Релейный регулятор

 

Изобретение относится к тех ника матического управления. Целью / Обретения является исключение влияния ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс регулирования, снижение энергозатрат и уменьшение перерегулирования и времени переходного процесса. В релейном регуляторе шина сигнала регулируемой координаты соединена с входами первогс 3 и второго 4 релейных элементов, а шина скорости регулируемой координаты 2-е первым интегратором 5, выход которого соединен с входами третьего 6 и четверJ того 7 релейных элементов. Сигнал первого релейного элемента 3 подается на входы схем И 8,11 и 12, а сигнал второго релейного элемента 4 - на входы схем И 9, 10 и 13. С выхода схемы И 8 сигнал через схему ИЛИ 16 формирует отрицательный выходной сигнал , а через схему ИЛИ 14 подается на инвертирующий вход второго интегратора 19. С выхода элемента И 9 сигнал через схему ИЛИ 17 формирует положительный выходной сигнал, который через схему ИЛИ 18 снимает обнуление второго интегратора 19. Сигнал с выхода схем И 10 или 11 через схему ИЛИ 15 подается на инвертирующий вход второго интегратора 19. Сигнал с выхода пятого релейного элемента 20 через схемы И 12 и 13 прекращает формирование выходных сигналов. Такое формирование выходных сигналов исключает влияние ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс управления. 2 ил. сл С -л VJ 4 N3 Ч 00 о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 05 В 11/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4688716/24 (22) 06.05.89 (46) 23.06.92, Бюл. N. 23 (72) Г. Я. Леденев (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 805247, кл. G 05 В 13/02, 1981, (54) РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР (57) Изобретение относится к техлике автоматического управления. Целью к.-о,"етения является исключение влияния ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс регулирования, снижение энергозатрат и уменьшение перерегулирования и времени переходного процесса. В релейном регуляторе шина сигнала регулируемой координаты соединена с входами первого 3 и второго 4 релейных элементов, а шина скорости регулируемой координаты

2 — с первым интегратором 5, выход которого соединен с входами третьего 6 и четвер„„Я „„1742786 А1 того 7 релейных элементов. Сигнал первого релейного элемента 3 подается на входы схем И 8, 11 и 12, а сигнал второго релейного элемента 4 — на входы схем И 9, 10 и 13. С выхода схемы И 8 сигнал через схему ИЛИ

16 формирует отрицательный выходной сигнал, а через схему ИЛИ 14 подается на инвертирующий вход второго интегратора 19.

С выхода элемента И 9 сигнал через схему

ИЛИ 17 формирует положительный выходной сигнал, который через схему ИЛИ 18 снимает обнуление второго интегратора 19.

Сигнал с выхода схем И 10 или 11 через схему ИЛИ 15 подается на инвертирующий вход второго интегратора 19. Сигнал с выхода пятого релейного элемента 20 через схемы И 12 и 13 прекращает формирование выходных сигналов. Такое формирование выходных сигналов исключает влияние ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс управления. 2 ил.

1742786

10

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

Известен релейный регулятор, содержащий сравнивающее устройство, фильтр, инерционное звено, многопороговый импульсный преобразователь, трехпозиционный релейный элемент и суммирующий усилител ь.

Недостаток этого регулятора состоит s сложности его реализации, а также в том, что при ограничении входного сигнала регулируемой координаты линии переключения системы управления, использующей этот регулятор, будут изменяться в зависимости от уровня ограничения входных сигналов, при этом возрастают энергозатраты на управление, время переходного процесса и перерегулирование, Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, содержащее шину сигнала регулируемой координаты, шину скорости регулируемой координаты, первый и второй интеграторы, первый, второй, третий и четвертый релейные элементы, при этом шина сигнала регулируемой координаты подключена к входам первого и второго релейных элементов, Недостаток этого устройства состоит в том, что при ограничении сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты линии переключения системы управления, использующей это устройство, будут изменяться в зависимости от уровня ограничения, при этом возрастают знергозатраты на управление, время переходного процесса и перерегулирование.

Цель изобретения — исключение влияния ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс управления, снижение энергозатрат, уменьшение перерегулирования и времени переходного процесса.

Сущность изобретения состоит в том, что в релейный регулятор, содержащий шину сигнала регулируемой координаты, шину скорости регулируемой координаты, первый и второй интеграторы, первый, второй, третий и четBBpTblA релейные элементы, п ри этом шина сигнала регулируемой координаты подключена к входам первого и второго релейных элементов, дополнительно введены первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И, первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы ИЛИ и пятый релейный элемент, при этом выход первого релейного элемента соединен с первыми входами первого, четвертого и п.-:,— того элементов И, выход второго релейного элемента соединен с первыми входами второго, третьего и шестого элементов И, выход третьего релейного элемента соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, выход четвертого релейного элемента соединен с вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход первого элемента И подключен к первым входам первого и третьего элементов ИЛИ. выход второго элемента И подключен к второму входу первого элемента ИЛИ и первому входу четвертого элемента ИЛИ, выходы третьего и четвертого элементов И соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к инвертирующему входу второго интегратора, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого элемента

ИЛИ. а выход второго интегратора соединен с входом пятого оелейного элемента, выход которого подключен к вторым B>:îäàì пятого и шестого элементов И, соединенных своими выходами соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, выходы которых подкл.очень соответственно к первому и второму входам пятого элемента ИЛИ, инверсный выход ко":орого соединен с входом обнуления вторсго интегратора, шина скорости регулируемой координаты соединена с входом первого ин.егратора, выход которого подключен к входам третьего ., четвертого релейных элементов, причем выход третьего элемента ИЛИ соединен с шиной о рицательного выходного сиг нала, выход четвертого элемента ИЛИ соединен с шиHoN положительного выходного сигнала.

На фиг. 1 представлена схема релейного регулятора; на фиг, 2 — фазовые траектооии системь, управления, использующей данный релейный регулятор.

Шина 1 скорости регул:,ðóåìîé координаты соединена с входом первого и второго релейных элементов 3 и 4 соотвстственно, а шина 2 скорости регулируемой координаты соединена с входом первого интегратора 5. выход которого подключен к входам третьего и четвертого релейных элементов 6 и 7 сос;.",етственно, Выход первого релейного элемента 3 соединен с первыми входами соответственно первого, четвертого и пятого элементов И 8, 11 и 12, выход второ: с релейного элемента 4 соединен с первыми входами соответственно второго, третьего и шестого элеме тон И 9, 10 и 13, выход третьего релейного элемента 6 соедине -: с вторыми входами соответствен о:;.:пвого и третьего элементов И 8 и 10, вы;,в «,:твеpто. о релейного элемента соедин:"::; с втор:-. ми входами соответс:::ен l0 в горогс и

1742786 го элемента ИЛИ 18. Выход четвертого 25

45 интегратора 5 имеет ограничение такое, 50

55 четвертого элементов И 9 и 11. Выход первого элемента И 8 подключен соответственно к первым входам первого и третьего элементов ИЛИ 14 и 16, выход второго элемента И 9 подключен к второму входу первого элемента ИЛИ 14 и первому входу четвертого элемента ИЛИ 17, выходы третьего и четвертого элементов И 10 и 11 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ 15, выход которой подключен к инвертирующему входу второго интегратора 19, соединенного своим выходом с входом пятого релейного элемента

20, выход которого подключен к вторым входам пятого и шестого элементов И 12 и 13 соответственно, Выход пятого элемента И

12 соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ 16. Выход шестого элемента И

13 соединен с вторым входом четвертого элемента ИЛИ 17, Выход третьего элемента

ИЛИ 16 подключен к шине 21 отрицательного выходного сигнала и первому входу пятоэлемента ИЛИ 17 подключен к шине 22 поло>кительного выходного сигнала и второму входу пятого элемента ИЛИ 18, инверсный выход которого соединен с входом обнуления вгорого интегратора, неинвертирующий вход которого подклю ен к выходу первого элемента ИЛИ 14.

На фиг, 2 Х вЂ” регулируемая координата, X — скорость регулируемой координаты, Lo, L1, L2 1З, Î, L1, L2 и L3- линии пЕрЕкЛЮчЕния на фазовой плоскости Х, Х, Релейный регулятор работает следующим образом, Пусть на вход релейного регулятора поступаю сигналы Х вЂ” сигнал регулируемой координаты (шина 1) и сигнал Xa — сигнал скорости регулируемой координаты (шина

2), Считаем, что сигнал Ха имеет ограничение в некоторой точке Хн (в этом состоит отличие Х, от регулируемой координаты Х), а сигнал Х> имеет ограничение в некоторой точке Хн (в этом состоит отличие Ха от скорости регулируемой координаты X). Предполо>ким, что выходной сигнал первого что - д< <д, где д — заданная величина.

Рассмотрим работу такого интегратора.

Пусть Xa > О. Через некоторое время выходной сигнал 1 станет равным д . В этом состоянии первый интегратор 5 будет находиться до тех пор, пока Xa > О. Пусть в некоторый момент времени lo = Xg = О, а затем этот сигнал начал уменьшаться (XB < 0), С этого момента времени начнет уменьшаться и слгнал L Через некоторое время Лт сигнал станет равным — д, т.е. изменение состоя10

20 ния первого интегратора 5 происходит после изменения знака сигнала Х, при этом за время изменения состояния этого интегратора от = д до! = -д сигнал регулируемой координаты изменяется на величину ЛХ =

2 д, так как ЛХ = f, Xa dt = 2д

Аналогичные рассуждения можно провести и для случая Х < О, Таким образом, изменение состояния первого интегратора 5 от = ддо I =- -д и наоборот происходит после изменения знака Х . Еслид выбрать достаточно малой величиной, то можно считать, что изменение состояния интегратора 5 происходит при изменении знака сигнала Ха.

Пусть сигнал Ха увеличивается от нуля (Xa > О). При Xa < h (h — уровень срабатывания и отпускания второго релейного элемента 4) выходные сигналы первого и второго релейных элементов 3 и 4 соответственно равны

R = О и R2 = О ("О". обозначает низкий уровень выходного сигнала). Выходные сигналы первого 8, второго 9, третьего 10 и четвертого 11 элементов И соответственно равны Ra = 0, Rs = 0, В1о = 0 и R)) О.

Выходной сигнал третьего элемента ИЛИ 16

U = 0 (шина 21 отрицательного выходного сигнала), выходной сигнал четвертого элемента ИЛИ 17 U = О (шина 22 положительного выходного сигнала), вследствие чсго инверсный выходной сигнал пятого элемента ИЛИ 18 R6 = 1 ("1" обозначает высокий уровень вь,ходного сигнала) и этот сиг ал производит обнуление второго интегратора

19 (выходной сигнал этого интегратора 5 =Î).

При Xa > О выходной сигнал первого интегратора 5 I = д . В этом случае срабатывает четвертый релейный элемент 7 (его уровень срабатывания и отпускания выбирается равным д) и его выходной сигнал R4 =- 1, Этат Сигнал раэрЕшаЕт прсхаждение сигналов через второй и четвертый элементы И 9 и 11. При Xa = h срабатывает второй релейный элемент 4 и его выходной сигнал R2 = ",, Так как R4 = 1„то и Rg = 1.

Выходные сигналы первого 14 и второго 17 элементов ИЛИ будут соответственно равны R>4 = 1 и О+ = 1. С этого момента времени формируется положительный выходной сигнал О+ = 1 и одновременно выходной сигнал первого элемента ИЛИ 14 R14 = 1 подается на неинвертирующий вход второго интегратора 19 с коэффициентом передачи К„ а выходной сигнал пятого элемента ИЛИ 18

R; = О (U+ = 1) снимает обнуление второго интегратора 19. С этого момента времени

= to второй интегратор 19 осуществляет ин1742786

S = Sm = К2 / Я15 dt = K2 (12 t1). (2) где t2 — некоторый момент времени, а шестой элемект И 13 и четвертый элемент ИЛИ

17 формируют дополнительный релейный

+ > управляющий сигнал U = 1 (R2 = 1, Йз = 1, R4

= О), Выходной сигнал S второго интегратора 19 будет равен

S=Sm — S, (3) тегрирование сигнала R14 = 1 со скоростью, оп ределяемой коэффициентом К1.

При достижении выходным сигналом S второго интегратора 19 значения Лсрабатывает пятый релейный элемент 20 (Л вЂ” 5 уровень срабатывания и отпускания этого релейного элемента, Л вЂ” малая величина) и его выходной сигнал Rs = 1 подается на входы пятого 12 и шестого 13 элементов И, Так как R1 = О, R2 = 1, то выходные сигналы 10 пятого и шестого элементов И 12 и 13 равны соответственно R12 = О и R13 = 1. Сигнал R13

= 1 через четвертый элемент ИЛИ 17 поддерживает высокий уровень сигнала U+. Состояние схемы не будет изменяться до тех 15 пор, пока не изменится знак сигнала Х>.

Пусть это произойдет в момент времени t1

За время от to до t1 сигнал S второго интегратора 19 будет равен

S = Sm = K1," R14 dt = K1 (t1 to) (1)

Сигнал S представляет собой эталонный нарастающий сигнал, формируемый при нарастании абсолютного значения регулируемой координаты. Максимальное значение этого сигнала Sm. В момент времени т1 выходной сигнал первого интегратора

5 начинает уменьшаться, выключается четвертый элемент 7 и по истечении небольшого времени Ж I станет равным — д. В этот момент времени срабатывает третий релейный элемент 6 (уровень срабатывания и отпускания этого релейного элемента равен- д.), Выходные сигналы третьего 6 и четвертого 7 релейных элементов соответственно 35 равны Кз = 1 и R4 = О. Сигнал Кз = 1 разрешает прохождение сигнала R2 = 1 через третий элемент И 10 на вход второго элемента

ИЛИ 15, выходной сигнал которого R1g = 1 подается на инвертирующий вход второго 40 интегратора 19 с коэффициентом передачи к2. Сигнал R4 = О запрещает прохо>кдение сигнала R2 = 1 через второй элемент И 9 и его выходной сигнал Rg = О, значит и R14 = О (сигнал на неинвертирующем входе второго 45 интегратора 19).

С момента времени t1 вторым интегратором 19 начинает формироваться компен-, сирующий сигнал S в виде

При достижении сигналом S значения

Л выключается пятый релейный элемент 20 и его выходной сигнал Rg = О запрещает прохождение сигнала В2 = 1 через шестой элемент И 13 на вход четвертого элемента

ИЛИ 17 и его выходной сигнал U становится равным нулю, Одновременно выходной сигнал пятого элемента ИЛИ 18 Ro = 1 производит обнуление второго интегратора 21, Пусть S = Л в момент времени 2. Для этого момента времени с учетом (2) и (3) имеем

S = Л= Sm К2 (t2 т1) = К1 (t1 to) К2 (12 т1) (4)

Так как гималая величина, то из (4) имеем

К1

t, =(t2 — т1) = — tm, К2 (5)

ГДЕ tm = (t1 — tO).

Таким образом, формирование выходного управляющего сигнала U+ = 1 начинается с . омента времени to, при котором Х>

= h. С эгого момента времени до момента времени t1. т,е. в течение времени, пока Х>

> О, второй элемент И 9 и четвертый элемент

ИЛИ 17 формируют выходной сигнал U = 1, а второй интегратор 19 формирует эталонный нарастающий сигнал Sm. С момента времени t1 до момента времени t2 второй интегратор 19 формирует компенсирующий нарастающий сигнал Sm, а пятый релейный элемент 20, шестой элемент И 13 и четвертый элемент ИЛИ 17 формируют дополнительный релейный управляющий сигнал U

=1, Аналогично схема работает и при уменьшении Х> от нуля (X> < О). В этом случае срабатывают первый 3 и третий 6 релейные элементы, первый 8, третий 10 и пятый 12 элементы И и второй 15 и третий 16 элементы ИЛИ формируют релейный управляющий сигнал U = 1 (шика отрицательного выходного сигнала 21), Рассмотрим процесс управления на фазовой плоскости Х, Х на примере управления инерционным объектом второго порядка с передаточной функцией М4(Р) =

1/Р . Состояние объекта управления опре2 делим координатами Х и Х, Если управляющий сигнал U = О (U = О, 0 = О), то фазовые траектории — линии, параллельные оси Х.

Если управляющий сигнал U = 1 (U = 1) или

U = -1 (U = 1), то фазовые траектории параболы симметричны относительно оси Х, Уравнения линий переключекия имеют вид

, -+ X = и, X > О ) линии включения

L -> Х=-h,Х<0 (6) 1742786

5

15 (К2 К1 >

I линия(7 ) гХу -Х вЂ” Ь

L1 X=- ., Х<-h выключения (к,/к, 1 — 1 где Ху — значение ускорения регулируемой координаты Х, возникающего при формировании управляющего сигнала U = 1 (или U

= 1). Уравнения линий переключения L1 и L1 могут быть получены на фазовой плоскости

Х, Х с учетом равенства (5), исходя из того, что движение по координате X является равноускоренным с ускорением Ху, a время tm и tr определяется из равенств (1) и (5), при этом отключение управляющего сигнала U происходит по истечении времени tr.

Как следует из (7), для достижения устойчивого управления необходимо выбирать коэффициент передачи К1 меньше коэффициента передачи К2. Рассмотрим движение изображающей точки А (О, Хо) на фазовой плоскости Х, X (фиг. 2). Система управления с рассматриваемым релейным регулятором имеет фазовую траекторию

А А1» А2 АЗ "А4 А5 Аб A7(точки принадлежат линиям переключения Lo, L1, LD, L1), Система управления с известным регулятором имеет фазовую траекторию А А1 А А 3 А 4 "А б А б А 7

1 1 — >А б А g A 1о. Превполагаем, что входной

1 1 сигнал Х имеет огран;:e>":èe в точке Х = Хн.

В соответствии со структурной схемой известного регулятора линии переключения имеют вид

L2 Х = -m(X h), h < X == Хн (2- Х =-m (Х+ h), -Хн i< Х <-h,, (8) 3 - Х = Х, Х > Х

> 3 - X = =Xн, X < -Xí где m -заданный коэффициент.

В зависимости от уровней ограничения Хн и

Хн линии переключения будут изменять свое расположение на фазовой плоскости Х, X.

Как следует из (6) и (7) и фазовых траекторий фиг. 2, линии переключения в системе управления с рассматриваемым релейным регулятором не изменяют своего расположения на фазовой плоскости Х, Х при изменении уровней ограничения Хн и Хн.

Оценим энергозатраты Q, перерегулирование P и время переходного процесса Т, Энергозатраты Q можно оценить в виде

П

Q — К g I Xj I (9)

j =о где К вЂ” коэффициент пропорциональности;

Xj — -корость движения изображающей точки в области -h < Х < и.

Под перерегулированием Р будет понимать отношение Xm2/Xm1, где Xm1 — максимальное значение .регулируемой координаты Х при управляющем сигнале U

ОДНОГО ЗНаКа; Xm2 — МаКСИМаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ координаты X при управляющем (очередном) сигнале U другого знака.

Как следует из фазовых траекторий фиг, 2, энергозатраты, перерегулирование и время переходного процесса системы с рассматриваемым релейным регулятором меньше энергозатрат, перерегулирования и времени переходного процесса системы с известным релейным регулятором, Формула изобретения

Релейный регулятор, содержащий шину сигнала регулируемой координаты, шину скорости регулируемой координаты, первый и второй интеграторы, первый, второй, третий >и четвертый релейные элементы, при этом шина сигнала регулируемой координаты подключена к входам первого и второго релейных элементов, отличающийся тем, что, с целью исключения влияния ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс управления, снижения энергозатрат, .меньшения перерегулирования и времени переходного процесса, в него дополнительно введены первый, второй— шестой элемен; ы И, первый — пятый элем=,-;— ты ИЛИ и пятый релейный элеме-i ò, при этом выход первого релейнОго элемента ссединен с первыми входами первого., четвертого и г>ятого элементов И, выход второгс релейного элемента соединен с первыми входами второ> о, третьего и шестого элементеe И, выход третьего релейногс элемента > аединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, выход четвертого релейного элемента соединен с вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход первого элемента И подключен к первым входам первого и третьего элементов

ИЛИ, выход второго элемента И подклю >ен к второму входу первого элемента 1ЛЛИ и первому входу четвертого элемента ИЛИ, выходь. третьего и четвертого элементов И соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к инвертирующему входу второго интегратора, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выход второго интегратора соединен с входом пятого релейного элемента, выход которого подключен к вторым входам пятого и шестого элементов И, соединенных своими выходами соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, выходы которых подключе1742786

1. с

à — г!

50

Составитель Г.Леденев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М,Демчик

Редактор С.Пекарь

Заказ 2284 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патен ", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101 ны соответственно к первому и второму входам пятого элемента ИЛИ, инверсный вы-, ход которого соединен с входом обнуления второго интегратора, шина скорости регулируемой координаты соединена с входом 5 первого интегратора, выход которого подключен к входам третьего и четвертого релейных элементов, причем выход третьего элемента ИЛИ соединен с шиной отрицательного выходного сигнала, выход четвертого элемента ИЛИ соединен с шиной положительного выходного сигнала.