Релейный регулятор

Предлагаемое изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов. Технический результат заключается в повышении надежности. Релейный регулятор содержит в каждом из (2m+1) канале аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, счетчик импульсов, триггер, мультиплексор, первый и второй мажоритарные элементы, первый и второй одновибраторы, элемент НЕ, элементы ИЛИ и исключающее ИЛИ. Заданные параметры длительности τ_д и паузы τ_п управляющего сигнала как функции входного сигнала записаны в запоминающем устройстве и благодаря непрерывному сравнению фактических величин с заданными релейный регулятор не вносит запаздывания в систему управления, а благодаря определенным связям достигается исправное функционирование релейного регулятора при отказах в m каналах регулятора. Предлагаемый релейный регулятор может быть использован в различных системах управления, в частности в системах управления космическими аппаратами. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов, и может быть использовано, например, в резервированных системах управления космическими летательными аппаратами.

Известен релейный регулятор [1], содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, соединенный своим выходом с входом счетчика импульсов, триггер и мультиплексор, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала. Этот регулятор не вносит запаздывания в систему управления и не уменьшает область устойчивости.

Недостаток этого регулятора состоит в том, что он не обладает достаточной надежностью. Так при одном отказе какого-либо элемента релейный регулятор не обеспечивает выполнение своих функций, а система управления теряет свою работоспособность.

Наиболее близким техническим решением к релейному регулятору является устройство [2], содержащее (2m+1) (m=1, 2, …) каналов, а в каждом канале - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, соединенный своим выходом с входом счетчика импульсов, элемент исключающее ИЛИ, первый и второй мажоритарные элементы, элемент ИЛИ, триггер и мультиплексор, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала.

Недостаток этого релейного регулятора состоит в том, что при некоторых единичных отказах в одном из каналов он может формировать ложный выходной сигнал, определяемый характеристиками отказавшего канала.

Задача изобретения - повышение надежности релейного регулятора.

Эта задача достигается тем, что в релейный регулятор, содержащий (2m+1) (m=1, 2, …) каналов, а в каждом канале - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, соединенный своим выходом с входом счетчика импульсов, элемент исключающее ИЛИ, первый и второй мажоритарные элементы, элемент ИЛИ, триггер и мультиплексор, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала, вход АЦП соединен с входом релейного регулятора, а выходы регистра данных АЦП соединены с соответствующими входами регистра адреса ЗУ, выходы регистра данных которого соединены с соответствующими входами регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора, входы регистра второго сравниваемого числа которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, выход цифрового компаратора соединен со счетным входом триггера и первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с R-входом счетчика импульсов, второй вход элемента ИЛИ соединен с выходом элемента исключающее ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом триггера, первым входом первого мажоритарного элемента и соответствующими входами первого мажоритарного элемента других каналов, второй вход элемента исключающее ИЛИ соединен с выходом первого мажоритарного элемента, входом старшего разряда регистра адреса ЗУ и сигнальным входом мультиплексора, управляющий вход которого соединен с выходом второго мажоритарного элемента, первый вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП и соответствующими входами второго мажоритарного элемента других каналов, в каждый канал дополнительно введены первый и второй одновибраторы и элемент НЕ, вход которого соединен с выходом первого мажоритарного элемента и входом первого одновибратора, выход которого соединен с входом S триггера, вход R которого подключен к выходу второго одновибратора, соединенного своим входом с выходом элемента НЕ.

На чертеже: 1 - вход релейного регулятора, 2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 3 - запоминающее устройство (ЗУ), 4 - цифровой компаратор, 5 - триггер, 6 - счетчик импульсов, 7 - генератор импульсов, 8 - мультиплексор, 9 - шина положительного управляющего сигнала, 10 - шина отрицательного управляющего сигнала, 11 - первый мажоритарный элемент, 12 - элемент ИЛИ, 13 - элемент исключающее ИЛИ, 14 - второй мажоритарный элемент, 15 - первый одновибратор, 16 - инвертор, 17 - второй одновибратор,18 - первый канал, 19 - второй канал, 20 - (2m+1)-й (m=1, 2, …) канал.

Вход 1 в каждом канале релейного регулятора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 2, выходы регистра данных которого соединены с соответствующими входами регистра адреса запоминающего устройства 3, вход старшего разряда которого соединен с выходом первого мажоритарного элемента 11, сигнальным входом мультиплексора 8, входами первого одновибратора 15 и элемента НЕ 17 и вторым входом элемента исключающее ИЛИ 13, первый вход которого соединен с выходом триггера 5, с первым входом первого мажоритарного элемента 11 и с соответствующими входами первого мажоритарного элемента 11 других каналов. Выходы регистра данных ЗУ 3 подключены к соответствующим входам регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора 4, входы регистра второго числа которого подключены к соответствующим выходам счетчика 6. Выход цифрового компаратора 4 соединен со счетным входом триггера 5 и первым входом элемента ИЛИ 12, второй вход которого соединен с выходом элемента исключающее ИЛИ 13, выход элемента ИЛИ 12 соединен с R-входом счетчика импульсов 6, вход которого соединен с выходом генератора импульсов 7. Выходы мультиплексора 8 подключены к шинам положительного 9 и отрицательного 10 управляющего сигнала, управляющий вход мультиплексора 8 соединен с выходом второго мажоритарного элемента 14, первый вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП 2 и с соответствующими входами второго мажоритарного элемента 14 других каналов. Вход R триггера 5 соединен с выходом второго одновибратора 17, вход которого соединен с выходом элемента НЕ 16. Вход S триггера 5 соединен с выходом первого одновибратора 15.

Релейный регулятор работает следующим образом. Для простоты будем рассматривать трехканальный релейный регулятор (m=1). Пусть на входы 1 каждого канала релейного регулятора подаются соответственно входные сигналы U₁, U₂, U₃. Эти сигналы поступают на вход АЦП 2 соответственно первого 18, второго 19 и третьего 20 каналов и преобразуются в n-разрядный код, который фиксируется в регистре данных АЦП 2 соответствующего канала. В этих регистрах n-й разряд определяет знак входного сигнала, а разряды с 1 по (n-1) - значение (модуль) A_i (i=1, 2, 3) соответствующего входного сигнала U_i. Если Δt время преобразования АЦП, то в течение этого времени состояние регистра данных АЦП 2 остается неизменным. Код числа A_i поступает на регистр адреса ЗУ 3, на старший n-й разряд которого подается выходной сигнал первого мажоритарного элемента 11. Состояние триггера 5 определяет на данный момент времени t_k=kΔt (k=1, 2, …) формирование длительности τ_д или паузы τ_п выходного управляющего сигнала.

Если F_i - выходной сигнал триггера 5, то F_i=1 соответствует формированию длительности τ_д, F_i=0 соответствует формированию паузы τ_п управляющего сигнала. Сигналы F_i поступают на соответствующие входы первого мажоритарного элемента 11 всех каналов. Выходной сигнал F_M первого мажоритарного элемента 11 каждого канала определяет формирование длительности τ_д или паузы τ_п управляющего сигнала. Связь между выходным сигналом F_м первого мажоритарного элемента 11 и выходными сигналами F_i триггера 5 всех каналов определяется соотношением (1)

где функция М означает мажоритарный выбор значения большинства (m+1) функций F_i из возможного числа значений (2m+1). Аналогично формируется выходной сигнал S второго мажоритарного элемента 14, определяющего знак входного сигнала.

Если выходной сигнал первого мажоритарного элемента 11 F_M=1, а сигналы U_i>0, то выходной сигнал второго мажоритарного элемента 14 S=0 и выходной сигнал F₊ мультиплексора 8 формируется на шине 9 положительного управляющего сигнала. При F_M=1 формируется сигнал F₊=1, длительность τ_д которого определяется величиной сигнала U_i. При F_M=0 сигнал F₊=0 (формируется пауза τ_п управляющего сигнала, определяемая величиной сигнала U_i). Если сигналы U_i<0, то сигнал S=1 и выходной сигнал F_- мультиплексора 8 формируется на шине 10 отрицательного управляющего сигнала аналогично формированию положительного управляющего сигнала.

Выходной сигнал С_i цифрового компаратора 4 формируется следующим образом. Если значение числа D₁, записанного в регистр первого сравниваемого числа цифрового компаратора 4, больше значения D₂, записанного в регистр второго сравниваемого числа, то сигнал C_i=0, или

В запоминающем устройстве 3 каждого канала хранится массив Мτ_д заданных значений длительности τ_д и массив М_τп заданных значений паузы τ_п. Пусть на вход 1 каждого канала поступают близкие по значению входные сигналы соответственно U₁, U₂, U₃, причем U₁>U₂>U₃. Задача релейного регулятора состоит в том, чтобы сформировать выходные управляющие сигналы F₊ и F_- таким образом, чтобы эти сигналы формировались синхронно в каждом канале, а значения длительности τ_д и паузы τ_п выходного управляющего сигнала определялись средним из трех входных сигналов, в рассматриваемом случае сигналом U₂. Будем предполагать, что с увеличением сигнала U_i происходит увеличение длительности τ_д и уменьшение паузы τ_п управляющего сигнала.

Формирование длительности τ_д управляющего сигнала в каждом канале начинается при переходе триггера 5 в единичное состояние (F_i=1) и выходном сигнале F_M=1 первого мажоритарного элемента 11. При переходе триггера 5 в единичное состояние выходной сигнал C_i=1 цифрового компаратора 4, проходя через элемент ИЛИ 12, производит обнуление счетчика импульсов 6, в результате выполняются условия (2) и счетчик импульсов 6 начинает считать импульсы с генератора 7. Состояние цифрового компаратора 4 (C_i=0) не изменится до тех пор, пока не выполнятся условия (3), т.е. пока длительность τ_д не станет равной заданной. В этот момент времени C_i=1, а триггер 5 переходит в нулевое состояние (F_i=0).

Пусть в некоторый момент времени происходит формирование длительности τ_д управляющего сигнала. В этом случае F_M=1, F_i=1, выходные сигналы цифрового компаратора 4 и элемента исключающее ИЛИ 13 равны нулю. Выходной сигнал элемента ИЛИ 12 также равен нулю и на вход счетчика импульсов 6 каждого канала поступают импульсы с генератора 7. В соответствии со сделанным предположением формируемые длительность τ_д1 и пауза τ_п1 в первом канале 18, формируемые длительность τ_д2 и пауза τ_п2 во втором канале 19 и формируемые длительность τ_д3 и пауза τ_п3 в третьем канале 20 связаны соотношением τ_д1>τ_д2>τ_д3, τ_п1<τ_п2<τ_п3. Условия (3) первыми будут выполнены при формировании длительности τ_д3, т.е. в третьем канале 20. В этом случае выходной сигнал триггера 5 третьего канала 20 F₃=0, а так как согласно (1) F_M=1, то выходной сигнал элемента исключающее ИЛИ 13 этого канала будет равен единице. На R-вход счетчика импульсов 6 будет подан высокий уровень, что приводит к удержанию счетчика импульсов 6 в нулевом состоянии до тех пор, пока сигнал F_м не станет равным нулю. Это произойдет в тот момент, когда выполнятся условия (3) при формировании длительности τ_д2, т.е. во втором канале 19. С этого момента времени F₂=0 и согласно (1) F_M=0. В этот момент времени выходной сигнал элемента НЕ 16 всех каналов имеет высокий уровень и на выходе второго одновибратора 17 формируется импульс, который поступает на вход R триггера 5, устанавливая его в нулевое состояние во всех каналах. В это же время заканчивается формирование длительности импульса τ_д и начинается формирование паузы τ_п, т.е. длительность τ_д управляющего сигнала F₊ равна длительности τ_д2, определяемой сигналом U₂.

С момента появления сигнала F_M=0 начинается формирование паузы τ_п управляющего сигнала F₊ и с этого момента выходной сигнал элемента ИЛИ 12 всех каналов имеет низкий уровень, вследствие чего счетчики импульсов 6 этих каналов начинают воспринимать импульсы генератора 7, формируя тем самым паузу τ_п управляющего сигнала F₊. Условия (3) первыми выполняются для сигнала U₁. В этот момент вырабатывается сигнал C₁=1 и триггер 5 первого канала 18 переходит в единичное состояние (F₁=1). Так как F₁=1, F_M=0, то выходной сигнал элемента исключающее ИЛИ 13 этого канала будет равен единице. На R-вход счетчика импульсов 6 будет подан высокий уровень, что приводит к удержанию счетчика импульсов 6 в нулевом состоянии до тех пор, пока сигнал F_м не станет равным единице. Условия (3) вторыми выполняются для сигнала U₂. В этот момент вырабатывается сигнал С₂=1 и триггер 5 второго канала 19 переходит в единичное состояние (F₂=1). Так как сигналы F₁=1, F₂=1, то согласно (1) F_M=1 и релейный регулятор переходит в режим формирования длительности τ_д управляющего сигнала F₊. В момент формирования сигнала F_M=1 входной сигнал первого одновибратора 15 всех каналов имеет высокий уровень и на выходе этого одновибратора формируется импульс, который подается на вход S триггера 5, устанавливая их в единичное состояние во всех каналах. Таким образом, сформированная пауза τ_п управляющего сигнала F₊ определяется сигналом U₂ и равна τ_п2. Итак, в рассматриваемом случае формирование длительности τ_д и паузы τ_п управляющего сигнала F₊ осуществляется сигналом U₂.

Аналогично производится формирование длительности τ_д и паузы τ_п управляющего сигнала при отрицательных сигналах U_i<0. В этом случае n-й знаковый разряд АЦП 2 переходит в единичное состояние и выходной сигнал второго мажоритарного элемента 14 каждого канала S=1. Выходной сигнал F_- мультиплексора 8 формируется теперь на шине 10 отрицательного управляющего сигнала аналогично описанному выше формированию положительного управляющего сигнала.

Отметим, что в момент начала формирования длительности τ_д или паузы τ_п управляющего сигнала триггеры 5 всех каналов устанавливаются в требуемое состояние.

Рассмотрим возможные случаи отказа в каком-либо канале релейного регулятора. При этом релейный регулятор считается исправно работающим, если, по крайней мере, (m+1) канала формируют управляющий сигнал синхронно и в соответствии с изменяющимся входным сигналом U_i. В резервированных системах управление релейными исполнительными органами осуществляется обычно путем формирования обобщенного мажорированного сигнала по правилу (1). В этом случае исправно работающие (m+1) канала обеспечивают детерминированное управление. Пусть, например, в первом канале 18 отказал триггер 5 и его выходной сигнал F₁=1 вне зависимости от его входного сигнала С₁. В этом случае при формировании длительности τ_д (пусть в этот момент времени F₂=1, F₃=1) сначала формируется сигнал С₃=1, переводя триггер 5 третьего канала 20 в нулевое состояние (F₃=0), а затем формируется сигнал С₂=1, переводя триггер 5 второго канала 19 в нулевое состояние (F₂=0). С этого момента времени выходной сигнал первого мажоритарного элемента 11 всех каналов F_M=0 и начинается формирование паузы τ_п управляющего сигнала. В зависимости от соотношения близких по значению сигналов U₂ и U₃ формируется либо сигнал С₂=1, либо сигнал С₃=1, переводя либо триггер 5 второго канала 19, либо триггер 5 третьего канала 20 в единичное состояние. С этого момента времени выходной сигнал первого мажоритарного элемента 11 всех каналов F_м=1 и начинается формирование длительности τ_д управляющего сигнала. Таким образом, формирование длительности τ_д и паузы τ_п управляющего сигнала осуществляется входным сигналом исправно работающего канала.

При других вариантах отказа в любом канале, например, при отказе мультиплексора 8 первого канала 18 (постоянно формируется управляющий сигнал F₊=1), по крайней мере, два канала из рассматриваемых трех формируют управляющий сигнал, в соответствии с входным сигналом исправно работающих каналов. Таким образом, при любом отказе в одном канале релейного регулятора в случае m=1 работоспособность релейного регулятора не нарушается. При других значениях m работоспособность релейного регулятора не нарушается при отказах в m каналах из (2m+1).

Рассмотрим отказ такого типа, когда в одном из отказавших каналов формирование управляющего сигнала F₊ и F_- происходит по закону, существенно отличающемуся от заданного (например, вследствие значительного увеличения частоты генератора 7 одного из каналов). В этом случае формируемые длительности τ_д и паузы τ_п управляющего сигнала отказавшего канала будут существенно меньше заданных. В предлагаемом регуляторе формирование длительности τ_д или паузы τ_п начинается всегда с момента установки триггеров 5 всех каналов в заданное состояние. А это означает, что формирование длительности τ_д и паузы τ_п производится по срабатыванию двух каналов из трех, т.е. по срабатыванию исправно работающего канала.

В известном [2] регуляторе формирование длительности τ_д или паузы τ_п начинается с момента установки триггеров 5 двух каналов из трех в заданное состояние, а это означает, что в случае рассматриваемого варианта отказа формирование длительности τ_д и паузы τ_п производится по сигналам неисправного канала.

Отметим, что известный регулятор [2] при наиболее часто встречающихся отказах типа "обрыв" или "замыкание" обеспечивает заданное функционирование регулятора.

Таким образом, предлагаемый регулятор обеспечивает исправное функционирование при всех возможных видах отказа в любом из каналов.

Оценим надежность известного [2] и предлагаемого решения. Пусть надежность одного канала равна р, причем надежность генератора импульсов 7, входящего в состав канала, равна p₁, а надежность остальной части схемы этого канала равна р₂, при этом р=p₁p₂. Надежность Р_п предлагаемого решения можно оценить в виде

где C² _2m+1 - число сочетаний из (2m+1) по 2, C^m _2m+1 - число сочетаний из (2m+1) по m.

Надежность P_и известного решения при учете возможной неисправности генератора импульсов можно оценить в виде

Пусть m=1, p₁=0,99, р₂=0,9. В этом случае из (4) и (5) соответственно имеем Р_п=0,967, Р_и=0,943. Таким образом, надежность предлагаемого регулятора Р_п выше надежности известного регулятора Р_и.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

В качестве АЦП, ЗУ, цифрового компаратора могут быть использованы микросхемы типа 1113ПВ1, 556РТ5, 564ИП2, 564КП1. Реализация счетчика, триггера, элемента ИЛИ хорошо известна (например, 564ИЕ14, 564ТМ2, 564ГГ1).

Литература

1. Патент РФ №2141124, G05B 11/26, 1999 г.

2. Патент РФ №2342690, G05B 11/26, 2008 г.

Релейный регулятор, содержащий (2m+1) (m=1, 2, …) каналов, а в каждом канале аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, генератор импульсов, соединенный своим выходом с входом счетчика импульсов, элемент исключающее ИЛИ, первый и второй мажоритарные элементы, элемент ИЛИ, триггер и мультиплексор, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала, вход АЦП соединен с входом релейного регулятора, а выходы регистра данных АЦП соединены с соответствующими входами регистра адреса ЗУ, выходы регистра данных которого соединены с соответствующими входами регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора, входы регистра второго сравниваемого числа которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, выход цифрового компаратора соединен со счетным входом триггера и первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с R-входом счетчика импульсов, второй вход элемента ИЛИ соединен с выходом элемента исключающее ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом триггера, первым входом первого мажоритарного элемента и соответствующими входами первого мажоритарного элемента других каналов, второй вход элемента исключающее ИЛИ соединен с выходом первого мажоритарного элемента, входом старшего разряда регистра адреса ЗУ и сигнальным входом мультиплексора, управляющий вход которого соединен с выходом второго мажоритарного элемента, первый вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных AЦП и соответствующими входами второго мажоритарного элемента других каналов, отличающийся тем, что в каждый канал дополнительно введены первый и второй одновибраторы и элемент НЕ, вход которого соединен с выходом первого мажоритарного элемента и входом первого одновибратора, выход которого соединен с входом S триггера, вход R которого подключен к выходу второго одновибратора, соединенного своим входом с выходом элемента НЕ.