Brevet FR2162333A1 — publié le 19730720

La présente invention concerne les appareils du type générateur de fonction arbitraire utilisés dans de nombreuses applications telles que : programmation de température dans les fours de traitements thermiques, programmation de puissance, programmation de débit diun fluide, programmation diefforts de tractions, etc... Ces générateurs de fonction arbitraire se présentent respectivement sous forme diun dispositif délivrant en sa sortie une tension (V) qui varie en fonction des temps (t) selon un programme prédéterminé V = F (t). Le principe de tels générateurs consiste à remplacer la fonction F (t) à représenter par une succession de segments de droites, ainsi que llindi- que la fissure 1, soit: F (t) = Fo (t) = mOt pour oR t ctl Fl(t)= Fo (tl)+ ml (t-tl) pour t1 Fn(t) = F n (t~) + mn (t-t ) pour tn C... dont elle est la somme comme illustré figure 2. Selon la figure 3, on a représenté un générateur à diodes de type connu sous forme dun dispositif électronique permettant la réalisation de fonction arbitraire V = F (t) par approximation de segments. Ce générateur comporte essentiellement Une base de temps 1, qui a pour rôle de délivrer en sa sortie Ve et Vel les tensions variant linéairement en fonction du temps dans un intervalle (o, T). Lu ou plusieurs générateurs de segment 2, qui ont respectivement pour fonction d'assurer le transfert du signal délivré par la base de temps 1 dans un intervalle (tn, tn + 1) Un amplificateur sommateur 3, qui reçoit sur son entrée les signaux V B issus des générateurs de segment et délivre en sa sortie V5 la somme algébrique des différents signaux présents sur son entrée, chacun de ces signaux étant affecté d'un gain qui dépend du rapjJort de la résistance R 1 de contre réaction de l'amplificateur sommateur à la résistance d'entrée k 2 du signal considéré. Ce générateur à diodes de type connu représenté figures 3-4-5-a-7 comporte pour la compréhension du schéma quiun s eul générateur de segment 2, mais il est bien évident que l'élaboration d'une fonction nécessite une pluralité de segments dans un même mo ntage. II est donc nécessaire d'avoir autant de générateur de segment 2 que de segments de droites désirés. Le fonctionnement de ce générateur est le suivant La base de temps 1 constituéq/par un amplificateur intégrateur S et ur/amplifi- cateur inverseur de gain unité 1, permet, lorsque l'on ferme l'interrupteur C d'appliquer une tension continue négative E sur I'entrée de l'amplificateur S qui dol ivre en sortie une tension (Ve) dv,lnée par la formule Le signal Ve est donc une rampe de tension de pente connue, selon la la figure 4 illustrant la sortie de I intégrateur S Ce signal Ve alimente simultanément tous les générateurs de Se- ments 2 et également Un amplificateur inverseur I dont le signal de sortie R (figure 5) Vel = Ve R = - Ve Ce signal Vel a un module égal à celui Ve mais de polarité contraire. Ve' est appliqué sur la deuxième entrée des générateurs de segment 2. Le générateur de segment 2 est constitué ainsi que le montre la figure 3 par un mpl!ficateur inverseur AS et un double dispositif à résistance R de même valeur et diodes D1 - D2. Selon ce générateur de segment 2, on veut que l'amplificateur AS assure le transfert soit du signal délivré par S, soit du signal issu de 1 dans intervalle de temps (t1 , t2 ). Dans l'exemple choisi (selon figure 6) on désire transférer le signal de sortie de S soit Ve dans l'intervalle (t1, t2). D'après les caractéristiques de rampes de tension issues de S et de I on détermine Ve = f (t1) = V1 (V1 > ) Ve'= f (t2) = V2 (V2( o) Les diodes D1 et D2 sont polarisées Jar une tension continue, soit: D1 par V1 2 D2 par V2 2 D'autre part on admet dans ce type de montage qu'une diode offre une résistance nulle à un courant circulant dans le sens direct et une résistance infinie à un courant circulant en sens inverse. Le fonctionnement d'un générateur de segment 2 peut alors se re présente par le tableau suivant si /V2/ > /V1/ 1 temps (t) tl tlçt t > t2 I~ ~~ potentiel en Vk Ve/2 V1 V1 2 2 potentiel en VAsl Vel/2 Ve'/2 V2/2 tension de sortie VIE = -(VÀ+VA')2 + Ve1-Vl V2-Vî = (V'-VA) R 2R R L'allure de VIE est donnée par la figure 6. L'amplificateur sommateur 3, selon la figure 7 fonctionne en additionneur des signaux VB1, VB2 .... VBn issus des différents générateurs de segment 2 il donne en sortie qui est la représentation de la fonction recherchée. Ces générateurs à diodes connus ainsi décrits sont utilisés en cal cul analogique pour la\présentation de fonction V = F (t) dans un intervalle (O1 T) très limité . Cette limite d'utilisation tient au fait que la réalisation de la base de temps 1 délivrant un ignal variant linéairement et à long terme pose des problèmes délicats et pratiquement insurmontables avec les moyens connus jusqu ici. De ce fait ces g.éiérateurs à diodes ne peuvent être utilisés comme dispositifs de programmatioii à lon; terme. D'autre part ces générateurs connus nidusurelit pas une précision suffisante des signaux par suite de la détection directe par diodes, qui est complètement inadaptée pour l'élaboration de foncticn dans m intervalle (O, T) important En effet la détection directe par diode représentée par le schéma équivalent de la figure 8. où Vs = Ve (1 - Vd) Ve pr4sente l'inconvénient majeur de non linéarité due à la courbure de la caractéristique de la diode. Celle-ci s'évalue en faisant intervenir la chute de ten son Vd aux bornes de la dite diode. Cette détection par diodes est d'autre part peu sensible et inadaptée si llon doit élaborer une fonction avec précision et à long terme et par conséquent être susceptible de détecter des signaux à très bas niveau. En effet dans ce type de détection la caractéristique des diodes arrondit les c;7ane- ments de pente et leur chute de tension décale les points de cassure ce qui interdit la réalisation de courbes précises. C'est donc pour obvier à ces inconvénients tout en satisfaisant aux impératifs de précision et de durée du cycle de processus industriels qu'il est apparu nécessaire de réaliser un générateur de fonction arbitraire faisant 1 objet de la présente demande de brevet. Dans de générateur illustré par les schémas des figures 9-10-11-1213-14, l'on retrouve comme dans la réalisation précédente: - une base de temps 4 - un groupe de générateur de segment 5 - un sommateur 6. La base de temps 4 selon l'invention (schéma de la figure 9) a pour but de délivrer en sortie un signal variant linéairement de 0 à-10 volts dans un intervalle (O, T) ou (O, T1) dans le cas d'essai en cycle rapide avec T' Le signal VA issu de cette base de temps alimente simultanément l' entrée de chacun des générateurs de segment qui seront décrits ci-après. Cette base de temps 4 est établie essentiellement avec Un dispositif d'affichage de la tension E à intégrer comprenant un potentiomètre d'ajustement P A E réglé au montage et suivi d'un amplificateur adaptateur d'impédance SE de manière à afficher la tension E qui doit être appliquée sur l'entrée de Ilintégrateur S tin dispositif d'intégration de la tension E comprenant un amplificateur intégrateur S avec un dispositif de commutation Crin, C2 , avec re laia X, , Z, T,V, X, pour permettre: - le règlage de la tension de décalage de S par C1 en position . - la remise à zéro de la base de temps C1 en position 2 - l'a ,chage d'une tension initiale Vi par le potentiomètre PAVO et l'adapta- teur d'impédance AVO lorsque C1 est placé en position 3. - liarrêt de l'intégrateur avec mise en mémoire par C1 en position 4. - le ronctionnement de la base de temps (intégration de E) si Ct est en position 5. - l'essai en cycle rapide si C1 est en position 5 et C2 en position 1. Ce dispositif dlintégration de la tension E comprenant également un unité amplificateur inverseur 1 de gain/utilisé en amplificateur de puissance. Le générateur de segment 5 selon l'invention (schéma de la figure 12) a pour but d'assurer le transfert du signal délivré par la base de temps 4 dans l'intervalle (tn , tn + 1) avec modification ou non de la polarité du signal dien- trie. Dans le schéma de la figure 12, un seul générateur de segment est représenté. Un générateur de fonction arbitraire comporte autant de dispositifs de ce genre que l'on désire de segment pour réaliser la fonction V = F (t). Ce générateur de segment 5 est établi essentiellement avec: - 1 - un dispositif de blocage de la tension d'entrée VA issue de la base de temps 4 Icrsque t Ce dispositif est constitué par - 1 potentiomètre multitours Po monté en diviseur de tension, suivi diun amplificateur adaptateur d'impédance APO . II permet l'affichage de tn sous la forme d'une tension analogique VO. - 1 amplificateur inverseur ADS de gain unité monté en détecteur de tension par insertion de la diode Dedans la boucle de contre réaction de l'amplifica- teur ADS . Cet amplificateur délivre en sortie un signal VB qui a pour valeur: VB = O pour t VB = -(VA-VO, pour t > tn - 2 - Un dispositif de t ransfert du signal VB issu de l'amplificateur ADS dans l'intervalle (tn } tn + 1 Ce dispositif est constitué par - 1 potentiomètre multitours P1 monté en diviseur de tension, suivi diun amplificateur adaptateur d'impédance AP1 . L'ensemble P1,AP1 permet l'af- fichage de(tn + 1)sous la forme d'une tension analogique V1. - 1 amplificateur inverseur AAS de gain unité monté en détecteur de tension par insertion d'une diode D2 dans le circuit de contre réaction de llamplifi- cateur. Cet amplificateur délivre en sortie un signal VC qui a pour valeur:: VC = V1 pour t VC = O pour t > tn + 1 - 1 amplificateur inverseur ACS de gain unité qui délivre en sortie un signal ui lui a pour valeur VD = O pour txtn VD =-(VI + VC)pour tnc t Çtn + 1 VO =-V1 pour t j t + 1 n - 3 - Ln commutateur de sélection du sens de variation du segment en sortie de l'amplificateur sommateur X .Ce commutateur comporte deux circuits à 3 positions, il permet - Sur la position 1 d'obtenir un segment décroissant en sortie du sommateur - Sur la position 2 diobtenir la mise hors service du générateur de segment, - Sur la pcsition 3 d'obtenir un segment croissant en sortie de llamplificateur sommateur ì en inversant la polarité de signal issu de ACS par l'amplifica- teur lNV de gain unité. L'amplificateur sommateur 6 , selon l'invention (schéma de la figure 13), a pour fonction essentielle d'effectuer la somme algébrique des signaux pré sentis sur son entrée et qui sont issus des générateurs de segment. Les signaux d'entrée peuvent être/affectés d'un gain qui dé pend pour chacun d'eux du rapport R PGS Ct ensemble sommateur est constitué par - 1 amplificateur inverseur ç - 1 ensemble décaleur diorigine constitué par le commutareur C3 , le poten tiomètre PDO et l'adaptateur d'impédance ADO . Le sens de décalage désiré est sélectionné par C3, l'amplitude de décalage est affichau moyen dW po tentiomètre PDO. - 1 entrée permettant éventuellement l'injection d'une onde périodique VF pouvant se superposer à la fonction programmée V = F (t) Chaque entrée de Itamclificateur ç est reliée à un potentiomètre multitours PGS1 - PGS2 - PGS3 - PGS4 - PGS5 - PGS6 permettant le règlage de la pente de chacun des segments. Fonctionnement de la -SE DE TEMPS 4 selon le schéma de la figure 9. Deu; - le fonctionnement en cycle rapide, où la base de temps délivre un signal variant de 0 à - 10 V au cours de la période Tl = 10 minutes. Ce mode de fonctionnement est prévu pour la vérification rapide du programme V = F (t) affiché. - le fonctionnement au cycle lent, ce mode est celui normalement utilisé pour l'élaboration d'un programme V = F (t) à long terme, T = 100 heures. Le passage de l'un ou de l'autre des 2 cycles ci-dessus est obtenu par modification de la constante de temps du circuit intégrateur S par le jeu du commutateur C2. Fonctionnement en cycle rapide Le commutateur C 1 est placé en position 5 . Le commutateur C 2 est placé en position 1. Dans ces conditions une tension négative E d'amplitude constante est appliquée sur entrée inverseuse de S . C'expression du signal de sortie de S est donnée par avec Rl = 1,2 M Q C=5M F E = 0, 100 V La valeur de VI max étant dans ce cas fixée à + 10 V, celle-ci sera atteinte après un temps égal à t = Vi .RC = 10 x 6 = 10 minutes E 0,1 II est évident que temps peut être réduit, si on le désire, en donnant à Rl une valeur inférieure à 1,2 M Q Follctionnement en cycle lent: Le commutateur C1 est placé en position 5. Le commutateur C 2 est placé en position 2. Les constantes du circuit sont dans ce cas: R = 720 M Q C=5MF t=0, 1 V d'où t = Vi . RC = 10 x 3600 = 100 heures E 0, 1 L'amplificateur S est suivi diun amplificateur inverseur 1 de gain unité chargé de fournir la puissance nécessaire à l'alimentation des générateurs de segment. L'allure du signal de sortie de la base de temps MA est indiqué suivant la fi ure 10. Ce signal alimente, rappelons le, simultanément tous les générateurs de segment. Fonctionnement d'un générateur de segmentS , selon le schéma de la figure 12. Comme indiqué le générateur de s egment 5 a pour rôle de transférer le signal délivré par la base de temps 4 dans l'intervalle tn , tn + 1 On connaît la vitesse de variation de la tension VA issue de la base de temps dans notre cas particulier, en cycle lent d VA/dt = 100 m V/h. On peut par conséquent connaître la valeur de V, pour t = tn et t = tn + 1. soit VO la valeur de VA pour t = tn V1 la valeur de VA pour t = tn + 1 Ces deux valeurs VO et V1 sont affichées respectivement au moyen des potentiomètres Po et P1. Fonctionnement de ADS Vo est appliquée sous forme de tension positive sur la deuxième entrée de Il amplificateur ADS . La première entrée de ADS recevant le signal L'amplificateur inverseur ADS ayant un gain unité est monté en détecteur de tension, cela entraine pour t. t Le signal de sortie de ADS est négatif, la diode D 1 est polarisée en inverse, donc la sortie Vfl est au potentiel zéro. Pour t ", tn / VA > /VO/ La sortie ADS est positive , la diode D , est débloquée et .Vs croit linéairement avec une pente égale à dVA , ceci jusqu'à la fin du cycle (T) dt Fonctionnement de AAS L'amplificateur inverseur de gain unité AAS possède deux entrées. L'une de celle-ci reçoit une tension négative V 1 définie ci-dessus, l'autre entrée reçoit le signal issu de ADS depuis t > tn soit V3 ce signal. Pour t C tn VB =0 et VC = - V1 , car V1 étant de polarité négative, la sortie de AAS est positive donc D2 est polarisée dans le sens direct et conduits VC =~V1 Pour tn C t Depuis t = tn V B croit linéeirement avec une pente dVA dt VB sera égal à V1 pour t = tn + 1, car en effet VB = dVA (tn + 1 - tn) dt Donc pour t ? tn + 1 VB > VI comme V2 > V1.La sortie de l'amplificateur ADS est négative et la diode D2 est polarisée en inverse donc VC = O Fonctionnement de ACS Cet amplificateur inverseur de gain unité a pour ralle diannuier la tension VC = - VI pour t Pour cela cet amplificateur possède deux entrées l'une recevant le signal VC issu de rS / liautre le signal VI affiché par pl. Pour t L'ampli ACS délivre un signal nul car il fait la somme de deux signaux VC = - VI et VI Pour tnct Comme VC décroise de VI à O la sortie de ACS croît de O à - VI Pour t > tn + 1 La sortie ACS conserve une valeur constante égale à - V1 > O Utilisation du commutateur CS Ce commutateur permet de sélectionner le sens de variation du segment transféré dans (tn, tn + 1) en sortie de l'amplificateur 5 - Si CS est en position 1 on aura un segment décroissant - Si CS est en position 2 le générateur de segment est mis hors service - Si CS est en position 3 le signal issu de ACS est inversé par l'amplifica- teur INV et le segment aura une pente croissante en sortie de Fonctionnement de l'amplificateur sommateur 6 , selon le schéma de la figure 13. Il effectue la somme algébrique des signaux présents sur ses en trées et délivre en sortie: V = F (t) = ~~~~~ VSI + R VS2 .... R ~ VSn + VF + 1 PGS2 PGS n -0R VSI J tPtSSI J - VSl , VS2 ..... Vsn étant les signaux délivrés par les différents générateurs de segment. - PGS .... PGS étant des potentiomètres permettant de régler la pente n du segment considéré à la valeur voulue. Pour chaque semer.t la pente a pour module dVA . R dt PGS - R étant une résistance fixe placée dans le circuit de contre réaction de l'amplificateur # - PGS étant un potentiomètre placé sur claque entrée de Le générateur de fonction ainsi décrit permet la réalisation de proyrammes précis et de longue durée. Ces résultats ont été rendus possibles - d'une part en réalisant une base de temps délivrant un signal de longue période T = 100 heures. - d'autre part en mettant en oeuvre le moyen de détection par diode et amplificateur, qui permet de s'affranchir de l'effet de non linéarité dû aux diodes et obtenir ainsi une détection parfaitement linéaire même à très bas niveau. De plus llexploitation de ce générateur est simple, I'affichage d'un programme et sa vérification sont très rapides. Comparaison des méthodes de détection: Détection directe : connue selon la figure 14. Son inconvénient majeur réside dans la non linéarité due à la courbure de la caractéristique de la diode. Celle-ci peut s'évaluer en faisant intervenir la chute de tension Vd, aux bornes de la diode: Dans cette détection l'on a: VS = Ve (I - Vd .) Ve Détection pour amplificateur et diode selon llinvention (figure 15) Si Ve o la diode conduit Ve > O # vs Lorsque la diode conduit on a : R2 V =- Ve R1 ( 1 + Vd ( 1 + R1 ) s R2 Ve. A A étant le gain de l'amplificateur en boucle ouverte (A # 105) Le montage ci-dessus est équivalent au montage direct soumis à la tension dientrée : Effet de seuil et de non linéarité dus à la diode sont considérablement atténués et la détection est ultra linéaire même à bas niveau. Base de temps - particularité: Elle est constituée par un amplificateur monté en intégrateur. La particularité du montage réside en ce que la constante de temps RC est très inférieure au temps d'intégration total T1 = 100 heures. Ceci permet de minimiser les dérivés et de ce fait la rampe de tension délivrée par la base de temps résultant de l'intégration diun échelon de tension de bas niveau. II est bien évident que le générateur à fonction arbitraire peut être utilisé pour l'élaboration de fonction par approximation de segments successifs comme décrits. II est également possible avec ce générateur d'obtenir un palier de tensions entre ceux segments consécutifs, par un affichage judicieux des valeurs (tn et tn + 1) sur les générateurs de segment. Ce générateur de fonction arbitraire, objet de l'invention peut être utilisé: 1 ) pour la programmation de point de consigne des régulateurs : programmation de puissance, de débit, de température, de pression 20) calcul analogique 30) en multiprogrammation. L'invention ne se limite aucunement à celui de ses modes d'application non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant plus spécialement été indiqués ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS - 1 - Générateur de fonction arbitraire destiné à la programmation de points de consigne de régulations industrielles caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de détection de signal par diodes et amplificateurs combinés pour s'affranchir de ltef- fet de non linéarité même à très bas niveau ; ce générateur comprenant en combinaison une base de temps pour délivrer en sortie un signal variant linéairement dans un intervalle de temps (O ,T) important, un ou des générateurs de segment pour assurer le transfert du signal délivré pailla base de temps précitée avec modification ou non de la polarité du signal d'entrée, un ensemble amplificateur sommateur pour effectuer la somme algébrique des signaux issus des générateurs de segment. - 2 - Générateur à fonction arbitraire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la base de temps comprend - un dispositif d'affichage de la tension à intégrer, avec un potentiomètre d'ajustement suivi d'un amplificateur adaptateur d'impédance. - un dispositif d'intégration de la tension, avec un amplificateur intégrateur auquel est associé un dispositif de commutation avec relais et un amplificateur inverseur de puissance. - 3 - Générateur à fonction arbitraire selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le dispositif de commutation permet - le réglage de la tension de décalage de l'amplificateur intégrateur - la remise en position zéro de la base de temps. - l'affichage d'une tension initiale par un potentiomètre. - l'arrêt de l'amplificateur intégrateur avec mise en mémoire - la mise en fonctionnement de la base de temps. - l'essai en cycle rapide. - 4 - Générateur à fonction arbitraire selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un générateur de segment comprend un dispositif de blocage de la tension délivrée par la base de temps pour (t (t > tn+l) dont le dispositif d'affichagc compor te - un potentiomètre multitours - un amplificateur adaptateur d'impédance - un amplificateur inverseur de gain unité monté en détecteur de tension - 6 - Générateur à fonction arbitraire selon les revendications 1 - 4 et 5,caractérisé par le fait qu'un générateur de segment comprend un dispositif de maintien à zéro de la sortie du dit générateur de segment pour (t - 7 - Générateur à fonction arbitraire selon les revendications 1-4-5 et 6, caractérisé par le fait qu'un générateur de segment comprend un dispositif de sélection du sens de variation du segment en sortie de l'amplificateur sommateur, celui-ci comportant: - un commutateur de circuit à trois positions - un amplificateur inverseur de gain unité - 8 - Générateur à fonction arbitraire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ensemble amplificateur sommateur comprend - un amplificateur inverseur - un ensemble décaleur d'origine constitué par un commutateur de sélection de polarité du décalage, un potentiomètre et un adaptateur d ' impédance - une entrée permettant ou non l'injection d'une onde périodique pouvant se superposer à la fonction programmée. - des potentiomètres multitours reliés à la sortie du générateur de segment d'entrée de l'amplificateur sommateur pour le réglage de la pente des segments. - 9 - Générateur à fonction arbitraire selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que la base de temps permet deux possibilités de fonctionnement, à savoir - un fonctionnement en cycle rapide et un fonctionnement en cycle lent par les positionnements du dispositif de commutation.