Цифровой интегральный регулятор

Изобретение относится к элементам систем автоматического регулирования с цифровым управлением и может найти применение в системах регулирования частоты вращения двигателей и положения различных механизмов.

Наиболее близким по технической сущности является цифровой интегральный регулятор (см. патент России №2325681, опубл. 27.05.2008, бюл. №15), содержащий четыре сумматора, три регистра, мультиплексор, блок логики, блок умножения, генератор прямоугольных импульсов, блок синхронизации и блок ограничения.

Недостатком наиболее близкого цифрового интегрального регулятора является то, что в случае его применения во внешнем контуре следящего электропривода даже при правильном выборе постоянной времени интегрирования при больших диапазонах изменения перемещений и скоростей возможно возникновение неустойчивости электропривода.

Технический результат достигается тем, что в цифровой интегральный регулятор, содержащий первый, второй, третий и четвертый сумматоры, первый, второй и третий регистры, элемент ИЛИ, элемент И-НЕ, первый элемент И, генератор прямоугольных импульсов, первый, второй, третий, четвертый и пятый одновибраторы, причем выход первого сумматора соединен с первым входом первого регистра, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход второго регистра соединен с вторым входом второго сумматора, выход третьего сумматора соединен с первым входом третьего регистра, старший разряд выхода первого регистра соединен с первыми входами элемента ИЛИ и элемента И-НЕ, выход элемента И соединен с первым входом первого одновибратора, выход которого соединен с вторыми входами первого и третьего регистров, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом второго одновибратора, выход которого соединен с вторым входом первого одновибратора и входом третьего одновибратора, выход третьего одновибратора соединен с первым входом второго регистра и входом четвертого одновибратора, причем первый и второй входы первого сумматора являются соответственно входами сигналов задания и обратной связи регулятора, первый и второй входы первого элемента И являются входами готовности соответственно сигналов задания и обратной связи, а выход второго регистра - выходом регулятора, дополнительно введены пятый и шестой сумматоры, четвертый, пятый и шестой регистры и второй и третий элементы И, причем первый вход первого сумматора соединен с первыми входами третьего и четвертого сумматоров, выход четвертого сумматора соединен с первым входом четвертого регистра, выход второго сумматора соединен с вторым входом второго регистра, выход которого соединен с первыми входами пятого и шестого сумматоров, выход первого одновибртора соединен с вторым входом четвертого регистра и входом пятого одновибратора, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, выход третьего регистра соединен с вторым входом пятого сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого регистра, старший разряд выхода пятого регистра соединен с вторами входами элемента ИЛИ и элемента И-НЕ, выход четвертого регистра соединен с вторым входом шестого сумматора, выход которого соединен с первым входом шестого регистра, старший разряд выхода шестого регистра соединен с третьими входами элемента ИЛИ и элемента И-НЕ, выход четвертого одновибратора соединен с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с вторыми входами пятого и шестого регистров, выход элемента ИЛИ соединен с первым входом третьего элемента И, выход которого соединен с вторым входом второго одновибратора, выход элемента И-НЕ соединен с вторым входом третьего элемента И, причем второй вход третьего сумматора является входом допустимого приращения плавающего ограничения, второй вход четвертого сумматора является входом инверсного значения допустимого приращения плавающего ограничения, а выход четвертого одновибратора является выходом готовности информации на выходе регулятора.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет цифровому интегральному регулятору обеспечить устойчивую работу следящего электропривода во всех диапазонах изменения перемещений и скоростей.

На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового интегрального регулятора.

Цифровой интегральный регулятор (фиг. 1) содержит сумматоры 1, 2, 3, 4, 5 и 6, регистры 7, 8, 9, 10, 11 и 12, элемент ИЛИ 13, элемент И-НЕ 14, элементы И 15, 16 и 17, генератор 18 прямоугольных импульсов, одновибраторы 19, 20, 21, 22 и 23, вход 24 сигнала задания, вход 25 сигнала обратной связи, вход 26 допустимого приращения плавающего ограничения, вход 27 инверсного значения допустимого приращения плавающего ограничения, вход 28 готовности сигнала задания, вход 29 готовности сигнала обратной связи, выход 30 регулятора, выход 31 готовности информации на выходе регулятора.

Выход сумматора 1 соединен с первым входом регистра 7, выход которого соединен с первым входом сумматора 2. Выход регистра 8 соединен с вторым входом сумматора 2. Выход сумматора 3 соединен с первым входом регистра 9. Старший разряд выхода регистра 7 соединен с первыми входами элемента ИЛИ 13 и элемента И-НЕ 14. Выход элемента И 15 соединен с первым входом одновибратора 19, выход которого соединен с вторыми входами регистров 7 и 9. Выход генератора 18 прямоугольных импульсов соединен с первым входом одновибратора 20, выход которого соединен с вторым входом одновибратора 19 и входом третьего одновибратора 21. Выход (инверсный) одновибратора 21 соединен с первым входом регистра 8 и входом одновибратора 22. Первый и второй входы сумматора 1 являются соответственно входами 24 и 25 сигналов задания и обратной связи регулятора. Первый и второй входы элемента И 15 являются входами 28 и 29 готовности соответственно сигналов задания и обратной связи. Выход регистра 8 является выходом 30 регулятора. Первый вход сумматора 1 соединен с первыми входами сумматоров 3 и 4. Выход сумматора 4 соединен с первым входом регистра 10. Выход сумматора 2 соединен с вторым входом регистра 8, выход которого соединен с первыми входами сумматоров 5 и 6. Выход одновибртора 19 соединен с вторым входом регистра 10 и входом одновибратора 23, выход (инверсный) которого соединен с первым входом элемента И 16. Выход (инверсный) регистра 9 соединен с вторым входом сумматора 5, выход которого соединен с первым входом регистра 11. Старший разряд выхода регистра 11 соединен с вторами входами элемента ИЛИ 13 и элемента И-НЕ 14. Выход (инверсный) регистра 10 соединен с вторым входом сумматора 6, выход которого соединен с первым входом регистра 12. Старший разряд выхода регистра 12 соединен с третьими входами элемента ИЛИ 13 и элемента И-НЕ 14. Выход (инверсный) одновибратора 22 соединен с вторым входом элемента И 16, выход которого соединен с вторыми входами регистров 11 и 12. Выход элемента ИЛИ 13 соединен с первым входом элемента И 17, выход которого соединен с вторым входом одновибратора 20. Выход элемента И-НЕ 14 соединен с вторым входом элемента И 17. Второй вход сумматора 3 является входом 26 допустимого приращения плавающего ограничения. Второй вход сумматора 4 является входом 27 инверсного значения допустимого приращения плавающего ограничения. Выход одновибратора 22 является выходом 31 готовности информации на выходе регулятора.

Основные элементы цифрового регулятора могут быть выполнены, например, на следующих микросхемах: сумматоры 1, 2, 3, 4, 5 и 6 - К555ИМ6; регистры 7, 8, 9, 10, 11 и 12 - К555ТМ8; элемент ИЛИ 13 - К555ЛЛ1; элемент И-НЕ 14 - К555ЛА4; элементы И 15, 16 и 17 - К555ЛИ1; одновибраторы 19, 20, 21, 22 и 23 - К555АГ3.

Генератор 18 прямоугольных импульсов, например, представляет собой автогенератор, выполненный на микросхеме К555ЛА3 с кварцевой стабилизацией, причем выход автогенератора подключен к входу делителя частоты, реализованного на двоичных счетчиках, например, К555ИЕ7.

Следует также отметить, что основные элементы цифрового интегрального регулятора могут быть также выполнены программно на микроконтроллере.

Цифровой интегральный регулятор работает следующим образом. Цифровые коды, соответствующие сигналу задания и обратной связи подаются соответственно на входы 24 и 25 цифрового интегрального регулятора. Сумматор 1 вычисляет разность N_з-N_oc между сигналами задания N_з и обратной связи N_oc. Сумматор 3 вычисляет сумму N_з+ΔN_огр сигнала задания N_з и допустимого приращения плавающего ограничения ΔN_огр. Сумматор 4 находит разность N_з-ΔN_огр. По приходу импульса на вход 28 готовности сигнала задания или на вход 29 готовности сигнала обратной связи запускается одновибратор 19, импульс которого подается на вторые входы (входы стробирования) регистров 7, 9 и 10. В результате разность N_з-N_oc записывается в регистр 7, сумма N_з+ΔN_огр записывается в регистр 9, а разность N_з-ΔN_огр - в регистр 10. Сумматор 2 в совокупности с регистром 8 формируют интегральный закон регулирования, причем величина постоянной времени интегрирования Т_и определяется периодом генератора 18 прямоугольных импульсов и сдвигом разрядов сумматора 2 и регистра 8 относительно выходного сигнала регулятора N_и на выходе 30. Генератор 18 прямоугольных импульсов подает сигнал на одновибратор 20, который формирует имульс, запускающий одновибратор 21 и блокирующий одновибратор 19. Это обеспечивает корректную запись выходной величины N_и регулятора в регистр 8 по приходу импульса с выхода одновибратора 21. Этот же импульс запускает одновибратор 22, который формирет на выходе 31 сигнал готовности информации на выходе 30 регулятора.

Сумматор 5 и находит разность между выходными сигналами регистров 8 и 9, то есть вычисляет величину N_и-N_з-ΔN_огр. Эта величина записывается в регистр 11 при появлении импульсов на выходах одновибраторов 22 и 23, которые проходят элемент И 16. Следует отметить, что одновибратор 23 запускается при появлении импульса на выходе одновибратора 19. Сумматор 6 вычисляет величину N_и-N_з+ΔN_огр, то есть разность между сигналами на выходе регистров 8 и 10. Эта разность записывается в регистр 12 при появлении импульсов на выходах одновибраторов 22 и 23.

Логические элементы ИЛИ 13, И-НЕ 14 и И 17 определяют когда выходной сигнал N_и интегрального регулятора выйдет за пределы N_з±ΔN_огр. При выполнении условий N_и>N_з+ΔN_огр или N_и<N_з-ΔN_огр выходной сигнал элемента И 17 заблокирует одновибратор 20. Поэтому импульсы на выходе одновибратора 21 перестанут появляться и изменения выходного сигнала N_и на выходе регистра 8 не будет происходить до тех пор, пока не сменится знак рассогласования, взятый со старшего разряда регистра 7. В результате сигнал N_и на выходе 30 цифрового интегрального регулятора всегда будет принимать значения N_з-ΔN_огр-ΔN<N_и<N_з+ΔN_огр+ΔN, где ΔN - некоторая величина погрешности ограничения, вызванная дискретностью процессов, протекающих в цифровом устройстве. В случае применения цифрового интегрального регулятора во внешнем контуре следящего электропривода правильный выбор величин допустимого приращения плавающего ограничения ΔN_огр и постоянной времени интегрирования Т_и обеспечивает устойчивость следящего электропривода во всех диапазонах изменения перемещений и скоростей.

Таким образом, применение предлагаемого цифрового интегрального регулятора позволяет обеспечить устойчивую работу следящего электропривода во всех диапазонах изменения перемещений и скоростей.