CC BY
47
УДК 621.372.54
УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ С ПРЕДВАРЕНИЕМ
Л.Г. ЧУБРИКОВ, Т.Л. РОМАНЬКОВА
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого»,
Республика Беларусь
Введение
Имеется немало задач, в которых регулирующее воздействие на процесс требуется начинать с необходимым предварением. Причем это предварение обычно зависит от скорости изменения величины контролируемого параметра процесса, а также от запаздывания передачи информации об этом изменении на контролирующее устройство. Чем больше скорость и чем больше запаздывание, тем необходимо большее предварение. Однако всегда есть некоторая определенная граничная скорость УГ изменения величины контролируемого параметра, при которой не требуется предварение. Это значит, что напряжение датчика Цд с допустимой погрешностью отражает истинную величину контролируемого параметра в данный момент. Следовательно, при скоростях, меньших УГ, не требуется предварение.
Задачи такого класса часто встречаются при контроле и автоматизации инерционных процессов, например, контроль, сигнализация и управление различными тепловыми процессами, в частности, защита двигателей механизмов, агрегатов, процессов от возможного перегрева, т. е. от превышения заданной допустимой величины температуры. Часто в таких случаях величину предварения заранее рассчитать и учесть невозможно. Поэтому в реальных условиях эксплуатации, в конкретных процессах устройство контроля необходимо настраивать на выполнение задачи таким образом, чтобы величина предварения определялась в зависимости от скорости изменения величины напряжения датчика, измеряющего величину контролируемого параметра. А это значит, что такие устройства контроля с предварением предпочтительнее строить на основе скоростных фильтров сигналов [1].
Устройство контроля с аналоговым скоростным фильтром сигналов
На рис. 1 приведена обобщенная блок-схема устройства контроля с предварением, построенного на основе фильтра верхних скоростей. Устройство содержит усилитель У, фильтр верхних скоростей ФВС, сумматор С, компаратор КМ. Устройство работает следующим образом. Напряжение и д датчика
усиливается усилителем У до требуемого значения напряжения ивх, которое подается на вход фильтра ФВС и на первый вход сумматора С.
> ФВС
ип
Цц ивх
> КМ Цвых
С
>
Цс
Рис. 1. Обобщенная блок-схема устройства контроля с предварением
Фильтр ФВС настроен таким образом, что скорость настройки фильтра VФ равна граничной скорости VВХГ изменения напряжения ЦВХ, которая определяется граничной скоростью изменения напряжения датчика:
где УГ д = VГ, К - коэффициент усиления усилителя.
Фильтр ФВС формирует напряжение компенсации ЦК, которое полностью компенсирует входное напряжение ЦВХ в диапазоне скоростей его изменения VВХ < VФ. Следовательно, напряжение ЦК в этом диапазоне «следит» за всеми изменениями ЦВХ, т. е. ЦК = ЦВХ.
Это значит, что пока скорость ЦВХ изменения напряжения на входе ФВС не превышает скорости ^, напряжение ЦВС на выходе ФВС будет равно нулю и на вход сумматора С будет поступать только напряжение ЦВХ. Следовательно, напряжение на выходе сумматора ЦС = ЦВХ будет поступать на вход компаратора КМ и сравниваться с пороговым напряжением ЦП, определяющим допустимое значение контролируемого параметра. В случае превышения ЦС = ЦВХ порогового напряжения ЦП на выходе компаратора КМ появится выходное напряжение ЦВХ, которое включит регулирующее воздействие на контролируемый процесс. Это регулирование без предварения.
Если же скорость VВХ превысит скорость настройки фильтра ^, то напряжение компенсации ЦК не будет успевать компенсировать входное напряжение ЦВХ и на выходе ФВС появится напряжение ЦВС, которое будет поступать на второй вход сумматора С. На выходе сумматора С появится напряжение ЦС = ЦВХ + ЦВС. Это суммарное напряжение будет сравниваться компаратором КМ с пороговым напряжением ЦП, и в момент превышения ЦС над ЦП на выходе КМ появится напряжение иВЫХ, которое и включит регулирующее воздействие. Время предварения будет определяться скоростью VВХ и коэффициентом передачи КВС фильтра ФВС.
Все блоки на рис. 1 общеизвестны, за исключением фильтра верхних скоростей ФВС. Скоростные фильтры еще мало известны широкому кругу читателей, так как достаточно полная информация о них появилась только в 2000 году в монографии «Скоростные фильтры сигналов» [1]. Поэтому есть смысл уделить больше внимания используемому в устройстве контроля фильтру верхних скоростей. На рис. 2 приведена электрическая схема простейшего аналогового ФВС [1, с. 19, рис. 2.3]. На
ВХ.Д
(1)
микросхеме DA1 собран вычитающий усилитель с коэффициентом усиления КВС = -R2 / Rj при Rj = R3. Тогда напряжение на выходе ФВС будет
UВС =- K ВС (Uвх - U К ) ,
(2)
где и к = VФ ^ - напряжение компенсации, формируемое интегратором на
микросхеме DA3, I - текущее время. Знак «минус» указывает на инвертирование ивс по отношению к разности (ивх - ик ).
Скорость УФ настройки фильтра в этом ФВС определяется уравнением:
V = U У
у ґТї
RC
(3)
где иу - напряжение установки VФ, формируемое инвертирующим усилителем на
микросхеме DA2. Этот усилитель имеет очень большой коэффициент усиления и поэтому работает практически в режиме компаратора.
R2
R6
НИ иу
П R1
с" X
Рис. 2. Электрическая схема ФВС
Физическая модель устройства с ФВС (рис. 2) была исследована в лабораторных условиях. Напряжение датчика ид получали при помощи измерительной цепи на двух термисторах. Активный термистор нагревался в микропечи. При помощи усилителя напряжение ид усиливалось до ивх при различных величинах
напряжения ин, подключаемых к нагревателю микропечи. Изменения ивх при нагревании термисторов показаны на временных диаграммах на рис. 3.
Рис. 3. Временные диаграммы напряжений
Параметры ФВС были рассчитаны на скорость настройки фильтра
VФ = 1,5 В/мин и Квс = 2,5: Я1 = Я3 = 3 кОм, Я2 = 7,5 кОм, Я = 400 кОм, С =50 мкФ, иУ = 0,7В. Были сняты и построены на рис. 3 временные диаграммы напряжений ивх, ик, ивс, ис при напряжениях нагрева микропечи ин = 5 В, и н = 7 В.
Как видно из временных диаграмм, при пороговом напряжении ип = 9 В и напряжении нагрева ин = 7 В время предварения получилось I = 2,2 мин, т. е. устройство контроля включило регулирующее воздействие через 1,2 минуты по сравнению с 3,4 минутами, если бы не было предварения. Путем изменения Квс
можно установить любое время предварения, естественно, в пределах рабочего диапазона ФВС. Для расширения диапазона установки времени предварения может быть целесообразно иногда использовать ФВС с регулируемой крутизной скоростной характеристики, описанными в разделе 3.2 [1].
Устройство контроля на базе аналого-цифрового скоростного фильтра
Аналоговый ФВС целесообразно использовать в тех случаях, когда скорость настройки фильтра VФ не менее 2 В/мин. При этом интегратор необходимо собирать на микросхеме с полевыми транзисторами на входах. В тех случаях, когда требуется меньшая величина VФ, целесообразно использовать аналого-цифровой ФВС, например, приведенный на рис. 4 [1, с. 102, рис. 5.1].
Рис. 4. Аналого-цифровой скоростной фильтр
Это, по сути дела, такой же фильтр, как и на рис. 2, только вместо интегратора на аналоговой микросхеме установлен цифровой интегратор с цифро-аналоговым преобразователем.
Фильтр содержит вычитающий усилитель на микросхеме DA1, компаратор на микросхеме DA2, цифровой интегратор, включающий в себя управляемый генератор импульсов УГИ для настройки ФВС на заданную скорость VФ, реверсивный двоичный счетчик РДС, цифро-аналоговый преобразователь ЦАП с усилителем на микросхеме DA3, логический элемент НЕ на микросхеме DD1 и два логических элемента И-НЕ на микросхемах DD2 и DD3. Здесь скорость настройки фильтра определяется уравнением
где /- частота следования импульсов, 5ик - шаг квантования напряжения ик (цена одного импульса), q = 1 при К3 = К1.
Скоростной фильтр работает следующим образом. При скорости
V < УФ напряжение компенсации ик = УФ ^ успевает компенсировать ивх и поэтому ивс = 0, согласно формулы (2). При этом компаратор на DA2 все время меняет полярность своего выходного напряжения, поочередно подавая импульсы от УГИ через DD2 на суммирующий вход РДС, или через DD1 и DD3 на вычитающий вход РДС. При этом происходит «слежение» ик за всеми изменениями ивх.
При скорости V ^Ф напряжение ик не успевает полностью компенсировать ивх. Поэтому ивс = -Квс (ивх - ик). А это значит, что ис = ивх + ивс и при ис > ип появляется ивых (см. рис. 1), которое включает регулирующее воздействие.
Устройство контроля с использованием цифрового скоростного фильтра
В последнее время в устройствах контроля, сигнализации и управления стали широко использовать электронную цифровую и микропроцессорную технику, в том числе и микропроцессорные управляющие системы, одновременно обслуживающие несколько управляемых объектов. В этих случаях устройство контроля с предварением, блок-схема которого изображена на рис. 1, также возможно реализовать на базе цифрового скоростного фильтра сигналов, включающего в себя аналого-цифровой преобразователь АЦП, микропроцессорную систему, которая по определенному алгоритму обрабатывает цифровую информацию и формирует нужный сигнал в цифровой форме, и цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, при помощи которого сигнал из цифровой формы преобразуется в аналоговую. Такое устройство контроля будет функционировать следующим образом.
Напряжение ивх при помощи АЦП преобразуется в дискретный цифровой сигнал ивх{. Скорость изменения напряжения определяется по формуле:
гф = qfSU К,
(4)
(5)
где At = const - шаг квантования временного интервала. Скорость VBX г сравнивается со скоростью настройки фильтра Vj . Если VBXг < Vф, то напряжение
компенсации UК i = UВХ г и UBC г = KВС (UВХ i “ UК г )= 0.
Если Квх; > VФ, то фиксируется значение ^0 = (1_1 и ивХ0 = ивх ;-1, и в дальнейшем расчет скорости изменения напряжения осуществляется по формуле
и - и
vBх 1 = вх; -,вхо. (6)
Ч *о
Причем, и К= К ^ - *о ) и и вс= К ВС (и вх г - и к г 0-
Как только скорость изменения напряжения снова станет удовлетворять условию
Vвхг. < VФ, то для расчета ее значения опять будет использоваться формула (5).
Найденное описанным способом значение ивс г. преобразуется в аналоговое значение ивс и определяется ис = ивх + ивс.
Если ис > ип, то появится выходное напряжение ивых, которое включит регулирующее воздействие.
Рис. 5. Расчетные временные диаграммы
Математическая модель функционирования устройства контроля с предварением была реализована в виде несложной компьютерной программы по рассмотренному алгоритму. Полученные в результате работы этой программы временные диаграммы напряжений, показанные на рис. 5, хорошо согласуются с временными диаграммами на рис. 3, полученными при исследовании физической модели устройства.
Литература
1. Чубриков, Л.Г. Скоростные фильтры сигналов /Л.Г. Чубриков. - Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2000. - 157 с.
Получено 25.10.2004 г.
