способ формирования трехуровневого управляющего сигнала в релейных системах управления динамическим объектом и релейный регулятор

Формула изобретения

1. Способ формирования трехуровневого управляющего сигнала в релейных системах управления динамическим объектом, при котором измеряют сигналы рассогласования и скорости изменения рассогласования регулируемой координаты, образуют входной сигнал в виде линейной комбинации сигнала рассогласования и скорости изменения рассогласования и при превышении входным сигналом первого заданного значения формируют первый релейный сигнал, знак которого противоположен знаку входного сигнала, отличающийся тем, что формируют вспомогательный сигнал в виде интеграла входного сигнала и при превышении вспомогательным сигналом второго заданного значения образуют второй релейный сигнал, знак которого противоположен знаку вспомогательного сигнала, а трехуровневый управляющий сигнал формируют при совпадении первого и второго релейных сигналов, причем в момент превышения вспомогательным сигналом второго заданного значения формируют компенсирующий сигнал, знак которого совпадает со знаком трехуровневого управляющего сигнала, а среднее значение равно входному сигналу, при этом компенсирующий сигнал вычитают из входного сигнала, подлежащего интегрированию.

2. Релейный регулятор, содержащий первый - четвертый компараторы, интегратор, первый и второй элементы И, первые входы которых соединены с выходами первого и второго компараторов соответственно, а вторые входы - с выходами третьего и четвертого компараторов соответственно, отличающийся тем, что в него введены масштабирующий усилитель, трехпозиционный релейный элемент, сумматор и сравнивающее устройство, выход которого соединен с входом интегратора, выход которого подключен к входам третьего и четвертого компараторов и входу трехпозиционного релейного элемента, выход которого соединен с инвертирующим входом сравнивающего устройства, неинвертирующий вход которого соединен с входами первого и второго компараторов и выходом сумматора, первый вход которого соединен с выходом масштабирующего усилителя, вход которого подключен к первому входу регулятора, а второй вход сумматора подключен к второму входу регулятора, при этом выход первого элемента И образует шину выходного отрицательного управляющего сигнала, выход второго элемента И - шину выходного положительного управляющего сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов в релейных системах управления и регулирования.

Известен способ формирования управляющего сигнала в релейных системах управления [1] включающий формирование импульсного и релейного управляющих сигналов в зависимости от ошибки управления.

Известен релейный регулятор [1] реализующий указанный способ и содержащий сравнивающее устройство, релейный элемент, инерционное звено и формирователь управляющего сигнала.

Однако данные способ и регулятор не обеспечивают заданный динамический процесс при ограниченной линейной зоне датчика сигнала ошибки управления и не гарантируют устойчивое управление при наличии в сигнале ошибки помех, превышающих по уровню зону нечувствительности системы управления.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу формирования трехуровневого управляющего сигнала является способ, при котором измеряют сигналы рассогласования и скорости изменения рассогласования регулируемой координаты, образуют входной сигнал в виде линейной комбинации сигнала рассогласования и скорости изменения рассогласования и при превышении входным сигналом первого заданного значения формируют первый релейный сигнал, знак которого противоположен знаку входного сигнала [2]

Однако этот способ не обеспечивает устойчивое управление динамическим объектом в условиях действия помех, превышающих по уровню заданное значение.

Наиболее близким к предлагаемому регулятору является устройство [3] содержащее первый, второй, третий и четвертый компараторы, интегратор, первый и второй элементы И, первые входы которых соединены с выходами первого и второго компараторов, а вторые входы с выходами третьего и четвертого компараторов соответственно.

Однако это устройство не обеспечивает устойчивое управление динамическим объектом в условиях действия помех, превышающих по уровню заданное значение.

Задача изобретения обеспечение устойчивого управления динамическим объектом в условиях действия помех, превышающих по уровню заданное значение.

Сущность изобретения состоит в том, что способ формирования трехуровневого управляющего сигнала в релейных системах управления динамическим объектом, при котором измеряют сигналы рассогласования и скорости изменения рассогласования регулируемой координаты, образуют входной сигнал в виде линейной комбинации сигнала рассогласования и скорости изменения рассогласования и при превышении входным сигналом первого заданного значения формируют первый релейный сигнал, знак которого противоположен знаку входного сигнала, предполагает формирование вспомогательного сигнала в виде интеграла входного сигнала и при превышении вспомогательным сигналом второго заданного значения образуют второй релейный сигнал, знак которого противоположен знаку вспомогательного сигнала, а трехуровневый управляющий сигнал формируют при совпадении первого и второго релейных сигналов, причем в момент превышения вспомогательным сигналом второго заданного значения формируют компенсирующий сигнал, знак которого совпадает со знаком трехуровневого управляющего сигнала, а среднее значение равно входному сигналу, при этом компенсирующий сигнал вычитают из входного сигнала, подлежащего интегрированию.

В релейный регулятор, содержащий первый, второй, третий и четвертый компараторы, интегратор, первый и второй элементы И, первые входы которого соединены с выходами первого и второго компараторов, а вторые входы с выходами третьего и четвертого компараторов соответственно, дополнительно введены масштабирующий усилитель, трехпозиционный релейный элемент, сумматор и сравнивающее устройство, выход которого соединен с входом интегратора, выход которого подключен к входам третьего и четвертого компараторов и входу трехпозиционного релейного элемента, выход которого соединен с инвертирующим входом сравнивающего устройства, неинвертирующий вход которого соединен с входами первого и второго компараторов и выходом сумматора, первый вход которого соединен с выходом масштабирующего усилителя, вход которого подключен к первому входу регулятора, а второй вход сумматора подключен к второму входу регулятора, при этом выход первого элемента И образует шину выходного отрицательного управляющего сигнала, выход второго элемента И образует шину выходного положительного управляющего сигнала.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого релейного регулятора, реализующего способ формирования трехуровневого управляющего сигнала; на фиг. 2 фазовые траектории системы управления, реализующей этот способ и использующей предлагаемый регулятор.

Выход масштабирующего усилителя 1 соединен с первым входом сумматора 2, второй вход которого является входом сигнала рассогласования, а вход масштабирующего усилителя 1 является входом скорости изменения рассогласования. Выход сумматора 2 соединен с входом первого 3 и второго 4 компараторов и сравнивающего устройства 5, выход которого подключен к входу интегратора 6, выход которого соединен с входами трехпозиционного релейного элемента 7 и третьего 8 и четвертого 9 компараторов. Выходы первого 3 и второго 4 компараторов соединены соответственно с первыми входами первого 10 и второго 11 элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходом третьего 8 и четвертого 9 компараторов. Выход трехпозиционного релейного элемента 7 соединен с инвертирующим входом сравнивающего устройства 5, выход первого элемента И 10 подключен к шине 12 выходного отрицательного управляющего сигнала, выход второго элемента И 11 подключен к шине 13 выходного положительного сигнала.

На фиг. 2 Х сигнал рассогласования; скорость изменения сигнала рассогласования; L₁, L₂, линии переключения на фазовой плоскости Х, .

Релейный регулятор работает следующим образом.

Пусть на вход регулятора поступают сигналы рассогласования Х и скорости изменения рассогласования . Выходной сигнал Y сумматора 2 (входной сигнал) равен

Y X+n (1) где n коэффициент передачи масштабирующего усилителя 1.

Пусть сигнал Y увеличивается от нуля. При достижении сигналом Y значения l (l и -l) уровни срабатывания первого 3 и второго 4 компараторов соответственно) включается первый компаратор 3 и его выходной сигнал Р₁ 1 (1 соответствует высокому уровню, 0 низкому уровню) подается на первый вход первого элемента И 10. Одновременно сигнал Y через сравнивающее устройство 5 поступает на вход интегратора 6, выходной сигнал которого I начинает возрастать. При I h (h и -h уровни срабатывания третьего 8 и четвертого 9 компараторов соответственно) включается третий компаратор 8 и его выходной сигнал Р₃= 1 подается на второй вход первого элемента И 10. Если далее Y > 0, то при Y h + ( малая величина) срабатывает трехпозиционный элемент 7, выходной сигнал которого R подается на инвертирующий вход сравнивающего устройства 5. Выходной сигнал сравнивающего устройства 5 S равен

S Y R. (2)

Если R 0 (трехпозиционный релейный элемент 7 выключен), то S Y > 0. Если RR_m (трехпозиционный релейный элемент 7 включен, при этом R R_m), то S Y R_m < 0 (достигается выбором Rm). Иначе говоря, при Y > 0 сигнал I возрастает (S > 0), если трехпозиционный релейный элемент 7 выключен (R 0), и сигнал I уменьшается (S < 0), если релейный элемент 7 включен (R R_m), или при включении релейного элемента 7 создаются условия для его выключения, а при выключении этого элемента создаются условия для его включения.

В этих условиях в контуре: сравнивающее устройство 5, интегратор 6, трехпозиционный релейный элемент 7 возникает так называемый скользящий режим [4] для которого характерно переключение релейного элемента 7 с некоторой частотой f, определяемой скоростью изменения сигнала Y, при этом

<> 0 (3) где символом <> обозначено среднее значение. Тогда

<> <S> 0; I h+ (4) В скользящем режиме при Y > 0 выходной сигнал I интегратора 6 остается неизменным и равным уровню включения трехпозиционного релейного элемента 7 h + .

Аналогично работает устройство и при Y < 0. При этом срабатывает второй 4 и четвертый 9 компараторы и их выходные сигналы соответственно Р₂ 1 и P₄ 1 поступают на первый и второй входы второго элемента И 11.

Выходной сигнал релейного регулятора U^- (шина 12 выходного отрицательного управляющего сигнала) формируется с выхода R₁ первого элемента И 10, выходной сигнал релейного регулятора U⁺ (шина 13 выходного положительного управляющего сигнала) формируется с выхода R₂второго элемента И 11.

Отметим также, что в течение времени существования скользящего режима (Р₃ 1 или Р₄ 1) как это следует из (4) и (2)

< Y> < R > (5) т.е. в рассматриваемой схеме релейного регулятора сигнал R является компенсирующим сигналом и он равен по величине входному сигналу. Вспомогательный сигнал I формируется с выхода интегратора 6 в виде интеграла суммы входного Y и компенсирующего R сигналов.

Рассмотрим процесс управления на фазовой плоскости X, на примере управления динамическим объектом с передаточной функцией W₀(P) P^-2. Состояние объекта управления определим координатами Х и . Уравнение движения объекта имеет вид

U (6) где U принимает значение Е (Е значение управляющего воздействия на объект управления при U⁺ 1) или -Е при U^- 1 и 0 при U⁺ 0 и U^- 0.

Фазовые траектории изображающей точки имеют вид

(U=O), -= 2E(X-X_o) (U E) (7) где Х₀ и начальные значения.

Отметим следующую особенность рассматриваемого регулятора. Введение в контур управления интегратора 6 приводит к тому, что третий 8 и четвертый 9 релейные элементы будут включаться и выключаться с запаздыванием по отношению к включению и выключению первого 3 и второго 4 релейных элементов. Поэтому линии выключения L₁ и (фиг. 2) будут определятьcя уcловиями включения первого 3 и второго 4 релейных элементов cоответcтвенно, а линии включения L₂ и будут определяться условиями включения третьего 8 и четвертого 9 релейных элементов соответственно.

Уравнения линий переключения L₁, , L₂ и имеют вид

Y X+n l

Y X+n -l

X -n-2 > 0, Y > 0 (8)

X -n+2 < 0, Y < 0 где l первое заданное значение; h второе заданное значение.

Граница возрастания или убывания сигнала I (линия L_o) определяется равенством

Y X+n 0 (9) Координаты Х_р и точки Р пересечения линий L₁ и L₂ соответственно равны

X_p= l -1, =

(10)

На примере движения изображающей точки М по траектории М __ М₀__ М₁ __ М₂ определим устойчивость системы управления методом точечных преобразований, для чего рассмотрим точечное преобразование П₁ линии L₁в себя ( < ) и преобразование П₂ линии L₂ в линию ( ). Преобразование П₁ имеет неподвижную точку E_min2^-1 где _min минимальная длительность включения управляющих двигателей.

Преобразование П₂ имеет функцию поcледования

= nE- > (11)

Преобразование П₂ имеет неподвижную точку с координатой Z₂*

Z^*₂ ln-h (12)

Условие отсутствия неподвижной точки определяется равенством

h < h_кр, h_кр 2 nl. (13)

Это условие и определяет устойчивость системы управления.

Рассмотрим процесс управления при действии помех, превышающих по уровню первое заданное значение l. Анализ проведем на примере действия гармонических помех. Пусть во входном сигнале Y присутствует помеха , причем

= _osin t, (14) где _o амплитуда помехи, частота изменения помехи. Выберем

h > (15)

В этом случае, если Y 0, то отсутствуют условия на включение третьего 8 и четвертого 9 релейных элементов, а значит, отсутствуют условия формирования управляющего сигнала U^- 1 или U⁺ 1. Если Y > 0, то существуют условия на включение третьего релейного элемента 8, а значит, формируется управляющий сигнал U^- 1. Если Y < 0, то существуют условия на включение четвертого релейного элемента 9, а значит, формируется управляющий сигнал U⁺ 1. Иначе говоря, релейный регулятор формирует управляющий сигнал в соответствии с полезным сигналом Y.

В известном регуляторе [3] в условиях действия помех, превышающих уровень срабатывания первого и второго компараторов, срабатывание компараторов будет происходить по сигналам помехи, т.е. произвольно, а не в соответствии с изменением полезного сигнала, что приводит к потере устойчивости динамического объекта.