Способ и устройство для фазовой компенсации в системе управления транспортного средства

 

Изобретение относится к области систем управления и может быть использовано в системе управления транспортным средством. Технический результат заключается во введении фазовой компенсации в системе управления с ограничением скорости. Фазовая компенсация осуществляется в системе управления транспортного средства, приводимого в действие двигателем, в которой производная по времени выходного сигнала ограничивается по отношению к производной по времени входного сигнала u, если производная по времени входного сигнала u превышает некоторое заранее установленное значение. Формируется разностный сигнал ε между выходным сигналом у и сигналом х, действующим на входе схемы ограничения и имеющим производную по времени, не ограниченную в отношении производной по времени входного сигнала u. Разностный сигнал ε фильтруется в асимптотически устойчивом фильтре для получения сигнала δ, который возвращается назад и суммируется с входным сигналом u для формирования сигнала х. Можно использовать традиционный ограничитель скорости для формирования выходного сигнала у из сигнала х. 2 с.п. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к способу выполнения фазовой компенсации в системе управления транспортным средством, приводимым в действие двигателем, при котором производная по времени для выходного сигнала схемы, содержащейся в системе управления, ограничивается по отношению к производной по времени для сигнала на входе данной схемы, если производная по времени для входного сигнала превышает некоторое заранее установленное значение. Изобретение также относится к устройству для выполнения фазовой компенсации в системе управления транспортного средства, приводимого в действие двигателем, которое включает в себя схему, содержащую ограничительное средство для ограничения временной производной выходного сигнала по отношению к временной производной сигнала на входе схемы, если производная по времени для входного сигнала превышает некоторое заданное значение, установленное ограничительным средством.

Предшествующий уровень техники Все системы управления (транспортных средств) имеют физические исполнительные механизмы, например электродвигатели, гидравлические сервоклапаны и т.п. Все эти исполнительные механизмы имеют пределы скорости, обусловленные предельными значениями источника питания, гидравлического давления и т.п. Поэтому всем системам управления присущи ограничения в отношении скорости, с которой новая команда от водителя транспортного средства, т.е. изменение входного сигнала в систему управления, может вызывать соответствующие изменения в физическом выходном сигнале системы управления. Если производная по времени для входного сигнала превышает некоторое определенное значение, производная по времени для выходного сигнала ограничена по отношению к производной по времени для входного сигнала. Это ограничение известно как ограничение скорости системы управления. При очень быстрых изменениях входного сигнала, например, когда сигнал на входе системы управления является чрезмерно быстрым (или большим) синусоидальным сигналом, между входным сигналом и выходным сигналом происходит фазовый сдвиг. Это значит, что выходной сигнал задерживается по отношению к входному сигналу. Фазовый сдвиг сказывается на работе транспортного средства и в худшем случае вызывает ее нестабильность.

При реализации на воздушных транспортных средствах могут возникать так называемые возбуждаемые пилотом колебания (ВПК), когда чрезмерно быстрое изменение входного сигнала вызывает превышение ограничения скорости системы управления. Это может произойти, если в случае непредвиденных обстоятельств пилот вынужден выполнять быстрые и большие движения рычагом управления воздушного транспортного средства. Фазовый сдвиг, который возникает в результате ограничения скорости системы управления, усиливает колебания. В худшем случае эти колебания приобретают расходящийся характер, что может привести к потере управления движениями транспортного средства.

Упомянутое выше ограничение скорости наиболее ощутимо в воздушных транспортных средствах, представляющих так называемую нестабильную систему. В таком виде транспорта рули летательного аппарата подвергаются воздействию не только сигналов, посылаемых пилотом, но и стабилизационных сигналов, вырабатываемых системой управления, которые зависят от значений, полученных от датчиков в разных точках летательного аппарата.

Одним из путей преодоления упомянутых выше проблем в системах управления с ограничением скорости является введение фазовой компенсации в тот момент, когда действует ограничение скорости. Такая фазовая компенсация должна отвечать следующим требованиям: A. уменьшать запаздывание по фазе в случае синусоидальных входных сигналов; B. минимизировать динамическую задержку при быстром линейном изменении и скачках; C. обеспечивать одинаковый сигнал на входе и выходе, если входные сигналы довольно медленные.

Известно два разных способа выполнения фазовой компенсации в системах управления; Bucholz, J.J (1993) "Задержка, вызванная насыщением поверхностной скорости управления", Zeischrift f. Flugwissenschaften und Weltraumforschung, Springer Verlag, т. 17, стр. 287-293: A'harrah, R.C. (1992); "Communique with DRL and others", NASA HQ, Washington DC, 14.7.92; Chalk, C. R. (1992) "Исследование концепции ограничения скорости программными средствами" Calspan Flight Research Memorandum 635, Buffalo, NY. В этих методиках используются логические условия ("если-то-еще"), чтобы определить, требуется ли выполнение фазовой компенсации в системе управления. Однако эти условия требуют, чтобы был осуществлен переход между двумя разными динамическими поведениями для соответствующих способов. Поэтому всегда могут иметь место входные сигналы, которые дает нежелательный выходной сигнал. По этой причине ни один из этих методов не подходит для применения в системе управления с ограничением скорости.

Раскрытие изобретения В основу изобретения положена задача преодоления недостатков известного уровня и разработка способа и устройства для выполнения фазовой компенсации в системе управления с ограничением скорости.

В частности, задачей изобретения является создание способа, решающего перечисленные выше проблемы традиционной системы управления, имеющей схему ограничения скорости, непрерывным образом без перехода между разными динамическими поведениями.

Более конкретно, задачей изобретения является создание способа выполнения фазовой компенсации для таких систем посредством формирования разностного сигнала между выходным сигналом и конкретным сигналом, присутствующим в схеме, содержащей ограничительное устройство, причем производная по времени данного конкретного сигнала не ограничена по отношению к производной по времени входного сигнала; подачи разностного сигнала назад через асимптотически стабильный фильтр и суммирования полученного отфильтрованного сигнала с входным сигналом схемы для формирования сигнала, имеющего неограниченную производную по времени.

Еще одна задача изобретения - создать устройство фазовой компенсации для систем управления с ограничением скорости, включающее: получение конкретного сигнала, присутствующего в первой схеме, содержащей устройство ограничения скорости, причем производная по времени данного сигнала не ограничена по отношению к производной по времени входного сигнала; первый сумматор для получения разностного сигнала, представляющего разность между данным конкретным сигналом из первой схемы и выходным сигналом; фильтр обратной связи для возврата разностного сигнала; и второй сумматор, принимающий выходной сигнал фильтра обратной связи, для суммирования входного сигнала первой схемы с сигналом из фильтра обратной связи для формирования конкретного сигнала.

Следующая задача изобретения - исключить отрицательное воздействие высокочастотного сигнала помехи, содержащегося во входном сигнале и определяемого как частоты выше частотного диапазона системы управления, за счет обеспечения способа и устройства для исключения (или уменьшения) эффекта блокирования низкочастотных сигналов, когда во входном сигнале присутствуют высокочастотные помехи; исключения наложения ограничения скорости на выходной сигнал, если входной сигнал не имеет скорость, превышающую установленный предел, и ограничения выходного сигнала таким образом, чтобы его скорость не превышала установленный предел, обеспечивая тем самым одинаковый входной и выходной сигналы, когда входные сигналы достаточно медленные, и позволить вводить фазовую компенсацию, когда действует ограничение скорости.

Согласно изобретению также предложены способ и устройство для уменьшения проблем традиционных систем управления, имеющих ограничение скорости, посредством уменьшения запаздывания по фазе при поступлении синусоидальных входных сигналов; минимизации динамической задержки при быстром линейном изменении и скачках во входных сигналах; обеспечения одинаковых входных и выходных сигналов, когда входные сигналы достаточно медленные; исключения или уменьшения эффекта блокирования низкочастотных сигналов, когда присутствуют высокочастотные помехи; и исключения наложения ограничения скорости на выходной сигнал, если скорость входного сигнала не превышает некоторый установленный предел.

Учитывая то, что выходной сигнал находится в рамках установленного скоростного предела и что нарушения скоростного предела имеют место только при высокочастотных сигналах, а также то, что эти сигналы обычно не требуют фазовой компенсации, изобретение решает задачу использовать фазовую компенсацию, достигнутую первой схемой, только на низкочастотной части входного сигнала, без ограничения скорости выходного сигнала установленным пределом.

Задачей изобретения также являются способ и устройство для ограничения отрицательного воздействия высокочастотного сигнала помех на устройство фазовой компенсации, которое включает в себя первый сумматор, фильтр обратной связи и второй сумматор, как было описано выше для первой схемы ограничения скорости, включение первой схемы ограничения скорости во вторую схему, имеющую входной сигнал и выходной сигнал, и дополнительное включение во вторую схему фильтра нижних частот для исключения высокочастотного сигнала помех и третьего и четвертого сумматоров, и за счет такой компоновки второй схемы входной сигнал поступает на фильтр нижних частот, а также на третий сумматор, который также принимает выходной сигнал фильтра нижних частот, причем выходной сигнал фильтра нижних частот является входным сигналом первой схемы ограничения скорости, так что третий сумматор формирует разностный сигнал между входным сигналом второй схемы и входным сигналом первой схемы ограничения скорости, и разностный сигнал подается вместе с выходным сигналом первой схемы ограничения скорости на четвертый сумматор, который формирует суммарный сигнал, являющийся выходным сигналом второй схемы.

Для такой системы следующей задачей изобретения является ограничение скорости выходного сигнала, чтобы его скорость не превышала некоторый установленный предел.

Таким образом, изобретение решает задачу использования фазовой компенсации только на низкочастотной части входного сигнала, обеспечивая вместе с тем ограничение скорости для высоких частот без фазовой компенсации, и обеспечения равных скоростных пределов для двух ограничений временной производной входящего сигнала.

Более конкретно, изобретение нацелено на обеспечение такого устройства вторым устройством ограничения скорости для ограничения временной производной его выходного сигнала и для подачи суммарного сигнала из четвертого сумматора на второе устройство ограничения скорости, которое выдает на выходе сигнал, формирующий выходной сигнал второй схемы.

Для решения задачи ограничения отрицательного воздействия высокочастотных помех на устройство фазовой компенсации предложены способ и устройство, в которых производная по времени входящего сигнала дополнительно ограничивается посредством дополнительного устройства ограничения скорости, которое принимает разностный сигнал от третьего сумматора как входной сигнал и которое генерирует выходной сигнал, и подает выходной сигнал из дополнительного устройства ограничения скорости вместе с выходным сигналом первой схемы ограничения скорости на четвертый сумматор для формирования суммарного сигнала, являющегося выходным сигналом второй схемы.

Для достижения перечисленных выше задач предложена система управления транспортным средством, предназначенная для обеспечения выходного сигнала (y), имеющего производную по времени, ограниченную по отношению к производной по времени входного сигнала (u), если производная по времени входного сигнала (u) превышает некоторое установленное значение, отличающаяся тем, что содержит средство для обеспечения фазовой компенсации в системе управления. Это средство включает первичное схемное средство (1) для ограничения скорости, предназначенное для выдачи сигнала (x) и обеспечения производной по времени сигнала (x), не ограниченной по отношению к производной по времени входного сигнала (u). Первичное средство для ограничения скорости включает дифференцирующее средство (5) для формирования разностного сигнала (ε) между выходным сигналом (y) и сигналом (x), средство обратной связи для возврата разностного сигнала (ε) назад на вход первичного схемного средства для ограничения скорости, причем средство обратной связи включает фильтр (3) для формирования сигнала обратной связи (δ) и суммирующее средство (4) для суммирования сигнала обратной связи (δ) с входным сигналом (u) и выдачи сигнала (x) на выходе.

Согласно другому аспекту изобретения предложенная система может дополнительно включать средство ограничения высоких частот, предназначенное для ограничения отрицательного воздействия высокочастотных помех, содержащихся во входном сигнале. В таком варианте выполнения средство ограничения высоких частот может содержать фильтр нижних частот (8), подключенный для приема входного сигнала, предназначенный для исключения высокочастотных помех из входного сигнала и для подачи отфильтрованного входного сигнала на второе суммирующее средство; третье суммирующее средство (9) для приема входного сигнала и отфильтрованного входного сигнала и для формирования разностного сигнала (u2) между входным сигналом и отфильтрованным входным сигналом; и четвертое суммирующее средство (10), принимающее разностный сигнал (u2) и выходной сигнал (y) и формирующее суммарный сигнал, причем четвертое суммирующее средство получает сумму выходного сигнала (y) и разностного сигнала (u2) для обеспечения суммарного сигнала как модифицированного выходного сигнала (y1) системы управления.

Для решения еще одной задачи изобретения такая система может дополнительно включать в себя второе схемное средство (11) для ограничения скорости, предназначенное для ограничения производной по времени введенного в нее сигнала, при этом второе схемное средство (11) для ограничения скорости принимает модифицированный выходной сигнал (y1) из четвертого суммирующего средства (10) как входной сигнал и выдает на выходе выходной сигнал (y2) с ограниченной скоростью как выходной сигнал системы управления.

Альтернативно такая система может содержать дополнительное схемное средство (12) для ограничения скорости, предназначенное для ограничения производной по времени введенного в нее сигнала. Дополнительное схемное средство (12) для ограничения скорости (12) подключено для приема разностного сигнала (u2) от третьего суммирующего средства (9) как входного сигнала и выдачи разностного сигнала (y3) с ограниченной скоростью на четвертое суммирующее средство (10). При такой компоновке четвертое суммирующее средство (10) подключено для формирования суммарного сигнала как суммы разностного сигнала (y3) с ограниченной скоростью и выходного сигнала (y) для обеспечения выходного сигнала (y4) как выходного сигнала системы управления.

В системах управления согласно настоящему изобретению фильтр обратной связи предпочтительно является фильтром нижних частот.

Более конкретно, фильтр может содержать фильтры нижних частот первого порядка, имеющий коэффициент усиления K и постоянную времени τ . В такой конструкции коэффициент усиления предпочтительно может иметь значение от 5 до 10.

Первичная схема ограничения скорости согласно изобретению может включать устройство ограничения скорости, которое принимает сигнал (x) на входе и вырабатывает сигнал (y) на выходе.

Предложенная система управления предпочтительно может использоваться для управления воздушным транспортным средством.

Согласно еще одной задаче изобретения предложен способ обеспечения фазовой компенсации в системе управления, включающий следующие этапы; получают сигнал (x), присутствующий в первичной схеме ограничения скорости, причем сигнал (x) имеет производную по времени, не ограниченную по отношению к производной по времени входного сигнала (u); формируют разностный сигнал (ε) между выходным сигналом (y) и сигналом (x); фильтруют сигнал разности (ε) для получения сигнала обратной связи (δ), и суммируют сигнал обратной связи (δ) с входным сигналом (u) для формирования сигнала (x).

Эти и другие задачи, существенные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными для специалистов в данной области из следующего описания и чертежей, изображающих и поясняющих предпочтительный вариант осуществления изобретения, только с целью иллюстрации, а не ограничения одним из лучших вариантов (и альтернативных вариантов), пригодным для реализации изобретения. Сущность изобретения раскрыта в приложенной формуле изобретения. После изучения описания и чертежей, а также их реализации можно понять, что данное изобретение можно воплотить и в других вариантах и его некоторые детали можно модифицировать в разных очевидных аспектах, не отходя от сути изобретения, охарактеризованной в формуле изобретения. Следовательно, предложенные описание и чертежи имеют только иллюстративный характер и не ограничивают изобретение.

Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1 изображает структурную схему первого варианта выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 2 - структурную схему второго варианта выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 3 - структурную схему третьего варианта выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 4 - структурную схему четвертого варианта выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 5 - фазовую компенсацию в соответствии с первым вариантом изобретения;
фиг. 6 - фазовую компенсацию в соответствии с третьим и четвертым вариантами изобретения;
фиг. 7a - пример высокочастотного сигнала, введенного в устройство ограничения скорости и в первый и третий варианты выполнения изобретения; и
фиг. 7b - выходные сигналы, соответствующие входному сигналу на фиг. 7a, из устройства ограничения скорости и из первого и третьего вариантов выполнения изобретения.

Вариант наилучшего осуществления изобретения
Изобретение предназначено в основном для использования в управлении воздушным транспортным средством, представляющим так называемую нестабильную систему. При этом, однако, подразумевается, что сущность изобретения также распространяется на системы управления в других видах транспортных средств, приводимых в движение двигателями, и может быть применена в них.

На фиг. 1 изображен первый вариант выполнения устройства согласно изобретению. На чертеже позицией 1 обозначена первичная схема ограничения скорости в целом. Предложенная схема ограничения скорости 1 в основном содержит систему для ограничения производной по времени входящего сигнала u и включает, например, ограничитель скорости 2 и фильтр обратной связи 3. Фильтр 3 формирует выходной сигнал δ.
Первичная схема 1 ограничения скорости также содержит сумматор 4, который принимает в качестве двух входных сигналов входной сигнал u и выходной сигнал δ фильтра обратной связи 3. Сумматор 4 формирует суммарный сигнал x, который поступает на вход ограничителя скорости 2.

Схема ограничения скорости 1 также включает в себя дополнительный сумматор 5, выполняющий функцию вычитания. Сумматор 5 включен между выходом ограничителя скорости 2 и фильтром обратной связи 3. Сумматор 5 подсоединен для приема выходного сигнала y от ограничителя скорости 2, входного сигнала x, который поступает в ограничитель скорости 2 как выходной сигнал сумматора 4, и для формирования разностного сигнала ε, который подается на вход фильтра обратной связи 3. Как видно на фиг. 1, выходной сигнал у ограничителя скорости 2 также является выходным сигналом первичной схемы 1 ограничения скорости.

Специалистам в данной области будет понятно, что устройство ограничения скорости активизируется, когда поступающий в него входной сигнал имеет чрезмерно большую производную по времени или скорость. При этом выходной сигнал (с ограниченной скоростью) стремится к согласованию с входным сигналом, но при ограниченной скорости, до тех пор, пока эти два сигнала не станут опять равными. Следовательно, в любом случае неравенства входного и выходного сигналов активизируется устройство ограничения скорости. Кроме того, когда входной сигнал x и выходной сигнал y ограничителя скорости 2, показанного на фиг. 1, неравны, получаемый разностный сигнал ε отличается от нуля, что замыкает контур обратной связи и активизирует фильтр обратной связи 3. Когда разностный сигнал ε вновь становится равным нулю, обратная связь прерывается и больше не действует.

В дальнейшем будет описана работа варианта осуществления устройства, изображенного на фиг. 1.

В соответствии с предпочтительным в настоящее время вариантом осуществления изобретения и для облегчения понимания фильтром обратной связи 3 является фильтр нижних частот традиционного вида, например фильтр, имеющий следующую передаточную функцию
G(s) = K/(sτ+1),
где K - коэффициент усиления фильтра 3, а τ - его постоянная времени. В нормальном режиме входной сигнал изменяется медленнее, чем ограничение, применяемое к производной по времени входного сигнала. Поэтому в нормальном случае ни ограничитель скорости 2, ни фильтр обратной связи 3 не будут активизироваться в предложенном устройстве.

Когда сигнал ε на входе фильтра равен нулю, т.е. когда разностный сигнал ε между выходным сигналом y и входным сигналом x ограничителя скорости 2 равен нулю, обратная связь прервана. Следовательно, важно, чтобы фильтр с обратной связью 3 был действительно стабильным, а выходной сигнал δ фильтра 3 ослаблялся до нуля, когда сигнал ε на входе фильтра равен нулю.

Когда изменение входного сигнала u превышает допустимую скорость, сигнал ε будет отличаться от нуля. Действительно, если входной сигнал u возрастает, разностный сигнал ε будет отрицательным, поскольку выходной сигнал y ограничителя скорости не будет способен повторить входной сигнал u, если производная по времени выходного сигнала ограничивается. Поэтому сигнал x на входе ограничителя скорости 2 будет больше выходного сигнала y, а выходной разностный сигнал ε сумматора 5 будет отрицательным. В результате, выходной сигнал δ фильтра 3 также станет отрицательным, уменьшая тем самым сигнал x на входе ограничителя скорости 2 до значения, меньше входного сигнала u.

Если изменение входного сигнала и уменьшается до уровня в пределах допустимого скоростного предела или изменяет направление, выходной сигнал y будет практически сразу следовать за новым входным сигналом, так как входной сигнал x ограничителя скорости был установлен на значение за этими пределами. Это означает, что фазовое смещение в результате ограничения скорости существенно ограничено благодаря изобретению.

Задача обеспечения фазовой компенсации непрерывным образом решается описанным выше режимом работы. Логическое условие "если-то-еще" здесь не требуется, поскольку фазовая компенсация автоматически включается, когда разностный сигнал ε становится отличным от нуля, а выходной сигнал δ фильтра обратной связи начинает нарастать. Аналогично фазовая компенсация прекращается непрерывным образом, когда ε равно нулю, а δ стремится к нулю.

Выходной сигнал, полученный после фазовой компенсации, показан сплошной линией III на фиг. 5. Штрих-пунктирная кривая I представляет входной сигнал u, имеющий скорость чрезмерно высокую для ограничителя скорости. На чертеже также показана штриховая линия II, представляющая выходной сигнал из традиционного ограничителя скорости, т.е. сигнал, полученный без обратной связи, реализованной в соответствии с данным изобретением.

При сравнении кривых на фиг. 5 можно заметить, что амплитуда выходного сигнала y уменьшается в результате фазовой компенсации. При этом фазовое смещение между входным и выходным сигналами явно уменьшено, давая выходной сигнал по существу синфазный с входным сигналом. В результате, водитель или пилот получит более быстрый отклик на команду.

Как было указано выше, для простоты фильтр обратной связи 3 был изображен как фильтр нижних частот первого порядка. Для оптимизации результатов важно установить параметры фильтра на соответствующие значения.

Например, усиление K фильтра предпочтительно должно быть, например, в пределах 5-10. В противном случае фазовая компенсация будет слишком малой при меньших усилениях.

Выбор постоянной времени τ определяется частично соответствующим частотным интервалом для определенного применения и частично тем, насколько быстро выходной сигнал из фильтра обратной связи должен уменьшаться после прекращения эффекта ограничения скорости схемой на входной сигнал. Постоянную времени τ следует выбирать с относительно большим значением, например τ = 1,0 c, если интересующий частотный диапазон составляет 1-10 рад/с, тогда как при более высоком частотном диапазоне 10-100 рад/с постоянная времени τ должна иметь значительно меньшее значение, например τ = 0,1 c.
Представляется очевидным и следует понимать, что идея изобретения не ограничивается вариантом осуществления, изображенным на чертеже, или, например, описанным выше, а может быть модифицирована в рамках объема изобретения. Следовательно, несмотря на то, что в предпочтительном варианте указан фильтр нижних частот первого порядка, это сделано для упрощения и подразумевается, что можно использовать также и другие виды асимптотически стабильных фильтров обратной связи.

Первичная схема 1 ограничения скорости должна отвечать трем требованиям к фазовой компенсации, указанным выше, если сигнал на входе устройства не содержит высокочастотных помех. Однако в случае присутствия таких высокочастотных сигналов схема 1 может блокировать передачу полезных низкочастотных сигналов. Такие высокочастотные помехи могут быть вызваны, например, аэроупругостью корпуса летательного аппарата в результате внешних нагрузок необычной ситуации, повреждений или ошибок датчиков. В данном контексте "высокочастотными" считаются частоты выше частотного диапазона системы управления.

Для исключения негативного воздействия такого высокочастотного сигнала помехи, содержащегося во входном сигнале устройства, предложенная конструкция должна также отвечать следующим дополнительным требованиям:
D. исключать или уменьшать эффект блокирования низкочастотных сигналов в случае присутствия высокочастотных помех;
в этом отношении третье требование (C) к фазовой компенсации, указанное выше, может быть конкретизировано следующими дополнительными требованиями к схеме:
E. не накладывать ограничение скорости на выходной сигнал, если скорость входного сигнала не превышает установленный предел, и
F. ограничивать выходной сигнал таким образом, чтобы его скорость не превышала установленный предел.

На фиг. 2 авторы изобразили второй вариант осуществления изобретения, отвечающий некоторым из указанных выше дополнительных требований.

На фиг. 2 проиллюстрирован второй вариант выполнения изобретения, предназначенный для ограничения эффекта высокочастотных помех, содержащихся во входном сигнале. На фиг. 2 изображена модифицированная (комбинированная) схема 6, включающая первичную схему 1 ограничения скорости и фильтр нижних частот 8, подключенные последовательно с входом схемы 1 для исключения высокочастотной части сигнала u1, введенного в комбинированную схему 6. Комбинированная схема 6 дополнительно содержит третий сумматор 9 и дополнительный сумматор 10 в совокупности с первичной схемой 1 ограничения скорости.

При этом фильтр нижних частот 8 может быть фильтром нижних частот первого порядка со следующей передаточной функцией:
G(s) = 1/(sτ₁+1)
При постоянных входных сигналах выходной сигнал фильтра нижних частот должен быть равен входному сигналу, так что упомянутый выше разностный сигнал равняется нулю.

Постоянная времени τ₁ в фильтре нижних частот 8 выбирается таким образом, что сигналы с частотой выше определенной частоты 1/τ₁ рад/с обрабатываются как высокочастотные сигналы и поэтому подвергаются только ограничению скорости, но не фазовой компенсации. Сигналы ниже этой частоты подвергаются и ограничению скорости, и фазовой компенсации.

Предпочтительно τ₁ выбирают меньше τ фильтра нижних частот обратной связи 3 первичной схемы 1 ограничения скорости, описанной ранее. Это объясняется тем, что фазовую компенсацию получают на частотах около 1/τ рад/с, и эти частоты затем не должны пропускаться через высокочастотный путь. То есть фильтр нижних частот 8 не должен ослаблять частоты, на которых необходимо выполнить фазовую компенсацию. Следовательно, согласно предпочтительному варианту постоянные времени должны удовлетворять следующее отношение:
1/τ < 1/τ₁, т.е. τ₁ < τ
В работе входной сигнал u1 поступает на фильтр нижних частот 8, а также в третий сумматор 9, который также принимает выходной сигнал u от фильтра нижних частот. Этот выходной сигнал u также подается как входной сигнал на первичную схему 1. Сумматор 9 вырабатывает разностный сигнал u2, представляющий разность между входным сигналом u1 и сигналом u. Разностный сигнал u2, который формируется путем вычитания значения сигнала u из значения сигнала u1, подается вместе с выходным сигналом y из первичной схемы 1 ограничения скорости на четвертый сумматор 10, чтобы получить суммарный сигнал y1, который является выходным сигналом комбинированной схемы 6. Как было отмечено выше, первичная схема 1 ограничения скорости выполняет ограничение скорости и фазовую компенсацию только на низкочастотной части входного сигнала, при этом отсутствует ограничение скорости выходного сигнала. Поэтому упомянутое выше требование F не удовлетворяется.

Тем не менее, желательно использовать фазовую компенсацию только на низкочастотной части входного сигнала и обеспечить ограничение скорости для высоких частот без фазовой компенсации. Также желательно удовлетворить требование F, т.е. ограничить выходной сигнал таким образом, чтобы его скорость не превышала установленный предел. Для этого в третьем варианте выполнения изобретения (показанном на фиг. 3) предусмотрен второй ограничитель скорости, обеспечивающий равные скоростные пределы для производной по времени входящего сигнала и сигнала на выходе.

На фиг. 3 представлен третий предпочтительный вариант предложенного устройства, предназначенный для тех случаев, когда входной сигнал содержит высокочастотные помехи.

В данном варианте теряются некоторые свойства первичной схемы ограничения скорости. Кроме того, из проиллюстрированной схемы видно, что удовлетворяется требование F и выходной сигнал будет ограничен так, что его скорость не превысит установленный предел.

Как показано на фиг. 3, комбинированная схема 6 дополнительно модифицирована в виде схемы 6'. Дополнительно модифицированная схема 6' включает второй ограничитель скорости 11, введенный для ограничения скорости производной по времени сигнала y1, чтобы обеспечить тем самым выходной сигнал y2 с ограниченной скоростью из дополнительно модифицированной схемы 6'. Второй ограничитель скорости 11 является традиционным ограничителем скорости того же типа, что и ограничитель скорости 2, используемый в первичной схеме 1 ограничения скорости. Предпочтительно, первый и второй ограничители скорости имеют скоростные пределы. Если ограничение скорости происходит во втором ограничителе скорости 11, это вызвано высокочастотной составляющей входного сигнала, т. е. сигнала u2, который не требуется подвергать фазовой компенсации.

На фиг. 4 проиллюстрирован альтернативный подход к удовлетворению требования F и четвертый вариант осуществления изобретения, в котором схема 6' еще дополнительно модифицирована и изображена как схема 6''. Как показано, добавленный ограничитель скорости, обозначенный позицией 12, ограничивает только высокочастотную составляющую u2 входного сигнала u1 для получения сигнала y3 с ограниченной скоростью. В этом варианте два сигнала с ограниченной скоростью: y и y3, вводятся в четвертый сумматор 10 для получения выходного сигнала y4 с ограниченной скоростью.

Хотя четвертый вариант выполнения изобретения обеспечивает усовершенствование по сравнению с прототипом, следует понимать, что вариант на фиг. 3 более эффективен, чем четвертый вариант, изображенный на фиг. 4. В частности, на фиг. 3 последовательно соединенные схемы 1 и 11 имеют равные пределы скорости, а именно установленный скоростной предел, чтобы обеспечить данный установленный предел скорости для выходного сигнала y2. Но на фиг. 4 две схемы 1 и 12 соединены параллельно. Поэтому каждая из этих схем должна иметь скоростной предел меньше установленного предела скорости, чтобы сумма этих скоростных пределов была равна установленному скоростному пределу и чтобы выходной сигнал y4 находился в установленном скоростном пределе. Например, первая схема 1 может иметь скоростной предел, установленный на 80% от установленного предела скорости, а схема 12 тогда должна иметь скоростной предел, установленный на 20% от установленного скоростного предела, чтобы выходной сигнал y4 из схемы 6'' не превышал установленный скоростной предел.

Если сигналы с ограниченной скоростью имеют максимальные скорости, но с противоположным направлением, тогда выходной сигнал y4 из схемы 6'' составляет только 60% от установленной скорости. Например, если y имеет положительную скорость, составляющую 80% от предела, а y3 имеет отрицательную скорость в размере 20% этого предела, тогда y4 имеет положительную скорость, составляющую 60% от предела. Можно также продемонстрировать, что устройство согласно четвертому варианту может начать ограничивать скорость входного сигнала, который приближается к установленному скоростному пределу, но не превышает его. Следовательно, поскольку каждый из высокочастотного сигнала u2 или низкочастотного сигнала u подвергнут ограничению скорости, например, соответственно на 80% и 20% от установленного предела скорости, тогда четвертый вариант не удовлетворяет упомянутое выше требование E. В таких случая в третьем варианте, описанном выше, входной сигнал не модифицируется.

На фиг. 6 кривая IV показывает эффект фазовой компенсации третьего варианта изобретения, а кривая V - эффект четвертого варианта для сравнения. Входной сигнал представлен на фиг. 6 кривой I. При сравнении с кривыми на фиг. 5 заметно, что (для данного входного сигнала) третий вариант обеспечивает выходной сигнал, почти идентичный выходному сигналу первого варианта. Однако следует отметить, что при другом входном сигнале разность между выходными сигналами первого и третьего вариантов может быть несколько больше. На фиг. 6 также показано, что четвертый вариант дает выходной сигнал V, амплитуда которого меньше, а фазовое различие больше, чем у кривой I входного сигнала, и этот результат хуже, чем у третьего варианта.

Для проверки ослабления высокочастотных помех использовали экспериментальную установку и результаты исследований показаны на фиг. 7a и 7b. На фиг. 7a показан входной высокочастотный сигнал в виде кривой VI. На фиг. 7b показаны выходные сигналы из разных схем. В частности, выходной сигнал традиционного ограничителя скорости показан кривой VII, выходной сигнал первичной схемы 1 ограничения скорости в соответствии с первым вариантом изобретения - кривой VIII, а выходной сигнал третьего варианта изобретения - кривой IX. Как видно из фиг. 7b, выходной сигнал традиционного ограничителя скорости возрастает до постоянного уровня с самой меньшей задержкой. В этом отношении третий вариант лучше первого.

Ясно видно также, что в конце эксперимента, т.е. приблизительно через 8-10 с, все три выходных сигнала имеют одинаковую фазу. Следовательно, фазовая компенсация не была получена на частоте помех ни в каком из этих устройств.

При этом следует понимать, что изменяя постоянную времени τ₁ фильтра нижних частот 8, можно отрегулировать отклик третьего варианта для достижения отклика традиционного ограничителя скорости, показанного кривой VII, или отклика первого варианта изобретения, показанного кривой VIII. В частности, меньшая постоянная времени τ₁ смещает кривую IX к кривой VIII, так как в этом случае на высоких частотах будет производиться ограничение скорости с фазовой компенсацией первичной схемой 1 ограничения скорости. При большей постоянной времени τ₁ кривая IX смещается к кривой VII традиционного ограничителя скорости, так как более низкие частоты будут обходить фазовую компенсацию схемы 1 и только ограничение скорости будет производиться традиционным ограничителем скорости 11.

Описание предпочтительного варианта выполнения изобретения было представлено только для иллюстрации. Изобретение не исчерпывается или ограничивается описанной конкретной формой выполнения, так как возможны многие модификации или варианты в свете изложенной выше сути изобретения. Некоторые модификации были описаны, но только для иллюстрации возможностей. Все такие модификации и варианты подпадают под объем изобретения и эквивалентны ему. Описанные варианты выполнения выбраны и описаны из соображений оптимального пояснения принципов изобретения и его практического выполнения, чтобы специалисты в данной области техники смогли реализовать изобретение в разных конкретных условиях. Объем изобретения определен пунктами приложенной формулы изобретения, которые следует толковать в полном правовом объеме.

Формула изобретения

1. Устройство фазовой компенсации в системе управления транспортным средством, содержащее средство для ограничения скорости, в котором выходной сигнал имеет производную по времени, ограниченную по отношению к производной по времени его входного сигнала, если производная по времени входного сигнала превышает некоторое установленное значение, отличающееся тем, что оно содержит дифференциальное средство, выполненное с возможностью формирования разностного сигнала ε между выходным и входным сигналами упомянутого средства для ограничения скорости, средство обратной связи, выполненное с возможностью возврата разностного сигнала ε на вход устройства, причем средство обратной связи включает фильтр для формирования сигнала обратной связи δ, и суммирующее средство для суммирования сигнала обратной связи δ с входным сигналом u и выдачи на выходе сигнала х, предназначенного для подачи на вход средства для ограничения скорости и имеющего производную по времени, свободную от ограничений по отношению к производной по времени входного сигнала u.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр является асимптотически устойчивым фильтром нижних частот.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр является фильтром нижних частот первого порядка, имеющим коэффициент усиления K и постоянную времени t.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коэффициент усиления имеет значение 5 - 10.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно включает в себя средство ограничения высокой частоты, предназначенное для ограничения отрицательного воздействия высокочастотных помех, содержащихся во входном сигнале, содержащее фильтр нижних частот, подключенный для приема входного сигнала, предназначенный для исключения высокочастотных помех из входного сигнала и получения отфильтрованного входного сигнала u, третье суммирующее средство для приема входного сигнала и отфильтрованного входного сигнала u для формирования разностного сигнала u2 между входным сигналом и отфильтрованным входным сигналом, четвертое суммирующее средство, принимающее разностный сигнал u2 и выходной сигнал y и вырабатывающее суммарный сигнал, причем четвертое суммирующее средство формирует сумму выходного сигнала y и разностного сигнала u2 для получения суммарного сигнала как модифицированного выходного сигнала y1 системы управления.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что дополнительно содержит второе схемное средство для ограничения скорости, предназначенное для ограничения производной по времени введенного в него сигнала, при этом второе схемное средство для ограничения скорости принимает на входе модифицированный выходной сигнал y1 четвертого суммирующего средства и выдает на выходе выходной сигнал с дополнительной ограниченной скоростью как выходной сигнал системы управления.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что содержит дополнительное схемное средство для ограничения скорости, предназначенное для ограничения производной по времени введенного в него сигнала, при этом дополнительное схемное средство для ограничения скорости принимает на входе разностный сигнал u2 из третьего суммирующего средства и выдает разностный сигнал y3 с ограниченной скоростью на четвертое суммирующее средство, подключенное для формирования суммарного сигнала как суммы разностного сигнала y3 с ограниченной скоростью и выходного сигнала y для обеспечения выходного сигнала y4 как выходного сигнала системы управления.

8. Устройство по любому из пп.5 - 7, отличающееся тем, что фильтр обратной связи содержит фильтр нижних частот первого порядка, имеющий коэффициент усиления K и постоянную времени t.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что коэффициент усиления имеет значение 5 - 10.

10. Способ обеспечения фазовой компенсации в системе управления транспортным средством, содержащей средство для ограничения скорости, выходной сигнал которого имеет производную по времени, ограниченную по отношению к производной по времени его входного сигнала, если производная по времени входного сигнала превышает некоторое установленное значение, отличающийся тем, что формируют разностный сигнал ε между выходным и входным сигналами упомянутого средства для ограничения скорости, фильтруют разностный сигнал ε для получения сигнала обратной связи δ и суммируют сигнал обратной связи δ с входным сигналом u, формируя тем самым сигнал х на входе средства для ограничения скорости, имеющий производную по времени, свободную от ограничений по отношению к производной по времени входного сигнала u.

Приоритет по пунктам:
30.05.94 - по пп.1 - 4 и 10;
20.10.94 - по пп.5 - 9.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7