СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩЕГО СИГНАЛА В РЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМАХ С ЗОНОЙ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ЗОНОЙ НЕПРЕРЫВНОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF GENERATING CONTROL SIGNAL IN RELAY SYSTEMS WITH DEAD ZONE AND CONTINUOUS CONTROL ZONE AND RELAY REGULATOR FOR REALISING SAID METHOD

Предлагаемое изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов, и может быть использовано, например, в системах управления космическими летательными аппаратами.
k
k
k
Известен способ формирования управляющего сигнала [1], основанный на измерении в момент времени t=k∆t(k=1, 2 …, ∆t - малая величина) входного сигнала U(t) и формировании заданной длительности периода релейного управляющего сигнала при неизменной длительности импульса (т.е. формировании заданной паузы) в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t).
3
Недостаток известного способа состоит в том, что он вносит запаздывание τ в систему управления. Вследствие этого система имеет меньшую область устойчивости, большее время переходного процесса и повышенные энергозатраты.
Известен релейный регулятор [2], содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов, триггер, шифратор, ключ.
Недостаток этого устройства состоит в том, что оно формирует только длительность (или только паузу), оставляя неизменным период включения Т исполнительных органов. Использование такого релейного регулятора в системе управления приводит к запаздыванию на время Т, что в свою очередь уменьшает область устойчивости системы управления, увеличивает время переходного процесса и энергозатраты.
k
k
п
i
д
i
k
k
п
i
д
i
п
д
п
i
д
i
k
k
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу формирования управляющего сигнала является способ [3], основанный на измерении и фиксации в моменты времени t=k∆t(k=1, 2 …, ∆t - малая величина) входного сигнала U(t), формировании заданной паузы (τ) (i=1, 2 …) и заданной длительности (τ) релейного управляющего сигнала в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t), определении момента t окончания формирования паузы (τ) и длительности (τ) в соответствии с заданным законом для τ и τ по совпадению формируемой паузы (τ) или формируемой длительности (τ), определяемыми сигналом реального времени, с заданными значениями, соответствующими входному сигналу U(t) в момент времени t.
п
д
п
д
п
д
п
Недостаток этого способа состоит в том, что при формировании релейного управляющего сигнала в зоне нечувствительности пауза τ→∞, длительность τ→0, а в зоне непрерывного управления пауза τ→0, длительность τ→∞, что приводит либо к неоправданно громоздким (например, по числу разрядов) формирователям заданного сигнала паузы τ (длительности τ) и сигнала реального времени, либо при ограничении заданной величины τ к многократному формированию в зоне нечувствительности управляющего сигнала неопределенной длительности, зависящей от задержек элементов в цепи формирования управляющего сигнала на исполнительный двигатель, что является недопустимым.
Наиболее близким техническим решением к релейному регулятору является устройство [3], содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор, счетчик импульсов, 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.
п
д
п
д
п
д
п
0
0
0
Недостаток этого устройства состоит в том, что при формировании релейного управляющего сигнала в зоне нечувствительности пауза τ→∞, длительность τ→0, а в зоне непрерывного управления пауза τ→0, длительность τ→∞, что приводит либо к неоправданно громоздким (например, по числу разрядов) формирователям заданного сигнала паузы τ (длительности τ) (запоминающее устройство) и сигнала реального времени (счетчик импульсов), либо при ограничении заданной величины τ к многократному формированию в зоне нечувствительности управляющего сигнала неопределенной длительности, зависящей от задержек элементов в цепи формирования управляющего сигнала на исполнительный двигатель, что является недопустимым. Кроме того, исполнительные релейные двигатели могут терять свою работоспособность, если сигнал управления по длительности меньше некоторой заданной величины τ. Поэтому во всех режимах длительность управляющего сигнала должна быть не меньше τ. Известный релейный регулятор может формировать управляющий импульс по длительности меньше τ.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения заданного закона формирования управляющего сигнала в зоне нечувствительности и в зоне непрерывного управления.
k
k
п
i
д
i
k
k
п
i
д
i
п
д
п
i
д
i
k
k
п
i
д
m
п
д
m
д
i
0
Эта задача достигается тем, что способ формирования управляющего сигнала в релейных системах с зоной нечувствительности и зоной непрерывного управления, включающий измерение и фиксацию в моменты времени t=k∆t(k=1, 2 …, ∆t - малая величина) входного сигнала U(t), формирование заданной паузы (τ)(i=1, 2 …) и заданной длительности (τ) релейного управляющего сигнала в соответствии со значением измеренного входного сигнала U(t), определение момента t окончания формирования паузы (τ) и длительности (τ) в соответствии с заданным законом для τ и τ по совпадению формируемой паузы (τ) или формируемой длительности (τ), определяемыми сигналом реального времени, с заданными значениями, соответствующими входному сигналу U(t) в момент времени t, отличающийся тем, что в зоне нечувствительности заданную паузу (τ), а в зоне непрерывного управления заданную длительность (τ)i формируют по величине, большей некоторого заданного значения τ, при этом при формировании паузы τ в зоне нечувствительности и формировании длительности τ в зоне непрерывного управления производят ограничение сигнала реального времени на уровне τ, а заданную длительность (τ) в зоне нечувствительности формируют равной длительности τ, соответствующей границе зоны нечувствительности.
m-1
0
m
0
m
Релейный регулятор, содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов, триггер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой компаратор и мультиплексор, управляющий вход которого соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП, остальные выходы которого соединены с соответствующими входами регистра адреса ЗУ, выходы регистра данных ЗУ соединены с соответствующими входами регистра первого сравниваемого числа цифрового компаратора, входы регистра второго сравниваемого числа которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, R-вход которого подключен к выходу цифрового компаратора и счетному входу триггера, выход триггера соединен с входом старшего разряда адреса ЗУ и сигнальным входом мультиплексора, выходы которого подключены соответственно к шинам положительного и отрицательного управляющего сигнала, а вход АЦП соединен с входом релейного регулятора, отличается тем, что в него дополнительно введен элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора, второй вход соединен с инверсным выходом старшего разряда счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента И, при этом число разрядов m счетчика импульсов выбирают из условия 2Т=τ, где Т - период следования импульсов генератора, τ - заданная длительность.
На чертеже приведена схема релейного регулятора, реализующего способ формирования управляющего сигнала в релейных системах с зоной нечувствительности и зоной непрерывного управления. 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 - элемент И.
Вход 1 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 триггера 5 и сигнальным входом мультиплексора 8, управляющий вход мультиплексора 8 соединен с выходом знакового разряда регистра данных АЦП 2. Выходы мультиплексора 8 подключены к шинам положительного 9 и отрицательного 10 управляющего сигнала. 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 R-входом счетчика импульсов 6, счетный вход которого соединен с выходом элемента И 11. Инверсный выход старшего разряда счетчика 6 соединен с первым входом элемента И 11, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов 7.
п
д
д
п
д
п
Основная задача управления - приведение изображающей точки системы в зону нечувствительности. В релейных системах можно выделить три области управления: зона нечувствительности, где управляющий сигнал равен нулю (τ→∞, τ→0), область импульсного управления, где длительность τ и пауза τ имеют конечные значения, область непрерывного управления, где управляющий сигнал F=±1 (длительность τ→∞, пауза τ→0). Релейный регулятор должен обеспечить формирование заданной паузы и заданной длительности управляющего сигнала во всех зонах управления, в том числе и формирование минимально допустимой для данного исполнительного двигателя длительности включения.
i
i
i
k
д
п
Релейный регулятор, реализующий способ формирования управляющего сигнала в релейных системах с зоной нечувствительности и зоной непрерывного управления, работает следующим образом. Пусть на вход 1 релейного регулятора подается входной сигнал U. Этот сигнал поступает на вход АЦП 2 и преобразуется в n-разрядный код, который фиксируется в регистре данных АЦП 2. В этом регистре n-ый разряд определяет знак входного сигнала, а разряды с 1 по (n-1) - значение (модуль) A (i=1, 2, 3) соответствующего входного сигнала U. Если ∆t - время преобразования АЦП, то в течение этого времени состояние регистра данных АЦП 2 остается неизменным. Код числа A поступает на регистр адреса ЗУ 3, на старший n-ый разряд которого подается выходной сигнал триггера 5. Состояние триггера 5 определяет на данный момент времени t=k∆t (k=1, 2, …) формирование длительности τ или паузы τ выходного управляющего сигнала.
д
п
Если F - выходной сигнал триггера 5, то F=1 соответствует формированию длительности τ, F=0 соответствует формированию паузы τ управляющего сигнала.
д
д
п
п
i
+
+
д
i
1
k
+
п
i
i
-
В запоминающем устройстве 3 хранится массив М(τ) заданных значений длительности τ и массив М(τ) заданных значений паузы τ. Если выходной сигнал F=1, а сигналы U>0, то выходной сигнал S знакового разряда регистра данных АЦП 2 равен нулю (S=0) и выходной сигнал F мультиплексора 8 формируется на шине 9 положительного управляющего сигнала. При F=1 формируется сигнал F=1, длительность τ которого определяется величиной сигнала U или значением D регистра данных 3У 3 на момент времени t. При F=0 сигнал F=0 (формируется пауза τ управляющего сигнала, определяемая величиной сигнала U). Если сигналы U<0, то сигнал S=1 и выходной сигнал F мультиплексора 8 формируется на шине 10 отрицательного управляющего сигнала аналогично формированию положительного управляющего сигнала.
i
1
2
i
Выходной сигнал С цифрового компаратора 4 формируется следующим образом. Если значение числа D, записанного в регистр первого сравниваемого числа цифрового компаратора 4, больше значения D, записанного в регистр второго сравниваемого числа, то сигнал C=0, или
д
i
i
2
1
i
д
i
i
i
п
i
+
1
п
i
д
i
Формирование длительности τ управляющего сигнала начинается при переходе триггера 5 в единичное состояние (F=1). При переходе триггера 5 в единичное состояние сигнал C=1 цифрового компаратора 4 производит обнуление счетчика импульсов 6, в результате выполняются условия (1) и счетчик импульсов 6 начинает считать импульсы с генератора 7. Счетчик 6 формирует сигнал реального времени D, который сравнивается с заданным сигналом D, формируемым запоминающим устройством 3. Состояние цифрового компаратора 4 (C=0) не изменится до тех пор, пока не выполнятся условия (2), т.е. пока длительность (τ) не станет равной заданной. В этот момент времени C=1, а триггер 5 переходит в нулевое состояние (F=0), и с этого момента производится формирование паузы (τ) управляющего сигнала F=0, определяемой значением D регистра данных 3У 3. Формирование паузы (τ) производится аналогично формированию длительности (τ).
i
-
Если входной сигнал U<0, то сигнал S=1 и выходной сигнал F мультиплексора 8 формируется на шине 10 отрицательного управляющего сигнала аналогично формированию положительного управляющего сигнала.
п
i
д
i
п
д
д
п
m
0
Рассмотрим процесс формирования паузы (τ) и длительности (τ) в зоне нечувствительности релейной системы. В зоне нечувствительности пауза управляющего сигнала τ→∞, длительность τ→0. Пусть в области импульсного управления максимальное значение длительности τ или паузы τ равно τ. Пусть также генератор 7 формирует импульсы с периодом следования Т. Выберем разрядность m счетчика 6 такой, чтобы выполнялось соотношение (3)
2
0
m
2
m-1
В этом случае при заполнении счетчика 6 импульсами генератора 7 процесс счета прекращается при переходе старшего разряда счетчика 6 в единичное состояние. Если старший разряд счетчика 6 находится в нулевом состоянии, то на его инверсном выходе формируется высокий уровень, который подается на первый вход элемента И 11 и разрешает прохождение импульсов генератора 7 на вход счетчика 6. При переходе старшего разряда счетчика 6 в единичное состояние его низкий уровень запрещает счет импульсов, т.е. производится ограничение сигнала реального времени D. Таким образом, максимальное содержимое число счетчика 6 равно 2Т=τ, что определяет уровень ограничения сигнала реального времени D.
д
п
Выберем заданные значения длительности τ и паузы τ в зоне нечувствительности в виде
0
д
i
i
п
1
2
i
i
где τ - значение длительности τ, соответствующее заданному значению при входном сигнале U, равном границе зоны нечувствительности. Если входной сигнал U находится в зоне нечувствительности, то согласно (4) при формировании паузы τ сигнал D>D и в соответствии с (1) сигнал C=0, что препятствует переходу триггера 5 в единичное состояние (в режим формирования длительности). Иначе говоря, при нахождении входного сигнала U в зоне нечувствительности невозможно формирование управляющего сигнала F=1.
д
i
п
д
д
Рассмотрим процесс формирования длительности (τ) в зоне непрерывного управления релейной системы. В этой зоне пауза управляющего сигнала τ→0, длительность τ→∞. Выберем заданные значения длительности τ в зоне непрерывного управления в виде
i
д
1
2
i
i
Если входной сигнал U находится в зоне непрерывного управления, то согласно (4) при формировании длительности τ сигнал D>D и в соответствии с (1) сигнал C=0, что препятствует переходу триггера 5 в нулевое состояние (в режим формирования паузы). Иначе говоря, при нахождении входного сигнала U в зоне непрерывного управления невозможно формирование управляющего сигнала F=0.
д
0
1
0
0
0
1
Рассмотрим работу релейного регулятора при формировании управляющего сигнала на границе зоны нечувствительности. В этом случае при любом входном сигнале, соответствующем зоне нечувствительности, заданное значение длительности τ устанавливается равным τ (D=τ). Это значение соответствует заданной длительности на границе зоны нечувствительности. Если в момент формирования длительности τ изображающая точка войдет в зону нечувствительности за счет действия управляющего сигнала, то длительность управляющего сигнала останется равной τ, так как не произойдет изменение сигнала D при изменении входного сигнала в зоне нечувствительности.
i
В известном регуляторе при управлении системой с зоной нечувствительности формирование паузы в этой зоне из-за отсутствия ограничения на сигнал, определяющий паузу, всегда наступит момент, при котором формируемая длительность станет больше заданной, и система перейдет в режим формирования импульса (в зоне нечувствительности система может находиться неограниченно долго). Даже, если заданная пауза установлена равной нулю, необходимо прохождение хотя бы одного импульса с генератора, чтобы сформировался импульс C=1, который переводит триггер в нулевое состояние (в режим формирования паузы). В этом случае произойдет включение исполнительного двигателя на короткое время, что недопустимо.
Таким образом, рассматриваемый релейный регулятор, реализующий способ формирования управляющего сигнала в релейных системах с зоной нечувствительности и зоной непрерывного управления, обеспечивает заданный закон формирования управляющего сигнала в зоне нечувствительности, в зоне импульсного и в зоне непрерывного управления, что расширяет функциональные возможности релейного регулятора.
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 И, широко известна (например, 564ИЕ14, 564ТМ2, 564ГГ1).
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №894668, G05B 11/28, 1981.
2. Авторское свидетельство СССР №502493, H03K 5/04, 1976.
3. Патент РФ №2141124, G05B 11/26, 1999.