многозонный развертывающий преобразователь

Формула изобретения

Многозонный развертывающий преобразователь, содержащий последовательно включенные источник входного сигнала, первый сумматор, интегратор, выход которого подключен к входам n-ого числа релейных элементов, каждый из которых имеет входы для подключения источника электропитания положительной и отрицательной полярности, причем n 3 - нечетное число, выходы релейных элементов подключены к входам второго сумматора, выход которого подключен к выходной клемме и соединен со вторым входом первого сумматора, k-oe число источников электропитания положительной полярности и k-oe число источников электропитания отрицательной полярности, отличающийся тем, что в него введены 2k·n-элементов с односторонней проводимостью, причем выход каждого из источников электропитания положительной полярности через соответствующий элемент с односторонней проводимостью подключен к входу для подключения источника электропитания положительной полярности каждого релейного элемента, а выход каждого из источников электропитания отрицательной полярности через соответствующий элемент с односторонней проводимостью подключен к входу для подключения источника электропитания отрицательной полярности каждого релейного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться при автоматизации технологических процессов для управления группой параллельно работающих асинхронных электроприводов.

Известна система управления с автоматическим резервированием (Цытович Л.И. А.с. 1294152 СССР, G 05 B 9/03, Н 05 К 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 электропривод (А.с. 913824 СССР, G 05 B 11/01. Следящий электропривод / Цытович Л.И. (СССР).- № 3007071/24, заявлено 19.11.80, опубл. 15.03.82, бюл. № 10), отличающийся повышенной помехоустойчивостью, в состав которого входят электродвигатель, широтно-импульсный преобразователь на базе интегратора и релейного элемента. Недостатком устройства является низкая надежность по причине отсутствия резервных каналов преобразования управляющих воздействий и средств автоматического диагностирования.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь (МРП) (А.с. 1283801 СССР, G 06 G 7/12. Развертывающий преобразователь / Цытович Л.И. (СССР). - № 3945653/24, заявлено 22.05.85, опубл. 15.01.87, бюл. №2), содержащий два сумматора, группу параллельно работающих интеграторов, нечетное число релейных элементов.

Устройство - прототип обеспечивает высокую 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.

Недостатком известного технического решения является невозможность его работы при нулевых по выходу отказах релейных элементов, что может быть связано, например, с отказом и аварийным отключением источника электропитания. Таким образом, устройство-прототип характеризуется недостаточно высокой надежностью при отказе источника электропитания.

Технической задачей изобретения является повышение надежности работы многозонного развертывающего преобразователя.

Предлагаемый многозонный развертывающий преобразователь содержит последовательно включенные источник входного сигнала, первый сумматор, интегратор, выход которого подключен к входам «n»-го числа релейных элементов, каждый из которых имеет входы для подключения источника электропитания положительной и отрицательной полярности, причем n 3-нечетное число, выходы релейных элементов подключены к входам второго сумматора, выход которого подключен к выходной клемме и соединен с вторым входом первого сумматора, «k»-е число источников электропитания положительной полярности и «k»-е число источников электропитания отрицательной полярности и отличается от известного тем, что в него введены «2k·n» - элементов с односторонней проводимостью, причем выход каждого из источников электропитания положительной полярности через соответствующий элемент с односторонней проводимостью подключен к входу для подключения источника электропитания положительной полярности каждого релейного элемента, а выход каждого из источников электропитания отрицательной полярности через соответствующий элемент с односторонней проводимостью подключен к входу для подключения источника электропитания отрицательной полярности каждого релейного элемента.

Существенным отличием предлагаемого устройства является его повышенная надежность при отказах источников электропитания МРП.

Поставленная техническая задача достигается за счет бесконтактного резервирования системы электропитания МРП, обеспечиваемого с помощью элементов с односторонней проводимостью и естественного разброса их характеристик.

При исследовании предлагаемого устройства по патентной и научно-технической литературе не выявлены технические решения, содержащие признаки, эквивалентные признакам заявляемого устройства и, следовательно, данное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства;

Фиг.2 - характеристики элементов предлагаемого устройства;

Фиг.3 - временные диаграммы многозонного развертывающего преобразователя при исправном состоянии его элементов;

Фиг.4 - временные диаграммы работы многозонного развертывающего преобразователя при нулевом отказе релейного элемента;

Фиг.5 - пояснения принципа работы релейных элементов с группой источников электропитания и элементов с односторонней проводимостью.

В состав устройства входят (фиг.1) входят сумматоры 1, 2, интегратор 3, выход которого подключен к входам релейных элементов 4, 5, 6, выходы которых соединены с входами сумматора 2, выход которого подключен к второму входу сумматора 1. Источники электропитания положительной полярности 7, 8 и источники электропитания 9, 10 отрицательной полярности через элементы с односторонней проводимостью 11-22 подключены к отдельным входам релейных элементов 4, 5, 6. При рассмотрении принципа действия МРП ограничиваемся условием n=3 и k=2.

На фиг.3 введены следующие обозначения:

±b₁, ±b ₂, ±b₃ - пороги переключения релейных элементов 4, 5, 6 соответственно;

Y_И - выходной сигнал интегратора 3;

Y_p1, Y_p2, Y_р3 , - выходной сигнал релейного элемента 4, 5, 6 соответственно;

Y_вых - выходной сигнал сумматора 2;

Х _вх - сигнал на выход МРП;

±А/3 - амплитуда выходных импульсов релейных звеньев 4, 5, 6 и сумматора 2;

±А - максимальная амплитуда выходного сигнала сумматора 2;

Y₀ - среднее значение выходных импульсов Y_вых сумматора 2.

Устройство работает следующим образом.

Считаем, что МРП питается непосредственно от источников 7, 9, а элементы 11-22 отсутствуют.

Звенья 1-6 (фиг.1) в совокупности образуют МРП с частотно-широтно-импульсной модуляцией. В общем случае число релейных элементов должно удовлетворять условию n 3 - нечетное число, причем для получения требуемого числа «Z» модуляционных зон необходимо n=2Z-1. В дальнейшем ограничимся количеством релейных элементов n=3.

Релейные элементы 4-6 имеют симметричную относительно нулевого уровня неинвертирующую петлю гистерезиса (фиг.2 а) и пороги переключения, удовлетворяющие условию |±b₁|<|±b₂|<|±b ₃|. Выходной сигнал всех релейных элементов меняется дискретно в пределах ±А/n (в данном случае ±А/3). Здесь и далее считаем, что коэффициент передачи МРП со стороны входа (фиг.1) равен единице, а изменение уровня входного сигнала совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования (смены знака производной выходного сигнала интегратора 3).

При воздействии импульсного сигнала на вход интегратора 3 (фиг.2а) его выходной сигнал меняется линейно со знаком, противоположным знаку входного воздействия.

При включении МРП и нулевом входном сигнале Х_вх релейные элементы 4, 5, 6 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.3в-д). Под действием сигнала развертки Y_И с выхода интегратора 3 (фиг.3б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 блоков 4, 5 (фиг.3в, г, моменты времени t₀₁,t ₀₂), после чего меняется направление развертывающего преобразования и сигнал Y_И нарастает в положительном направлении. Начиная с момента времени выполнения условия Y_И=b ₁, МРП входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Y_И ограничена зоной неоднозначности релейного элемента 4, имеющего минимальное значение порогов переключения, а блоки 5, 6 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов Y_p2,Y_p3 состояниях (фиг.3г, д). Выходная координата Y_вых МРП формируется за счет переключений релейного элемента 4 (фиг.3в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (фиг.3е). При отсутствии Х_вх (фиг.3a, t<t₀) среднее значение Y₀ импульсов Y_вых равно нулю.

Наличие входной координаты Х_вх<(А/3) (фиг.3a, t₀ <t<t₀ ^*) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y_вых, так как в интервале t₁ (фиг.3в) развертка Y_и (фиг.3б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 1 (фиг.3а, е), а в интервале t₂ - dY_и(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y₀ Х_вх (фиг.3е).

Предположим, что в момент времени t^* ₀ сигнал Х_вх увеличился дискретно до величины (А/3)<Х_вх<А (фиг.3а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП переходит на этап переориентации состояний блоков 5, 6, который заканчивается в момент времени t₀₃ , когда релейный элемент 3 переключается в идентичное положение - А/3 (фиг.3д). Координата Y_вых достигает уровня - А (фиг.3е), и МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t₁, t₂ (фиг.3в) скорость формирования развертывающей функции Y_и (фиг.3б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 1. При этом сигнал Y₀ включает постоянную составляющую -А/3 и среднее значение импульсного потока Y_вых второй модуляционной зоны (фиг.3е). Переход МРП из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты X_вх сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).

Рассмотрим работу МРП при нулевом отказе, например, релейного элемента 4, когда Y_p1 =0 (фиг.4).

Здесь возможен как полный срыв автоколебаний в МРП (при строгом равенстве амплитуд выходных импульсов релейных элементов 5, 6), так и автоколебательный процесс с изменившейся частотой в случае неравенства амплитуд сигналов Y_p2 ,Y_p3, обусловленного естественным разбросом характеристик микросхем блоков 5, 6. Остановимся более подробно на втором режиме работы МРП.

Предположим, что блоки 5, 6 формируют импульсы положительной полярности с амплитудой +А/3, а отрицательной полярности с амплитудой -А/3- , причем | А|<|A/3| (фиг.4б, в). Тогда на интервале t₁ (фиг.4а) темп нарастания развертки Y_и резко падает, так как на выходе МРП формируется импульс отрицательной полярности Y_вых=- А (фиг.4г). После переключения релейного элемента 6 (фиг.4а, в) амплитуда выходного сигнала МРП достигает уровня +2А/3 (фиг.4г), а длительность импульса Y_вых положительной полярности t₂<t₁. Затем на интервале t₃ за счет Y_вых=- A происходит переключение релейного элемента 6 (фиг.4а, б), после чего вновь следует срабатывание релейного элемента 7 (фиг.4, а, в, интервал t₄<t₃). Таким образом, при принятых начальных условиях в МРП образуется автоколебательный процесс низкочастотного вида, параметры которого будут зависеть от реальных характеристик выходных сигналов релейных элементов. Если релейные элементы 6, 7 управляют внешними объектами, например электроприводами, то одновременное нахождение всех релейных звеньев в автоколебательном режиме приведет к неработоспособности системы управления в целом.

Для исключения подобных режимов работы МРП в него введены элементы с односторонней проводимостью 11-22.

Элементы 11, 12, 13, 14, 15, 16 пропускают на выход сигнал только положительной полярности (фиг.2 в), а элементы 17, 18, 19, 20, 21, 22 - напряжение отрицательной полярности (фиг.2г).

Рассмотрим принцип действия МРП на примере источников питания 7, 8 и элементов 11, 12 (фиг.5).

Считаем, что выходные сигналы блоков 7, 8 удовлетворяют условию +U₁=+U ₂, а коэффициенты блоков 11, 12 различны ввиду естественного разброса характеристик их элементов. В результате выходной сигнал +U^* ₁=+U₁- U₁ блока 11, если U₁< U₂, будет превышать значение +U^* ₂=+U₂- U₂ выходного блока 12, где U₁, U₂ - ошибка формирования сигнала на выходе элементов 11, 12 из-за неидентичности их характеристик. В этом случае блок 12 автоматически перейдет в закрытое состояние, обусловленное более высоким потенциалом напряжения с выхода блока 11. Электропитание релейного элемента 4 будет производиться от источника 7, а источник 8 будет находиться в «горячем» резерве. В случае аварийного отключения блока 7 напряжение +U₁=0, и блок 12 перейдет в открытое состояние. Аналогичным образом работают остальные источники электропитания и элементы с односторонней проводимостью МРП. Тем самым достигается повышенная надежность работы МРП в случае нулевых отказов релейных элементов по причине выхода из строя источников электропитания.

На практике число источников электропитания, как правило, не превышает двух, так как при выходе одного из них предполагается наличие соответствующей аварийной сигнализации, обеспечивающей своевременную замену неработоспособного источника. Вероятность же одновременного выхода из строя двух источников питания крайне мала.

Предлагаемое техническое решение прошло стадию лабораторных испытаний и предполагается к использованию в цехе №2 ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» для управления группой асинхронных электроприводов водяных насосов оборотного цикла водоснабжения.