SU1439531A1 - Цифрова система управлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к цифровым системам автоматического управлени  и может быть использовано дл  оптимального по быстродействиго управлени  непрерывными колебательными объектами . Цель изобретени  - повышение точности и быстродействи . Цифрова  система управлени  содержит объект 1 управлени , аналого-цифровой преобразователь 2, первый блок 3 вычита

Description

(Л CL

00

ел

Од

ки , задатчик 4 блок 5 прнрап;ени , :тер в1 |й блок 6 сложе 1и , первый блок 7 Nfac;mTa6HpoBaFiHB, первый регистр 8, 1терв.1й блок 9 выделени  знака и мас- ттабировани , квадратор 10, первый блок 11 умножени , второй блок 12 сложени , первьш блок 13 выделени  знака, блок 14 управлени , элемент 15 задержки, второй блок 16 масштабировани , третий блок 17 сложени , второй регистр 18, второй блок 19

вычитани , четвертый блок 20 сложени , третий блок 21 вычитани , блок 22 сложени , второй блок 23 вьщелени  знака, второй блок 24 умножени , шестой .блок 25 сложени , четвертый блок 26 вычитани , седьмой блок 27 сложени , второй блок 28 выделенных знака и масштабировани . Цель изобретени  достигаетс  за счет введени  элемента 15, регистра 18 и блоков 15-17, 19-28. 12 ил.

Изобретение относитс  к цифровым системам автоматического управлени  и может, быть использовано дл  оптимального по быстродействию управлени  непрерывными колебательными объектами типа двух интегрируюа1их звеньев (например, колесными само- ходньп 1И машинами, электроприводами, технологическими процессами) .

Цель изобретени  - повьшюние точности и быстродействи .

На фиг.1 представлена функциональна  схема цифровой системы управле- .ни ; на фиг„2 - функциональна  схе- ма блоков вычитани J на фиг.З - функциональна  схема блока приращени , н фиг.4 - функциональна  схема первого блока масштабировани  на фиг.5 - функциональна  схема регистров на фиг,6 - функциональна  схема блоков выделени  знака на фиг.7 - функциональна  схема второго блока масшта- будровани  на фиг.8 - функ1щональ- на  схема квадратора J на фиг.9 - функ- циональна  схема блоков умножени J на фиг.10 - функциональна  схема блоков выделени  знака и масштаби- ровани  на фиг,11 - функциональна  схема блока управлени , на фиг.12 - временна  диаграмма синхронизирующих импульсов и управл ющих сигналов. ,

Цифрова  система управлени  содержит (фиг.1) объект 1 управлени , аналого-цифровой преобразователь 2, первый блок 3 вычитани , задатчик 4, блок 5 приращени , первый блок 6 сложени , первый блок 7 масштабировани  пг рвый регистр 8, первый блок 9 вы- ло. и-ни  знака и масштабировани .

квадратор 10, первый блок 11 умножени , второй блок 12 сложени , первый блок 13 вьщелени  знака, блок 14 управлени , элемент 15 задержки, второй блок 16 масштабировани , третий блок 17 сложерги , второй регистр 18, второй блок 19 вычитани , четвертый блок 20 сложени , третий блок 21 вычитани , п тый блок 22 сложени , второй блок 23 выделени  знака, второй блок 24 умножени , шестой блок 25 сложени , четвертый блок 26 вычитани , седьмой блок 27 сложени , второ блок 28 вьщелени  знака и масштабировани .

Блоки вычитани  содержат (фиг.2) элемент 29 умножени  на (-1) и сумматор 30 последовательных дополнительных кодов. Блок приращени  содержит (фиг.З). элемент 31 умножени  на (-1), регистр 32 сдвига и суммато 33 последовательных кодов. Первый блок масштабировани  (фиг.4) содержи регистр 34 сдвига и элемент ИЛИ 35.

Регистры 8 и 19 содержат (фиг.5) регистр 36 сдвига и элемент ИЛИ 37.

Блоки вьщелени  знака содержат, (фиг.6) D-триггер 38, второй блок масштабировани  содержит (фиг.7) сумматор 39 последовательных кодов и элемент 40 задержки на один такт. Квадратор содержит (фиг.8) регистры 41 и 42 сдвига, элемент Ш1И 43 и элемент 44 умножени .

Блоки 11 и 24 умножени  содержат (фиг.9) инвертор 45, элементы И 46 и 47, элемент 48 умножени  на (-1) и сумматор 49.

Блоки выделени  знака и мастта- бировани  содержат (фиг.10) D-триг- i гер 50, первый элемент И 51, инвертор 52, второй элемент И 53, элемент ИЛИ 5А и элемент 55 умножени  на (-1).

Блок управлени  содержит (фиг.1) генератор 56 синхроимпульсов, счетчик 57, регистр 58 ,сдвига, первый элемент ИЛИ 59, первьй 60, второй 61, третий 62 и четвертый 63 триггеры , второй элемент ИЛИ 64 и п тый триггер 65.

Система работает следующим образом .

Непрерывный сигнал X(t) с выхода объекта управлени , характеризуюЕщй состо ние объекта,. поступает на аналого-цифровой преобразователь 2. В момент времени tj, начинаетс  преобразование аналоговой величины X(t,) в цифровой код, который поступает на вход уменьшаемого блока 3 вычитани . В то же врем  на вход вычитаемого этого блока из задатчика 4 поступает код координаты у;, определ ющий требуемое состо ние объекта в момент времени t;. В блоке 3 в соответствии с алгоритмом фopмIipyeтc  значение рассогласовани  X, которое поступает в блок 5 приращени . В нем значение X. запоминаетс  и формируетс  приращение (X; - Х., ), которое с выхода блока 5 поступает на первый вход блока 6 сложени . На второй вход блока 6 сложени  с выхода блока 7 масштабировани  поступает произведение Uj d управлени  U на коэффициент

выходе которого устанавливаетс  сигнал sign(vS; + с/2) . С выхода блока 16 масштабирювани  значение 3VS; поg ступает на первый вход блока 17 ело- жени , на второй вход блока 17 поступает значение 2Х;, полученное с помощью элемента 15 задержки, причем значение X; приходит на вход злемен10 та 15 с выхода блока 3 вычитани . Значение (2Х; + 3vS;) с выхода блока 17 поступает в ре гистр 8, где запоминаетс . С выхода блока 6 приращение 7S, поступает также в квадра15 тор 10, где определ етс  значение

ЧЗЯ/с. С выхода квадратора сигнал поступает на вход уменьщаемого блока

19вычитани  и на первьш вход блока

20сложени . На вход вычитаемого 20 блока 19 и второй вход блока 29 с

выхода регистра 18 поступает значение V S , . Сигнал с выхода блока 1 9, равный ( -VS;), поступает на первый вход блока 11 умножени , а

25 сигнал с выхода блока 20, равный VS2;/c + VSJ , поступает на первы.й вход блока 24 умножени  На второй вход блока 11 поступает значение sign(VS; - с/2) с выхода блока 13,

30 а сигнал с его выхода, равный

(VSyc - VS;)-sign(vS; - с/2), поступает на первый вход блока 12 сложени . На второй вход блока 12 с выхода регистра 8 поступает значе 35 ние (2xt + 3vS;). Результат с выхода блока 12 проходит на вход уменьшаемого блока 26 вычитани ,, на вход вычитаемого которого постуПриращение VS; запоминаетс  в регистре 18, а также проходит на вход блока 16 масщтабировани , в котором

пает посто нный коэффициент 1,5с из

масштаба d, а на выходе блока 6 имеет 40 блока управлени . На выходе блока приращение VS ,26 имеем значение первой переключательной функции Fij , которое проходит на вход блока 9 выделени  знака и

масштабировани . На выходе блока 9 олока ID масштаииуоьании, ь AUIUJJUII/ п c ч

о „о тс «а 45 формируетс  значение (-0,5osignF1;) , формируетс  произведение 3-VS:, Кроме - t- . ь i

которое проходит на первый вход блока 27 сложени . На второй вход бло-, ка 24 умножени  поступает значение sign(VS| + с/2) с выхода блока 23, а 50 на выходе блока 24 образуетс  сигнал (SVc + VS;)s;Lgn(4S;+ с/2), который проходит на первый вход блока 25 сложени .

На второй вход блока 25 поступает,. 5 сигнал (.2 К + 3VS; ) с регистра 8, а . на третий вход - посто нна  величина 1,5 с из блока управлени . На выхо- .де блока 26 образуетс  значение вт.отого , значение VS; проходит на вход уменьшаемого блока 21 вычитани  и на первый вход блока 22 сложени . В то же врем  на вход вычитаемого блока 21 и на второй вход блока 22 из блока 14 управлени  поступает цифровой код посто нной величины с/2. С выхода блока 21 значение VS;-c/2 поступает в блок 13 выделени  знака, на выходе которого устанавливаетс  сигнал sign(vS; - с/2), а с выхода блока 22 значение (S; + с/2) поступает в блок 23 вьщелени  знака, нд

выходе которого устанавливаетс  сигнал sign(vS; + с/2) . С выхода блока 16 масштабирювани  значение 3VS; поступает на первый вход блока 17 ело- жени , на второй вход блока 17 поступает значение 2Х;, полученное с помощью элемента 15 задержки, причем значение X; приходит на вход злемента 15 с выхода блока 3 вычитани . Значение (2Х; + 3vS;) с выхода блока 17 поступает в ре гистр 8, где запоминаетс . С выхода блока 6 приращение 7S, поступает также в квадратор 10, где определ етс  значение

ЧЗЯ/с. С выхода квадратора сигнал поступает на вход уменьщаемого блока

19вычитани  и на первьш вход блока

20сложени . На вход вычитаемого блока 19 и второй вход блока 29 с

выхода регистра 18 поступает значение V S , . Сигнал с выхода блока 1 9, равный ( -VS;), поступает на первый вход блока 11 умножени , а

сигнал с выхода блока 20, равный VS2;/c + VSJ , поступает на первы.й вход блока 24 умножени  На второй вход блока 11 поступает значение sign(VS; - с/2) с выхода блока 13,

а сигнал с его выхода, равный

(VSyc - VS;)-sign(vS; - с/2), поступает на первый вход блока 12 сложени . На второй вход блока 12 с выхода регистра 8 поступает значение (2xt + 3vS;). Результат с выхода блока 12 проходит на вход уменьшаемого блока 26 вычитани ,, на вход вычитаемого которого постурой переключательной функции F2, которое преходит на вход блока 28 рыделрни  знака и масштабировани , с выхода которого сигнал, равный (-OjSflsignCFZ).)) , проходит иа второй вход блока 27 сложени .На блока 27 имеем значение управл ющего воздействи  , которое поступает на вхо объекта 1 управлени , а также на вход блока 7 масштабировани .

Рассмотрим особенности работы блоков предлагаемой системы управлени  на (i+1)--M шаге. Временна  диаграмма синхронизации блоков приведена на фиг. 12, где- - врем , определ ющее задержку в выдаче управл ющего воздействи  .i относительно t;(). Предполагаетс  работа с последовательными дополнительными двоичными кодами, В блоках синхро- сери  с примен етс  дл  синхронизации регистро1з сдвига. Разр дность регистров , если,об этом отсутствуют специальные сведени , составл ет L разр дов,

В блоках вычитани  (фиг.2) уменьшаемое проходит на первый сумматор 30, на второй вход которого через элемент 29 умножени  на (-1) прохо- дит вычитаемое. На выходе сумматора 30 имеем разность двух величин.

В блоке 5 приращени  (фиг.З) поступающа  на вход величина xt через элемент 31. умножени  на (-Г) по сигналу Yj- с первого управл юргего входа проходит в регистр 32.и запоминаетс  Е нем. Длительность сигнала Y, соответствует разр дности L регистра 3 Одновременно сигнал Xj проходит на первый вход сумматора 33 а на второй вход этого сумматора с регистра 32 поступает значение Xj., , На выходе сумматора 33 имеем приращение х| - х, .

В блоке 7 масштабировани  (фиг,4) переменна  U,j по сигналу Y , посту- пает из регистра 34 сдвига на выход. Заноситс  эта переменна  с входа в регистр 34 по сигналу Yg. Принцип умножени  при занесении на посто нну величину d состоит в следующем. Предполагаетс , что d 2 , S 0,1,2,,. Длительность сигнала Y 9 формируетс  в устройстве управлени  на S тактов больше, чем длительность Y (длительность Y, L-тактов). Благодар  этому при занесении в регистр 1) сдвигаетс  в сторону младших разр  д

14395316

дов и к концу сдвига в этом регистре формируетс  величина UJd.

В регистры сдвига 8 и 18 (фиг.З) двоичный код заноситс  по сигналу Y; , а выдаетс  по сигналу . Длительности сигналов Y, и Y одинаковы. На вход блоков выделени  знака (фиг.6) поступает переменна  7S;-с/2 в блок 11, VS; + с/2 в блок 12 и про- ходит на D-вход D-триггера 38. В момент поступлени  знакового разр да по управл ющему сигналу Yj значение знака заноситс  в D-триггер и прохо- дит на выход блока. Если входна  переменна  больше нул , то логическое значение выхода 1, если меньше нул , то О.

В блоке 16 масштабировани  (фиг.7) значение проходит с входа на элемент 40 задержки на один такт, на выходе которого имеем 2У8,. Значени  VS и 2VS суммируютс  на сумматоре 39, в результате чего на выходе бло- ка имеем 3VSj.

На вход квадратора (фиг.8) поступает последовательный код vSi и по управл ющему сигнгшу Y. проходит на первые входы регистров 41 и 42 сдвига.

Рассмотрим принцип умножени  на посто нную величину 1/с. Пусть с 2 , KeN, , К - четное число. Тогда можно записать

35

к (г

40

причем К/2 всегда целое число.

Произведение рассматриваем в виде

if ,

45 где каждьй сомножитель представл етс  в виде 2. vS, « Дл  умножени  VSj на достаточно занести пос- ледовательный код в регистры множимого и множител  со сдвигом влево

50 на К/2 тактов. Дл  этого окончание сигнала Y,j формируетс  в блоке управлени  на К/2 тактов раньше относительно окончани  сигнала Y,. Начало сигналов Y, и Yj одновременное.

55 С выхода регистра 42 параллельный код множител  поступает в элемент 44 умножени . По управл ющему сигналу Y4 на выход регистра 41 поступает множимое и проходит на вход последовател ,ног() кода элемента 44. С выхода элемента 44 - на выход блока проходит произведение vS./c. Длительность умножени  соответствует длительности прохождени  кода с удвоенной разр дной сеткой (длительности Y. ). При рассмотрергии данного блока следует сделать следующее замечание. Конечным результатом обработки величин F1 и F2J, в которые как слагаемое входит произведение,  вл етс  вьщеление знака. В св зи с этим формирование Flj:, F2 и произведени  осуществл ютс  одновременно и хранение произ- веде ни  отсутствует. По этой причине отсутствует и округление произведени . Другие возможные округлени  в системе также отсутствуют.

На вторые входы блоков 11 и 24 умножени  (фиг.9) поступает уровень +1, если (VS; +c/2)5;0 (дл  блока 11) или (VS| - с/2)5 С (дл  бло-ка 24), и 0 если указанные значени  меньше нул . При уровне +1 открыт элемент И 46 и с первого входа после - дователы ый код проходит через элемент 46 и элемент ИЛИ 49 на выход блока. Если на втором входе блока уровень О, то через инвертор 45 открываетс  элемент И 47 и с первого входа блока последовательныйiкод проходит через элемент И 47, элемент 48 умножени  на (-1) и сумматор 49 на выход блока.

В блоках выделени  знака и масштабировани  (фиг.10) с входа поступает последовательный код, на D-вход триггера 50, В момент поступлени  знакового разр да по управл ющему сигналу Y значение знака заноситс  в D-триг- гер 50. Если на входе код положительный то на выходе D-триггера имеем уровень +1 и открываетс  элемент И 51 . Управл ющий сигнал У по . времени выбран таким образом, что он соответствует моменту формировани  +1 в р зр де с весом 2, где

менты 53 и 54 на выход блока, где имеем (+0,5 ).

Посто нна  величина (0,5с) заноситс  с первого информационного выхода блока управлени  по сигналу на его первом управл ющем выходе, а величина (1,5 с) с второго информационного выхода - по сигналу У5- на

10

15

20

его п том управл ющем выходе.

Предложенна  система управлени  отличаетс  от известной тем, что в ней обеспечиваетс  сокращение длительности переходного процесса и повышение точности управлени  в устано вившемс  процессе. В услови х отсутстви  посто нно действующих возмущений длительность псреход ого i: пог- реипшсть установившегос  процессов минимизированы. При этом длительност переходного процесса и установившеес рассогласование уменьшаютс  примерно на 50%. Благодар  этому и в услови х посто нно действующих возмущений

25 улучшаютс  характеристики переходног и установившегос  процессов.

Применение предлагаемой цифровой системы управлени  и возможностью ис п6льзован   большого по вел11чи е дис

30 кретного вреиегигого шага перспективно дл  управлени  инерционными объек тами, в которых возможность работы с малым шагом суп(ественно ограничена или недопустима (например, в система с исполнительными устройствами, имеющими существенно ограниченные предельную частоту и количество переключений - фрикционные механизмы коробки передач и т.п.),

40

Claims (1)

1. .Формула изобретени

   Цифрова  система управлени , содержаща  первый блок масштабировани л(- подклюг1енный входом к входу объекта управлени , выход которого через аналого-цифровой преобразователь со динен с входом уменьшаемого первого блока вычитани , подключенного вхо35

   в р зр де с весом

   и f -log(0, Сигнал У проходит с„ дом вычитаемого-к выходу задатчика, через элемент 51, элемент 55 умноже- а выходом через блок приращени  к ни . на (-1) и далее на второй вход элемент ИЛИ 54 и на выход блока, на котором имеем (-0,5 S), Если на входе блока имеем отрицательный код, то

   55

   первому входу первого блока сложени второй вход которого соединен с выходом первого блока масштабировани  а вькод - с информационным входом квадратора, первый блок выделени  знака, подключенный выходом через первый блок умножени  к первому вхо второго блока сложени , второй вход

   на выходе D-триггера имеем О, который проходит через инвертор 52 и открывает элемент И 53. В этом случае сигнал УТ проходит через элементы 53 и 54 на выход блока, где имеем (+0,5 ).

   Посто нна  величина (0,5с) заноситс  с первого информационного выхода блока управлени  по сигналу на его первом управл ющем выходе, а величина (1,5 с) с второго информационного выхода - по сигналу У5- на

   его п том управл ющем выходе.

   Предложенна  система управлени  отличаетс  от известной тем, что в ней обеспечиваетс  сокращение длительности переходного процесса и повышение точности управлени  в установившемс  процессе. В услови х отсутстви  посто нно действующих возмущений длительность псреход ого i: пог- реипшсть установившегос  процессов минимизированы. При этом длительность переходного процесса и установившеес  рассогласование уменьшаютс  примерно на 50%. Благодар  этому и в услови х посто нно действующих возмущений

   улучшаютс  характеристики переходного и установившегос  процессов.

   Применение предлагаемой цифровой системы управлени  и возможностью ис- п6льзован   большого по вел11чи е дискретного вреиегигого шага перспективно дл  управлени  инерционными объектами , в которых возможность работы с малым шагом суп(ественно ограничена или недопустима (например, в системах с исполнительными устройствами, имеющими существенно ограниченные предельную частоту и количество переключений - фрикционные механизмы, коробки передач и т.п.),

   .Формула изобретени 

   Цифрова  система управлени , содержаща  первый блок масштабировани , подклюг1енный входом к входу объекта управлени , выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом уменьшаемого первого блока вычитани , подключенного вхо

   дом вычитаемого-к выходу задатчика, а выходом через блок приращени  к

   дом вычитаемого-к выходу задатчика, а выходом через блок приращени  к

   первому входу первого блока сложени , второй вход которого соединен с выходом первого блока масштабировани , а вькод - с информационным входом квадратора, первый блок выделени  знака, подключенный выходом через первый блок умножени  к первому входу второго блока сложени , второй вход

   которого соединен .с выходом первого ре Гистра, блок управлени , соединенный выходом синхронизации с входаки синхронизации блока приращени , квад- рЗ-Тора, первого регистра, первым управл ющим выходом с входом разрешени  считывани  элемента задержки и . входом разрешени  записи первого регистра , вторым управл ющим выходом - с входом разрешени  работы квадратора , третьим управл ющим выходом - с входом разрешени  считывани  квадратора , четвертым управл ющим выходом- с входом разрешени  считывани  перво- го регистра, п тым и шестым управл ющими выходами - соответственно с входами разрешени  записи и разрешени  считывани  первого блока выделени : знака и масштабировани ,, седьмыдм управл ющим выходом - с входами сброса пе-.рвого блока умнолсени , первого блока вычитани , блок приращени , восьмым управл ющим выходом - с входом записи знака первого блока выделени  знака, отличающа с  тем, что, с целью повышени  точности и быстродействи , в нее введены элемент задержки, второй блок масштабировани , второй регистр, второй блок выделени  знака, второй блок умножени  второй блок вьщелени  знака и масштабировани , третий, четвертьм, п тый, шестой и седьмой блоки сложени , второй, третий и четвертьй блоки вычитани , выход первого блока сложени  через второй блок масштабировани  подключен к первому входу третьего

   блока сложени , к второму входу которого через элемент задержки подсое- 40 считывани  второго регистра, п тый и

   динен выход первого блока вычитани , , выход третьего блока сложени  подключен к информац1 гонному входу первого регистра, выход квадратора соединен с входом уменьшаемого второго блока вычитани  и первым входом четвертого блока сложени , выходы кото- рь:х подключены к первьм информацион- входам соответственно первого и второго блоков умножени , выход первого блока слойсени  соединен с входом уменьшаемого третьего блока вычита5

   0

   ни , с первым входом п того блока сложени  и через второй регистр с входом вычитаемого второго блока вычитани  и вторым входом четвертого блока сложени , первый информационный выход блока управлени  подключен к входу вычитаемого третьего блока вычитани , выход которого соединен

   с информационным входом первого блока выделени  знака и с вторым входом п того блока сложени , подключенного выходом через второй блок вьщелени  знака к второму входу второго блока умножени , выход которого соединен с первым входом шестого блока сложени , подключенного вторым входом к первого регистра, а третьим входом - к второму информационному выходу блока управлени  и входу вычитаемого четвертого блока вычитани , вход уменьшаемого которого соединен с выходом второго блока сложени , а выход через первый блок выделени  знака и масштабировани  - с первьм входом седьмого блока сложени , подключенного выходом к входу объекта управлени , выход шестого блока сложени  через второй блок выделени  знака и масштабировани  соединен с вторым входом седьмого блока сложени , синхронизирующий выход блока управлени  подключен к входам синхронизации элемента задержки и второго

   5 регистра, первый управл ющий выход - к входу разрешени  записи второго регистра и входу разрешени  считывани  элемента задержки, четвертый управл ющий выход - к входу разрешени 

   0

   шестой управл ющие выходы соответст- - к входам разрешени  записи и считывани  второго блока выделени  знака и масштабировани , седьмой уп45 равл юш1ий выход - к входам сброса

   второго, третьего и четвертого блоко вычитани , первого и второго блоков умножени , восьмой управл ющий выход - к входу записи знака второго

   50 блока вьщелени  знака, а дев тый управл ющий выход - к входу разрешени  записи элемента задержки.

   34

   Тс

   П

   yj У9 ФигЛ

   У8

   Фиг. 2

   У1

   и if

   Фиг.д

   7 k

   37

   II

   ИГ  

   фие.5

   38

   Фиг.6

   39

   Фиг Л

   45

   5Q

   US

   Ив

   0us.8

   -Ы

   I

   фие.9

   Фие.Ю