Способ формирования трехуровнего сигнала в релейных системах управления динамическим объектом и релейный регулятор для его осуществления

 

Изобретение относится к технике автоматического управления. Способ формирования управляющего сигнала и релейный регулятор позволяют исключить влияние ограничения сигнала регулируемой координаты на процесс управления, уменьшить перерегулирование и время переходного процесса Для этого с момента изменения знака скорости регулируемой координаты формируют дополнительный релейный управляющий сигнал до момента рлвенсг ва нулю вспомог и гелыюге сигнала. Образование вспомогательного сигнала осуществляют путем интегрирования сигнала скорости регулируемой координаты в течение времени действия основного и дополнительного релейных управляющих сигналов . 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 5 С 05 В 11/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4699047/24 (22) 18. 04.89 (46) 30.08.92. Ьюл. Р 32 (71) Головное конструкторское бюро

Научно -прonзнодстненíorо объединения 1 Энергия" (72) Г.Я.Леденев (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1280567, кл. С 05 В 11/14, 1986.

Авторское свидетел ьство СССР

Н - 805247, кп. С 05 В 13/02, 1981. (54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХУРОВНЕГО УЛРАР1(Я10ЩЕГО СИГНАЛА В РЕЛЕЙНИХ

СИСТЕМАХ УЛРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ И РЕЛЕЙНБЦ1 РЕГУЛЯТОР (57) Изобретение относится к технике автоматического управления . Способ

Изобретение относится к технике автоматического управления, в частности, к технике 6ормирования управляющих сигналов.

Известен способ (3ормиронания трехуровневых управляющих сигналов в релейно-импульсных системах управления динамическим объектом, основанный на том, что в зависимости от ог3ибки управления формируют импульсный и релейный управляющие сигналы путем создания скользящего pe rMa.

Недостаток этого способа состоит в сложности его реализации, а также н том, что при ограличении входного сигнала рассогласования возрастают время переходного процесса и перерегулирование, Известен релейно-импульсный регулятор, реализуюций указаппый способ

5О«» 1758633 А1 стормирОнания у11ранляющегО с1(гнала

lr релейный регулятор позволяют исключить влияние ограничения сигнала регулируемой координаты на процесс управления, уменьщить перерегулиронание и время переходного процесса.

Для этого с момента изменения знака скорости регулируемой координаты формируюг дополнительный релейный управляюпий сигнал до момента рагенстВа EI) ëi0 нспОмОг а тел ьн 0 го cnl Elал а, Образование вспомогательного сигнала осуществляют путем ин те r рир онания сигнала скорости регулируемой коордилаты в течение времени действия основного и дополнительного релейных управляющих сигналон . 3 ил . и содержащий сравнивающее устройство, фильтр, инерционное звено, многопороговый импульсный преобра зонатель, трех позиционный релейный элемент и суммирующии усилитель. (л

Недостаток этого регулятора состо- QQ ит в сложности em реализации, а так-,О, же в том, что при ограничении нходного сигнала рассогласования I3c зрастан т время переходного процесса и 1(еререгулирование.

Наиболее близким тенги(ис ским решением к способу (11ориирс1В(11и(я трехуровневого управляющего гигl!(lл;. яВляетс я способ, нклюающий. измеp(3llii» сигнапс(В рассогпасования и скор(-г щ1 ("мс 1(ения рассогласования и ири с 1;: ..1;(»1(ип их знаков Ьормирона1(и(. р:.1 "i .: о у11;, i 13 лян1щего сигнала, .,1(а к .(, В г(1(p(ãër1758633 воиоложен знаку сигнала рассогласования.

Недостаток этого способа состоит в том, что при ограничении сигнала рассогласования возрастают время пе5 реходного процесса и перерегулирование.

Наиболее близким техническим решением к релейному регулятору является устройство, содержащее первый и второй интеграторы, первый, второй и третий компараторы, при этом входы первого и второго компараторов являются входом устройства.

Недостаток этого устройства состоит в том, что при ограничении сигнала рассогласования возрастают время переходного процесса и перерегулирование.

Цель изобретения — уменьшение пере20 регулирования и времени переходного процесса.

Суцность изобретения состоит в том, что способ формирования трехуровневого управляющего сигнала, включающий 25 измерение сигналов рассогласования и скорости изменения рассогласования и при совпадении их знаков формирование релейного управляющего сигнала, знак которого противоположен знаку «0 сигнала рассогласования, предполагает с момента начала формирования релейного управляющего сигнала формирование вспомогательного сигнала путем интсгрирования от нуля сигнала скорости изменения рассогласования, при этом

35 формирование вспомогательного и релейного управляющего сигналов прерывается при уменьшении абсолютного значения вспомогательного сигнала до нуля, а крутизну интегрирования К при уменьпении абсолютного значения сигнала рассогласования и крутизну интегрирования К при нарастании абсолютного значения сигнала рассогласования выбирают одинакового знака из условия к,)» к

В релейньa(регулятор, содержащий первый и второй интеграторы, первый, второй и третий комиаряторы, при этом входы первого и второго компараторов

56 являются входам устройс-âà,,введены шесть элементов И, пять элементов

ИЛИ, два ключа, двухпороговый компаратор, два блока масштабирования и четвертый компаратор, при этом выход первого компаратора соединен с первыми входами первого, четвертого н пятого элементов И, выход второго компаратора соединен с первыми входами второго, третьего и шестого элементов И, выход третьего компаратора соединен со вторыми входами первого и третьего элементов И, выход четвертого компаратора соединен со вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход первого элемента И соединен с первыми входами первого и треть- его элементов ИЛИ, выход второго элемента И соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и с первым входом четвертого элемента ИЛИ, выходы треть" его и четвертого элементов И соединены с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, информационный вход которого является вторым входом устройства, и соединен с информационными входами первого интегратора и второго ключа, выход первого ключа через первый блок масштабирования соединен с первым информационным входом второго интегратора, выход которого соединен с входом двухиорогового компаратора, соединенного своим выходом со вторыми входами пятого и шестого элементов И, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, соединенных своими выходами соответственно с первым и вторым входами пятого элемента ИЛИ, инверсный выход которого соединен с входом обнуления второго интегратора, второй информационный вход которого соедйнен через второй блок масштабг-* рования с выходом второго ключа, управляющий вход которог0 ;=оединен с выходом иервогс элемента ИЛИ, вь ход первого интегратора соединен со входами третьего и четвертого компараторов, а выход третьего элемента ИЗМ является первым выходом устройства, выход четвертого элемента 1ШИ является вторым выходом устройства.

На фиг. 1 представлена охема релейного регулятора, реализующего способ формирования трехуровневого управляющего сигнала; на фиг. 2 фазовые траектории системы управления, использующей релейный. регулятор r. 1, Изобретение выполняется следуюпдм образом. Вход устройства 1 соединен со входом первого 3 и второго 4 компараторов, а второй вход устройства

2 соединен с информационным входом

17586 первого интегратора 5, первого ключа 19 и второго ключа 20 ° Выход первого интегратора 5 соединен со входами третьего 6 и четвертого 7 компараторов. Выход первого кояпарато5 ра 3 соединен с первыми входами первого 8, четвертого 11 и пятого 12 элементов И, выход второго комт»аратора 4 соединен с первыми входами

10 второго 9 третьего 10 и шестого 13 элементов И, выход третьего компаратора 6 соединен со вторыми входами первого 8 и третьего 10 элементов И, выход четвертого компаратора 7 соединен со вторыми входами второго 9 и четвертого 11 элементов И. Выход первого элемента И 8 подключен к первым входам первого 14 и третьего 16 элементов ИЛИ, выход второго элемента И 9 20 подключен ко второму входу первого элемента ИЛИ 14 и первому входу четвертого элемента ИЛИ 17, выход третьего 10 и четвертого 11 элементов И соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ

15, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа 19, выход которого через первый блок масштабирования 25 соедйнен с первым информационным . входом второго интегратора 21, соединенного своим выходом с входом двухпорогового компаратора 22, выход которог6 подключен ко вторым входам пятого 12 и шестого 13 элементов И. Выход пятого элемента И соединен со вторым входом третьего элемента ИЛИ 16, выход шестого элемента

И 13 соединен со вторым входом четвертого элемента ИЛИ 17.Выход третьего элемента ИЛИ 16 соединен с первым входом нятого элемента ИЛИ 18 и является первым выходом 23 устройства, выход четвертого элемента ИЛИ 17 соединен со вторым входом пятого элемента ИЛИ 17 и является вторым выходом 24 устройства. Инверсный выход пятого элемента ИЛИ 18 соединен со входом обнуления второго интегратора 21, второй информационный вход которого через второй блок масштабиро50 вания 26 подключен к выходу второго ключа 20, управляющий вход которого соединен с выходом первого элемента

ИЛИ 14 .

На фиг.2 Х вЂ” сигнал рассогласования, Х вЂ” скорость изменения сигнала рассогласования, ?.„, 1. „, у„, 33

6 пинии»»ерек»юче»»ия

I на фаэовой»»лоскости Х, Х.

Релейный регулятор работлет следующим образом. Пусть на вход релейного регулятора 1 поступает сигнал

Х вЂ” сигнал рассогласования и на второй вход 2 поступает сигнал Х вЂ” сигнал скорости изменения рассогласования. Считаем, что сигнал Х имеет ограничение в некоторой точке Х», (в этом состоит отличие Х,„ от сигнала рассогласования Х) °

Предположим, что выходной сигнал первого интегратора 5 имеет ограничение, такое, что -g c I (3 где 3

t заданная величина. Рассмотрим работу такого интегратора. Пусть Х ) О. Через некоторое время выходной сигнал I станет равным 8 . В этом случае первый интегратор 5 будет сохранять свое соФ стояние I = Р до тех пор, пока Х ) О.

Пусть в некоторый момент времени

Х = О, а затем этот сигнал начал уменьшаться (Х (0). С этого момента времени начнет уменьп»аться и сигнал I.

Через некоторое время $t сигнал станет равным -8, т.е. изменение состояния первого интегратора 5 происходит после изм нения з».ака сигнала

Х, при этом за время изменения состояния этого интегратора от I = 8 до I

=-8. сигнал рассогласования Х изменяется на величину h X = 23, т.к. h X

4,+et

Xdt = 2g. Аналогичные ряссу»,"+о дения можно провести и для случая

ХаО.

Таким образом, изменение состояния первого интегратора 5 от I = 3 до

I = - t и наоборот происходит после изменения знака сигнала .,. Зл время этого изменения сигнал рассогласования изменяется на величину (Х = 2о .

Если о выбрать достаточно малой величиной, то можно считать, что изменение состояния первого интегратора 5 происходит при изменении знака сигнала Х.

Пусть сигнал Х> у»зели п»ляется от нуля (X ) О) . При Хс» c h (h — уровень срабатывания и отпускянпя гторого компаратора 4) выходные с»»г»»ллы первого 3 и второго 4 ко»п»яряторов соответственно рявнк» R» = О, и 1 =

/ll ll

О (0 обозначает низкий уровень выходного сигнала) . Г>» г:и»»»»»-»е с»г»»л.»д» первого 8, второго 9, тр -»",.» с 1О и четвертого 11 элвис»»т»»» И с»«т»»ст7

1 758633

8 (4) Тогда

8„-КХ стелло равнл1 R6 = О, Г > =- О, к!< = О и R1< = О. Выходной сигнал третьего элемента ИЛИ 16 U = О (первый выход устройства 23), выходной сигнал четвертого элемента ИЛИ 17 U+ = О (второй выход устройства 24), вследствие чего инверсный выходной сигнал пятого элемента ИЛИ 18 Е = 1("!" обозначает

7 высокий уровень выходного сигнала) 10 и этот сигнал производит обнуление второго интегратора 21 (выходной сигттал этого интегратора S = 0), При X > 0 выходной сигнал первого интегратора 5 I =Д . В этом случае 15 срабатывает четвертый компаратор 7 (его уровень срабатывания и отпускания выбирается равным о ) и его выходной сигнал R = 1. Этот сигнал разрешает прохождение сигналов К! и R2 20 через второй 9 и четвертый 11 элементы И. При Х> = h второй компаратор 4 срабатывает и его выходной сигнал

11 = 1, Так KGK К 4 = 1 то и R = 1

Выходные сигналы первого 14 и второго 25

17 элементов ИЛИ будут соответственНо равны Рi,14 = 1 H U = 1 ° С 9TQI момента времени формируется положительный выходной сигнал U + = 1 и одновременно выходной сигнал первого ИЛИ 14 30

R 1 = 1 открывает второй ключ 20, а выходной сигнал пятого элемента ИЛИ

18 R7 = О (U = 1) снимает обнуление второго интегратора 21 Открытый второй ключ 20 с этого момента времени

t o подает на вход второго интегратора 21 через второй масштабирующий блок 26 с коэффициентом передачи I< сигнал X. При достижении выходным сигналом второго интегратора 21 S значения g срабатывает двухпороговый компаратор 22 (Ь вЂ” уровень срабатывания и отпускания этого компаратора при S ) О, Q — малая величина) и его выходной сигнал Rg = 1 подается на входы ттятого 12 и шестого 13 элементов И. Так как Г< = О, R = 1, то выходные сигналы пятого 12 и шестого 13 элементов И равны соответственно

Е (= 0 и К Я = 1, Сигнал R )g = 1 50 через четвертый элемент ИЛИ 17 поддерживает высокий уровень сигнала U

Состояние схемы не будет изменяться до тех пор, пока не изменится знак сигнала л. Пусть это произойдет в

55 момент времени t1, За время от tg до,, t I сигнал второго интегратора 21 S

1 будет равен Б 8 К т Хс ти кя 3 Xdt (1) Отметим, если Х„ -- максимальное знат1т чение сигнала рассогласования, то

Х вЂ” h =J Xtd = Я /К (2) î

В момент времени t< выходной сигнал первого интегратора 5 I начинает уменьшаться (выключаются четвертый компа- ратор 7) и по истечении небольшого времени Q t сигнал I станет равным -о, В этот момент времени срабатыв ет третий компаратор 6 уровень срабатывания и отпускания этого компаратора равен - б ) . Выходные сигналы третьего

6 и четвертого 7 компараторов соответственно равны R = 1 и В1т = О, Сигнал R = 1 разрешает прохождение сигнала R = 1 через третий элемент

И 10 на вход второго элеметтта ИЛИ 15, выходной сигнал которого Р = 1 от о& крывает первый ключ 19, подключая тем самым сигнал X к первому информационному входу второго интегратора

21 через первый блок масштабирования

25. с коэффициентом передачи К» . Сигнал К = О запрецает прохождение сигнала R = 1 через второй элемент И 9 и его, выходной сигнал R = О, значит, и R1 = О, Этот сигнал закрывает вто рой ключ 20 и с момента времени выходной сигнал второго интегратора

21 S начинает уменьшаться /Х а О).

При достижении сигналом S значения Ь выключается двухпороговый компаратор

22 и его выходной сигнал R О заттрещает прохождение сигнала R< = 1 через шестой элемент И 13 на вход четвертого элемента или !17 и ее выходной сигнал U становится -равным нулю. Одновременно выходной сигнал пятого элемента ИЛИ 18 R = 1 производит обнуление второго интегратора 21.

Пусть S = Q в момент времени

Для этого момента времени имеем

S =6 = S -К,J Хж (3)

t1

Введем обозначение е< х = j хаг.

Так как Q близка к нулю, то с учетом (2) имеет I

К (Х„- h) = К,Х,, (5) 1 7586 <.3

Таким образом, формирование вьтходно— го управляющего сигнала U+ = 1 начинается с момента времени to, при котором Хц = h. С этого момента времени до момента времени t1, т.е. в течение времени, пока знаки сигналов !

Х(, и Х совпадают, формируется релей ный управляющий сигнал U+ = 1. Одновременно с момента времени t до момено та времени t формируется вспомогательный сигнал S путем интегрирования скорости изменения сигнала расr согласования Х /выражения (1) и (3)/.

Прерывание релейного управляющего сигнала U+ = 1 производится в момент равенства нулю вспомогательного сиг8 о

Аналогично схема работает и при уменьшении Х от нуля ((О) . В этом о случае срабатывает первый 3 и третий

6 компараторы, .первый 8, третий 10 и пятый 12 элементы И и второй 15 и третий 16 элементы ИЛИ формируют релейный управляющий сигнал U = t 25 на первом выходе устройства 23 °

Рассмотрим процесс управления на фазовой плоскости Х, Х на примере управления инерционным объектом второго порядка с передаточной функцией

22 (Р) = 1/Рг . Состояние объекта управления определим. сигналами Х и Х, Если управляющий сигнал U = 0 (U =

О, U = О), то фазовые траекториилинии, параллельные оси Х. Если управляющий сигнал U = 1 (U 1) или U =-1 (U = 1), то фазовые траектории-параболы, симметричные относительно оси Х.

Уравнения линий переключения имеют 40 вид

LoХ = h (X)0) линии (6)

К -е Х =-h (X (0), включения гх.(х -!)

2.-Х--! е х)ь (— - 1)

Ki

К1 линнк (7) выключения

2Ху(-Х вЂ” h)

К (— - 1)

К2

rpe X — значение ускорения сигнала рассогласования Х, возникающего при формировании управляющего сигнала

U+ = 1 или U = 1 ° Уравнения линийпе-, 55 реключения L1 иЕ1 могут быть получены на фазовой плоскости Х, Х с учетом равенства (5), определяющего уровень сигнала.Х = (Х „„- Xq) при котором происходит отключение у22равляющег с. сигнала

J(Ui=0 U =0)

Как следует из (7), для достижения устойчивого управления необходимо выбирать коэффициент передачи К1 больше коэффип2(ента передачи К .

Рассмотрим движение изображающей точки A(0, Q на фаэовой плоскости т

Х, Х фиг. 2. Система управления с рассматриваемым релейным регулятором, реализующим способ формирования управляющего сигнала, имеет фазовую траекторию Л Л1Л АзЛ ЛЗА А7 (точки принадлежат линиям переключения Lo I Lo L1). Система управления с известным регулятором имеет

2 (22азовую траекторию А - Л.еА - А А г. ь

Л А A Л А<) А1о . Предпола7 В гаем, что входной сигнал Х,х имеет ограничение в точке X> = Х,1. В соответствии со структурной схемой известного регулятора линии переключения имеют вид

Ь Х = -n(X + h), h (Х Х

К2 Х = -mg — h) - Xu X(-h (8)

Ь,— Х= Х,, Х>Х„

Е Х= -Х Õ(-XÄ

Ъ 1 где m - заданный коэффициент.

Оценим перерегулирование P и время переходного процесса Т. Под перерегулированием Р будем понимать отношеХл2 /Х222 где Х2221 максимальное

2221 1 значение сигнала рассогласования Х при управляющем сигнале U одного знака, Х 211 - максимальное значение сигнала рассогласования Х при управляющем (очередном) сигнале U другого знака .

Как следует из фазовых траекторий фиг. 2 перерегулирсвание P и время

I переходного процесса Т системы с рас сматриваемым релейным регулятором меньше перерегулирования и времени переходного процесса системы с известным релейным регулятором.

В одних и тех же условиях, например, при ХО = 10 В/сек, Х ы = 10 В, h = 1 В, Хл = 0,3 В/сек, Х = 2 В/сек

m = 0,3 1/сек, К1 = 10, К = 1 иеререгулирование в системе с известным регулятором равно 641, а в системе с рассматриваемь2м регулятором равно

97., время переходного процесса (время вхожцения изображающей точк22 в область е

X12). соответственно равны 30 сек, и 21 сек.

Формула изобретения

1. Способ формирования трехуровнего управляющего сигнала н ре. к йных

1 7 58633

12 системах управления динамическим обьектом, нключавщшr измерение сигналон рассогласования и скорости изменения рассогласования и при совпадении их знаков-Аормирование релейного управляющего сигнала, знак которого противоположен знаку сигнала рассогласования, о т л и ч а в шийся тем, что, с целью уменьшения перерегулиро- (p вания и времени переходного процесса, с момента начала формирования релейного управляющего сигнала формируют вспомогательный сигнал путем интегрирования от нуля сигнала скорости изменения рассогласования, при этом формирование вспомогательного и релейного управляющих сигналов прерывавт при уменьшении абсолютного значения вспомогательного сигнала до нуля, а крутизну интегрирования К при уменьшении абсолютного значения сигнала рассогласования и крутизну интегрирования К при нарастании абсолютного значения сигнала рассогласова- g5 ния выбирают одинакового знака из условия 1К, y ) К

2. Релейный регулятор, содержащий первый и второй интеграторы, первый, BTopoEI и третий компараторы, при этом 3р входы первого и второго компараторов являются входом регулятора, о т л иЧ а ю шийся тем, что, с целью уменьшения перерегулирования и времени переходного процесса, в него введены шесть элементов И, пять элементов ИЛИ, два ключа, днухпороговый компаратор, дна блока масштабирования и четвертый компаратор, лри этом. выход первого компаратора соединен с первыми входами первого, четвертого и пятого элементов И, выход нторого компаратора соединен с первыми входами второго, третьего и шестого элементов И, выход третьего компара45 тора соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, выход четвертого компаратора соединен с вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход первого элемента И соединен с первыми входами первого и третьего элементов ИЛИ, выход второго элемента И соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и с первым входом четвертого элемента ИЛИ, выходы третьего и четвертого элементов И соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, информационный вход которого является вторым входом регулятора, и с информационными входами первого интегратора и второго ключа, выход первого ключа через первый блок масштабирования соединен с первым информационFlbIM входом второго интегратора, выход котсрого соединен с входом двухпорогового компаратора, соединенного своим выходом с вторыми входами пятого и шестого элементов И, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, соединенных своими выходами с первым и вторым входами пятого элемента ИЛИ, инверсный выход которого соединен с входом обнуления второго интегратора, второй информационный вход которого соединен через второй блок масштабирования с выходом второго ключа, управляющий вход которого соединеч с выходом первого элемента ИЛИ, выход первого интегратора соединен с входами третьего и четвертого компараторов, Bblxop третьего< элемента ИЛИ является первым выходом регулятора, а выиод четвертого элемента ШШ является его вторым выходом, Л

1758633

@us.1

1758633

Х(У а)

Осн06нО

Регги

СИЛЧ7Л

/пади

Ретйй си иа

Вюумд

M//0Jl и,и

Фиг.Л

Составитель Г.Леднев

Редактор И.Сегляник Техред I1.11opråíòàë Корректор 0.Густи

Заказ 3000 Тираж Подписное

3Н(ЯПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Пронзаодстнеиио-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул . Гarapèиа,101