Релейный регулятор

(21) 4898908/24 (46) 23.08.93 Б (72) Бичуцкий (71) Головное но-производств 22) 04.12.9 л. 31А,Я.онструкторское бюнного объединения о науч "Энер гия ве тывания и отпускания онного релейного эле порогов сра го трехпозицтреть мента ОССИЙСКОЕ АГЕНТСТВОПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ ИСАНИЕ ИЗОБР(73) Головное конструкторское бюро научно-производственного обоъединения "Энергия" им. акад. С.П.Королева(56) 1, Патент ФРГ Х 1950295, б 05 В 11/28, 1975. 2, Авторское свидетельство СССР Х 630612, 6 05 В 11/16, 1978. 3. Патент ФРГ Х 2047423, 6 05 В 11/00, 1973.4. Авторское свидетельство СССР Я 1071995, 6 05 В 11/42, 1984.(57) Релейный регулятор, содержащий сумматор, неинвертирующий вход которого является входом сигнала ошибки регулирования регулятора, усилитель с ограничением, суммирующий интегратор, первый неинвертирующий вход которого соединен с выходом усилителя с ограничением, и трехпозиционный рел ейный элемент, выход которого является выходом регулятора, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества переходных режимов за счет обеспечения возможности их регулировки, а также возможности устранения знакопеременного колебательного характера по регулируемой величине, в регулятор введ последовательно соединенные второй и третий трехпозиционные релейные элементы и(51) б б 05 В 11/14 блок умножения, первыи вход которого соединен с инвертирующим входом сумматора и выходом суммирующего интегратора, соединенного с входом первого трехпозиционного релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом блока умножения и вторым входом третьего трехпозиционного релейного элемента, первый вход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с выходом усилителя с ограничением, а второй вход - с выходом интегратора, выход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с вторым неинвертирующим входом суммирующего интегратора, второй инвертирующий вход которого соединен с выходом третьего трехпозиционного релейного элемента, а третий неинвертирующий вход суммирующего интегратора является входом сигнала скорости регулируемой величины регулятора, выход сумматора соединен с входом усилителя с ограничением, при этом параметры трехпозиционных релейных элементов связаны соотношением1 Н = 1 иВ1 Рг, где Р 1 И 1, 1 п абсолютные значения выходных сигналов первого, второго и третьего трехпозиционных релейных элеменответственно; абсолютные значения соответстИзобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в системах управления различными инерционными объектами: поворотными стендами, промышленными роботами, летательными аппаратами и т,п,Наибольшее применение данное предложение может найти при необходимости получения высококачественного управления с возможностью регулирования характеристик переходных процессов, в том числе при наличии помех в сигналах датчиков первичной информации (ошибки управления),Регулировка характеристик переходных процессов дает возможность согласовать в широких пределах требования к величине перерегулирования по ошибке отклонения и ее скорости с характеристиками исполнительных органов системы управления, в составе которой используется релейный регулятор.Известны релейные регуляторы, содержащие трехпозиционный релейный элемент (ТРЭ), охваченный цепью отрицательной обратной связи (ООС) 1,2,3, например, апериодической 1 1,Недостатком указанных регуляторов является то, что величина перерегулирования по скорости в переходных режимах зависит от начальных фазовых координат, а перерегулирование по ошибке отклонения зависит также от величины зоны нечувствительности ТРЭ, При требуемых параметрах установившихся режимов указанные характеристики переходных процессов не могут быть заданы предварительно,Устройство-прототип 41 представляет собой релейный регулятор, выполненный в виде трехпозиционного релейного элемента, охваченного цепью инерционной ООС через сумматор, Цепь инерционной ООС содержит интегратор с усилителем с ограничением в виде собственной ООС. Неинвертирующий вход сумматора является входом регулятора, а выход трехпозиционного релейного элемента является выходом регулятора,Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулировки характеристик переходных процессов в части устранения их колебательности и устранения перерегулирования по ошибке отклонения регулируемой величины,Целью настоящего изобретения является улучшение качества переходных режимов за счет обеспечения возможности их регулировки, а также обеспечение возможности устранения знакопеременного колебательного характера последних по регулируемой величине. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее сумматор, неинвертирующий вход которого является входом сигнала ошибки регулирования регулятора, усилитель с ограничением, суммирующий интегратор, первый неинвертирующий входкоторого соединен с выходом усилителя с ограничением, и трехпозиционный релейный элемент, выход которого является выходом регулятора, введены последовательно соединенные второй и третий трехпозиционные р елейные элементы и блок умножения, первый вход которого соединен с инвертирующим входом сумматора и выходом суммирующего интегратора, соединенного с входом первого трехпозиционного релейного элемента, выход которого соединен со вторым входом блока умножения и вторым входом третьего трехпозиционного релейного элемента, первый вход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с выходом усилителя с ограничением, а второй вход - с выходом интегратора, выход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с вторым неинвертирующим входомсуммирующего интегратора, второй инвертирующий вход которого соединен с выходом третьего трехпозиционного релейного элемента, а третий неинвертирующий вход суммирующего интегратора является входом сигнала скорости регулируемой величины регулятора, выход сумматора соединен с входом усилителя с ограничением, при этом параметры трехпозиционных релейных элементов связаны соотношением1 М = 1 иВ.1 Рг 1, гдеРииабсолютные значения выходных сигналов первого, второго и третьего трехпозиционных релейных элементов, соответственно;Зриаосолютные значения, соответственно, порогов срабатывания и отпускания третьего трехпозиционногорелейного элемента,Сущность изобретения поясняется фиг.1,2 и 3.На фиг,1 представлена структурная схемарелейного регулятора в составе системыуправления, на фиг,2 и 3 представленыфаз овые портреты системы управления, всостав которой входит релейный регулятор.На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - релейный регулятор; 2 - шина сигнала ошибки управления (в дальнейшем - шина 2); 3 - сумматор; 4 - усилитель с ограничением; 5 - суммирующий интегратор (в дальнейшем - интегратор 5); 6, 8, 9 соответственно, первый, второй и третий5 1836658трехпозиционные релейные элементы (ТРЭ);7 - блок умножения; 10 - шина сигналаскорости ошибки управления, (в дальнейшемшина 10); 11 - выходная шина (выходустройства); 12 - объект управления; 13измеритель (датчик) сигнала ошибки управления Х; 14 - измеритель (датчик) сигналаскорости ошибки управления У,Р елейный регулятор выполнен следующим образомТракт прохождения сигнала ошибкиуправления содержит последовательно соединенные сумматор 3, усилитель с ограничением 4, интегратор 5 и первый ТРЭ б.Второй неинвертирующий вход интегратора5 соединен с шиной 10. Выход интегратора5 соединен с инверсным входом сумматора3, одним из входов второго ТРЭ 8 и с однимиз входов блока умножения 7, второй входкоторого соединен с выходом первого ТРЭ6, являющимся выходом релейного регулятора 1, Выход блока умножения 7 соединенс инвертирующим входом сумматора 3,Второй вход второго ТРЭ 8 соединен свыходом усилителя с ограничением 4, Выходвторого ТРЭ 8 соединен с одним из входовтретьего ТРЭ 9 и с одним из неинвертирующих входов интегратора 5, второй инвертирующий вход которого соединен с выходомтретьего ТРЭ 9. Выход интегратора 5соединен с вторым входом третьего ТРЭ 9.Выходной сигнал релейного регулятора 1воздействует на объект управления 12,фазовые координаты которого (Х и У)измеряются датчиками сигнала ошибкиуправления (13) и скорости сигнала ошибкиуправления (14).Рассмотрим функционирование заявляемого устройства, полагая, для простотыобщего изложения, что объект управленияописывается выражением (1) - двойноеинтегрирующее звено,У=2+2, (1, аХ = У (1, б 1, пРи яЬ,О) пРи - ия-1, пРи ) ) ПРИ я Ь,а+яч+1 И,а+я - -ч+ Ы,с+ЦИ-вп,)ПРИП, ПРИ с+1) я -М+вп,г = - К 120)а - выходной сигнал усилителя с ограничением 4 (фиг.1);Ь - выходной сигнал блока умножения 7;с - выходной сигнал ТРЭ 8;д - выходной сигнал ТРЭ 9;Г - выходной сигнал сумматора 3;11 - выходной сигнал ТРЭ 3;К 7 - масштабный коэффициент блока умножения по входу "з";К 12 - коэффициент передачи исполнительных органов (ИО) объекта управления 12;Ка - масштабный коэффициент усилителя с ограничением на линейной участке характеристики;Ь, Ч, К - абсолютные значения границ зон нечувствительности ТРЭ б, 8, и 9, соответственно;ч, г - абсолютные значения границы порогов отпускания ТРЭ 8 и ТРЭ 9, соответственно;Р, Х, п - абсолютные значения уровней выходных сигналов ТРЭ б, ТРЭ 8 и ТРЭ 9, соответственно;ша, 1 Х - значения гистерезисов ТРЭ 8 и ТРЭ 9, соответственно.Пусть, например, в некоторый момент изображающая точка М на фазовом портрете (фиг,2, а) занимала положение Мо, т.е, занимала положение с координатами Х = О, У = УО, выходные сигналы ТРЭ 6, ТРЭ 7 и ТРЭ 8, исходя из предыдущих событий, равны нулю.Тогда, исходя из (1) и (2) при движении в зоне нечувствительности (участок МО - М 1 на фиг,2) можно записать:я=КГ+У,где где Х, Хв - сигналы управления и возмущения, действующие на объект управления,Регулятор 1 описывается следующим образом.я = а+У-К Ж+с-д, (2,О, пРИ -Ь+1 Иа+яч+1 М, (6 О, пРИ -И+впс+УИ+вп, (7При попадании т,М на границу зоны нечувствительности ТРЭ 6, последний включается и на ИО объекта управления 12 начинает поступать сигнал П, Отсюда следует, что1.1:х=Ь,Г: х=-й,а = О. В зависимости от начальной скорости У (при одинаковой эффективности ИО) возможны два типа траекторий изображающей точки (1 и П):ХЧ т.е. сигнал "з" не превьппает по абсолютной величине уровень срабатывания Ч ТРЭ 8;ХЧ, т,е, сигнал "з" превышает по абсолютной величине уровень срабатывания Ч ТРЭ 8;Рассмотрим вначале первый случай.В этом случае выражение (2) преобразуется в видов = а+У-К яБ. При отработке начальной скорости в принципе могут возникнуть три типа движений, отличающихся режимом работы ТРЗ 6; только скользящий режим; сначала непрерывный, а затем скользящий; только непрерывный режим,Первый тип движений возникает, если УКЫ/(з = Ю;0 7 второй и третий типыУ 1 КЮ. движений возможный приНа фиг.2 штриховкой показана область скользящего режима. Границы окончанияиС скользящего режима 1.2, 1.з, определяются параметрами (3) усилителя с ограничением 4, В частности, наклон линийС1.2 и определяется коэффициентом Ка их уравнения;1.Л = -К, (Х - Ю, (1 О)Г : У = -К (Х+П), (11)2 аГа положение линий Ьз и з определяется параметрами -аш и ап, Линии 1.4 и соответствуют моментам окончания непрерывного управления. Эти кривые имеют асимптоты:У = - аш + К 7 И - К 12, (12) У = ат - Куй + Кд, (13).Указанные выражения следуют из (1-5) при использовании аппарата исследования скользящих режимов.По окончании скользящего режима (т.Мз,фиг.2, а) изображающая точка следует по траектории Мз - М 4 до попадания на линшоIвключения(смешенная линия 1.1),расположенную в области между линиямииПри движении на участке МзМ 4 сигнал "з" изменяется по закону,з = Х+У/Кехр-К 1,что следует из (1) и (2), В точке Мз з = Ь, в точке М 4 з = -)т.На участке М 4 - М 5 вновь возникает управление (среднее значение сигнала 1) не равно нулю), Далее процесс повторяется.Рассмотрим второй случай, При начальной скорости1 ЧЧ 2 К. ЫЧо 12сигнал "з" превышает по абсолютной величине порог срабатывания Ч ТРЭ 8. При этом последний включается (отметим, что при Ув = О в силу (1-5) сигнал "а" близок к нулю) и включает ТРЭ 9 в силу того, чтоВ Совместное действие сигналов"с" и "д" на интегратор 5 при одновременном включении ТРЭ 8 и 9 равно нулю т к.И = и, а в уравнение (2) указанныесигналы входят с противоположными знакаПри попадании изображающей точки налинию ч (т,М 7) - уровень выключения ТРЭ 8, последний выключается, и сигнал "б" перестает компенсироваться сигналом "с", Вследствие этого происходит интенсивное изменение сигнала "з" со скоростью -и, что на фазовом портрете (фиг.2, б) эквивалентноГ.смещению линиив направлении +Х.Указанное смещение происходит до тех пор, пока не выполнится условие з = -Ь, при котором сигналом Й ВЫ 1г) выключается ТРЗ 9, Если скорость смещенияГлиниизначительно выше абсолютного значения сигнала У то линияпрактически занимает положение ч,Далее процесс гашения скорости происходит в соответствии с уравнениями (1-3) - при учете того, что з = -Ь - по траектории М 7 - МЗ, а фазовые координаты т.М асимптотически стремятся к т.-Ь, О).Рассмотрим случай действия внешнеговозмущения.Пусть, например, на объект управленияначало действовать возмущение, при котором с течением времени изображающая точка займет положение равновесия 1 (фиг.3), которое в силу уравнений (1, 2) и условий з = 0 и з = Ь имеет значение,) = 2+Ь,7ва 12 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ При определенном значении Ув в процессе подхода к положению равновесия за счет действия сигнала "а" (в скользящем режиме при наличии возмущения а = 1 - Ы включаются ТРЭ 8 и 9, Далее, при исчезновении возмущения изображающая точка попадает в положение М 12 и процесс протекает аналогично рассмотренным выше случаям,Обеспечение возможности регулировки параметров переходного процесса и обеспечение возможности устранения знакопеременного его характера следует из независимости регулировки усилителя с ограничением 4, ТРЭ 8 и ТРЭ б. В частности, параметрами аш и -аш (3) Релейный регулятор, содержащий сумматор, неинвертирующий вход которого является входом сигнала ошибки регулирования регулятора, усилитель с ограничением, суммирующий интегратор, первый неинвертирующий вход которого соединен с выходом усилителя с ограничением, и трехпозиционный р елейный элемент, выход которого является выходом регулятора, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества переходных режимов за счет обеспечения возможности их регулировки, а также возможности устранения знакопеременного колебательного характера по регулируемой величине, в регулятор введены последовательно соединенные второй и третий трехпозиционные релейные элементы и блок умножения, первый вход которого соединен с инвертирующим входом сумматора и выходом суммирующего интегратора, соединенного с входом первого трехпозиционного релейного элемента, выход которого соединен с вторым входом блока умножения и вторым входом третьего трехпозиционного релейного элемента, первый вход второго трехпозиционного релейного элемента соедирегулируется положение линий выключенияС,Ьз и з что обеспечивает заданное перерегулирование по скорости ошибки управления. Выбором коэффициента Ка усилителя с ограничением 4 формируетсяГ.,наклон линий Е 2 и 2 , что влияет на качество фильтрации ошибки управления и на остаточные скорости после выключения ИО, Выбором значений параметров Ч и ч ТРЭ 8 формируется требуемая протяженность траектории скользящего режима внутри зоны нечувствительности -И, Ь 1; при этом траектория не пересекает границу -Ь, т.е, устраняется перерегулирование по координате Х. Следовательно, характер процесса становится апериодическим. нен с выходом усилителя с ограничением, а второй вход - с выходом интегратора, выход второго трехпозиционного релейного элемента соединен с вторым неинвертирующим входом суммирующего интегратора, второй инвертирующий вход которого соединен с выходом третьего трехпозиционного релейного элемента, а третий неинвертирующий вход суммирующего интегратора является входом сигнала скорости регулируемой величины регулятора, выход сумматора соединен с входом усилителя с ограничением, при этом параметры трехпозиционных релейных элементов связаны соотношением1111 = 1 и 11 В 11 Р 11 г 1, где 1 Р 1 111 1 п 1 абсолютные значения выходных сигналов первого, второго и третьего трехпозиционных релейных элементов соответственно;1 В 1 11 абсолютные значения соответственно порогов срабатывания и отпускания третьего трехпозиционного релейного элемента, 183665813 1836658 14 За тпечатано на полиграфической базе ФИПС21873, Москва, Бережковская наб., 24, стр.2Отделение выпуска официальных изданий каз Ь ФИПС, Рег 21858, Москва, Береж Научно-исследова подготовке оф