Динамический фильтр в релейных системах управления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 5 005 В 5/01 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Головное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "ЭнерГИЯ(73) Головное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Энергия(56) Авторское свидетельство СССР М 1029141, кл, 0 05 В 13/02, 1983.Авторское свидетельство СССР М 1388828, кл; 6 05 В 13/02, 1988.(54) ДИНАМИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР В РЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ Ж 1836656 А(57) Изобретение относится к устройствам фильтрации. Целью является расширение области применения за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала и повышение точности. Шина релейного управляющего сигнала 1 соединена со входами элемента ИЛИ и управляющими входами второго 12 и третьего 14 ключей, шина отрицательного релейного управляющего сигнала 2 соединена со вторым входом элемента ИЛИ и управляющими входами четвертого 15 и пятого 17 ключей, Каждое из и последовательно соединенных звеньев содержит последовательно включенные сравнивающее устройство 3, усилитель 4, сумматор 5 и интегратор 6. Выход интегратора бп и-го З1836656 динен с входом второго интегрирующегоблока 13, выход которого соединен с шинойположительной скорости управления 19 иСигнальным входом третьего ключа 14, вы 5 ход которого подсоединен к третьим входамсумматоров 51, 52,.5 о всех звеньев. Выходчетвертого ключа 15 соединен с входомтретьего интегрирующего блока 16, выходкоторого подключен к шине отрицателЬной10 скорости управления 20 и сигнальному входу пятого ключа 17, выход%оторого соединен с четвертыми входами сумматоров 51,52,5 п всех звеньев,Динамический фильтр работает следующим образом. Пусть на вход фильтра поступают сигналы Х+ и где Х - полезный сигнал, р -+сигнал помехи, сигнал О - релейный управляющий сигнал на создание положительнойскорости изменения входного сигнала Х, сигнал О - релейный управляющий сигнал насоздание отрицательной скорости изменениявходного сигнала Х, В соответствии со схеМой, приведенной на фиг. 1, запишем очевидные соотношения в оперативной форме,Ь=Х+ и,+ Я =Е( +Еу +ау2 п + 3 Зп и-го звена, входу апериодического звена8 и сигнальным входам второго 12 и четвертого 15 ключей, а выход первого ключа 10 35 Кояя=ОР Яп+ Яф звеньев установившейся скорости 18 входного сигнала, Выход второго ключа 12 соещ звена соединен с входом суммирующего блока 7. Выход сравнивающего устройства 3, соединен со входами апериодического звена 8 и первого 10, второго 12 и четвертого 15 ключей, Выход первого интегрирующего блока 11 соединен со вторыми.,входами сумматоров 5, выход третьего ключа 14 соединен с третьими входами зтих сумматоров, выход пятого ключа 17 соединен с четвертыми входами тех же сумматоров, На выходе первого интегрирующего блока 11 формируется сигнал установившейся скорости входного сигнала, на выхоИзобретение относится к устройствам фильтрации в релейных системах управлеЦель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала и повышение точности,На чертеже представлена схема динамического фильтра в релейных системах управленияя.Шина положительного релейного, управляющего сигнала 1 соединена с первым входом злемента ИЛИ 9 и управляющими входами второго 12 и третьего 14 ключей, шина отрицательного релейного управляющего сигнала 2 соединена со вторым входом злемента ИЛИ 9 и управляющими входами четвертого 15 и пятого 17 ключей, Каждое из и последовательно соединенных звеньев содержит последовательно включенные сравнивающее устройство 3, усилитель 4, сумматор 5 и интегратор 6. Выход интегратора 6 л п-го звена соединен с первым входом суммирующего блока 7, второй вход которого подключен к выходу апериодического звена 8, а выход суммируюшего блока 7 соединен с вычитающими входами сравнивающих устройств 31, 32.,3 п всех звеньев. Инверсный выход элемента ИЛИ 9 соединен с управляющим входом первого ключа 10, сигнальный вход которого подключен к выходу сравнивающегоустройства соединен со входом перого интегрирующего блока 11, выход которого подсоединен ко вторым входам сумматоров 51, 52,.5 п всех де второго интегрирующего блока 13 формируется сигнал положительной скорости управления, на выходе третьего интегрирующего блока 16 формируется сигнал отрицательной скорости управления. Динамический фильтр без искажения пропускает полезный сигнал и значительно ослабляет сигнал помехи, При этом повышается точность и расширяются функциональные возможности фильтра за счет формирования истинных значений скорости изменения входного полезного сигнала, 1 ил. еу =О( Яп+Гу ) О ВЧ1836656 Будем рассматривать такие процессыуправления в релейных системах, для кото+рых характерно при отсутствии сигналов О и О (О = 1) изменение входного сигнала со 5 скоРостью Х = Хя сопэт, пРи наличии сигнала О - 1 изменение входного сигнала Х4,(,со скоростью Х - Ху + Хо " сопэ 1, при наличии сигнала 0 " 1 изменение входного сигнала Х со скоростью 3(-Ху+ Хо сопэт, т.е.10,+Ху + Хо сопэт, есЛи 0 " 1 1,если 0 =О, О =О О, если О -1 или 0 -1 ГДЕ Е - ВЫХОДНОЙ СИГНаЛ фИЛЬтРа, 51, Зп - выходной сигнал сравнивающего устройстВа ПЕРВОГО И П-ГО ЭВЕНа, Й 1, Вп - ВЫХОДНОЙ сигнал первого и и-го звена, У 1, Уп - выходной сигнал интегратора первого и и-го звена, К 1, Кп - коэффициент передачи усилителя первого и п-го.звена, ея - выходной сигнал первого интегрирующего блока 11, е у - выходной сигнал второго интегрирующего блока 14, е у - выходной сигнал третьего интегрирующего блока.17. Уэ и Т - выходной сигнал и постоянная времени апериодического звена 8 соответственно, Ко- козффици- Я ент передачи первого 11, второго 13 и третьего 16 иинтегрирующих блоков, Р б/От - оператор, ея - значение сигнала ея на момент времени Ъ при котором 0 = О, ь. -+значение сигнала е у на момент времени т, при котором 0 = 1, ку - значение сигнала ят на момент времени в, при котором 0 = 1. Сигналы О и О принимают значения 0 или 1.Из (1) имеем 1(13 сигнала рс ла и,. Как но выбран и+2)и пропорциала,и . поэ, если 0=1;=0 ( Я +я), О =(0,13 А(р)=хв(р)+рв(р)+ я с(р) 1 (Кп+ КоТ) Кп., К 1, ао КоКп2 = (КпТ+ 1) КпК 1, С 1 = Кп".К 2- И+- ь РО 1 Р) А(Р) Определим, установившиеся значениясигналов яо, еу и 8 у, Пусть 0=1. Из(1) ак как ь - сопзй, то из (10) с учетом (5осле умножения на орератор Р имеем К, - 0 г А(Д сО ) где К- коэффициент подавления на частоте изменения этого сигна следует иэ(3) и(4) при определен 5 ных коэффициентах а 1 ( - О, 1, 2, Ь 2 можно достичь значительного ( онального а" ) подавления сигн тому иэ (10) имеем2 Х, (РЕ РХ)(21) 50Если, например г - 0,1 Х,.то погрешность известного фильтра д при в 0 - 3 1/сек. с учетом (26); (27) и (28) будет равна 0;09 (9 ф).Для рассматриваемого случая считаем, 55 что в моменты времени, когда ХаО, формируется сигнал О 1, э при Ха0 формируется сигнал О - 1. Погрешность предлагаемого динамического фильтра как это следует из(25) сводится к нулю(считаем, что коэффициент подавления К высок), тэкл л лЯу =еу - ХС учетом (7) и (14) для рассматриваемогослучая из (11) имеемеч и (т) (Хя - ея 1 )+ея (15),где П - .переходная функция на единичноевоздействие звена с передаточной функ циией Яп(Р) а (р) -Ко ТР+1)Пг(к,т+1)р +(к, +кот)Р+ко Выбором коэффициентов Ко, Ко и Т можно до. стичь монотонного возрастания функции П(т). Тогда на любом интервале(Ф, а+1), для которого О - ; 1,Хо - гяХо - Яч(+1) (17) где еч(н.1) - значение сигнала е о в момент времени 9+1.По истечении некоторого времени Ь Хя-гав 0 (18) где Ь- малая величина. С учетом (18) установившееся значение е о равно Аналогично можно определить установившееся значение я у (О - 1) Для этого случая еу Яп(Р) (РЕ (Яя 1 + +еф) )+еуДС учетом (7) и (14) из (20) имеем гу =П(т) (Х, +Х, - (е,+ + + +еу 1 ) )+Яу Учитывая (19) из (21) находим установившееся значение еу/ Еу =Яу-фХу (22)Аналогично находится и установившее-ся аее еу 15 20 25 В установившемся состоянии из (6), (7), (21),(22) и (23) Подставляя (24) в (9), получим Таким образом, рассматриваемый динамический фильтр в релейных системах управления без искажения пропускает полезный сигнал Х и осуществляет подавление сигнала помехи,и с коэффициентом подавления Кр,Оценим точность известного и предлагаемого динамического фильтров. Пусть Хэ (сигнал задэтчика скорости изменения входного сигнала известного устройства) представляет собой релейную знакопеременную функцию частотой ао и амплитудой Ха Предположим, что истинное значение скорости изменения входного сигнала Х отличается от заданного значения Ха на величину г, Разложим функции г(т) и Х(т) в ряд Фурье и ограничимся первой гармоникой. Погрешность д динамического фильтра определим. в виде где Хо - амплитуда истинного сигнала Х, Хф -фактическое значение сигнала Е на выходе динамического фильтра.Ф - 1Истинное значение Хо = (Хз+ г) щ фактическое значение Хф можно определить в виде Хф =Хо+Ятей(оЪ) г (27) где Ютя (во ) - коэФфициент передачи известного фильтра по отношению к сигналу г. Коэффициент передачи ФтЯ а ) можно оценить в виде10 1836656 дом отрицательного релейного упрэвляю.щего сигнала динамического фильтра, выход первого интегрирующего блока является выходом сигнала установившейся скорости входного сигнала динамического фильтра, выход второго интегрирующего блока является выходом положительной скорости управления динамического фильтра, выход третьего интегрирующего блока является выходом отрицательной скорости Формула изобретения Динамический фильтр в релейных системах управления, содержащий первый интегрирующий блок, апериодическое звено,управления динамического фильтра. Составитель Г,ЛеденевТехред М,Маргентал Корректор И, Кешеля Редактор Заказ 3019 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 как выходной сигнал фильтра Е равен истинному значению сигнала Х, т,е. 7 = Х, = Хф, Как следует из (25), предлагаемый динамический фильтр сводит к нулю и интеграл ошибки, т,е, имеет более высокую точность,Предлагаемая схема динамического фильтра расширяет функциональные возможности за счет формирования на выходе первого 11, второго 13 и третьего 16 интегрирующих блоков сигналов фактической скорости изменения полезного сигнала установившегося состояния (19), режима управления положительной скоростью (22) и режима управления отрицательной скоростью (23). Например, в релейных системах управления ориентацией твердого тела (угловой скоростью вращения) сигнал с выхода первого интегрирующего блока 11 характеризует угловое ускорение от возмущающего момента, действующего нэ твердое тело, сигнал с выхода второго 13 и третьего 16 интегрирующих блоков характеризует ускорение, создаваемое управляющим двигателем при задании положительной или отрицательной скорости движения твердого тела. Знание углового ускорения имеет важное значение для процесса управления, так как априорное их определение с заданной точностью невозможно из-за неточного знания управляющего момента и момента инерции твердого тела и незнания возмущающего момента.Предлагаемый динамический фильтр пропускает без искажения полезный сигнал Х и осуществляет подавление сигнала помехи р с коэффициентом подавления К.Сравнение заявляемого решения с другими решениями показывает, что использование ключей, элементов ИЛИ, интегрирующих блоков известно, Однако, введение: в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемый динамический фильтр вышеназванных элементов приводит к проявлению новых свойств: повышению точности и расширению функциональных возможностей за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала. 5 10 15 20 25 30 35 40 суммирующий блок и последовательно соединенные и звеньев, каждое из которых содержит последовательно включенные сравнивающее устройство, усилитель, сумматор и интегратор, при этом выход интегратора и-го звена соединен с первым входом суммирующего блока, второй вход которого подключен к выходу апериодического звена, вход которого соединен с выходом сравнивающего устройства п-го звена, а выход первого интегрирующего блока соединен с вторыми входами сумматоров каждого звена, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения за счет формирования истинного значения скорости изменения входного полезного сигнала и повышенияточности, в него введены дополнительно второй и третий интегрирующие блоки, с первого по пятый ключи и элемент ИЛИ, инверсный выход которого соединен с управляющиМ входом первого ключа, выход которого подключен к входу первого интегрирующего блока, а сигнальный вход соединен с выходом сравнивающего устройства и-го звена и сигнальными входами второго и четвертого ключей, выходы которых соединены соответственно с входами второго и третьего интегрирующих блоков, подключенных выходами соответственно к сигнальным входам третьего и пятого ключей, выходы которых соединены соответственно с третьими и четвертыми входами сумматоров всех звеньев, вычитающие входы сравнивающих устройств которых подключены к выходу суммирующего блока, при этом управляющие входы второго и третьего ключей и первый вход элемента ИЛИ соединены с входом положительного релейного управляющего сигнала динамического фильтра, управляющие входы четвертого и пятого ключей и второй вход элемента ИЛИ соединены с вхо