Интегрирование сигнала ошибки

1. Реакция интегрирующего усилителя на воздействие типовых сигналов

1. Ступенчатый сигнал

Входной
ступенчатый сигнал как функция времени
равен
при
,
при
(рис.1.3, а,
б). Используя первое из этих условий,
имеем:

.

аб

Рис. 1.3. Реакция интегратора на ступенчатый
сигнал:
а – входной сигнал, б – выходной
сигнал

Таким
образом, изменение выходного напряжения
во времени представляет собой наклонную
прямую с полярностью, противоположной
полярности входного сигнала.

2. Прямоугольное колебание

Входное
напряжение внутри периода повторения
является функцией времени (рис. 1.4,а). Имеем

= 5 В при
,
=
–5 В при
.

После
интегрирования имеем
,
т.е. наклонную прямую на каждом
полупериоде.

а б

Рис. 1.4. Реакция интегратора на прямоугольные
колебания:
а – входной сигнал, б –
выходной сигнал

Накопленное
напряжение в конце первого полупериода,
т.е. интервала между
при

= 10кОм и
= 0,1мкФ,
:

.

Накопленное
напряжение за второй полупериод между

:

В.

Полученный
выходной сигнал показан на рис.
1.4,б.Размах этого сигнала от
пика к пику равен 2,5 В.
При любом сигнале на входе изменение
сигнала на выходе должно начинаться от
того значения, которое выходной сиг­нал
имел к моменту прихода входного сигнала.

3. Треугольный сигнал

На
входе интегратора – пилообразное
напряжение
,
показанное на рис. 1.4,б, как функция времени на интервале
от
,
равное

,
где
.

Напряжение
на выходе интегратора:

.

Таким
образом, напряжение на выходе – это
квадратичная функция вре­мени
(парабола), показанная на рис.
1.5.

Рис. 1.5. Реакция интегратора на треугольный
сигнал

1. О реальном интеграторе

До
сих пор операционный усилитель в
интеграторе считался идеальным. В
действительности, реальный операционный
уси­литель имеет некоторое напряжение
сдвига и нуждается в не­котором токе
смещения. Напряжение сдвига интегрируется
как ступенчатая функция, что дает
дополнительный линейно нара­стающий
(или спадающий) выходной сигнал, причем
полярность этого сигнала определяется
полярностью
,
а наклон –вели­чиной
.
Ток смещения течет через конденсатор
обратной связи, что также приводит к
появлению наклонного выходного сигнала.
В результате действия этих двух эффектов
конден­сатор обратной связи через
некоторое время неизбежно заря­жается
до максимально возможного выходного
напряжения усилителя. Такое постепенное
накопление заряда на конденса­торе
обратной связи накладывает ограничение
на интервал времени, в течение которого
может быть осуществлено интегри­рование
с достаточной точностью. Кроме того,
добавляется к напряжению на конденсаторе,
и, поскольку это напряжение равно
,
такая прибавка вносит в результат
ошибку, равную
.
В итоге выражение для
принимает вид

. (1.2)

Последние
три члена в правой части равенства
(1.2)соответствуют указанным выше
ошибкам, а первый член описывает полезный
выходной сигнал. Знаки погрешностей
могут быть любыми по отношению друг к
другу и к полезному сигналу.

Ошибку
напряжения сдвига можно уменьшить
следующими приемами:

1. использовать
   операционный усилитель с низким
   ;

периодически
сбрасывать интегратор (т.е. разряжать
конденсатор до некоторого заранее
выбранного значения);

шунтировать
сопротивлением
,
как показано на рис.1.6.

Шунтирование
конденсатора обратной связи сопротивлением

позволяет на низких частотах, где
конденсатор фактически действует как
разомкнутая цепь, ограничить напряжение
ошибки величиной
вместо
.
Такое шунтирование одновременно
ограничивает снизу область частот, в
которой происходит интегрирование.
Например, на рабочей частоте
погрешность интегрирования составит
около 5 %;увеличение
рабочей частоты выше величины
приведет к увеличению погрешности.

Слагаемое
ошибки,связанное с током
смещения, можно уменьшить за счет
использования операционного усилителя
с входом на полевых транзисторах или
путем подключения между неинвертирующим
входом и землей сопротивления
,
равного
,если в схеме уже использовано сопротивление

(рис. 1.6).При использовании
такого сопротивления третий член в
правой части равенства (1.2)равен.

Ключ
«Кл» служит для периодического сброса
конденсатора
,
сопротивление
служит для уменьшения эффекта
,
а сопротивление
уменьшает эффект
.

Конденсаторы,
используемые в интеграторах с большим
временем интегрирования, должны иметь
очень высокое собственное активное
параллельное сопротивление (т. е. очень
малые утечки). Хорошую стабильность на
больших временах обеспечивают тефлоновые
или полистироловые конденсаторы.

Рис. 1.6.Коррекция ошибки
интегратора
в случае медленно
меняющегося сигнала

Всем доброго времени суток. В одной из своих статей я рассказывал о простых RC-цепях и о влиянии на прохождении сигналов различной формы через эти цепи. Сегодняшняя статья несколько дополнит предыдущую в сфере операционных усилителей.

Интегратор

Различные разновидности интеграторов применяются во многих схемах, например, в активных фильтрах или в системах автоматического регулирования для интегрирования сигнала ошибки.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схемы интеграторов: простой RC-интегратор и интегратор на основе ОУ.

Простой RC-интегратор имеет два серьёзных недостатка:

1. При прохождении сигнала через простой RC-интегратор происходит ослабление входного сигнала.
2. RC-интегратор имеет высокое выходное сопротивление.

Интегратор на основе ОУ лишён данных недостатков, поэтому на практике применяется чаще. Он состоит из ОУ DA1, входного резистора R1 и конденсатора С1, который обеспечивает обратную связь.

Работа интегратора основана на том, что инвертирующий вход заземлён, согласно принципу виртуального замыкания. Через резистор R1 протекает входной ток I_BX, в тоже время для уравновешивания точки нулевого потенциала, конденсатор будет заряжаться током одинаковым по величине I_BX, но с противоположным знаком. В результате на выходе интегратора будет формироваться напряжение, до которого конденсатор заряжается этим током. Входное сопротивление интегратора будет равно сопротивлению резистора R1, а выходное сопротивление будет определяться параметрами ОУ.

Основные соотношения интегратора

Основным недостатком интегратора на ОУ является явление дрейфа выходного напряжения. В основе данного явления лежит то, что конденсатор С1, кроме заряда входным током заряжается различными токами утечки и смещения ОУ. Последствием данного недостатка является появление напряжения смещения на выходе схемы, которое может привести к насыщению ОУ.

Для устранения данного недостатка может быть применено три способа:

1. Использование ОУ с малым напряжение смещения.
2. Периодически разряжать конденсатор.
3. Шунтировать конденсатор С1 сопротивление RP.

Реализация данных способов показана на рисунке ниже

Устранение дрейфа выходного напряжения интегратора.

Включение резистора R_СД между землёй и неинвертирующим входом позволяет снизить входное напряжение смещения, за счёт уравновешивания падения напряжения на входах ОУ, величина R_СД = R1||RP, либо R_СД = R1 (при отсутствии RP).

Величина резистора R_P выбирается из того, что постоянная времени R_PС1 должна быть значительно больше, чем период интегрирования, то есть R1С1

Конденсаторы, применяемые в интеграторах, должны иметь очень малый ток утечки, особенно если частота интегрирования составляет единицы Гц.

Дифференциатор

Дифференциатор, выполняет функцию противоположную интегратору, то есть на выходе дифференциатора напряжение пропорционально скорости изменения входного напряжения. Так же как и интегратор, дифференциатор находит широкое применение в активных фильтрах и схемах автоматического регулирования. Дифференциатор получается из интегратора путем перемены местами резистора и конденсатора.

Схемы дифференциаторов: простого RC-дифференциатора и дифференциатора на основе ОУ.

Простой дифференциатор имеет два существенных недостатка: большое выходное сопротивление и ослабление входного сигнала, поэтому в современных схемах он почти не применяется. Для дифференцирования сигналов применяют дифференциатор на ОУ, состоящий из ОУ DA1, входного конденсатора С1 и резистора R1, через который осуществляется положительная обратная связь с выхода ОУ на его вход.

При поступлении сигнала на вход дифференциатора конденсатор С1 начинает заряжаться током I_BX, за счёт принципа виртуального замыкания ток такой же величины будет протекать и через резистор R1. В результате на выходе ОУ будет формироваться напряжение пропорционально скорости изменения входного напряжения.

Параметры дифференциатора определяются следующими выражениями

Основной недостаток дифференциатора на ОУ состоит в том, что на высоких частотах коэффициент усиления больше, чем на низких частотах. Поэтому на высоких частотах происходит значительное усиление собственных шумов резисторов и активных элементов, кроме того возможно возбуждение дифференциатора на высоких частотах.

Решение данной проблемы является включение дополнительного резистора на вход дифференциатора. Сопротивление резистора должно составлять несколько десятков Ом (в среднем порядка 50 Ом).

Формула изобретения

1. Способ управления объектом, включающий выделение сигнала ошибки управления, фильтрацию сигнала и в соответствии с отфильтрованным сигналом формирование команд управления объектом, а также организацию цепи обратной связи по командам управления объектом, обеспечивающую формирование сигнала компенсации фазового запаздывания, отличающийся тем, что осуществляют вычисление разностного сигнала между сигналом ошибки управления и отфильтрованным сигналом, проводят обработку полученной разности с использованием сигнала компенсации фазового запаздывания, при этом передаточная функция образовавшейся цепи обратной связи по командам управления выбирается в соответствии с передаточной функцией объекта управления.

2. Способ управления объектом, включающий выделение сигнала ошибки управления и формирование команд управления объектом, содержащих составляющую, пропорциональную интегралу сигнала ошибки управления, отличающийся тем, что устанавливают диапазон значений сигнала ошибки, осуществляют сравнение сигнала ошибки с установленным диапазоном, если сигнал ошибки попадает в установленный диапазон, то составляющую команды управления объектом, пропорциональную интегралу ошибки, приравнивают к нулю.

3. Система управления, включающая устройство выделения ошибки, устройство обработки сигналов, последовательно соединенные блок управления и блок формирования сигнала компенсации фазового запаздывания, отличающаяся тем, что устройство обработки сигналов, обеспечивающее возможность компенсации фазового запаздывания, выполнено так, что его второй вход охвачен отрицательной обратной связью по его выходу, второй вход устройства обработки сигналов соединен с выходом устройства выделения ошибки, а выход соединен со входом блока управления, при этом выход блока формирования сигнала компенсации фазового запаздывания соединен с первым входом устройства обработки сигналов, а от входа блока формирования сигнала компенсации фазового запаздывания до выхода устройства обработки сигналов реализуется передаточная функция модели объекта управления:

W _MO=W_ОБ,

где W _ОБ — передаточная функция объекта управления.

4. Система управления, включающая последовательно соединенные устройство выделения ошибки и блок управления, отличающаяся тем, что введен блок повышения астатизма, вход которого соединен с выходом устройства выделения ошибки, а выход блока повышения астатизма соединен со вторым входом блока управления, при этом блок повышения астатизма реализует следующую зависимость:

где

f( (t)) — зависимость от сигнала ошибки управления.

5. Система управления, включающая устройство выделения ошибки, устройство обработки сигналов и последовательно соединенные блок управления и блок формирования сигнала компенсации фазового запаздывания, отличающаяся тем, что введены блок повышения астатизма, вход которого соединен с первым входом блока управления, а выход соединен со вторым входом блока управления, а выход блока формирования сигнала компенсации фазового запаздывания соединен с первым входом устройства обработки сигналов, при этом устройство обработки сигналов, обеспечивающее возможность компенсации фазового запаздывания, выполнено так, что его второй вход охвачен отрицательной обратной связью по его выходу, выход устройства обработки сигналов соединен с первым входом блока управления, а второй вход устройства обработки сигналов соединен с выходом устройства выделения ошибки, при этом блок повышения астатизма реализует следующую зависимость:

где

f( (t)) — зависимость от сигнала ошибки управления, а от входа блока формирования сигнала компенсации фазового запаздывания до выхода устройства обработки сигналов реализуется передаточная функция модели объекта управления

W_МО =W_ОБ,

где W_ОБ — передаточная функция объекта управления.

6. Система управления по п.5, отличающаяся тем, что блок управления содержит последовательно соединенные сумматор и корректирующий фильтр, причем первый и второй входы сумматора являются соответственно первым и вторым входами блока управления, а выход корректирующего фильтра является выходом блока управления.

7. Система управления по п.5, отличающаяся тем, что блок управления содержит последовательно соединенные корректирующий фильтр и сумматор, причем вход корректирующего фильтра является первым входом блока управления, второй вход сумматора является вторым входом блока управления, а выход сумматора является выходом блока управления.

8. Устройство обработки сигналов, включающее последовательно соединенные первый сумматор, первый усилитель, первый интегратор, отличающееся тем, что введены третий усилитель, вход которого соединен с выходом первого сумматора, и последовательно соединенные второй усилитель, вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, второй интегратор, третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего усилителя, третий интегратор, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, причем первый вход первого сумматора является первым входом устройства обработки сигналов, третий вход второго сумматора является вторым входом устройства обработки сигналов, а выход третьего интегратора является выходом устройства обработки сигналов.

9. Блок повышения астатизма, включающий интегратор, отличающийся тем, что введен блок нелинейной функции, выход которого соединен со входом интегратора, причем вход блока нелинейной функции является входом блока повышения астатизма, а выход интегратора является выходом блока повышения астатизма, при этом блок нелинейной функции реализует следующую зависимость:

где U_o — опорный сигнал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам автоматического управления летательными аппаратами и динамическими объектами и может быть использовано в образцах техники, работающих в условиях воздействия помех и пропадания информационных сигналов, а также в установках для научных исследований.

Известен способ управления движущимся объектом [Лебедев А.А., Карабанов В.А. Динамика систем управления беспилотными летательными аппаратами. — М.: Машиностроение, 1965. С.28-30, рис.1.7], заключающийся в том, что выделяют координаты объекта, определяют величину ошибки, пропорциональную разности между входной координатой и координатой объекта, формируют команды управления объектом в соответствии с величиной ошибки.

Система управления для осуществления указанного способа содержит последовательно соединенные приемные устройства входного сигнала и выходного сигнала, устройство выработки команд управления, устройство телеуправления, систему управления нормальными перегрузками.

Недостатком указанных технических решений является низкая точность работы системы управления в условиях воздействия помех и отработки управляющих воздействий.

Известен способ управления динамическим объектом [Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики, Москва-Ленинград, Государственное энергетическое издательство, 1962, стр.330-333], выбранный в качестве прототипа для первого варианта способа, заключающийся в формировании ошибки управления объектом, представляющей собой разностный сигнал между сигналом задания и сигналом обратной связи, фильтрации сигнала ошибки управления и формировании в соответствии с отфильтрованным сигналом команд управления объектом, организации цепи внутренней обратной связи, охватывающей динамические звенья, предназначенные для формирования управляющего сигнала, и выборе передаточной функции корректирующего звена в цепи упомянутой внутренней обратной связи в соответствии с передаточной функцией фильтра в прямой цепи. Это обеспечивает компенсацию фазового запаздывания при фильтрации сигнала ошибки.

Система управления для осуществления указанного способа, выбранная в качестве прототипа [Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики, Москва-Ленинград, Государственное энергетическое издательство, 1962, стр.330-333] для первого и третьего варианта системы, содержит устройство выделения ошибки, последовательно включенные в цепи прямой связи динамические блоки, осуществляющие обработку сигналов и формирование управляющих сигналов, а также блок формирования сигнала компенсации фазового запаздывания, включенный в цепь внутренней обратной связи, охватывающей упомянутые динамические звенья.

Недостатком указанных технических решений является низкая точность работы системы управления в условиях воздействия помех и отработки управляющих воздействий из-за несоответствия переходных процессов в фильтре, установленном в цепи управления, и в корректирующем звене, реализующем такой же фильтр. Кроме того, при воздействии помех возможно пропадание сигнала ошибки. При этом происходит размыкание внешнего (основного) контура системы управления. В этом случае формирование команд объектом будет осуществляться в соответствии с внутренним контуром. Однако передаточная функция внутреннего контура не соответствует передаточной функции замкнутого контура системы управления, так как в цепи внутренней обратной связи реализуется передаточная функция фильтра. В связи с этим динамика формирования команд управления будет не соответствовать динамике формирования команд управления внешним (основным) контуром системы управления объектом, что также ухудшит точность работы системы управления.

Известен способ управления движущимся объектом [Козлов В.И. Системы автоматического управления летательными аппаратами. — М.: Машиностроение, 1979 стр.190-193], заключающийся в том, что выделяют сигнал ошибки управления, проводят обработку сигнала ошибки управления и формирование в соответствии с этим сигналом ошибки команд управления объектом, пропорциональных комбинации ошибки, производной и интегралу от ошибки.

Система управления для осуществления указанного способа содержит устройство выделения ошибки и блок управления, представляющий собой параллельно включенный усилитель, дифференцирующее устройство и интегратор, а также в каждом канале фильтры низких частот, обеспечивающие подавление высокочастотных помех.

Такая реализация блока управления обеспечивает регулирование по отклонению, производной и интегралу. Сформированные команды управления поступают в канал телеуправления для передачи на борт объекта управления. Однако в связи с тем, что контур наведения содержит двойное интегрирующее звено (кинематическое звено), введение дополнительного астатизма приводит к потере устойчивости и необходимости введения дополнительных корректирующих звеньев. Кроме того, введения фильтров низких частот также может значительно снижать запасы устойчивости системы управления.

Наиболее близким к заявленному второму варианту способу является способ управления динамическим объектом [АС 377724 от 21.10.1970, МПК G05B 5/00, 11/00 (прототип)], заключающийся в том, что выделяют сигнал ошибки управления и формируют команды управления объектом, содержащие составляющую, пропорциональную интегралу сигнала ошибки управления.

Система управления для осуществления указанного способа и выбранная в качестве прототипа для второго варианта системы содержит последовательно соединенные устройство выделения ошибки, блок повышения астатизма, выполненный в виде параллельно соединенных интегратора и логического устройства, и сумматора, второй вход которого соединен с устройством выделения ошибки через пропорциональное звено, а выход сумматора подключен к входу объекта.

В предложенном решении обеспечивается повышение быстродействия системы управления только в установившемся режиме, так как логическое устройство устанавливает на выходе интегратора величину, соответствующую установившемуся значению объекта регулирования. Кроме того, наличие интегратора в прямой цепи управления снижает запасы устойчивости системы регулирования, а в системах регулирования с астатизмом может приводить к потере устойчивости.

Устройство обработки сигналов [Горбацевич Е.Д., Левинзон Ф.Ф., Аналоговое моделирование систем управления. М.: Наука, 1984 стр.110-112, рис.4.11], выбранное за прототип, включающее последовательно соединенные сумматор, усилитель, интегратор, выход которого соединен со вторым входом сумматора, обеспечивает подавление высокочастотных помех.

Недостатком известного устройства обработки сигналов является большое фазовое запаздывание, вносимое устройством в сигнал ошибки управления. При введении в контур системы управления такого устройства, с полосой пропускания, равной полосе пропускания системы, теряется устойчивость системы. Это приводит к необходимости расширения полосы пропускания устройства, а следовательно, к снижению глубины подавления высокочастотных помех устройством.

Блок повышения астатизма [Козлов В.И. Системы автоматического управления летательными аппаратами. — М.: Машиностроение, 1979 стр.190-193], выбранный за прототип, включающий последовательно соединенные линейное звено с насыщением и интегратор, обеспечивает ограничение максимального значения выходного сигнала интегратора.

Недостатком известного блока повышения астатизма является то, что включение его в контур системы управления приводит к уменьшению и даже потере устойчивости. Это связано с тем что, контур системы управления летательным аппаратом, как правило, уже содержит двойное интегрирующее звено (кинематическое звено).

Общим недостатком указанных технических решений является низкая точность работы системы в условиях помех и отработки управляющих воздействий.

Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и повышение устойчивости и точности отработки управляющих воздействий в условиях помех измерения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе управления объектом, включающем выделение сигнала ошибки управления, фильтрацию сигнала и в соответствии с отфильтрованным сигналом формирование команд управления объектом, а также организацию цепи внутренней обратной связи по командам управления объектом, обеспечивающую формирование сигнала компенсации фазового запаздывания, осуществляют вычисление разностного сигнала между сигналом ошибки управления и отфильтрованным сигналом, проводят фильтрацию полученной разности с использованием сигнала компенсации фазового запаздывания, при этом образовавшаяся с помощью цепи внутренней обратной связи передаточная функция замкнутого контура соответствует передаточной функции системы управления объектом.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе управления объектом, включающем выделение сигнала ошибки управления и формирование команд управления объектом, содержащих составляющую пропорциональную интегралу сигнала ошибки управления, устанавливают диапазон значений сигнала ошибки, осуществляют сравнение сигнала ошибки с установленным диапазоном, если сигнал ошибки попадает в установленный диапазон, то составляющую команды управления объектом, пропорциональную интегралу ошибки приравнивают нулю, если сигнал ошибки не попадает в установленный диапазон, то формируют составляющую команды управления объектом, пропорциональную интегралу ошибки управления.

Для осуществления первого способа в систему управления, включающую устройство выделения ошибки, устройство обработки сигналов, последовательно соединенные блок управления и блок формирования сигнала компенсации фазового запаздывания, устройство обработки сигналов выполнено с возможностью компенсации фазового запаздывания, второй вход которого соединен с выходом устройства выделения ошибки, а выход соединен со входом блока управления, при этом выход блока формирования сигнала компенсации фазового запаздывания соединен с первым входом устройства обработки сигналов, а для блока формирования сигнала компенсации фазового запаздывания и устройства обработки сигналов реализуется следующее соотношение:

W_MO=W _ОУ,

где W_MO=W _БФСКФЗW_УОС1 — передаточная функция модели объекта управления;

W_ОУ — передаточная функция объекта управления;

W _БФСКФЗ — передаточная функция блока формирования сигнала компенсации фазового запаздывания;

W_УОС1 — передаточная функция устройства обработки сигналов от его первого входа до выхода.

Для осуществления второго способа в систему управления, включающую последовательно соединенные устройство выделения ошибки и блок управления, введен блок повышения астатизма, вход которого соединен с выходом устройство выделения ошибки, а выход блока повышения астатизма соединен со вторым входом блока управления, при этом блок повышения астатизма реализует следующую зависимость:

где f(…) — функциональная зависимость.

Для осуществления обоих указанных способов в систему управления, включающую устройство выделения ошибки, устройство обработки сигналов и последовательно соединенные блок управления и блок формирования сигнала компенсации фазового запаздывания, введены блок повышения астатизма, вход которого соединен с первым входом блока управления, а выход соединен со вторым входом блока управления, а выход блока формирования сигнала компенсации фазового запаздывания соединен с первым входом устройства обработки сигналов, при этом устройство обработки сигналов выполнено с возможностью компенсации фазового запаздывания, выход которого соединен с первым входом блока управления, а второй вход устройства обработки сигналов соединен с выходом устройства выделения ошибки, при этом блок повышения астатизма реализует следующую зависимость:

где f(…) — функциональная зависимость,

а блок формирования сигнала компенсации фазового запаздывания и блок обработки сигналов реализуют следующее соотношение:

W_МО=W_ОУ,

где W_MO=W_БФСКЗW _УОС1 — передаточная функция модели объекта управления;

W_ОУ — передаточная функция объекта управления;

W_БФСКЗ — передаточная функция блока формирования сигнала компенсации фазового запаздывания;

W_УОС1 — передаточная функция устройства обработки сигналов от его первого входа до выхода.

В системе управления, реализующей второй способ, а также в системе управления реализующей оба способа первый вариант блока управления содержит последовательно соединенные сумматор и корректирующий фильтр, причем первый и второй входы сумматора являются соответственно первым и вторым входами блока управления, а выход корректирующего фильтра является выходом блока управления.

В системе управления, реализующей второй способ, а также в системе управления, реализующей оба способа, второй вариант блока управления содержит последовательно соединенные корректирующий фильтр и сумматор, причем вход корректирующего фильтра является первым входом блока управления, второй вход сумматора является вторым входом блока управления, а выход сумматора является выходом блока управления.

Для осуществления указанных способов в устройство обработки сигналов, включающее последовательно соединенные первый сумматор, первый усилитель, первый интегратор введены третий усилитель, вход которого соединен с выходом первого сумматора, и последовательно соединенные второй усилитель, вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, второй интегратор, третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего усилителя, третий интегратор, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, причем первый вход первого сумматора является первым входом устройства обработки сигналов, третий вход второго сумматора является вторым входом устройства обработки сигналов, а выход третьего интегратора является выходом устройства обработки сигналов.

Для осуществления указанных способов в блок повышения астатизма, включающий интегратор, введен блок нелинейной функции, выход которого соединен со входом интегратора, причем вход блока нелинейной функции является входом блока повышения астатизма, а выход интегратора является выходом блока повышения астатизма, при этом блок нелинейной функции реализует следующую зависимость:

где U_о — опорный сигнал.

В заявляемых технических решениях предлагается для повышения помехоустойчивости осуществлять обработку высокочастотных помех в сигналах ошибок управления с учетом команд управления, а для повышения устойчивости и точности при отработке управляющих воздействий осуществлять изменение составляющей команды управления объектом, пропорциональной интегралу ошибки в зависимости от величины сигнала ошибки управления.

Предлагаемое техническое решение поясняется фигурами 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, где Фиг.1 изображает реализацию системы управления по первому способу управления. Фиг.2 изображает реализацию системы управления по второму способу, Фиг.3 изображает реализацию системы управления по первому и второму способам. Фиг.4 изображает реализацию устройства обработки сигналов, Фиг.5 изображает реализацию блока повышения астатизма, Фиг.6, 7 изображают реализацию блока управления.

Реализация системы управления по первому способу поясняет Фиг.1, на которой обозначено: 1 — устройство выделения ошибки; 2 — устройство обработки сигналов; 3 — блок управления; 4 — блок формирования сигнала компенсации фазового запаздывания.

Реализация системы управления по второму способу поясняет Фиг.2, на которой обозначено: 1 — устройство выделения ошибки; 3 — блок управления; 5 — блок повышения астатизма.

Реализация системы управления по первому и второму способам поясняет Фиг.3, на которой обозначено: 1 — устройство выделения ошибки; 2 — устройство обработки сигналов; 17 — блок управления; 4 — блок формирования сигнала компенсации фазового запаздывания; 5 — блок повышения астатизма.

Реализацию устройства обработки сигналов поясняет Фиг.4, на которой обозначено: 6, 7, 8 — первый, второй и третий сумматоры; 9, 10, 11 — первый, второй и третий усилители; 12, 13, 14 — первый, второй и третий интеграторы.

Реализацию блока повышения астатизма поясняет Фиг.5, на которой обозначено: 15 — интегратор; 16 — блок нелинейной функции.

Реализацию блока управления 17 поясняет Фиг.6, на которой обозначено: 18 — сумматор; 19 — корректирующий фильтр.

Реализацию блока управления 17 поясняет Фиг.7, на которой обозначено: 18 — сумматор; 19 — корректирующий фильтр.

Устройство выделения ошибки 1 включает пеленгационное устройство, блок управления, исполнительный привод, датчик угла поворота, антенную установку и является узкопольным пеленгатором, предназначенным для определения координат объекта управления, и выполнено по известной схеме (см.[3] стр.63…70,рис.2.7…2.9).

Блок 3 и 19 представляют собой корректирующий фильтр (см. [1] стр.366…371, рис.7.15).

Устройства 4, 9, 10 и 11 представляют собой усилитель с регулируемым коэффициентом передачи (см. [4], стр.57…59, рис.2.3).

Устройство 6 представляет собой сумматор аналоговых сигналов с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) (см. [4] стр.75…77, рис.3.2).

Устройство 7 представляет собой сумматор аналоговых сигналов с тремя входами (одним инвертирующим и двумя неинвертирующими) (см. [4] стр.75…77, рис.3.2).

Устройство 8, 18 представляют собой сумматор аналоговых сигналов с двумя входами (см. [4] стр.75…77, рис.3.1).

Интеграторы 12, 13, 14 и 15 представляют собой аналоговый интегратор (см.[4], стр.77…79, табл.3.1).

Устройство 16 обеспечивает реализацию нелинейной функции (см.[2], стр.33…54):

где U_{ВХ(ВЫХ)ij} — сигнал с i-го выхода (входа) j-го блока.

Вновь вводимые блоки реализуются на базе элементов, являющихся стандартными и выпускаемыми промышленностью со стандартной точностью.

Система управления, реализующая первый способ, работает следующим образом.

На выходе устройства 1 формируется сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t). С выхода устройства 1 сигнал поступает на второй вход устройства обработки сигналов 2. Сигнал с выхода устройства обработки сигналов 2 поступает на вход блока управления 3. Сформированный в блоке 3 командный сигнал u(t) поступает через блок компенсации фазового запаздывания 4 на первый вход устройства обработки сигналов 2, обеспечивая компенсацию фазового запаздывания сигнала ошибки управления.

Устройство обработки сигналов 2 работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t), проходит через последовательно соединенные устройства 6, 9, 12, 7, 13, 8 и 14, сигнал с выхода которого поступает на второй вход сумматора 6. Сигнал с выхода сумматора 6 поступает через усилитель 10 на первый вход сумматора 1 и через усилитель 11 на второй вход сумматора 8. На выходе устройства 2 обеспечивается формирование как отфильтрованного сигнала ошибки управления (t), так и его прогноза в случае пропадания входного сигнала путем обнуления коэффициентов усилителей 9, 10 и 11.

В первом варианте реализации системы управления повышение помехоустойчивости достигается путем:

— формирования на выходе блока 4 сигнала, пропорционального выходным координатам;

— формирования на выходе устройства 2 как отфильтрованного сигнала ошибки управления (t), так и его прогноза в случае пропадания входного сигнала;

— подачей сигнала с выхода устройства 4 на первый вход устройства обработки сигналов 2;

— определенной последовательностью соединения вновь вводимых элементов 2 и 4 и выполнением определенных параметрических соотношений.

Обосновать работу первого варианта системы управления можно следующим образом.

Передаточная функция по командам управления u(t) в зависимости от сигналов ошибки управления (t) имеет вид:

где — передаточная функция устройства обработки сигналов 2; W_MO=W₄W ₇W₈W₁₃W ₁₄ — передаточная функция модели объекта управления; W _i — передаточная функция i-го блока.

Передаточная функция устройства обработки сигналов 2 обеспечивает в полосе пропускания минимальное фазовое запаздывание.

Передаточная функция системы управления имеет вид:

где W_ОБ — передаточная функция объекта управления.

При W_МО =W_ОБ передаточная функция примет вид:

т.е. в системе управления обеспечивается дополнительное подавление помех с помощью устройства обработки сигналов 2 при сохранении динамических характеристик (запасов устойчивости и т.д.) системы, так как в характеристическое уравнение (знаменатель (4)) не входит W₂. Это позволяет выбирать полосу пропускания устройства обработки сигналов 2, равную полосе пропускания системы управления, и обеспечивать эффективное подавление высокочастотных помех.

Анализ формул (2)…(4) показывает, что в рассматриваемой системе обеспечивается повышение помехоустойчивости системы управления.

Система управления, реализующая второй способ, работает следующим образом.

На выходе устройства 1 формируется сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t). С выхода устройства 1 сигнал поступает на первый вход блока управления 17 и на вход блока повышения астатизма 5, сигнал с выхода которого поступает на второй вход блока управления 17. С выхода блока 17 формируются команды управления u(t).

Блок повышения астатизма 5 работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t), проходит через последовательно соединенные устройства 16 и 15. При этом обеспечивается изменение коэффициента передачи устройства 16 в цепи с интегратором 15.

Первый вариант блока управления 17 работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t), проходит через последовательно соединенные устройства 18 и 19. На второй вход сумматора 18 подается сигнал с выхода интегратора 15.

Второй вариант блока управления 17 работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t), проходит через последовательно соединенные устройства 19 и 18. На второй вход сумматора 18 подается сигнал с выхода интегратора 15.

Во втором варианте реализации системы управления повышение устойчивости к управляющим воздействиям достигается путем:

— формирования на выходе блока 5 сигнала, имеющего составляющие, пропорциональные как величине ошибки управления (t), так и пропорциональные интегралу сигнала ошибки управления (t);

— подачей сигнала с выхода устройства 5 на второй вход блока управления 17;

— определенной последовательностью соединения вновь вводимых элементов 2 и 4 и выполнением определенных параметрических соотношений.

Обосновать работу второго варианта системы управления можно следующим образом.

Для первого варианта блока управления передаточная функция по командам управления u(t) в зависимости от сигнала ошибки управления (t) имеет вид:

где W₅=1+W ₁₆W₁₅.

Для второго варианта блока управления передаточная функция по командам управления u(t) в зависимости от сигнала ошибки управления (т) имеет вид:

В системе управления при отработке управляющих воздействий, если величина сигнала ошибки управления (t) больше чем U_min, то коэффициент передачи блока 16 будет пропорционален квадрату сигнала ошибки управления (t), а следовательно, в контуре системы управления подключается дополнительный астатизм — интегратор 15. Подключение дополнительного интегратора 15 в контуре системы управления позволяет повысить установившуюся точность системы при отработке управляющих воздействий. При малых сигналах ошибки управления (t), т.е. меньше чем U_min, дополнительного астатизма в системе нет, т.к. коэффициент блока 16 равен нулю. Исключение дополнительного астатизма при малых сигналах ошибки управления (t), т.е. при выполнении требуемой точности, обеспечивает повышение устойчивости и демпфирования системы. При сигнале ошибки больше чем U_max обеспечивается максимальный коэффициент передачи блока 16, и, следовательно, максимальная, но ограниченная величина выходного сигнала интегратора 15, при которой обеспечивается устойчивость системы и необходимая точность.

Анализ формул (5)…(6) показывает, что в рассматриваемой системе обеспечивается повышение устойчивости и точности системы управления к управляющим воздействиям.

Система управления, реализующая третий способ, работает следующим образом.

На выходе устройства 1 формируется сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t). С выхода устройства 1 сигнал поступает на второй вход устройства обработки сигналов 2. Сигнал с выхода устройства обработки сигналов поступает на первый вход блока управления 17 и на вход блока повышения астатизма, с выхода которого сигнал поступает на второй вход блока управления 17. Сформированный в блоке 17 командный сигнал u(t) поступает через блок компенсации фазового запаздывания 4 на первый вход устройства обработки сигналов 2, обеспечивая компенсацию сигнала ошибки управления.

Устройство обработки сигналов 2 работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t), проходит через последовательно соединенные устройства 6, 9, 12, 7, 13, 8 и 14, сигнал с выхода которого поступает на второй вход сумматора 6. Сигнал с выхода сумматора 6 поступает через усилитель 10 на первый вход сумматора 1 и через усилитель 11 на второй вход сумматора 8. На выходе устройства 2 обеспечивается формирование как отфильтрованного сигнала ошибки управления (t), так и его прогноза в случае пропадания входного сигнала путем обнуления коэффициентов усилителей 9, 10 и 11.

Блок повышения астатизма 5 работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t), проходит через последовательно соединенные устройства 16 и 15. При этом обеспечивается изменение коэффициента передачи устройства 16 в цепи с интегратором 15.

Первый вариант блока управления 17 работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t), проходит через последовательно соединенные устройства 18 и 19. На второй вход сумматора 18 подается сигнал с выхода интегратора 15.

Второй вариант блока управления 17 работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине ошибки управления (t), проходит через последовательно соединенные устройства 19 и 18. На второй вход сумматора 18 подается сигнал с выхода интегратора 15.

В третьем варианте реализации системы управления повышение помехоустойчивости и устойчивости к управляющим воздействиям достигается путем:

— формирования на выходе блока 4 сигнала, пропорционального выходным координатам;

— формирования на выходе устройства 2 как отфильтрованного сигнала ошибки управления (t), так и его прогноза в случае пропадания входного сигнала;

— подачей сигнала с выхода устройства 4 на первый вход устройства обработки сигналов 2;

— формирования на выходе блока 5 сигнала, имеющего составляющие, пропорциональные как величине ошибки управления (t), так и пропорциональные интегралу сигнала ошибки управления (t);

— подачей сигнала с выхода устройства 5 на второй вход блока управления 17;

— определенной последовательностью соединения вновь вводимых элементов 2, 4 и 5 и выполнением определенных параметрических соотношений.

Обосновать работу третьего варианта системы управления можно следующим образом.

Передаточная функция по командам управления u(t) в зависимости от сигнала ошибки управления (t) имеет вид:

где — передаточная функция устройства обработки сигналов 2; W_МО=W₄W ₁₃W₁₄ — передаточная функция модели объекта управления.

Для первого варианта блока управления передаточная функция имеет вид:

Для второго варианта блока управления передаточная функция имеет вид:

Передаточная функция системы управления имеет вид:

где W_ОБ — передаточная функция объекта управления.

При W_МО =W_ОБ передаточная функция примет вид:

т.е. в системе управления обеспечивается дополнительное подавление помех с помощью устройства обработки сигналов 2 при сохранении динамических характеристик (запасов устойчивости и т.д.) системы, так как в характеристическом уравнении (знаменатель (11)) не входит W₂. Это позволяет выбирать полосу пропускания устройства обработки сигналов, равную полосе пропускания системы управления, и обеспечивать эффективное подавление высокочастотных помех.

Кроме того, в данном варианте реализации системы управления использование устройства обработки сигналов 2 обеспечивает обработки сигналов сигнала ошибки управления (t) и исключает ложное подключение дополнительного интегратора 5 при наличии шумов на входе устройства 1.

Если при отработке управляющих воздействий величина сигнала ошибки управления (t) больше чем U_min, коэффициент передачи блока 16 будет пропорционален квадрату сигнала ошибки управления (t), а следовательно, в контуре системы управления подключается дополнительный астатизм — интегратор 15. Подключение дополнительного интегратора 15 в контуре системы управления позволяет повысить динамическую точность системы при отработке управляющих воздействий. При малых сигналах ошибки управления (t), т.е. меньше чем U_min, дополнительного астатизма в системе нет, т.к. коэффициент блока 16 равен нулю. Исключение дополнительного астатизма при малых сигналах ошибки управления (t), т.е. при выполнении требуемой точности, обеспечивает повышение устойчивости и демпфирования системы. При сигнале ошибки больше чем U_max обеспечивается максимальный коэффициент передачи блока 16 и, следовательно, максимальная, но ограниченная величина выходного сигнала интегратора 15, при которой обеспечивается устойчивость системы и необходимая точность.

Анализ формул (7)…(11) показывает, что в рассматриваемой системе обеспечивается повышение помехоустойчивости и устойчивости к управляющим воздействиям системы управления.

Таким образом, предлагаемый способ управления объектом (варианты), система управления (варианты), устройство обработки сигналов и блок повышения астатизма для его реализации обеспечивают повышение помехоустойчивости системы управления и повышение устойчивости и точности системы управления при отработке управляющих воздействий за счет компенсации фазовой задержки устройства обработки сигналов сигнала ошибки управления и дополнительного астатизма с регулируемым коэффициентом (регулирование составляющей, пропорциональной интегралу сигнала ошибки управления).

Следовательно, использование новых элементов 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 16, соединенных в последовательности в соответствии с фигурами 1…7, с указанными динамическими характеристиками, определенными соотношениями (1)…(11), в предлагаемой системе управления выгодно отличает предлагаемое техническое решение от прототипа, так как обеспечивает повышение помехоустойчивости системы управления и повышение устойчивости системы управления при отработке управляющих воздействий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лебедев А.А., Карабанов В.А. Динамика систем управления беспилотными летательными аппаратами. — М.: Машиностроение, 1965.

2. Горбацевич Е.Д., Левинзон Ф.Ф. Аналоговое моделирование систем управления. М.: Наука, 1984(прототип).

3. Белянский П.В., Сергеев Б.Б., Управление наземными антеннами и радиотелескопами. — М.: Сов радио, 1980.

4. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. — М.: Радио и связь, 1981.

Предложите, как улучшить StudyLib

(Для жалоб на нарушения авторских прав, используйте

другую форму
)