МНОГОЗОННЫЙ ИНТЕГРИРУЮЩИЙ РЕГУЛЯТОР
MULTI-ZONE INTEGRATING REGULATOR

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться при автоматизации технологических процессов, например, в регуляторах температуры.
Известна система управления с автоматическим резервированием (Цытович Л.И. А.с. 1294152 СССР, G05B 9/03, H05K 10/100. Резервированная система автоматического управления электроприводом. №3920771/24, заявлено 02.08.85, опубл. 07.02.87, бюл. №5), содержащая интегрирующие развертывающие преобразователи, блоки диагностирования, датчики обратных связей, ключевой коммутатор, исполнительный механизм. Недостатком устройства является его недостаточно высокая надежность, вызванная отсутствием средств диагностирования ключевых коммутаторов.
Известен MP (а.с. СССР №1183988 от 27 апреля 1984 г., опубл. 07.10.85, Бюл. №37), содержащий сумматоры, интегратор, релейные элементы, входную и выходную клеммы.
Устройство относится к классу автоколебательных частотно-широтно-импульсных (ЧШИМ) преобразователей интегрирующего типа, обладает высокой помехоустойчивостью и точностью работы, что обусловлено замкнутым характером структуры MP и наличием интегратора в прямом канале регулирования.
Однако известное техническое решение обладает ограниченными функциональными возможностями и низкой кратностью резервирования при его использовании для управления силовыми преобразователями.
Известен многозонный интегрирующий регулятор (MP) (А.с. 1283801 СССР, G06G 7/12, Развертывающий преобразователь / Цытович Л.И. (СССР). - №3945653/24, заявлено 22.05.85, опубл. 15.01.87, бюл. №2), содержащий сумматоры, группу параллельно работающих интеграторов, нечетное число релейных элементов, и который по составу функциональных блоков и связям между ними является наиболее близким к предлагаемому техническому решению.
Устройство-прототип характеризуется высокой надежностью в работе при единичных отказах релейных элементов и относится к классу систем с самодиагностированием активных компонентов схемы и автоматическим вводом в работу работоспособных элементов (Цытович Л.И. Многозонный развертывающий преобразователь с адаптируемой в функции неисправности активных компонентов структурой // Приборы и техника эксперимента. - М.: АН СССР, 1988. - №1. - С. 81-85).
Недостатком MP-прототипа является то, что при переходе на резервный канал регулирования частота его автоколебаний уменьшается, что соответственно влечет за собой ограничение полосы пропускания MP.
В основу изобретения положена техническая задача стабилизации частоты несущих колебаний при отказах релейных элементов и тем самым сохранение требуемой полосы пропускания MP.
Многозонный интегрирующий регулятор содержит последовательно включенные источник сигнала управления, первый сумматор, интегратор, выход которого подключен к информационным входам группы из n-го числа релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число, выходы которых соединены с входами второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора и соединен с выходной клеммой устройства, при этом n-1 из числа релейных элементов содержат управляющие входы, и ОТЛИЧАЕТСЯ от известного тем, что в него введены дешифратор и n-е число блоков диагностики, состоящих из последовательно включенных делителя частоты на 2,0, пропорционально-дифференцирующего звена, демодулятора и порогового элемента, причем вход делителя частоты на 2,0 соединен с выходом соответствующего релейного элемента, выходы пороговых элементов подключены к соответствующему входу дешифратора, а выходы дешифратора соединены с соответствующими управляющими входами релейных элементов.
Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в MP введены дешифратор и n-е число блоков диагностики, содержащих последовательно включенные делитель частоты на 2,0, пропорционально-дифференцирующее звено, демодулятор и пороговый элемент, причем вход делителя частоты на 2,0 соединен с выходом соответствующего релейного элемента, выходы пороговых элементов подключены к соответствующему входу дешифратора, а выходы дешифратора соединены с соответствующими управляющими входами релейных элементов. При этом в случае отказа ведущего релейного элемента происходит уменьшение частоты несущих колебаний MP, что фиксируется соответствующим блоком диагностики. Это изменяет код на входах дешифратора, который формирует на управляющем входе соответствующего релейного элемента сигнал, под действием которого порог переключения релейного элемента уменьшается, а частота выходных импульсов MP сохраняется на изначально требуемом значении.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 - структурная схема предлагаемого устройства;
фиг. 2, фиг. 3, фиг 5 - временные диаграммы сигналов MP;
фиг. 4 - таблица кодовых состояний MP.
В состав MP (фиг. 1) входят первый 1 и второй 2 сумматоры, интегратор 3, группа релейных элементов (РЭ) 4-1, 4-2,…4-n, блоки диагностики 5-1, 5-2,…5-n, в состав которых входят делитель частоты 6, пропорционально-дифференцирующее звено 7, демодулятор 8 и пороговый элемент 9, дешифратор 10, входная 11 и выходная 12 клеммы.
Перечисленные элементы имеют следующие характеристики.
Сумматоры 1, 2 выполнены с единичным коэффициентом передачи по каждому из входов.
Интегратор 3 реализует передаточную функцию вида W(p)=1/Tp, где Т - постоянная времени. Знак выходного сигнала интегратора 3 инвертирован по отношению к знаку выходного сигнала сумматора 1.
1
2
n
1
Релейные элементы 4-1, 4-2,…4-n имеют неинвертирующую петлю гистерезиса с порогами переключения, удовлетворяющими начальному условию |±b|<|±b|<…|±b|, где индекс при «b» соответствует индексу релейного элемента, входящего в группу 4. Информационные входы релейных элементов 4-1, 4-2,…4-n подключены к выходу интегратора 3. При наличии сигнала логической «1» на управляющих входах релейных элементов 4-2,…4-n, которые подключены к соответствующим шинам дешифратора 10, порог переключения соответствующего релейного элемента становится равным ±b. Выходной сигнал всех релейных элементов меняется дискретно в пределах ±А/n, где n≥3 - нечетное число, соответствующее количеству релейных элементов в MP.
Блоки диагностики 5-1, 5-2,…5-n имеют идентичную структуру.
Делитель частоты 6 имеет коэффициент 2,0 и переключается, например, по переднему фронту выходных импульсов соответствующего релейного элемента 4-1, 4-2,…4-n.
1
2
1
2
Пропорционально-дифференцирующее звено 7 имеет передаточную функцию вида W(p)=Tp/(Tp+1), где T, T - постоянные времени, и передает на выход только переменную составляющую выходных импульсов делителя частоты 6, причем с минимальными искажениями во всем рабочем диапазоне частоты автоколебаний MP. При этом для постоянной составляющей выходного сигнала делителя частоты 6 коэффициент передачи пропорционально-дифференцирующего звена 7 равен нулю.
Демодулятор 8 осуществляет выпрямление переменного выходного сигнала пропорционально-дифференцирующего звена 7.
Пороговый элемент 9 выполнен с порогом включения +С, при достижении которого пороговый элемент 9 переключается в состояние логической «1».
Дешифратор 10 преобразует входной код, например двоичный, с выходов блоков диагностики 5-1…5-n в сигнал «1», который подается на соответствующие управляющие входы релейных элементов 4-2…4-n.
Принцип работы MP следующий.
Ограничимся числом n=3. Тогда выходной сигнал каждого из релейных элементов 4-1, 4-2 и 4-3 будет меняться дискретно в пределах ±А/3.
При включении MP и нулевом значении входного сигнала релейные элементы 4-1, 4-2 и 4-3 ориентируются произвольным образом. Интегратор 3 переходит в режим сканирования состояний РЭ 4-1, 4-2 и 4-3, по завершении которого в режиме автоколебаний всегда оказывается релейный элемент с наименьшим значением порогов переключения, в данном случае РЭ 4-1. Остальные РЭ находятся в статическом и противоположном по знаку выходного сигнала состоянии, когда их суммарный выходной сигнал равен нулю (фиг. 2г, д).
BX
1
1
2(1)
Если входной сигнал на клемме 11 находится на уровне X<А/3 (фиг. 2а), то MP работает в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (фиг.2 е). В интервале t() (фиг. 2е) темп изменения выходного сигнала интегратора 3 (фиг. 2б) определяется разностью выходного сигнала на клемме 12 и входного воздействия на клемме 11. После переключения РЭ 4-1 (фиг. 2в) скорость нарастания сигнала на выходе интегратора 3 возрастает (фиг. 2б), так как на сумматор 1 действует сумма входного и выходного воздействий (фиг. 2а в, е, интервал t).
1
3
1(2)
2(2)
Предположим, что в момент времени t входной сигнал увеличился дискретно до величины, находящейся в пределах -А/3… -2А/3 (фиг. 2а). Тогда выходной сигнал интегратора 3 (фиг. 2б) продолжает нарастать в положительном направлении до тех пор, пока не произойдет переключение релейного элемента 4-3 (фиг. 2д, момент времени t), что вызывает переход выходного сигнала сумматора 2 во вторую модуляционную зону (фиг. 2е), ограниченную величинами А/3…2А/3. Здесь длительность импульсов t и t также определяется суммой либо разностью входного и выходного сигналов MP (фиг. 2а, в, е). В результате в любой из модуляционных зон среднее значение выходных импульсов MP за период автоколебаний достигает величины, пропорциональной входному сигналу.
2
Если в момент времени t (фиг. 2а) входной сигнал MP вновь увеличился до значения большего, чем 2А/3, то длительность импульса положительной полярности на выходе релейного элемента 4-1 и выходной клемме 12 становится больше длительности импульса отрицательной полярности (фиг. 2в).
BX
Рассмотрим работу MP при катастрофических отказах его элементов. Считаем, что рабочий диапазон изменения входного сигнала соответствует первой модуляционной зоне, т.е. |X|<|А/3| (фиг. 3а).
1
2
2
2
1
Предположим, что в момент времени t РЭ 4-1 перешел в неуправляемое состояние -А/3 (фиг. 3в, пунктир). Тогда выходной сигнал интегратора 3 продолжает нарастать в положительном направлении до тех пор, пока в момент времени t (фиг. 3д) не переключится РЭ 4-3, который до этого находился в состоянии -А/3. В результате выходной сигнал -А/3 неработоспособного РЭ 4-1 (фиг. 3в) компенсируется сигналом +А/3 с выхода РЭ 4-3 (фиг. 3д). Это приводит к тому, что направление изменения выходного сигнала интегратора 3 меняется на противоположное (фиг. 3б) и, начиная с момента времени t (фиг. 3г), режим автоколебаний возобновляется в канале РЭ 4-2. Таким образом, сохраняется работоспособность MP, но частота его автоколебаний уменьшается, так как |b|>|b|. Соответственно снижается полоса пропускания MP.
Для устранения отмеченного недостатка в MP введены блоки диагностики 5-1…5-n, дешифратор 10, а РЭ 4-2…4-n выполнены с управляющими входами.
Блоки диагностики 5-1…5-n работают следующим образом.
Делитель частоты 6 формирует на выходе биполярные импульсы со средним нулевым значением, частота которых в два раза ниже частоты выходного сигнала РЭ 4-1. Пропорционально-дифференцирующее звено 7 передает импульсы с выхода делителя частоты 6 практически без искажений. С помощью демодулятора 8 переменный выходной сигнал пропорционально-дифференцирующего звена 7 выпрямляется, а пороговый элемент 9 переключается в состояние «1». Таким образом, сигнал «1» на выходе блока диагностики 5-1…5-n свидетельствует о наличии режима автоколебаний в канале соответствующего релейного элемента.
0
2
В дальнейшем выходному сигналу РЭ 4-1 присваиваем значение Q младшего разряда двоичного кода, а РЭ 4-3 - значение Q старшего разряда двоичного кода (фиг. 4). Тогда исправному состоянию MP соответствует десятичное число 1, а неисправным состояниям - 2 либо 4 (фиг. 4).
Рассмотрим работу MP с учетом блоков диагностики 5-1…5-n (фиг. 5).
1
2
2
4
2
1
После выхода из строя РЭ 4-1 (фиг. 5в, момент времени t) и переключения РЭ 4-3 в состояние А/3 (фиг. 5д, момент t) в режим автоколебаний входит РЭ 4-2 (фиг. 5г, момент t). Блок диагностики 5-1 переходит в состояние «0», а сигнал «1» появляется на выходе блока 5-2, под действием которого в момент времени t (фиг. 5б) реализуется условие |b|=|b|. Частота автоколебаний MP и его полоса пропускания принимают исходное значение.
Необходимо обратить внимание на необходимость выполнения следующих условий:
- для повышения надежности работы MP необходимо звенья 7, 8, 9 выполнять на пассивных элементах (R-C-цепи, диоды, стабилитроны) с достаточным запасом по эксплуатационным характеристикам;
- интегратор 3 реализуется на базе параллельного включения нескольких интеграторов на операционных усилителях, либо путем применения пассивного R-С-«интегратора». При использовании операционных усилителей напряжение их питание должно составлять не более 75% от номинального значения;
- сумматор 2 должен быть реализован на пассивных R-сумматорах (сумматор 1 является виртуальным, так как представляет собой суммирующую точку MP).
Таким образом, введением в MP блоков диагностики 5-1…5-n и дешифратора 10 обеспечивают стабилизацию частоты несущих колебаний при отказах релейных элементов и тем самым повышают динамическую точность MP.