложенному, поскольку алгоритм поиска и поддержания экстремума не содержит каких-либо ограничений и основан лишь на том,что при движении к экстремуму амплитуды колебаний управ ляемой величины увеличивается, а при движении от экстремума - уменьшается. Использование новых элементов (трех формирователей импульсов задан ной длительности, трех элементов И и второго триггера с раздельными входами) выгодно отличает предлагаемый экстремальный регулятор от известных устройств. Из-за возможности поиска и поддержания экстремума на резонансных объектах с низкой доброт ностью расширяется область применения экстремального регулирования на технологических объектах в 1,8-2 раз Формула изо ретения 1. Экстремальный регулятор для резонансного объекта, содержащий последовательно соединенные датчик управляемой величины, выпрямитель, нагрузочный элемент и первый пороговый элемент, последовательно соединенные элемент сравнения, интегратор и исполнительный механизм и последовательно соединенные первый элемент И и первый триггер, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами элемента сравнения, второй выход датчика управляемой величины через элемент памяти, соединен со входом первого порогового элемента, третий выход - со входом второго порогового элемента, а выход выпрямителя заземлен, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулятора, он содержит первый формирователь импульсов, последовательно соединенные второй формирователь импульсов, второй триггер и второй элемент И, выход которого соединен со вторым входом первого триггера, и последовательно соединенные третий формирователь импульсов, третий , элемент И и ключ, первый и второй выходы которого соединены соответственно со входом первого порогового элемента и со вторым выходом датчика управляемой величины, выход первого порогового элемента через первый формирователь импульсов соединен со вторым входом второго триггера, выход которого соединен со вторыми входс1ми первого и третьего элементов И, выход второго порогового элемента соединен со . дходами второго и третьего формирователей импульсов, а выход третьего формирователя импульсов соединен со вторыми входами первого и второго элементов И,третьи входы которых соединены с первым и вторым входами элемента сравнения соответственно. 2. Экстремальный регулятор для резонансного объекта по п.1, отличающийся тем, что формирователи импульсов выполнены в виде последовательного соединения дифферен циатора, селектора импульсов и порогового элемента,выход которого соединен с выходом формирователя импульсов, а вход дифференциатора соединен со входом формирователя импульсов. Источники информадии, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 590695, кл. G 05 В 13/02, 1976. 2.Либерзон Л.И. и др. Системы экстремгитьного регулирования. М. , Энергия, 1965, с. 29-34 (прототип).

Hra

t4

: