Устройство для моделирования ограничительной характеристики Советский патент 1982 года по МПК G06G7/25 

(S) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОГРАНИЧИТЕЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, автоматике, телемеханике, измерительной технике и тепловозостроению, а именно к устройствам для моделирования ограничительной характеристики

Изобретение может быть использовано при исследовании и расчете систем, содержащих устройство, ограничивающее выходной сигнал устройства -с перемен- д ным ограничением в автоматике, телемеханике, измерительной технике и тепловозостроении, а также для демонстрационных целей в учебном процессе. Устройство может быть использовано, на- J5 пример, для моделирования узла касания

колесной пары локомотива с рельсом.

Известно устройство для моделирования ограничительной характеристики, 20 содержащее усилитель, соединенный с цепью обратной связи усилителя, в которую включены ограничитель и четырех диодный мостовой элемент, выход усилителя непосредственно подключен к выходу устройства, вход усилителя сог единен с входом устройства через входное сопротивление усилителя и сумматор l.

Однако в известном устройстве количество связей, соединяющих вход устройства с его выходом, уменьшено, действие цепи обратной связи усилителя и действие ограничителя ухудшено. Это ухудшает передачу информации и энергии входного сигнала на выход устройства. В устройстве вход устройства соединен с выходом устройства через сумматор, который соединен с входом усилителя, а в цепь обратной связи усилителя включен четырехдиодный мостовой элемент. Это ухудшает действие 1(епи обратной связи усилителя и передачу информации и энергии входного сигнала на выход устройства.

Наиболее близким- техническим решением к предлагаемому является устройство для моделирования ограничительограничения, состоящий из двух диодов и четырех резисторов, и операционный усилитель, вход которого подключен к аноду первого .и катоду второго диода блока ограничения, через входной резистор - к входу устройства и через резистор обратной связи - с выходу операционного усилителя, выход которого является выходом устройства и соединен через первый резисторблока ограничения с катодом первого диода блока ограничения и через второй резистор блока ограничения - с анодом второго диода блока ограничения, первый 15 к

управляющий вход блока ограничения через третий резистор соединен с катодом первого диода, второй управляющий вход блока ограничения через четвертый резистор соединен с анодом вто- 20 рого диода, причем управляющие входы блока ограничения подключены к входу устройства 2 ./,

В этом устройстве уменьшено количество связей, соединяющих вход уст- 25 ройства с выходом устройства, т. е. ухудшено действие цепи обратной свяг зи усилителя и действие, ограничителя jj что ухудшает передачу информации и энергии входного сигнала на выход уст-ЗО ния ройства.-Поэтому данное устройство имеет пониженные быстродействие, точность и суженные функциональные возможности. Цель изобретения - повышение точности моделирования. Указанная цель достигается там, что в устройство, содержащее блок ограничения, состоящий из двух диодов и четырех резисторов, и операционный усилитель, вход которого подключен к аноду первого и катоду второго диода блока ограничения, через входной резистор - к входу устройства и через резистор обратной связи - к выходу операционного усилителя, выход которого является выходом устройства и со единен через, первый масштабирующий ре зистор блока ограничения с катодом первого диода блока ограничения и через второй- масштабирующий резистор блока ограничения - с анодом второго ограничительного диода блока ограничения, первый управляющий вход блока ограничения через третий масштабирующий резистор соединен с катодом перво го ограничительного диода, второй упрез четвертый масштабирующий резистор соединен с анодом второго ограничительного диода, введены первый и второй блоки управления, выходы которых подключены соответственно к первому и второму управляющим входам блока ограничения, вход первого и второго блоков управления соединены с входом устройства, причем каждый блок управления содержит два функциональных преобразователя, дифференцирующее звено и сумматор, выход которого является выходом блока, входКоторого подключен

разователя и через дифференцирующее звено - к входу второго функционального Преобразователя, выход котброго соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для моделирования ограничительной характеристики; на фиг. 2 - график зависимости выходного сигнала устройства от входного сигнаяа устройства; на фиг. 3 структурная схема первого блока управлевходу первого функционального преоб(блок управления нижним ограничением устройства); на фиг. 4 - график зависимости выходного сигнала первого функционального преобразрвателя первого блока управления от входного сигнала; на фиг. 5 . график зависимости выходного сигнала второго функционального преобразователя первого блока -управления от входного сигнала; на фиг. 6 - структурная схема второго блока управления (блок, управления верхним ограничением устройства); на фиг. 7 - график зависимости выходного сигнала первого функционального преобразователя второго блока управления от входного сигнала; на фиг. 8график зависимости выходного сигнала второго функционального преобразователя второго блока управления от входного сигнала; на фиг. 9 график зависимости выходного сигнала первого блока управления (управление нижним oi- раничением); на фиг. 10 - график зависимости выходного сигнала второго блока управления (управление верхним ограничением). Устройство содержит (фиг. 1) one- рацион.ный усилитель 1, цепь 2 обратной связи усилителя, состоящую из блока 3 ограничения и резистора 4, выход Е} вход 6, входной резистор 7, первый блок 8 управления, второй блок 9 управления. Блок ограничения 3 содержит резисторы 10-13 и диоды 15. Первый блок 8 управления (фиг. 3) содержит первый функциональный преобразователь 16 с выходом 17, подключен ным к первому входу сумматора 18 с выходом 19, второй вход 20 которого подключен к выходу второго функционального преобразователя 21, вход 22 которого через дифференцирующее звено 23 подключен к входу 6 устройства. Второй блок 9 управления (фиг. 6) содержит первый функциональный преобразователь 2Ц с выходом 25, подключен ным к первому входу сумматора 26 с выходом 27, второй вход 28 которого соединен с выходом второго функционального преобразователя 29, выход 30 которого через дифференцирующее звено 31, подключен к входу 6 устройства. Устройство работает следующим образом. При положительном по значению вход ном сигнале х. (фиг. 2) устройства, О .увеличивающемся по абсолютной величине и меньшем или равном по абсолютной величине сигналу начала ограничения, с выхода блока 8 на пррвый управляющий вход блока 3 поступает си1- .нал L (фиг. 9). С выхода блока 9 на второй управлияющий вход блока 3 поступает отрицательный сигнал L-c, пропор циональный заданной величине (фиг. 10). Сигнал на выходе 5 усилите ля 1 пропорционален по величине входному сигналу в результате действия сигнала с выхода 5 усилителя 1 на вход усилителя 1 и через резистор Ц и че-. рез блок 3Положительный сигнал L через резистор 12 поступает на катод диода И поэтому диод I закрыт. Отрицательный сигнал поступает через резистор 13 на анод диода 15, поэтому и диод 15 тоже закрыт. Отрицательный сигнал с выхода 5 усилителя 1 поступает на вхо -ды блока. 3 и на резистор k. С второго входа блока 3 отрицательный по значению сигнал поступает на анод диода 15 через резистор 11, поэтому диод 15 своего состояния не изменяет, т. е. он закрыт. С первого входа блока 3 отрицатель ный сигнал поступает на катод диода Ц через резистор 13. При превышении по абсолютной величине отрицательным сигналом на выходе 5 усилителя 1 величины, пропорциональной входному сигналу, диод 14 открывается и сигнал на выходе 5 усилителя 1 принимает вели чину, пропорциональную входному сигналу. При положительном входном сигнале х, увеличивающемся по абсолютной величине .и большем по абсолютной величине сигнала начала ограничения, с выхода первого блока 8 поступает положительный по значению сигнал Ц/j (фиг. 9), который зависит от входного сигнала первого элемента управления и пропорционален ограничению выходного сигнала устройства и ошибке ограничения В, обусловленной действием сопротивления блока 3 при ограничении выходного сигнала устройства. С выхода блока 9 поступает при этом отрицательный сигнал L25 (фиг. 10). Положительный сигнал L , пропорциональный по величине ограничению выходного сигнала устройства и ошибке ограничения В выходного сигнала устройства, поступает с первого управляющего входа блока 3 на катод диода 1 через сопротивление 12, поэтому диод 1 закрыт. Отрицательный сигнал L пропорциональный заданной величине (-I.J--),, поступает с второго управляющего входа блока 3 на анод диода 15 через сопротивление R, поэтому диод 15 закрыт. С входа 6 устройства входной сигнал передается на выход 5 усилителя 1. С выхода 5 усилителя 1 отрицательный сигнал поступает на вход усилителя 1 через резистор k, и отрицательный сигнал на выходе 5 усилителя 1 стремится принять величину, пропорциональную входному сигналу. Отрицательный сигнал с выхода 5 усилителя 1 поступает на входы блока 3. С второго входа блока 3 отрицательный сигнал поступает на анод диода 15, поэтому диод 15 закрыт. С первого входа блока 3 отрицательный сигнал поступает на катод диода И. При превышении по абсолютной величине отрицательным сигналом на выходе 5 усилителя 1 величины, пропорциональной ограничению выходного сигнала устройства, ди.од Т открывается, и сигнал на выходе 5 усилителя 1 принимает величину, пропорциональную ограничению сигнала устройства. При этом ограничение выходного сигнала устройства зависит по личине от сигнала L.- и U xfг -25 При положительном входном сигнале большем по абсолютной величине В начала ограничения, отрисигналацательный выходной сигнал устройства увеличивается по абсолютной величине на величину ошибки ограничения .В Я-Ь(|Ъ где Rtgp,- сопротивление цепи 2 обрат ной связи усилителя 1, в которую включен ограничитель 3; входнойсигнал мнимого начала ограничения. При этом в результате действия сиг нала с входа 6 устройства на вход первого блока 8 управления с его выхода 9 поступает положительный сигнал, который уменьшен по абсолютной величине от сигнала ограничения на величину, пропорциональную ошибке огранимения В. Поэтому диод 14 открывается и сигнал на выходе устройства уменьшается по абсолютной величине на вели чину ошибки ограничения В. Это устраняет ошибку ограничения В выходного сигнапа устройства, обусловленного действием сопротивления блока 3. При положительном по значению вход уменьшающемся по абНОМ сигнале х солютной величине и большем по абсо-гютнои величине сигнала окончания ограничения {фиг. 2), действие устрой ства аналогично действию устройства при положительном по значению входном сигнале х„ул увеличивающемся по абсолютнои величине и большем по абсолютНОИ величине сигнала х начала ограничения. При положительном по значению вход ном сигнале х, уменьшающемся по абсолютной величине и меньшем или рав ном по абсолютной величине сигналу х окончания ограничения, действие устройства аналогично действию устройства при положительном входном сигнале, увеличивающемся по абсолютной величине и меньшем или равном по абсолютной величине сигналу начала ограничения.I При отрицательном по значению вход ном сигнале действие устройства аналогично описанному ранее действию устройства при положительном по значению входном сигнале. 9 ве 38 Первый блок 8 управления (фиг. 3) работает следующим образом. При положительном входном сигнале Xg,, меньшем или равном по абсолютной величине сигналу начала ограничения, с выхода 17 на первый вход сумматора 18 поступает положительный сиг , пропорциональный по величине входному сигналу (.tgei;. При входном сигнале х начала oi- раничения, пропорциональном величине Н, сигнал LI/ на выходе 1 пропорционален величине Н. При положительном входном сигнале х...,, большем по абсоWВЛлютнои величине сигнала Хлц начала ограничения, с выхода 17 поступает положительный сигнал 1 пропорциональныи ограничению выходного сигнала устройства и ошибке ограничения В выходного сигнала устройства, обусловленной действием сопротивления блока 3 1-,; F(X; В) где В - ошибка ограничения выходного сигнала устройства. В (V ob-t9 f.- угол ошибки ограничения вы хоДного сигнала устройства, вносимой сопротивлением цепи 2 обратной, связи усилителя 1 ; входной сигнал мнимого начала ограничения. При отрицательном по значению или равном нулю входном сигнале выхода 17 поступает-сигнал LO, равный нулю. При увеличивающемся входном сигнале устройства с выхода 20 поступает сигнал ), равный нулю. При. уменьша-. ющемся входном сигнале устройства с хода 20 поступает положительный по значению сигнал l. имеющий заданную величину Сигнал пропорционален прибавке ограничения огр ошибке ограничения «tgjvj. В результате, сложения 1 i4 1 на сумматоре 18 получаем L (фиг. 9). Блок 9 управления (фиг. 6) функционирует аналогичным образом. В результате соединения управляющих входов блока ограничения с входом устройства через блоки управления образуется дополнительный второй канал передачи входного сигнала на выход устройства, что улучшает передачу информации и энергии входного сигнала на выход устройства. Причем на управляющие входы блока ограничения поступает сигнал с выходов блоков управления, несущий информацию о величине входного сигнала устройства, о направлении изменения входного сигнала устройства и об ошибке ограничения, которая возникает в рез/ль-, тате действия сопротивления блока oi- ранкчения. Формула изобретения Устройство для моделирования ограничительной характеристики, содержащее блок ограничения, состояний из двух ограничительных диодов и четырех масштабирующих резисторов, и операционный усилитель, вход которого подключен к аноду первого и катоду второго ограничительных диодов блока ограничения , через входной резистор - к входу устройства и через резистор обратной связи - к выходу операционного усилителя, выход которого является выходом устройства и соединен через первый масштабирующий резистор блока ограничения с катодом первого ограничительного диода блока ограничения и че рез второй масштабирующий резистор блока ограничения - с анодом второго . ограничительного диодо блока ограниче- ния, первый управляющий вход блока or- раничения через третий масштабирующий резистор соединен с катодом первого ограничительного диода, второй управляющий вход.блока ограничения через четвертый масштабирующий резистор соединен с анодом второго ограничительного диода, отличающееся тем, что, с целью повышения точности моделирования, в него введены первый и второй блоки управления, выходы которых подключены соответственно к первому и второму управляющим входам блока ограничения, вход первого и второго блоков управления соединены с входом устройства, причем каждый блок управления содержит два функциональных преобразователя, дифференцирующее звено и сумматор, выход которого является выходом блока, вход KOtoporo подключен к входу первого функционального преобразователя и через дифференцирующее звено - к входу второго функционального преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммаТора, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя. . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе -1. Тетельбаум Н. М. и Шнейдер Ю.-.Р. 00 схем для АВМ. М., Энергия, 1978, с. 75. 2. Коган Б. Я. Электронные моделирующие устройства и их применения для исследования систем автоматического регулирования, М., 19бЗ. с. 383 (прототип .

if PfiXiB)

/;f яА ГАГ;а;

Фм.1

У/огуо

-У//Г

/2.2

) 23 22 Vff ФигЛ

/6

/7 . /

t

/;«/5 ;3 Фаг. 5 фиг.5

t

30 29 Фиг.б

2f

I 7

U

/г

-« Ua

Цогр

-%2

Фut.

i/г.в