Трехканальная управляющая система
THREE-CHANNEL CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к резервированным управляющим системам, в частности к системам для управления приводами.
Известно устройство переключения каналов троированной системы управления (патент РФ №2467372 на изобретение от 14.12.2011 г.), содержащее в программируемых логических контроллерах три канала системы управления, в которых имеются средства для переключения на исправный канал резерва.
Недостатком данного устройства является снижение надежности за счет сложных схем переключения на исправный канал резерва и межканальной синхронизации.
Известна трехканальная управляющая система, принятая в качестве прототипа (патент РФ №2333529 на изобретение от 02.07.2007 г.), содержащая три управляющих канала, каждый из которых содержит вычислительный блок и блок ввода-вывода, при этом в системе имеются средства межканальной синхронизации и средства определения неисправности канала резерва.
Недостатками данной системы является снижение надежности и точности. В данной системе отсутствует автоматическое переключение на исправный канал резерва, представляющей собой привод. Влияние дестабилизирующих факторов (разброс параметров элементов, напряжений питания, параметров внешней нагрузки) снижает точность формирования управляющих сигналов и их стабильность за счет сложности промежуточных цифровых схем в блоке ввода-вывода информации, что необходимо для последовательного обмена между каналами ЭВМ.
Техническими результатами заявленного изобретения являются повышение надежности устройства и точности управления приводами за счет автоматического переключения на исправный канал при управлении нерезервированной нагрузкой (резервированной дублированием) и уменьшения влияния дестабилизирующих факторов на точность управления.
Для достижения указанных технических результатов трехканальная управляющая система содержит три управляющих канала, каждый из которых содержит вычислительный блок, содержащий ЭВМ и приемопередатчик последовательного интерфейса, соединенный с ЭВМ, выполненной с входами синхронизации и выходами синхронизации, при этом выходы синхронизации соединены с соответствующими входами синхронизации ЭВМ двух других каналов. Дополнительно система содержит два блока резисторов, а каждый из управляющий каналов дополнительно содержит блок вывода ШИМ-сигналов, блок ввода аналоговых сигналов и усилитель-коммутатор. Выход вычислительного блока соединен с входом блока вывода ШИМ-сигналов, а входы вычислительного блока соединены с выходами блока ввода аналоговых сигналов. Первый выход и первый инверсный выход блока вывода ШИМ-сигналов соединены с первым входом и первым инверсным входом усилителя-коммутатора. Второй выход и второй инверсный выход блока вывода ШИМ-сигналов первого канала соединены со вторым входом и вторым инверсным входом усилителя-коммутатора третьего канала, второй выход и второй инверсный выход блока вывода ШИМ-сигналов второго канала соединены со вторым входом и вторым инверсным входом усилителя-коммутатора первого канала, второй выход и второй инверсный выход блока вывода ШИМ-сигналов третьего канала соединены со вторым входом и вторым инверсным входом усилителя-коммутатора второго канала. Выход усилителя-коммутатора соединен с входом первого блока резисторов, а инверсный выход усилителя-коммутатора соединен с инверсным входом второго блока резисторов. Первый выход обратной связи первого блока резисторов соединен с первым входом блока ввода аналоговых сигналов первого канала, второй выход обратной связи первого блока резисторов соединен с первым входом блока аналоговых сигналов второго канала, а первый выход обратной связи второго блока резисторов соединен с первым входом блока аналоговых сигналов третьего канала. Третий выход первого блока резисторов является выходом системы, второй выход второго блока резисторов является телеметрическим выходом системы, а третий выход второго блока резисторов является инверсным выходом системы. Первый, второй и третий входы, являющиеся входами системы, соединены со вторым входом блока ввода аналоговых сигналов первого, второго и третьего каналов соответственно. Вход приемопередатчика последовательного интерфейса первого, второго и третьего каналов подключен к входу первой, второй и третьей кодовой линии связи соответственно.
Изобретение поясняется схемами:
- фиг. 1 - Структурная схема трехканальной управляющей системы;
- фиг. 2 - Структурная схема усилителя-коммутатора
Трехканальная управляющая система (фиг. 1) содержит первый, второй и третий управляющие каналы 1, первый и второй блоки резисторов 8.
Каждый управляющий канал 1 содержит вычислительный блок 2, блок вывода сигнала широтно-импульсной модуляции (далее - ШИМ-сигнал) 5, блок ввода аналоговых сигналов 6 и усилитель-коммутатор 7. Каждый вычислительный блок 2 содержит электронно-вычислительную машину (далее - ЭВМ) 3 и приемопередатчик последовательного интерфейса 4, соединенный с ЭВМ 3.
ЭВМ 3 выполнена с первым 11 и вторым 12 входами синхронизации и первым 9 и вторым 10 выходами синхронизации, являющимися первым и вторым входами и первым и вторым выходами синхронизации вычислительного блока 3.
Первый 9 выход синхронизации вычислительного блока 2 первого канала системы соединен со вторым входом 12 синхронизации вычислительного блока 2 третьего канала системы. Второй 10 выход синхронизации вычислительного блока 2 первого канала системы соединен с первым 11 входом синхронизации вычислительного блока 2 второго канала системы. Первый 9 выход синхронизации вычислительного блока 2 второго канала системы соединен со вторым 12 входом синхронизации вычислительного блока 2 первого канала системы. Второй 10 выход синхронизации вычислительного блока 2 второго канала системы соединен с первым 11 входом синхронизации вычислительного блока 2 третьего канала системы. Первый 9 выход синхронизации вычислительного блока 2 третьего канала системы соединен со вторым 12 входом синхронизации вычислительного блока 2 второго канала системы. Второй 10 выход синхронизации вычислительного блока 2 третьего канала системы соединен с первым 11 входом синхронизации вычислительного блока 2 первого канала системы.
Вход приемопередатчика последовательного интерфейса 4 первого канала подключен к входу кодовой линии связи (КЛС-1), вход приемопередатчика последовательного интерфейса 4 второго канала подключен к входу кодовой линии связи (КЛС-2), вход приемопередатчика последовательного интерфейса 4 третьего канала подключен к входу кодовой линии связи (КЛС-3).
Выход 13 вычислительного блока 2 соединен с входом 13 блока вывода ШИМ-сигнала 5, а первый и второй входы 14 вычислительного блока 2 соединены с первым и вторым выходами 14 блока ввода аналоговых сигналов 6.
Первый выход 15 блока вывода ШИМ-сигнала 5 соединен с первым входом 17 усилителя-коммутатора 7, первый инверсный выход 15 J блока вывода ШИМ-сигнала 5 соединен с первым инверсным входом 17J усилителя-коммутатора 7.
Второй выход 16 блока вывода ШИМ-сигнала 5 первого канала соединен со вторым входом 18 усилителя-коммутатора 7 третьего канала, второй инверсный выход 16J блока вывода ШИМ-сигнала 5 первого канала соединен со вторым инверсным входом 18J усилителя-коммутатора 7 третьего канала. Второй выход 16 блока вывода ШИМ-сигнала 5 второго канала соединен со вторым входом 18 усилителя-коммутатора 7 первого канала, второй инверсный выход 16J блока вывода ШИМ-сигнала 5 второго канала соединен со вторым инверсным входом 18J усилителя-коммутатора 7 первого канала. Второй выход 16 блока вывода ШИМ-сигнала 5 третьего канала соединен со вторым входом 18 усилителя-коммутатора 7 второго канала, второй инверсный выход 16J блока вывода ШИМ-сигнала 5 третьего канала соединен со вторым инверсным входом 18J усилителя-коммутатора 7 второго канала.
Выход 21 усилителя-коммутатора 7 соединен с входом 22 первого блока резисторов 8, а инверсный выход 21J усилителя-коммутатора 7 соединен с входом 22J второго блока резисторов 8.
Первый выход обратной связи 23 первого блока резисторов 8 соединен с первым входом 19 блока ввода аналоговых сигналов 6 первого канала, второй выход обратной связи 24 первого блока резисторов 8 соединен с первым входом 19 блока ввода аналоговых сигналов 6 второго канала, а первый выход обратной связи 25 второго блока резисторов 8 соединен с первым входом 19 блока ввода аналоговых сигналов 6 третьего канала.
Третий выход 26 первого блока резисторов 8 является выходом системы, второй выход 27 второго блока резисторов 8 является телеметрическим выходом системы, а третий выход 26J второго блока резисторов 8 является инверсным выходом системы.
Первый вход 28, второй вход 29 и третий вход 30 являются входами системы. При этом первый вход 28 соединен со вторым входом 20 блока ввода аналоговых сигналов 6 первого канала, второй вход 29 соединен со вторым входом 20 блока ввода аналоговых сигналов 6 второго канала, а третий вход 30 соединен со вторым входом 20 блока ввода аналоговых сигналов 6 третьего канала.
Усилитель-коммутатор 7 (фиг. 2) содержит ключи К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7, К8.
Вход 17 усилителя-коммутатора 7 подключен к первому К1 и восьмому К8 ключам, вход 18 подключен к второму К2 и седьмому К7 ключам, вход 17J подключен к четвертому К4 и пятому К5 ключам, а вход 18J подключен к третьему К3 и шестому Кб ключам. К верхним выводам первого К1 и пятого К5 ключей подключен источник питания положительного напряжения +V, а к нижним выводам четвертого К4 и восьмого К8 ключей подключен источник питания отрицательного напряжения -V. Выход 21 усилителя-коммутатора 7 подключен к точкам соединения второго К2 и третьего К3 ключей, а инверсный выход 21J усилителя-коммутатора 7 подключен к точкам соединения шестого Кб и седьмого К7 ключей.
Трехканальная управляющая система работает следующим образом:
Входные управляющие сигналы КЛС-1, КЛС-2, КЛС-3, поступают на входы внутренних приемопередатчиков последовательного интерфейса 4 первого, второго, третьего каналов. С выходов приемопередатчиков последовательного интерфейса 4 сигналы поступают на ЭВМ 3, которые формируют результирующие ШИМ-сигналы 13 с учетом совместной обработки нормированных сигналов 14 внутренней обратной связи и входных внешних сигналов. Передние фронты результирующих сигналов 13 трех каналов строго синхронизированы за счет межканальных связей между ЭВМ 3 первого, второго, третьего каналов.
ШИМ-сигналы с выходов 13 вычислительных блоков 2 поступает на входы блоков вывода ШИМ-сигналов 5, а на выходах 15, 15J, 16, 16J блоков вывода ШИМ-сигналов 5 формируются импульсные сигналы управления усилителями-коммутаторами 7.
На выходах 14 блоков ввода аналоговых сигналов 6 нормированные сигналы 14 подключены к входам 14 вычислительных блоков 2 для аналого-цифрового преобразования в ЭВМ 3. На входы 19 блоков ввода аналоговых сигналов 6 поступают сигналы отрицательной обратной связи, а на входы 20 блоков ввода аналоговых сигналов 6 поступают внешние входные сигналы.
Усилитель-коммутатор 7 выполнен по мостовой схеме на электронных ключах К1…К8 и усиливает ШИМ-сигналы до уровня, достаточного для управления внешней нагрузкой. Объединение выходов 21 усилителей-коммутаторов 7 трех каналов осуществляется на входе 22 первого блока резисторов 8, а объединение инверсных выходов 21J усилителей-коммутаторов 7 трех каналов осуществляется на входе 22J второго блока резисторов 8.
Блоки резисторов 8 представляют собой параллельно-последовательное соединение групп резисторов. Выходы 26 и 26J блоков резисторов 8 предназначены для подключения внешней нагрузки - рулевого привода. Указанное соединение позволяет сделать переход с трехканального построения системы на нерезервированное (или резервированное дублированием) построение для связи с внешней нагрузкой.
За счет объединения ШИМ-сигналов с первого, второго и третьего каналов автоматически выбирается средний по длительности ШИМ-сигнал с одного из каналов.
min
max
Внешняя нагрузка представляет собой индуктивно-резистивную входную часть рулевого привода. На нагрузке ШИМ-сигнал детектируется в постоянный ток управления реле в диапазоне от J до J соответственно изменению длительности импульса ШИМ-сигнала от минимального до максимального значения относительно среднего.
С части блоков резисторов снимается напряжение обратной связи, поступающее на вход блока ввода аналоговых сигналов (поканально). Внутренняя отрицательная обратная связь по току охватывает весь тракт устройства и стабилизирует параметры устройства, компенсируя при этом нестабильности параметров элементов, напряжений питания повышая быстродействие и точность системы.
Повышение надежности устройства за счет автоматического переключения на исправный канал при управлении нерезервированной нагрузкой (резервированной дублированием) и повышение точности управления приводами за счет уменьшения влияния дестабилизирующих факторов на точность управления достигнуто введением в трехканальную управляющую систему в каждый управляющий канал блока вывода ШИМ-сигнала, блока ввода аналоговых сигналов, усилителя-коммутатора, соединенных вышеописанным способом и введением первого и второго блока резисторов, соединенных вышеописанным способом, а также введением блоков резисторов с обратной связью по каналам.
Таким образом, использование предложенного технического решения в системах для управления приводами за счет автоматического переключения на исправный канал при управлении нерезервированной нагрузкой (резервированной дублированием) и уменьшения влияния дестабилизирующих факторов на точность управления позволяет повысить надежность устройства и точность управления приводами.