книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

где на рис. 2.11 дана его графическая интерпретация для кванта энер­ гии упрощенной формы. Из графиков и уравнения (2.55) следует, что отклонение текущего значения энергии в нагрузке от эталонного для любого момента времени не превышает значения кванта энергии (функ­ ции 3 и 4 на рис. 2.11).

Существенным преимуществом функции распределения Ф является отсутствие ограничений на длительность периода регулирования в за­ висимости от максимального значения сигнала управления и способа его представления. Поэтому ФСУ на основе функции подходящих дро­ бей отличаются универсальностью и пригодны для любых способов кодированиясигнала управления. Кроме того, длительность Тр мо­ жет изменяться в процессе работы, что дает дополнительные возмож­ ности для использования подобных ФСУ при централизованном управ­ лении группой регуляторов с различными эксплуатационными харак­ теристиками, для введения корректирующей обратной связи на любом такте Ts и существенного снижения инерционности тиристорного ре­ гулятора из-за уменьшения времени на компенсацию регулируемого параметра.

Типовая схема ФСУ на основе функции подходящих дробей рабо­ тает при заданном значении N, характеризующем длительность интер­ вала числом содержащихся в нем тактов Т5, осуществляя потактовое сравнение двух дробей, характеризующих относительные значения сигнала управления на входе и выходе ФСУ.

Первая дробь равна X yIN, а вторая — alb, где а — количество

Для построения такого ФСУ необходимы два вычислительных устройства, определяющие значение дробей а/b и X y/N, и устройство сра­ внения, определяющее на каждом такте Т5 соотношение этих дробей.

Поскольку операция деления в цифровом виде реализуется слож­ нее, чем умножения, эти неравенства • можно преобразовать к виду

ФСУ, реализующие эти неравенства, относятся к алгоритмическим с накоплением информации, так как в них накапливается и хранится информация о всех предыдущих шагах с начала периода регулирова­ ния. Пример ФСУ этого типа приведен на рис. 4.12, а.

Произведения Х УЬ и aN образуются в двух накапливающих сум­

В начале периода по сигналу Тр сигнал Х у записывается в регистр RG, а сумматоры обнуляются. На шинах N установлен код периода регули-

После первого такта схема сравнивает содержимое двух сумматоров.

аналогично, в результате чего за 9 тактов сформируется 5 единичных разрядов, равномерно распределенных по интервалу регулирования. В результате к нагрузке будут подключены 5 квантов энергии таким образом, что отклонение реальной энергии дон (/) от - эталонной (ли­ нейной), оцениваемое критерием | 2, будет минимальным.

На рис. 4.12, а для простоты не показана схема генераторов импуль­ сов начала периода регулирования Тр, в качестве которой может быть использован делитель частоты импульсов Ts с основанием N, выполнен­ ный по любой схеме.

Описанная схема ФСУ соответствует структурной схеме (рис. 2.5), причем из-за высокого быстродействия с параллельными кодами объ­ единяет в себе функции элементов ИЭ1 и ИЭ2. Действительно, такто­ вый импульс Ts, формируемый в начале каждого полупериода сете­ вого напряжения, практически без задержки в виде управляющего сигнала F [jT5] проходит на управление тиристорами ИО, обеспечивая их отпирание также в начале полупериода.

Схему рис. 4.12, а с накопительными сумматорами можно исполь­ зовать с корректором II рода. Для этого в нее достаточно включить

162

два генератора С/ и G2 пачек импульсов, каждый из которых генери­ рует на своем выходе число импульсов, соответствующее установлен­ ным на их параллельных входах кодам при поступлении на тактовый вход одного импульса. Эти генераторы программируются нормирую­ щим сигналом Х Н0Рм и сигналом Х ос. В исходном состоянии суммато­ ры очищены, в регистре RG записан код Х у, на шинах N установлен код периода регулирования Тр. Сигналы Х у и Х„орм не меняются в течение Тр, а сигнал Х ос может измениться в любом такте работы ФСУ.

Значения Х„0рм и Хос определяются следующим образом. Для из­ менения корректором выходного параметра (средней мощности в на­ грузке за время Гр) на ±А Р„ при неизменном коде Ху диапазон из­ менения Хос должен соответствовать условию:

Такое модифицированное ФСУ отличается повышенной точностью ре­ гулирования выходного параметра по сравнению с базовой схемой за счет уменьшения амплитудной и временной дискретностей выходного параметра. Так, шаг квантования Рн по времени составляет не Т’р, а Т5, что существенно меньше; шаг квантования мощности по амплитуде

снижается от 1/Ху до 0,01Ху/Хос.

При поступлении тактового импульса Ts формируется сигнал Д = = 1, так как S, (0) = S2 (0) = 0 и сигнал на выходе схемы сравнения (СС) равен (.Одновременновключаются генераторыG1 и G2,формирую­ щие пачки из Х„орм и Хос импульсов соответственно. Под воздействием

пускается только G1 и увеличивается содержимое только SMI, a SM2 не изменяет своего состояния и т. д.

Следовательно, в каждом t-м такте сравнивается содержимое сумма­ торов, определяемое следующими соотношениями:

S i (0 = iXyXo.c, S2(0 = Ху lX0.c (1) + ••• + Хо.с (/)!,

где / — число единичных разрядов слова F в интервале от 1-го до t'-ro разрядов включительно.

В соответствии с содержимым сумматоров, определяемым уравне­ ниями (4.76), за время Гр к нагрузке будут подключены Ху + Хоа

квантов энергии, равномерно распределенных по интервалу Тр в соот­ ветствии с функцией подходящих дробей. Пусть Х у = 9, N = 18 и регулятор должен стабилизировать среднее за время Тр значение мощ­ ности в нагрузке, подключенной к выходу регулятора, при Х у = = const. Изменение среднего значения мощности каждого кванта дли­ тельностью Т„ может составлять ± 4 0 % от номинала, что измеряется

и /4 = 0 и т. д. Всего за период регулирования произойдет подключе­ ние 11 квантов энергии к нагрузке (см. временные диаграммы на рис. 4.32, б), из которых первый имеет эталонное значение мощности Р0, а последующие— меньше эталона на 20 % каждый, т. е. 0,8Р0. Суммар­ ное значение средней мощности за время Тр равно требуемому (при Ху = 9 = const):

A, = 0,8Po - Ю + Р 0 = 9Р0.

Следовательно, такой регулятор компенсирует изменение выходно­ го параметра регулятора при любых значениях сигнала управления Ху-; обеспечивая повышенную точность и плавность регулирования заданного параметра.

Основным недостатком ФСУ с накоплением информации является большая разрядность накопительных сумматоров. Существенно про­ ще ФСУ без накопления информации. Алгоритм их работы записыва­ ется в виде системы неравенств,

(4.78)

Из соотношений (4.78) можно заключить, что максимальное число, которое должно храниться в накопительном сумматоре, составляет N.

Схема параллельного ФСУ, реализующего функции (4.78), при­ ведена на рис. 4.12, в. Она состоит из собственно накапливающего сум­ матора SM и логической схемы на его параллельных входах, решающей

задачу дополнения кода числа N до 2". В сумматоре 5М при каждом

достигается тем, что с каждым импульсом bt (Ts) в сумматор добавля­ ется число, равное Ху, и тем самым за b входных импульсов Ts вычис­

164

ляется произведение X yb. Это произведение делится иа N путем под­ бора емкости сумматора, равной N — 1. Таким образом, как только произведение Х УЬ станет равным или больше, чем N, SM переполня­

ется, целая часть выражения -Л^ -- выталкивается из сумматора (что

эквивалентно вычитанию из него числа а), а в сумматоре остается оста­ ток от деления. Таким образом, до следующего такта в сумматоре хра­ нится только остаток, всегда меньший числа N.

Рассмотрим работу схемы подробнее. С приходом каждого тактово­ го импульса Ts в сумматор SM записывается дополнительно к храня­ щемуся там числу значения сигнала Х у с шин Х у. Код числа N ко вхо­ ду сумматора не подключен, так как отсутствует сигнал разрешения на соответствующих входах схем запрета. Когда SM переполняется, на выходе его старшего разряда появляется импульс, который, во-первых, поступает на выход схемы в виде сигнала F [jTs], во-вторых, откры­ вает схемы запрета для записи в SM числа N и соответственно запи­ рает такие же схемы для записи числа Х у. Кроме того, через схему ИЛИ этот импульс поступает иа тактовый вход SM, разрешая операцию суммирования числа N с содержимым сумматора. В результате этой операции к содержимому сумматора добавляется число, дополняющее

N до величины 2я. Пусть содержимое сумматора после его переполне­ ния становится равным нулю. Тогда по сигналу переполнения F [jTs1 с выхода сумматора в него записывается число [(2" — N) + Ху]. Следующий тактовый импульс Ts добавляет к этому числу величину Ху. В сумматоре оказывается число [(2я — N) + Ху1. Если оно мень­ ше 2”, то сигнал на выходе SM отсутствует. Следующий тактовый им­ пульс Ts добавляет к содержимому сумматора число Ху и в нем ока­

зывается число [(2я — N) + 2Ху]. Если оно больше 2я, то появляется сигнал переноса на выходе старшего разряда сумматора (сигнал F [jTs])t который, во-первых, идет на управление тиристорами ИО, а во-вторых, к оставшемуся числу в сумматоре добавляет с шин N чис­

ло 2я — N. Далее работа повторяется до следующего импульса F [jT j.

Если N = 2я, то начальные условия работы сумматора нулевые и от­ падает необходимость в громоздкой входной логике для дополнения

N до 2я. Схема при этом существенно упрощается.

Рассмотрим пример. Пусть N = 10; Ху = 6. Когда на выходе сум­ матора появляется единица, а остаток в сумматоре равен нулю, в сум­

считан на хранение числа 15, поэтому он не переполняется и сигнала выхода нет. Второй синхроимпульс добавляет еще Ху = 6. Тогда в сумматоре оказывается число S (2) = 5 (1) -f Ху = 18. Это больше емкости сумматора, поэтому единица переноса старшего разряда вы­ талкивается из сумматора, а в сумматоре остается , число S (3) =

= 5 (2) — 15 = 3. К этому числу добавляется с шин N число 2я —

165

— 1 — N, т. e. 5, и следующий такт начинается с содержимым сум­ матора, равным 8, и т. д. Таким образом, последовательность импуль­ сов на выходе ФСУ подчиняется закону ...0101101011..., что соот­

рис. 4.13, а. В этой схеме нет необходимости в дополнении N до 2.” Фор­ мирование числа F производится последовательным выполнением опера­ ций согласно условиям (4.78). Схема состоит из генератора пачки им­ пульсов (7; вычитающего счетчика СТ\ многовходовой схемы ИЛИ — НЕ; 7?5-триггера Т. В начале работы схемы счетчик СТ автоматически устанавливается в нулевое состояние и на выходе элемента ИЛИ — НЕ появляется сигнал логической 1, который устанавливает триггер Т в единичное состояние, открывая тем самым схему совпадения И. Этот же сигнал поступает на вход "управления записью счетчика СТ, записывая в него число N, присутствующее на его параллельных вхо­ дах. С приходом первого тактового импульса Ts, соответствующего мо­

на своем выходе последовательность импульсов числом Х у.

Схема генератора пачки импульсов (рис. 4.13, б) работает следую­ щим образом. По приходу тактового импульса Ts триггер Т устанав­ ливается в единичное состояние и сигналом 1 своего прямого выхода открывает по одному входу схему совпадения И для прохождения им­ пульсов с выхода генератора импульсов G на вычитающий вход счет­ чика СТ, в котором предварительно записано число Х у. Содержимое счетчика СТ начинает уменьшаться до тех пор, пока он полностью не

166

установится в нуль; при этом сигнал с выхода схемы ИЛИ — НЕ пе­ реключает триггер Т в нулевое состояние. Схема совпадения И запи­ рается. Таким образом, количество импульсов на выходе управляемо­ го генератора пачки импульсов G (рис. 4.13, а) равно значению сигнала Ху. Эти импульсы вычитаются из. содержимого счетчика СТ, т. е. выполняется операция (N —- Ху). Если N > Ху, то в СТ остается ■остаток, дающий на выходе элемента ИЛИ — НЕ сигнал логического

перебрасывая его в единичное состояние и подготавливая тем самым к срабатыванию от очередного тактового импульса T s. Этим же им­ пульсом в счетчик СТ опять записывается число N Остаток числа Ху с выхода G после обнуления счетчика СТ вычитается из его нового со­ держимого N.

Таким образом, выполняется операция N у, где а — число импуль­

сов на выходе F\ b — число тактовых импульсов Т5.

В случае необходимости сигнал управления Ху можно изменить в любой момент внутри периода регулирования, причем так как в счет­ чике СТ хранится информация о предшествующих моменту изменения Ху операциях в виде остатка, точность работы ФСУ не теряется.

Так как операции вычислений производятся с последовательными кодами, сдвиг импульсов Fj относительно Ts становится большим, по­ этому в схему введем триггер 7\ выполняющий роль элемента ИЭ2 (рис. 2.5).

Рассмотренные схемы ФСУ формируют на нагрузке импульсы энер­ гии длительностью в одну полуволну сетевого напряжения. При нечет­ ном числе импульсов Ff в периоде регулирования Тр в нагрузке, а зна­ чит и силовой сети, появляется постоянная составляющая, которая ухудшает работу мощных потребителей, особенно если нагрузка под­ ключена к сети через трансформатор. Постоянная составляющая от­ сутствует, если импульсы энергии состоят из двух полуволн питающе­ го напряжения — положительной и отрицательной. На рис. 4.13, в изображена схема, содержащая рассмотренный выше алгоритмический ФСУ последовательного действия.

Работа ее состоит в том, что каждый тактовый импульс Ts запускает генератор пачки импульсов G и одновременно передним фронтом уста­ навливает D-триггер Т2 в состояние -триггера управления 77, а задним фронтом устанавливает триггер 77 в исходное состояние (на­ пример, нулевое). При этом если триггер 77 находится в состоянии логической 1, то схема совпадения И открыта и импульс 7, проходит на выход, что приводит к появлению единицы на выходе F [JTS] ФСУ и сбросу Т1 в нуль. Каждый импульс с выхода делителя Д, аналогично­ го описанному (рис. 4.14, а), переключает /?5-триггер 77 и D-триг­ гер Т2 в единичное состояние. После прихода очередного тактового

167

импульса 7 Sтриггер Т1 сбрасывается в нуль, формируя на выходе F [jTs] импульс, а D -триггер 72 остается в прежнем, т. е. единичном, состоя­ нии. Разное состояние триггеров 77 и Т2 вызывает появление на вы­ ходе логической схемы «Равнозначность» сигнала запрещения выдачи генератором G пачки импульсов, для чего в схеме генератора пачки

выходных импульса, что приводит к включению тиристоров в течение двух полуволн. Так как триггеры Т1 и 72 устанавливаются в одина­ ковое состояние, то на выходе схемы «Равнозначность» появляется единица, снимая запрет с запуска генератора G.

Рассмотренные схемы ФСУ предназначены для работы в однофаз­ ной сети. В случае необходимости использовать электронный регулятор в трехфазной сети схема собственно ФСУ практически не изменяется, однако появляется ряд дополнительных элементов, обеспечивающих работу однофазного ФСУ для управления многофазным исполнитель­ ным органом. Такая схема (рис. 4.14) работает следующим образом. При появлении сетевого напряжения Uc на шинах А, В и С генератор тактовых импульсов G1 генерирует синхроимпульсы Tsif совпадаю­ щие с моментами переходов через нуль напряжений фаз сети, которые поступают на вход счетчика СТ1 и на первые входы соответствующих схем совпадения И. Счетчик СТ1 формирует импульсы синхронизации ФСУ 7 S делением частоты входных синхроимпульсов Tsi на целое число. В данной схеме счетчик СТ1 обеспечивает бестрансформаторное преобразование максимального среднего напряжения на нагрузке. Так, если коэффициент деления этого счетчика равен 4, то максимальная мощность, подключаемая к нагрузке, будет равна Р п.п/4.

Импульсы тактовой частоты 7 S поступают на вход формирователя F, формирующего период регулирования и вырабатывающего на своем выходе в течение этого периода тактовые импульсы управления, число которых в течение этого интервала равно величине сигнала управления Х у. Каждый тактовый импульс управления на выходе фор­ мирователя F коммутирует в нагрузку единичный импульс мощности с длительностью 7„, кратной длительности полупериода сетевого напря­ жения. Эти импульсы управления F [jTs]через схему ИЛИ поступают на вход распределителя RG, чередующего порядок распределения под­ ключения схем совпадения И к входам G1 во времени. Одновременно импульсы F 1/7J поступают на вход 5 триггера 7 , устанавливая его в единичное состояние. При этом сигнал с прямого выхода триггера Q поступает на все схемы совпадения И, снимая запрет с их включения. Для включения любой схемы И необходимо совпадение во времени сиг­ налов на всех ее входах. Если в предыдущий момент времени до при­ хода тактового импульса управления 7 [/7 s] была подключена схема ИЗ, то после прихода импульса распределитель RG переключится в

168

4—

L_.

Р и с. 4.14

следующее состояние и подключит схему И1, отключив ИЗ. Следующий тактовый импульс управления F[jTs] подключит схему И2, отключив схему И 1 и т. д. В любом случае на выходе каждой из схем И, подклю­ ченной в данный момент распределителем RG, последовательно во времени появляются импульсы, синхронные с моментами перехода че­ рез нуль напряжений соответствующих фаз сети. Так, при включении схемы совпадения И1 на ее выходе появляются импульсы, синхронные с напряжением Пав сети, на выходе схемы И2 при ее включении — импульсы, синхронные с напряжением UBC, на выходе схемы ИЗ — импульсы, синхронные с напряжением UCA• Число импульсов в те­ чение интервала Т„ между двумя тактовыми импульсами управления F l/Tsi определяется длительностью включенного состояния триггера Т, которая, в свою очередь, определяется основанием счета счетчика СТ2, на вход которого через схему ИЛИ поступают импульсы с выходов схем совпадения. Счетчик СТ2 подсчитывает число импульсов на выходах этих схем в соответствии с основанием его счета, после чего в момент окончания последнего импульса счета выдает сигнал на установку в нуль триггера Т, запирая схемы И и ограничивая число импульсов, пропускаемых в течение интервала Т„. В рассматриваемом случае основание счета счетчика СТ2 равно двум, что соответствует единичному импульсу мощности Тн длительностью в два полупернода сетевого напряжения TJ2, т. е. Т„ = Тс.

169

Импульсы с выходов схем И поступают на входы шифратора на схемах ИЛИ1, ИЛИ2, ИЛИЗ, а с их выходов подаются на входы тирис­ торов VS1, VS2 и VS3. Каждый импульс поступает на входы двух схем ИЛИ из трех, имеющихся в шифраторе, включая в течение полупериода сетевого напряжения два вентиля из трех. Например, импульсы на выходе схемы И1, совпадающие по фазе с моментами перехода через нуль напряжения Uдв сети, поступают на входы схем ИЛИ1 и ИЛИ2, одновременно включая вентили VS1 и VS2 и подключая части R a1 и Rn2 к фазам А и В сети в течение одного полупериода сети каждый. Импульсы на выходе схемы И2, синхронизированные с напряжением Uвс сети, одновременно поступают на входы вентилей VS2 и VS3, под­ ключая части R H2 и /?„з нагрузки к фазам В и С сети, а импульсы на выходе схемы ИЗ подключают аналогично части /?„з и R„i к фазам С и А сети. В рассматриваемом случае длительность подключения состав­ ляет Тс.

Таким образом, устройство осуществляет чередование порядка использования фаз сети и потребления мощности от этих фаз во време­ ни ... РАв — Рве — Рса — Рав--- • Возможен и иной (обратный) порядок подключения фаз, что достигается изменением направления распределителя RG. Одновременно обеспечивается равномерная за­ грузка фаз трехфазной сети.

В рассмотренном ФСУ изменение сигнала управления Х у осуще­ ствляется только в моменты начала очередного периода регулирования Тр. Так как длительность этого периода определяет дискретность управления \Ш, то при высокой точности задания Х у длительность составляет достаточно большую величину, составляющую десятки и даже сотни секунд. Это время является чистым запаздыванием ФСУ, поэтому в прецизионных САУ его следует уменьшать до минимума. Если рассмотренную схему дополнить двумя накапливающими сумма­ торами SM1 и SM2 и схемой ИЛИ, как показано штрихами на рис .4.14, то величину запаздывания ФСУ можно существенно умень­ шить. При этом в этой схеме вместо Х у и N для управления исполь­

зуются коды Ху и N*, являющиеся старшими разрядами чисел Х у и N соответственно. Теперь ФСУ за период регулирования, равный N* по-

запоминаются и учитываются в следующем периоде регулирования пу­ тем сложения их с числами N и Х у. Операция выделения старших раз­ рядов и учет младших разрядов в следующем периоде регулирования производится с помощью накапливающих сумматоров SM1 и SM2.

= 0, N* = 1, которые в качестве установок поступают на параллельные входы счетчика СТ2 и формирователя F соответственно. Первый так­ товый импульс с выхода генераторов синхроимпульсов G через дели­ тель на счетчике СТ1 (примем для простоты его коэффициент деления k = 1) поступает на вход формирователя F, содержимое которого рав­

170