Релейный регулятор

(5 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Ф ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(21) 4688716/24 (22) 06.05.89 (46) 23.06,92, Бюл. М 23 (72) Г. Я. Леденев (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР М 805247, кл, 6 05 В 13/02, 1981, (54) РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР (57) Изобретение относится к тех.1 ике автоматического управления. Целью к.о ,"етения является исключение влияния ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс регулирования, снижение энергозатрат и уменьшение перерегулирования и времени переходного процесса. В релейном регуляторе шина сигнала регулируемой координаты соединена с входами первого 3 и второго 4 релейных элементов, а шина скорости регулируемой координаты 2 - с первым интегратором 5, выход которого соединен с входами третьего 6 и четверР того 7 релейных элементов. Сигнал первого релейного элемента 3 подается на входы схем И 8, 11 и 12, а сигнал второго релейного элемента 4 - на входы схем И 9, 10 и 13. С выхода схемы И 8 сигнал через схему ИЛИ 16 формирует отрицательный выходной сигнал, а через схему ИЛИ 14 подается на инвертирующий вход второго интегратора 19. С выхода элемента И 9 сигнал через схему ИЛИ 17 формирует положительный выходной сигнал, который через схему ИЛИ 18 снимает обнуление второго интегратора 19. Сигнал с выхода схем И 10 или 11 через схему ИЛИ 15 подается на инвертирующий вход второго интегратора 19. Сигнал с выхода пятого релейного элемента 20 через схемы И 12 и 13 прекращает формирование выходных сигналов. Такое формирование выходных сигналов исключает влияние ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс управления. 2 ил.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Изобретение относится к технике автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов.Известен репейный регулятор, содержащий сравнивающее устройство, фильтр, инерционное звено, многопороговый импульсный преобразователь, трехпозиционный репейный элемент и суммирующий усилител ь.Недостаток этого регулятора состоит в сложности его реализации, а также в том, что при ограничении входного сигнала регулируемой координаты линии переключения системы управления, использующей этот регулятор, будут изменяться в зависимости от уровня ограничения входных сигналов, при этом возрастают энергозатраты на управление, время переходного процесса и перерегулированле.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, содержащее шину сигнала регулируемой координаты, шину скорости регулируемой координаты, первый и второй интеграторы, первый, второй, третий и четвертый репейные элементы, при этом шина сигнала регулируемой координаты подключена к входам первого и второго репейных элементов,Недостаток этого устройства состоит в том, что при ограничении сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты линии переключения системы управления, использующей это устройство, будут изменяться в зависимости от уровня ограничения, при этом возрастают знергозатраты на управление, время переходного процесса и перерегулирование,Цель изобретения - исключение влияния ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс управления, снижение энергозатрат, уменьшение перерегулирования и времени переходного процесса,Сущность изобретения состоит в там, что в репейный регулятор, содержащий шину сигнала регулируемой координаты, шину скорости регулируемой координаты, первый и второй интеграторы, первый, второй, третий и четвертый репейные элементы, п ри этом шина сигнала регулируемой координаты подключена к входам первого и второго репейных элементов, дополнительно введены первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И, первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы ИЛИ и пятый репейный элемент, при этом выход первого релейного элемента соединен с первыми входами первого, четвертого и пя - того элементов И, выход второго релейного элемента соединен с первыми входами второго, третьего и шестого элементов И, выход третьего релейного элемента соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, выход четвертого релейного элемента соединен с вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход первого элемента И подключен к первым входам первого и третьего элементов ИЛИ. выход второго элемента И подключен к второму входу первого элемента ИЛИ и первому входу четвертого элемента ИЛИ, выходы третьего и четвертого элементов И соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к инвертирующему входу второго игпегратора, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выход второго интегратора соединен с входом пятого оепейнаго элемента, выход которого подключен к вторым входам пятого и шестого элементов И, соединенных своими выходами соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, выходы которых подклочень соответственно к первому и второму входам пятого элемента ИЛИ, инверсный выход которого соединен с входом обнуления второго интегратора, шина скорости регулируемой координаты соединена с входом первого интегратора, выход которого подключен к входам третьего,; четвертага репейных элементов, причем выход третьего элемента ИЛИ соединен с шиной о рицательного выходного сиг наля, выход четвертого элемента ИЛИ соединен с шичай положительного выходного сигнала.На фиг, 1 г;редставлена схема релейного регулятора; на флг, 2 - фазовые траектооии системь, управления, использующей данный репейный регулятор.Шина 1 скорости регулируемой координаты соединена с входом первого и вараго репейных элементов 3 и 4 соотвстственна, а шина 2 скорости регулируемой координаты соединена с входом первого интегратора 5 выход которого подключен к входам третьего и четвертого репейных элементов б и 7 сос;.",етственно, Выход первого релейного элемента 3 соединен с первыми входами соответственна первого, четвертого и пятого элементов И 8, 11 и 12, выход второ а релейного элемента 4 соединен с первыми входами соответственно второго, третьего и шестого элеме тов И 9, 10 и 13, выход третьего релейного элемента б соединен с вторыми входами соответственно зпваго и третьего элементов И 8 и 10, вы; д ч,тверта.о релейного элементасоеди".; г втор-.ми входами соответс;-:енно вгорогс иго элемента ИЛИ 18. Выход четвертого 25 30 35 40 45 интегратора 5имеет ограничение такое, 50 55 четвертого элементов И 9 и 11. Выход первого элемента И 8 подключен соответственно к первым входам первого и третьего элементов ИЛИ 14 и 16, выход второго элемента И 9 подключен к второму входу пер- вого элемента ИЛИ 14 и первому входу четвертого элемента ИЛИ 17, выходы третьего и четвертого элементов И 10 и 11 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ 15, выход которой подключен к инвертирующему входу второго интегратора 19, соединенного своим выходом с входом пятого релейного элемента 20, выход которого подключен к вторым входам пятого и шестого элементов И 12 и 13 соответственно, Выход пятого элемента И 12 соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ 16. Выход шестого элемента И 13 соединен с вторым входом четвертого элемента ИЛИ 17, Выход третьего элемента ИЛИ 16 подключен к шине 21 отрицательного выходного сигнала и первому входу пятоэлемента ИЛИ 17 подключен к шине 22 положительного выходного сигнала и второму входу пятого элемента ИЛИ 18, инверсный выход которого соединен с входом обнуления вгорого интегратора, неинвертирующий вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ 14.На фиг, 2 Х - регулируемая координата, Х - скорость регулируемой координаты,о,, 2,з, о,1,2 из - линии переключения на фазовой плоскости Х, Х,Релейный регулятор работает следующим образом,Пусть на вход релейного регулятора поступаю сигналы Ха - сигнал регулируемой координаты (шина 1) и сигнал Хв - сигнал скорости регулируемой координаты (шина 2), Считаем, что сигнал Ха имеет ограничение в некоторой точке Хн (в этом состоит отличие Ха от регулируемой координаты Х), а сигнал Хв имеет ограничение в некоторой точке Хн (в этом состоит отличие Хв от скорости регулируемой координаты Х). Предположим, что выходной сигнал первого что - дд, где д - заданная величина.Рассмотрим работу такого интегратора. Пусть ХО. Через некоторое время выходной сигналстанет равным д. В этом состоянии первый интегратор 5 будет находиться до тех пор, пока ХО. Пусть в некоторый момент времени 1 = Хв = О, а затем этот сигнал начал уменьшаться (ХвО), С этого момента времени начнет уменьшаться и сигнал . Через некоторое время Лт сигналстанет равным - д, т.е. изменение состоя 10 15 20 ния первого интегратора 5 происходит после изменения знака сигнала Х, при этом за время изменения состояния этого интегратора от= д до= -д сигнал регулируемой координаты изменяется на величину ЬХ = 2 д, так как ЛХ = ОХ с 1 = 2 д Аналогичные рассуждения можно провести и для случая ХО,Таким образом, изменение состояния первого интегратора 5 от= ддо= -д и наоборот происходит после изменения знака Х, Еслид выбрать достаточно малой величиной, то можно считать, что изменение состояния интегратора 5 происходит при изменении знака сигнала Хв.Пусть сигнал Ха увеличивается от нуля (Хв0). При ХаЙ (Ь - уровень срабатывания и отпускания второго релейного элемента 4) выходные сигналы первого и второго релейных элементов 3 и 4 соответственно равны В 1 = 0 и В 2 = 0 ("0".обозначает низкий уровень выходного сигнала). Выходные сигналы первого 8, второго 9, третьего 10 и четвертого 11 элементов И соответственно равны К 8=0, Кз=О, Я 10=0 и К 1=0, Выходной сигнал третьего элемента ИЛИ 16= 0 (шина 21 отрицательного выходного сигнала), выходной сигнал четвертого элемента ИЛИ 17 О = 0 (шина 22 положительного выходного сигнала), вследствие чсго инверсный выходной сигнал пятого элемента ИЛИ 18 Кб = 1 ("1" обозначает высокий уровень вь,ходного сигнала) и этот сигнал производит обнуление второго интегратора 19 (выходной сигнал этого интегратора 5 = 0).При Х0 выходной сигнал первого интегратора 5= д. В этом случае срабатывает четве рты й релейн ый элемент 7 (его уровень срабатывания и отпускания выбирается равным д) и его выходной сигнал К 4.= 1, Этот сигнал разрешает прохождение сигналов через второй и четвертый элементы И 9 и 11, При Ха = Ь срабатывает второй релейный элемент 4 и его выходной сигнал Е 2 = 1, Так как В 4 = 1 то и Яэ = 1. Выходные сигналы первого 14 и второго 17 элементов ИЛИ будут соответственно равны 814 =1 и 0+=1, С этого момента времени формируется положительный выходной сигнал О+ = 1 и одновременно выходной сигнал первого элемента ИЛИ 14 К 14 = 1 подается на неинвертирующий вход второго интегратора 19 с коэффициентом передачи К а выходной сигнал пятого элемента ИЛИ 18 Кз = 0 (.+ = 1) снимает обнуление второго интегратора 19, С этого момента времени с = 1 С второй интегратор 19 осуществляет ин50Я = Яв = К 2 / В 15 от = К 2 (т 2 - т 1). (2) где т 2 - некоторый момент времени, а шестой элемект И 13 и четвертый элемент ИЛИ 17 формируют дополнительный релейный+ ) управляющий сигнал О = 1 (В 2 = 1, Вз = 1, В 4 = О), Выходной сигнал Я второго интегратора 19 будет равенЯ =Яв - Я,(3) тегрирование сигнала В 14 = 1 со скоростью, оп ределяемой коэффициентом К 1.При достижении выходным сигналом Я второго интегратора 19 значения Ьсрабатывает пятый релейный элемент 20 ( Л - 5 уровень срабатывания и отпускания этого релейного элемента, Ь - малая величина) и его выходной сигнал В 5 = 1 подается на входы пятого 12 и шестого 13 элементов И, Так как В 1= О, В 2 = 1, то выходные сигналы 10 пятого и шестого элементов И 12 и 13 равны соответственно В 12 = 0 и В 1 з=1. Сигнал В 1 з = 1 через четвертый элемент ИЛИ 17 поддерживает высокий уровень сигнала О+. Состояние схемы не будет изменяться до тех 15 пор, пока не изменится знак сигнала Хв. Пусть это произойдет в момент времени т 1, За время от то до т 1 сигнал Я второго интегратора 19 будет равенЯ=Я.=К" В 14 ат=к 1(т 1 - то) (1) Сигнал Я представляет собой эталонный нарастающий сигнал, формируемый при нарастании абсолютного значения регулируемой координаты. Максимальное значение этого сигнала Яп. В момент времени т 1 выходной сигнал первого интегратора 5 начинает уменьшаться, выключается четвертый элемент 7 и по истечении небольшого времени Ьт станет равным - д. В этот 30 момент времени срабатывает третий релейный элемент 6 (уровень срабатывания и отпускания этого релейного элемента равен- д.), Выходные сигналы третьего 6 и четвертого 7 релейных элементов соответственно 35 равны Вз =1 и В 4= О. Сигнал Вз=1 разрешает прохождение сигнала В 2 = 1 через третий элемент И 10 на вход второго элемента ИЛИ 15, выходной сигнал которого В 15 = 1 подается на инвертирующий вход второго 40 интегратора 19 с коэффициентом передачи к 2. Сигнал В 4 = 0 запрещает прохождение сигнала В 2 = 1 через второй элемент И 9 и его выходной сигнал В 9 = О, значит и В 14 = 0 (сигнал на неинвертирующем входе второго 45 интегратора 19).С момента времени т 1 вторым интегратором 19 начинает формироваться компен-, сирующий сигнал Я в виде При достижении сигналом Я значения Л выключается пятый релейный элемент 20 и его выходной сигнал В 5 = 0 запрещает прохождение сигнала В 2 = 1 через шестой элемент И 13 на вход четвертого элемента ИЛИ 17 и его выходной сигнал О становится равным нулю, Одновременно выходной сигнал пятого элемента ИЛИ 18 Вб = 1 производит обнуление второго интегратора 21,Пусть Я = Л в момент времени т 2. Для этого момента времени с учетом (2) и (3) имеемЯ = Л= Ягп - К 2 (т 2 - т 1) = К 1 (т 1 то) К 2 (т 2 т 1) (4)Так как гималая величина, то из (4) имеемК 1Тг = (Т 2 Т 1) = - ТпК 2(5) где ь = (т 1 - то).Таким образом, формирование выходного управляющего сигнала О+ = 1 начина- етсЯ с момента вРемени то, пРи котоРом Хв = 1. С эгого момента времени до момента ВРЕМЕНИ Т 1, т,Е. В ТЕЧЕНИЕ ВРЕМЕНИ, ПОКа ХвО, второй элемент И 9 и четвертый элемент ИЛИ 17 формируют выходной сигнал О = 1, а второй интегратор 19 формирует эталонный нарастающий сигнал Яв. С момента времени Т 1 до момента времени Т 2 второй интегратор 19 формирует компенсирующий нарастающий сигнал Яв, а пятый релейный элемент 20, шестой элемент И 13 и четвертый элемент ИЛИ 17 формируют дополнительный релейный управляющий сигнал О =1,Аналогично схема работает и при уменьшении Хвот нуля (ХвО). В этом случае срабатывают первый 3 и третий 6 релейные элементы, первый 8, третий 10 и пятый 12 элементы И и второй 15 и третий 16 элементы ИЛИ формируют релейный управляющий сигнал О = 1 (шика отрицательного выходного сигнала 21),Рассмотрим процесс управления на фазовой плоскости Х, Х на примере управления инерционным объектом второго порядка с передаточной функцией М/о(Р) = 1/Р . Состояние объекта управления опре 2делим координатами Х и Х, Если управляющий сигнал О = 0 (О = О, О = О), то фазовые траектории - линии, параллельные оси Х. Если управляющий сигнал О = 1 (О = 1) или О = -1 (О = 1), то фазовые траектории параболы симметричны относительно оси Х,Уравнения линий переключекия имеютвидгХ=-:,(К 21 линия(7) Х - Ь), ЬХ==Х Х+ Ь), -Х Х Х Хн ,Х-Хни коэффициент т уровней огра ключения будние на фазовой-Х=Х -фХ=-Х где в -заданныВ зависимостиХн линии пересвое расположеХ. ничения Хн и ут изменять плоскости Х,7) и фазовых траек лючения в системе ваемым релейным ют своего располоости Х, Х при измения Хн и Хн. 50 ты О, перерегулиодного процесса Т, оценить в аиде Как следует из (6) и ( торий фиг, 2, линии перек управления с рассматри регулятором не изменя жения на фазовой плоск нении уровней ограничеОценим энергозатра рование Р и время перех Энергозатраты 0 можно Х 1 (9) е К - коэффициент пропорциональности; Х, - скорость движения изображающей чки в области -г 1Хи.( К 2/К 1 ) - 1где Ху - значение ускорения регулируемой координаты Х, возникающего при формировании управляющего сигнала О = 1 (или О = 1), Уравнения линий переключения О и .1 могут быть получены на фазовой плоскости Х, Х с учетом равенства (5), исходя из того, что движение по координате Х является равноускоренным с ускорением Ху,а время тгп и тг определяется из равенств (1) и (5), при этом отключение управляющего сигнала О происходит по истечении времени т,Как следует из (7), для достижения устойчивого управления необходимо выбирать коэффициент передачи К 1 меньше 20 коэффициента передачи К 2, Рассмотрим движение изображающей точки А (О, Х 0) на фазовой плоскости Х, Х (фиг. 2). Система управления с рассматриваемым релейным регулятором имеет фазовую траекторию 25 А- А 1- А 2-+ Аз -+А 4-+ А 5- А 6 А 7 (точки принадлежат линиям переключенияО, О 1, Ы, Ь), Система управления с известным регулятором имеет фазовую траекторию А-+ - А 1- А - АЗ А 4- А 5-.А б +А 7+ 301 - А 8-+А 9 А 10. Пре,вполагазм, что вхОднОЙ сигнал Ха имеет огран;".ение в точке Ха = Хн. В соответствии со структурной схемой известного регулятора линии переключения имеют вид 35 . -Х =-п 1( Г 2 ( -Ь ) Под перерегулированием Р будет понимать отношение Хпа/Хп 1, где Хп 1 - максимальное значение .регулируемой координаты Х при управляющем сигнале О одного знака; ХП 12 - максимальное значение координаты Х при управляющем (очередном) сигнале О другого знака,Как следует из фазовых траекторий фиг, 2, энергозатраты, перерегулирование и время переходного процесса системы с рассматриваемым релейным регулятором меньше энергозатрат, перерегулирования и времени переходного процесса системы с известным релейным регулятором,Формула изобретения Релейный регулятор, содержащий шину сигнала регулируемой координаты, шину скорости регулируемой координаты, первый и второй интеграторы, первый, второй, третий и четвертый релейные элементы, при этом шина сигнала регулируемой координаты подключена к входам первого и второго релейных элементов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью исключения влияния ограничения сигналов регулируемой координаты и скорости регулируемой координаты на процесс управления, снижения энергозатрат, меньшения перерегулирования и времени переходного процесса, в него дополнительно введены первый, второй - шестой знамен; ы И, первый - пятый эле;1,.; - ты ИЛИ и пятый релейный элемент, при этом выход первого релейного элемента ссединен с первыми входами первого., четвертого и пя.гого элементов И, выход второгс релейного элемента соединен с первыми входами второго, третьего и шестого элементов И, выход третьего релейногс элемента соединен с вторыми входами первого и третьего элементов И, выход четвертого релейного элемента соединен с вторыми входами второго и четвертого элементов И, выход первого элемента И подключен к первым входам первого и третьего элементов ИЛИ, выход второго элемента И подключен к втооому входу первого элемента ИЛИ и первому входу четвеотого элемента ИЛИ, выходл, третьего и четвертого элементов И соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к инвертирующему входу второго интегратора, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выход второго интегратора соединен с входом пятого релейного элемента, выход которого подключен к вторым входам пятого и шестого элементов И, соединенных своими выходами соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элементов ИЛИ, выходы которых подключеаказ 2284 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 нат "Патен", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 изводственно-издател ьскии ны соответственно к первому и второму входам пятого элемента ИЛИ, инверсный вы-,ход которого соединен с входом обнулениявторого интегратора, шина скорости регулируемой координаты соединена с входом 5первого интегратора, выход которого подключен к входам третьего и четвертого релейных элементов, причем выход третьего элемента ИЛИ соединен с шиной отрицательного выходного сигнала, выход четвертого элемента ИЛИ соединен с шиной положительного выходного сигнала,