Opublikowano: 25.IX.1969 57946 KI. 21 c, 46/50 MKP g mP , M(0O C L i i ¦ fc L NIA JJKzBHu Portowego PoU; iej I!?*- . . sj L ,j Twórca wynalazku: mgr inz. Michal Inkielman Wlasciciel patentu: Polska Akademia Nauk (Instytut Automatyki), War¬ szawa (Polska) Magnetyczno-tranzystorowy filtr dyskretny o duzym okresie impulsowania do ukladów automatycznej regulacji Przedmiotem wynalazku ijest magnetyczno-tran¬ zystorowy filtr dyskretny o duzym okresie impul¬ sowania, do ukladów automatycznej regulacji, majacy zastosowanie zwlaszcza jako element po¬ miarowy i korekcyjny.W ukladach regulacji automatycznej w pew¬ nych szczególnych przypadkach, na przyklad przy regulacji ekstremalnej, istnieje koniecznosc obli¬ czania przyrostów wielkosci regulowanej w kilku kolejnych dyskretnych chwilach czasowych.W przypadku prostego, impulsowego regulatora ekstremalnego, którego zadaniem jest sterowanie obiektem tak, aby pewna wielkosc charaktery¬ styczna obiektu y osiagala minimum lub maksi¬ mum, mierzy sie róznice miedzy wartosciami tej wielkosci w dwóch kolejnych momentach czasu, która wynosi Ayn yn — yn-i W celu zwiekszenia predkosci pracy regulatora ekstremalnego wspólpracujacego z obiektem za¬ wierajacym elementy inercyjne wprowadzajace opóznienia, celowe jest sterowanie nie na podsta¬ wie wartosci Ayn, lecz przy wykorzystaniu warto¬ sci kilku kolejnych przyrostów An = a • Ayn + 6 • Ayn_i + y • Ayn.2 - gdzie wspólczynniki a, 6, y ... zaleza od struktury obiektu i jego parametrów dynamicznych.Sygnal An moze byc obliczony przy pomocy pro- 10 20 25 stego ukladu zawierajacego impulsowe elementy opózniajace i sumator (fig. 1) wedlug wzoru An Ayn + Byn-i + Cyn-2 + ...Wspólczynniki A, B, C ... mozna wyrazic przy po¬ mocy wspólczynników a, 6, y wiedzac, ze Ayi = = yi — yi-i.Uklad przedstawiony na fig. 1 rysunku jest ukla¬ dem blokowym, obrazujacym realizacje opisanego powyzej, od strony teoretycznej, filtru dyskretne¬ go.Filtr taki zawiera lancuch elementów opóznia¬ jacych t, na który podawana jest wartosc dy¬ skretna sygnalu y, czyli wartosc yn. Lancuch ele¬ mentów opózniajacych t polaczony jest z sumato¬ rem 2. Wartosci dyskretne yn sygnalu, odpowied¬ nio przesuniete czasowo przez elementy opóznia¬ jace t, doprowadzane sa do sumatora 2 przy uwzglednieniu wspólczynników wagi A, B, C, D, ... M tych wartosci dyskretnych.Realizacja techniczna ukladu przedstawionego na fig. 1 moze byc róznorodna.Znane sa rozwiazania przy zastosowaniu techni¬ ki analogowej z wykorzystaniem kluczy przekaz¬ nikowych lub bezstykowych. Wada tych ukladów jest trudnosc uzyskania dlugiego czasu opóznien i koniecznosc stosowania stosunkowo drogich wzmacniaczy operacyjnych.W technice cyfrowej uzyskanie duzych czasów impulsowania jest latwe przy uzyciu prostych 57946s 57046 eleftientów pamieciowych, lecz duza ilosc elemen¬ tów dodatkowych takich jak przeliczniki, prze¬ tworniki analogowo-cyfrowe sprawia, ze stosowa¬ nie tej techniki oplacalne jest tylko tam, gdzie urzadzeniem sterujacym jest maszyna cyfrowa.W przypadku, gdy obiekt regulacji jest stosun¬ kowo prosty, gdy dane z obiektu uzyskiwane sa przy pomocy analogowych elementów pomiaro¬ wych i nie stosuje sie do sterowania maszyn cy- Analogowymi elementami pamieciowymi sa cztery pamieciowe rdzenie ferromagnetyczne I, II, III, IV, o prostokatnej petli histerezy. Kazdy z rdzeni I, II, III, IV zaopatrzony jest w cztery uzwojenia Zlt Z2, Z3, Z4. Na wejsciu pierwszego uzwojenia Zi kazdego z rdzeni I, II, III, IV, znaj¬ duje sie tranzystorowy klucz wejsciowy Ti w od¬ niesieniu do rdzenia I, T3 — w stosunku do po¬ zostalych trzech rdzeni. Drugie uzwojenie Z2 rdzeni frowych, oraz gdy inercyjnosc obiektu jest duza, 10 polaczone jest poprzez tranzystorowy klucz kasu- potrzebny ijest wyspecjalizowany uklad obliczaja¬ cy sume Ayn + Byn-i + Cyn-2 + ... dla A, B, C ... przyjetych dowolnie zaleznie od potrzeb na przyklad dla obliczania A w ukladzie regulacji ekstremalnej: A + B + C 0, (1) dla korekcji dynamicznej w ukladach liniowych regulacji automatycznej: A + B +C = 1 (2) z mozliwoscia nastawienia dowolnej wielkosci czasu impulsowania który odpowiada wielkosci odstepu pomiedzy kolejnymi pomiarami wartosci 25 yn-2, yn-i, yn.Celem wynalazku jest zbudowanie ukladu spel¬ niajacego te funkcje bez wad podanych wyzej.Istota wynalazku polega na tym, ze magnetycz- no-tranzystorowy filtr dyskretny zawiera analo¬ gowe elementy pamieciowe, którymi sa pamieciowe rdzenie ferromagnetyczne z prostokatna petla hi¬ sterezy zaopatrzone kazdy w cztery uzwojenia.Pierwsze uzwojenie kazdego z rdzeni, bedace ele¬ mentem doprowadzajacym zapamietywany sygnal 35 wejsciowy,gest polaczone z tranzystorowym kluczem wejsciowym. Drugie uzwojenie kazdego z rdzeni be¬ dace elementem kasujacym informacje na rdzeniu, jest polaczone z tranzystorowym kluczem kasowa¬ nia. Trzecie uzwojenie, bedace elementem przekazu- 40 jacym informacje z rdzenia na rdzen nastepny, jest polaczone ze zródlem impulsu zegarowego steru¬ jacego przekazywaniem informacji na nastepny rdzen, i z tranzystorowym kluczem wejsciowym nastepnego rdzenia. Czwarte uzwojenie, bedace elementem przenoszacym informacje do ukladu sumujacego, jest polaczone z sumatorem. W celu zabezpieczenia kazdego nastepnego rdzenia przed jego namagnesowaniem w czasie gdy zapamiety¬ wana jest informacja z rdzenia poprzedniego, po¬ miedzy pierwszym uzwojeniem rdzenia nastepne¬ go i trzecim uzwojeniem rdzenia poprzedniego wlaczony jest tranzystorowy klucz wejsciowy ste¬ rowany równoczesnie z kluczem kasujacym po¬ przedniego rdzenia impulsami zegarowymi, przy 55 czym impuls zegarowy dochodzacy do kazdego na¬ stepnego rdzenia jest przesuniety w czasie w sto¬ sunku do impulsu przychodzacego na rdzen po¬ przedni. Przyklad wykonania magnetyczno-tran- zystorowego filtru dyskretnego wedlug wynalazku eo pokazany jest na rysunku, na którym fig. 2, przed¬ stawia uproszczony schemat ideowy filtru, fig. 3 — przedstawia charakterystyke rdzenia magne¬ tycznego, a fig. 4 — schemat blokowy urzadzenia z zastosowaniem filtru wedlug wynalazku. jacy T2 ze zródlem impulsu zegarowego. Uz. Trze¬ cie uzwojenie Z3 rdzeni polaczone jest z tym sa¬ mym zródlem impulsu zegarowego Uz oraz poprzez tranzystorowy klucz wejsciowy T3 nastepnego 15 rdzenia z uzwojeniem pierwszym Zx tego nastep¬ nego rdzenia. Czwarte uzwojenie Z4 dolaczone jest do sumatora informacji zapamietanych. Uzwojenie drugie Z2 kazdego rdzenia pamieciowego jest ele¬ mentem kasujacym informacje na tym rdzeniu. 20 Trzecie uzwojenie Z3 kazdego z rdzeni jest ele¬ mentem przekazujacym informacje z rdzenia na rdzen nastepny, na przyklad z pierwszego rdzenia I ria drugi rdzen II, z drugiego rdzenia II na trzeci rdzen III itd.Tranzystorowy klucz wejsciowy T3 kazdego z rdzeni pamieciowych poza pierwszym, jest pola¬ czony z kluczem kasujacym T2 poprzedniego rdze¬ nia i oba sa sterowane impulsami zegarowymi Uz.Impuls zegarowy Uz dochodzacy do kazdego na- so stepnego rdzenia jest opózniony w czasie w sto¬ sunku do impulsu zegarowego Uz przychodzacego na rdzen nastepny.Kazdy nastepny rdzen pamieciowy ma identycz¬ ny schemat polaczen uzwojen i kluczy tranzysto¬ rowych.Pamieciowy rdzen ferromagnetyczny z uzwoje¬ niami oraz tranzystorowymi kluczami, w odnie¬ sieniu do schematu blokowego przedstawionego na fig. 1, stanowi element opózniajacy t.Przykladowo wykonany sumator zliczajacy in¬ formacje podawane do niego z czwartych uzwojen Z4 rdzeni pamieciowych I, II, III, IV, sklada sie z dwóch grup integratorów, do których dochodza, z róznym opóznieniem czasowym, impulsy zapa¬ mietywane w rdzeniach. Kazdy z integratorów sklada sie z opornika R i kondensatora C, oraz diody D3 przenoszacej impulsy uzyteczne, które sa zawsze jednego znaku, przeciwnego niz impul¬ sy powstajace w przedzialach czasu na rdzeniu.Diody Dj i D2 umieszczone pomiedzy grupami in¬ tegratorów i wejsciem uzwojen pierwotnych trans¬ formatora Tr, oraz transformator Tr, zapewniaja sumowanie sygnalów, z obu grup integratorów, z przeciwnym znakiem. Tranzystorowy klucz T5 zalaczony do wyjscia uzwojen pierwotnych trans¬ formatora Tr zapewnia zerowanie integratora i odczyt sumy po przejsciu sygnalu przez wszyst¬ kie rdzenie pamieciowe I, II, III, IV.Wartosc wielkosci wejsciowej, podanej w po¬ staci napiecia, zapamietywana jest w sposób ana¬ logowy na pamieciowym rdzeniu 'ferromagnetycz¬ nym z prostokatna petla histerezy, poprzez zmia¬ ne jego indukcji magnetycznej od wartosci B0 do BX, (fig. 3), 45 50 655 57946 6 gdzie B0 — indukcja odpowiadajaca zerowej wartosci sygnalu wejsciowego, Bx — indukcja odpowiadajaca sygnalowi wejsciowemu w chwili pomiaru, w ten sposób, ze napiecie wejsciowe przez wej¬ sciowy klucz tranzystorowy Ti podawane jest na pierwsze uzwojenie Zi (fig. 2) rdzenia I przez czas t. Zakladajac, ze w tym czasie napiecie wejscio¬ we ta jest niezmienne, otrzymamy wzór na war¬ tosc zmiany indukcji magnetycznej; A Bx = Ba — B0 = k y dt = k • t • y Odczyt wartosci zapamietanej na rdzeniu odby¬ wa sie przez pomiar szerokosci impulsu napiecia, który pojawia sie w uzwojeniach rdzenia podczas przemagnesowywania go z powrotem do stanu BQ.Jednoczesnie z odczytem, informacja z jednego rdzenia przekazywana jest na rdzen nastepny przez impulsowy wzmacniacz tranzystorowy, któ¬ rym jest tranzystorowy klucz T3 i dzieki temu moze byc wykorzystana kilkakrotnie, mimo, ze do odczytu wymagane jest kasowanie zapamietanej na rdzeniu informacji.Na pierwsze uzwojenie Zi pierwszego rdzenia pamieciowego I przez wejsciowy klucz tranzysto¬ rowy Ti podawane jest napiecie sygnalu wejscio¬ wego. Klucz Ti jest wlaczony na okreslony czas, tak krótki, ze sygnal wejsciowy w tym przedziale czasu mozna uwazac za staly. Powoduje to prze¬ magnesowanie rdzenia I do wartosci indukcji Bi.Stan ten jest „pamietany" przez rdzen az do chwili, gdy tranzystorowy klucz kasujacy T2 za¬ myka obwód drugiego uzwojenia Z2 rdzenia po¬ wodujac przeplyw pradu przemagnesowujacego rdzenie ponownie do stanu BQ. W czasie przema¬ gnesowywania rdzenia na uzwojeniach Z3 i Z4 powstaja impulsy napiecia o szerokosci proporcjo¬ nalnej do róznicy Bx—B0. Przemagnesowanie od¬ bywa sie przy pomocy impulsu napiecia o stalej amplitudzie. Impuls z trzeciego uzwojenia Z3 rdze¬ nia poprzez klucz tranzystorowy T3 powoduje przemagnesowanie nastepnego rdzenia od stanu B0 do stanu Bi.W odróznieniu od pierwszego rdzenia I, na dru¬ gi rdzen II i nastepne, podawany jest impuls wej¬ sciowy o stalej amplitudzie, okreslonej przez wartosc napiecia zasilania tranzystora stanowiace¬ go klucz wejsciowy T3, natomiast o szerokosci proporcjonalnej do zapamietanej na poprzednim rdzeniu wartosci sygnalu wejsciowego.Czwarte uzwojenia Z4 nawiniete na kazdym rdzeniu, sluza do przekazywania zapamietanych wartosci sygnalu na sumator skladajacy sie z od¬ powiednio polaczonych elementów calkujacych.Poprzez usytuowanie odczepów na uzwojeniach, mozna dobrac odpowiednie wspólczynniki wagi A, B, C i D poszczególnych czlonów filtru. Cykl pracy filtru wedlug wynalazku, okreslony jest przez zegar wspólpracujacy ze zródlem impulsów sterujacych przekazywaniem informacji na rdzen nastepny, oraz przez uklad rozrzadu wlaczajacy odpowiednie klucze. Okres powtarzania tego cyklu moze byc bardzo dlugi np. kilka godzin.Ponizej przedstawiono przykladowo prace ukla¬ du obliczajacego sume algebraiczna czterech sklad¬ ników w czasie jednego cyklu.Przyjeto nastepujacy stan poczatkowy w chwili n: Rdzen Wartosc zapamietana Indukcja I C B0 II y (n—1) Bn-i III y (n—2) Bn-2 IV y (n—3) Bn-3 gdzie y (n-k) wartosc wielkosci wejsciowej w chwi¬ li n-k, a Bn-k — wartosc indukcji odpowiadajaca sygnalowi wejsciowemu y — B0 dla n = k. Na poczatku cyklu na rdzeniu I zostaje zapisana wartosc y (n) i zapamietana jako indukcja Wlaczajac odpowiednie klucze przemagnesowuje sie kolejno rdzenie: IV, III, II i I do wartosci indukcji B0. W ten sposób wartosci y (n-3), y (n-2), y (n-1) oraz y (n) zostaja podane na sumator oraz przeniesienie odpowiednio z rdzenia III na rdzen IV, z rdzenia II na rdzen III oraz z rdzenia I na rdzen II.Stan ukladu po jednym cyklu jest nastepujacy: Rdzen Wartosc zapamietana Indukcja I C Bo II y (n) Bn III y (n-1) Bn-i IV y (n-2) Bn-2 Rola sumatora polega na obliczaniu sumy alge¬ braicznej czterech nastepujacych po sobie impul¬ sów napiecia o amplitudzie odpowiadajacej wy¬ branym wspólczynnikom A, B, C, D i szerokosci proporcjonalnej odpowiednio do wartosci y (n-3), y (n-2), y (n-1) i y (n). Czynnosc te wykonuje ele¬ ment calkujacy posiadajacy odpowiednia ilosc wejsc. Pomiar obliczonej sumy dokonywany jest po kazdym cyklu pracy, a nastepnie element cal¬ kujacy jest zerowany. Poniewaz czas trwania po¬ wyzszej operacji jest bardzo krótki, ponizej 0,1 sek. wymagania w stosunku do elementu calkujacego sa niewielkie.W przypadku, gdy jako sygnal wyjsciowy wy¬ korzystuje sie tylko znak obliczonej sumy alge¬ braicznej, np. na wejsciu przekaznikowo-impulso- wego regulatora ekstremalnego, schemat sumatora moze byc bardzo prosty.Na fig. 2 przedstawiono sumator dla czterech skladników, z których dwa sa ujemne a dwa do¬ datnie.Impulsy z oddzielnych uzwojen czterech rdzeni I, II, III, IV, po scalkowaniu na prostych elemen¬ tach RC, zostaja zapamietane na kondensatorach C polaczonych w ten sposób, ze tworza lancuchy sumujace napiecie o tym samym znaku.Wlaczenie diod Di i D2 przez zmiane potencjalu punktu P przy pomocy tranzystora T5 powoduje rozladowanie obu zestawów kondensatorów przez uzwojenie nawiniete na wspólnym rdzeniu magne¬ tycznym. Na trzecim uzwojeniu tego transforma¬ tora powstaje impuls napiecia, którego znak za¬ lezy od znaku róznicy napiec na kondensatorach w chwili porównania. W ten sposób równoczesnie 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6057946 8 z odczytem znaku sumy, sumator zostaje wyzero¬ wany i przygotowany do nastepnego cyklu pomia¬ rowego. Dokladnosc filtru dako elementu pomiaro¬ wego ' zalezy glównie od doboru rdzeni z prosto¬ katna petla histerezy, tak aby posiadaly one pro¬ stokatna petle histerezy i jednakowe charaktery¬ styki dla poszczególnych egzemplarzy. W poda¬ nym na fig. 2 przykladzie, glówna przyczyna ble¬ dów ijest uklad sumujacy, ze wzgledu na przyje¬ cie elementów inercyjnych jako calkujacych. Wy¬ bierajac dostatecznie duze stale czasu RC tych elementów w stosunku do maksymalnego czasu trwania impulsów Timp na rdzeniu tak aby spel¬ niona byla zaleznosc RC^ 5 Timp, mozna uzyskac ogólna dokladnosc filtru rzedu 2%.W ukladach, które wymagaja dokladnego okre¬ slenia nie tylko znaku, ale i wartosci bezwzgled¬ nej, obliczonej w filtrze sumy, mozna jako suma¬ tora uzyc element calkujacy ze wzmacniaczem operacyjnym i z iloscia wejsc odpowiadajaca ilo¬ sci czlonów filtru.Znak kazdego skladnika sumy okreslony jest przez kierunek wlaczenia czwartego uzwojenia Z4 na rdzeniu oraz przez wlaczenie tych uzwojen do odpowiednich grup integratorów.Jako przyklad zastosowania filtru podano na rysunku (fig. 4) schemat blokowy przekaznikowo- -impulsowego ukladu regulacji ekstremalnej.Uklad ten zawiera obiekt regulacji OR, sklada¬ jacy sie z czlonu nieliniowego CN i czlonu dyna¬ micznego CDy. Filtr dyskretny FD wedlug wyna¬ lazku, jest laczony rozdzielnie z obiektem regu¬ lacji OR. Do filtru FD dolaczony jest czlon decy¬ zyjny CD, do którego dolaczony jest czlon wyko¬ nawczy CW, polaczony z czlonem nieliniowym CN.Impulsator I dolaczony jest badz pomiedzy czlon dynamiczny CDy i filtr FD lub pomiedzy czlon wykonawczy CW i czlon decyzyjny CD.Na Wyjsciu obiektu regulacji OR wlaczony jest filtr dyskretny FD. Na wyjsciu filtru przy odpo¬ wiednim doborze wspólczynników wagi A, B, C, D ... wedlug równania (1) uzyskuje sie sume pierw¬ szej, drugiej itd. róznicy sygnalu wyjsciowego z obiektu, obliczona dla jego wartosci w dyskret¬ nych chwilach czasu, wybranych przez impulsator I. Czlon decyzyjny CD generuje impulsy, które przesuwaja calkujacy czlon wykonawczy CW, zmieniajacy punkt pracy obiektu. Przy wlasciwym doborze wspólczynników wagi A, B, C ... uzysku¬ jemy uklad, który bedzie dazyl do maksimum na charakterystyce obiektu, gdyz kierunek zmian po¬ lozenia czlonu wykonawczego CW zalezy od od¬ powiedzi obiektu na poprzedni krok. Czlon decy¬ zyjny CD jest tak zrealizowany, ze po kroku zwiekszajacym sygnal wyjsciowy obiektu, zblize¬ nie sie do ekstremum, nastepny krok jest w tym samym kierunku, a w przypadku, gdy sygnal wyj- 20 sciowy obiektu maleje, nastepny krok jest w prze¬ ciwnym kierunku.Do dzialania tego ukladu w zasadzie wystarczy tylko filtr, obliczajacy pierwsza róznice 5 A yn = yn—yn-i lecz uwzglednienie dalszych róznic poprawia wlas¬ nosci dynamiczne ukladu i umozliwia jego szyb¬ sze dzialanie w przypadku duzych inercji ukladu 1° regulacji OR.W podanym przykladzie zastosowanie filtru we¬ dlug wynalazku, filtr dyskretny FD sluzy jako element pomiarowy z przekaznikowo-impulsowym regulatorze ekstremalnym, w którym wykorzystu- 15 je sie tylko znak przyrostu A, w zwiazku z tym uklad liczacy sume Ayn + Byn-i + • jest kranco¬ wo uproszczony.Magnetyczno-tranzystorowy filtr dyskretny o du¬ zym okresie impulsowania, do ukladów automa¬ tycznej regulacji, wedlug wynalazku, moze znalezc zastosowanie szczególnie w przemyslowych ukla¬ dach regulacji ekstremalnej w przypadku duzych inercji obiektu i szybkiego przesuwania sie ekstre¬ mum. 25 PL