Устройство для позиционного управления

(1% 01) САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ нала у вторые лителе датчик соедин тьего О ВО ДЛЯ ПО жащее выч ый с шесть сравнения ыходом пе ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Институт электроники АН БелоРусской ССР(56) 1. Бай Р.Д. и др. Управлениеследящими электроприводами с применением цифровых устройств. М.,фЗнергия", 1969, с.26.2. Заявка Японии М 56-27885,кл. й 05 2 3/12, опублик. 1981.3. Авторское свидетельство СССРР 851333, кл.05 В 11/01, 1981(прототип).4Кори Г Корн.Т., Справочникпо математике. М 1977, с. 723.5. Зимин Е.Н., Яковлев В.Н. Автоматическое управление электроприводом . "Высшая школа", 1973, с.170.6. Иващенко Н.Н.Автоматическоерегулирование. М., фМашиностроение",1978, с,471-472,(54)(57) УСТРОЙСТ ЗИЦИОННОГУПРАВЛЕНИЯ, содер ислительный блок, связанн ю буферными блОками, блок соединенный с вторым в рвого буферного блока,и последовательно соединенные формирователь сигнала управления, согласующий преобразователь, исполнительный орган и датчик положения, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит четыре усилителя, сумматор, пороговый блок и формирователь сигнала перемещения, первый вход которого соединен с вчходом блока сравнения, вторым входом первого буферного блока и через пороговый блок - с входом блока сравнения, второй вход - с вторым выходом второго буферного блока, а выход - с первым входом формирователя сигнала управления,вторые выходы третьего, четвертого, пятого и шестого буферных блоков соединены с первыми входами соответ" ственно первого, второго, третьего и четвертого усилителей, выходы которых через сумматор соединены с вторыми входами формирователя сигправления и порогового блока,входы первого и второго усий соединены с первым выходом а положения, вторым входом енного с вторыми входами треи четвертого усилителей.1104466 Составитель А.ЛащевРедактор Л,Гратилло Техред Т. Маточка корректор А.Дзятк а д.4 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 5209/33 Тираж 842 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений и 113035, Москва, Ж, РИзобретение относится к автоматике и .вычислительной технике и можетбыть использовано для управленияпрецизионным технологическим оборудованием с числовым программным управлением.Известен следящий привод; состоящий из кодового устройства ввода,сумматора, преобразователя коднапряжение, формирователя, задатчикаскорости, усилителя мощности, двигателя, механизма, датчика скорости,датчика положения, преобразователяФаза - код 1К недостаткам этого следящегопривода относятся его невысокая15точность и дискретность позиционирования, вызванные наличием ошибкипреобразования фазы в код и конечностью минимального шага квантованияфазы,а также его сложность, особенно при значительном отличии междусобой требуемой дискретности задаиияположения и точности отработки.Известно также устройство управления позиционированием, состоящее 25из задатчика положения, цифровогодетектора, вычитающей схемы, цифроаналогового преобразователя," сервоусилителя, сервоклапана, исполнительного органа 2 .30Недостатками такого устройстваявляются невысокая точность и разрешающая способность позиционирования, ограниченные минимальным уровнем квантования сигнала, характеризующего перемещение,Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности являетСясистема регулирования технологических процессов, содержащая задающиеустройство, устройство сравнения, 40формирователь сигналов управления,согласующий преобразователь, исполнительный механизм, обаект регулирования, датчик регулируемого параметра, преобразователь аналог - код, 45коммутатор 3 .Недостатками известной системыявляются невысокая разрешающая способность и точность позиционирования,ограниченные минимальным уровнем.квантования сигнала, характеризующего перемещение. Целью изобретения является повы.шение точности и разрешающей способности позиционирования за счет обес печения постоянной максимальной и не зависящей от дискретности позиционирования крутизны управляющего сигнала в точке удержания.Указанная цель достигается тем, 60 что устройство для позиционного управления, содержащее вычислительный блок, связанный с шестью буферными блоками, блок сравнения,соединенный с вторым выходом первого 65 буферного блока, и последовательно соединенные формирователь сигнала управления, согласующий преобразователь, исполнительный орган и датчик положения, дополнительно содержитчетыре усилителя, сумматор , пороговый блок и формирователь сигнала перемещения, первый вход которого соединен с выходом блока сравнения, вторым входом первого буферного блока и через пороговый блок - с входом блока сравнения, второй входс вторым выходом второго буферного блока, а выход - с первым входом Формирователя сигнала управления, вторые выходы третьего, четвертого, пятого и шестого буферныхблоков соединены с первыми входами соответственно первого, второго, третьего и четвертого усилителей, выходы которых через сумматор соединены с вторыми входами формирователя сигнала и порогового блока, вторые входы пер- . вого и второго усилителей соединеныс первым выходом датчика положения,вторым входом соединенного с вторыми входами третьего и четвертого усилителей. На фиг. 1 изображена структурнаясхема устройства; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие его работу; нафиг. 3 - схема усилителя с регулируемым коэффициентом передачи; нафиг. 4 - то же, сумматора; на фиг.5 то же,формирователя сигналов перемещения; на фиг. б - формировательсигналов управления; на фиг. 7схема буферных блоков; на фиг. 8 то же, порогового блока; на Фиг.9 то же, блока сравнения,Устройство состоит из усилителей1 - 4 с регулируемым коэффициентомпередачи, сумматора 5, формирователяб сигналов управления, Формирователя7 сигналов перемещения, согласующего преобразователя 8, пороговогоблока 9, исполнительного органа 10,датчика 11 положения, блока 12 сравнения, вычислительного блока 13, буферных блоков 14 - 19. Входы усилителей 1 и 2 связаны между собой и подключены к одному иэ входов датчика 11 положения, входы усилителей 3 и 4 также связаны между собой и подключены к второму выходу датчика 11 положения.Выходы усилителей заведены на входы сумматора 5, выход которого связан с одним из входов формирователя б сигналов управления и входом порогового блока 9, Второй вход формирователя б сигналов управления соединен с выходом формирователя 7 сигналов перемещения. Выход формирователя б заведен на вход согласующего преобразователя 8, к выходу которого подключен исполнительный орган 10,1104466 или между задани. значениямиусилителейвыражений (2означив ым фаэовымкоэффициентов4 определяи (3),положив вязьгомдачи сд тся=В и х,.х,огд ло масгд целое чисштабов;- часть масштаб- расстояние, сощее периоду сигн11 положения.яется величина илов датчика 11 ищении исполнителвеличину д ха-хоХ -Е -оасштабетствуюатчикаопределы сигнапе реме10 на ЬХ,ешаем полу относитель 1=о к 1иную системЮ и Р а; ст- ала н ний=с 0512 р Затем нения фаз жения при го органа о. - 45 1 51 пфИэ диаг тройства зового с пределах Х,-"г =с"Ь-"4= олютн чи ус е значения ко лителей М, К 4 ициентов выбира е жестко связанный с датчиком 11 положения, Выход порогового блока 9 заведен на счетный вход блока 12 сравнения, выход которой связан с входами запрета формирователя 7, порогового блока 9 и входом буфержного блока 19.Выход буферного блока 19 соединен с установочными входами блока 12 сравнения, а выход буферного блока 18 соединен с установочными входами формирователя 7. Установочные входы 10 усилителей 1 - 4 соединены с выходами буферных блоков 17,16,15, и 14 соответственно. Канальные входы- входы буферных блоков 14 - 19 подключены к каналу вычислительного 15 блока 13.Устройство работает следующим образом.Вначале по координате точки позиционирования, предварительно занесенной в запоминающее устройство вычислительного блока 13, определяется число 8 , т.е. количество целых периодов сигнала А 50 Х датчика положения при перемещении исполнительного органа 10 датчик 11 положения генерирует сигналы Аьох и Асов Х), ПРинятых за масштаб и укла" дывающихся между заданной точкой Х и точкой Хо, принятой за начало координат, а также часть периода 30 8 по формуле После этого производится сдвиг фазы сигнала датчика 11 положения, выбранного эа опорный, например Аьх , на величинус таким расчетом, чтобы в точке позиционирования Х 4 величина фазы опорного сигна ла А-Втх равнялась 2 пДля осуществления фазового сдвига сигнал Азпх датчика 11 положения подается на входы усилителей 1 и 2, а сигнал Асо 5 Х - на входы усилителей 3 и 4, причем усилители 2 и 4 являются инвертирующими, а усилители 1 и 3 - неинвертирующими. Таким образом, на выходах усилителей имеем сигналы 3 С,А 5 ЮХсаА 5 ю Х,3 сАсозх,-3 с 4 ЛсозХ, которые поступают на входы сумматора 5. Коэффициенты передачи усилителей К- К 4 выбраны таким образом, чтобы суммарный сигнал с с выхода сумматора 5 имел вид Аве х+), гдезаданный фазовый сдвиг. Для определения связи между фазовым сдви. гом суммарного сигнала и амплитудамиФК, А,-К 2 А,- К 4 А, - .К 4 А, складываемых сигналов представим сигналы на входе сумматора 5 в следующем виде:1, Азах(Ищх =А 1 Мг)зпх;ААсов х - Ь 4 АсозХ: А Х,- К 4 со 5 Х 1215 ИХ+ А(ДС5 ХСогласно известному 43 выражению после суммирования полученных сигналов имеемАЬ ")54 пхф А. )с 4 собх В 5 юх+ф).(2) где ф%= М " М 1 АЬ- а); ткудаК +со 5 Ч (Ъ фй 51 ли мм, поясняющих работу видно, что величина ига может находитьсял2 н и, следователы.ются произвольно н пределах от 0 до максимального значения.После задания рассчитанных коэф- фициентов передачи усилителей 1 - 4 путем подачи соответствующих кодов от вычислительного блока 13 через буферные блоки 14 - 17 на установочные нходы усилителей 1 - 4 в блок 12 сравнения вычислительного блока 13 через буферный блок 19 переписынается число й +1 или й ( при=О), 10Осуществив указанные устанонки, вычислительный блок 13 через буферный блок 18 задает код величины усилия, необходимого для перемещения исполнительного органа 10, на установочный 15 вход формирователя 7 сигналов перемещения, с выхода которого напряжение импульсной формы через формирователь 6 сигналов управления, согласующий преобразователь 8 запитывает привод исполнительного органа 10. Причем первую полонину пути исполнительный орган 10 движется ускорению, а вторую - замедленно, с тем, чтобы в точке позиционирования скорость перемещения исполнительного бргана 10 являлась или приближалась к нулю. Торможение осуществляется путем изменения полярности напряжения, питающего привод, по команде от вычислительного блока 13. На входе за" прета формирователя 7 присутствует разрешающий потенциал.Возникающий на выходе сумматора 5 гармонический сигнал АЗюпри перемещении исполнительного органа 35 10 через пороговый блок 9, работающий по нулевому порогу, поступает в виде коротких импульсов той же частоты на счетный вход блока 12 сравнения. На входе запрета порогового блока 9 40 также стоит разрешающий потенциал. В момент равенства числа подсчитанных блоком сравнения 12 импульсов числу, предварительно в ней установленному (й +1 или ), что соответствует моменту выхода исполнительного органа 10 н точку позиционирования, на выходе блока 12 сравнения генерируется им-. пульс, который запрещает работу Формирователя 7 сигналов перемещения и порогового блока 9, и через буферный блок 19 поступает н вычислительный блок 13 как команда перехода устройства позиционирования из режима перемещения исполнительного органа 10 в режим удержания его н заданной точке.55Управление приводом исполнительного органа 10 в режиме удержания осуществляются по гармоническому сигналу с выхода сумматора 5 через другой вход формирователя б сигналов 60 управления и согласующий преобразователь 8.При переводе исполнительного органа 10 в следующую точку позиционирования хд указанные действия пов торяются, но сигнал Аъ М, характеризующий перемещение, сдвигаетсяна величинуЧ ЧфЧугде Я 2 - Фазовый сдвиг сигнала, определяемый из величины перемещенияво втором цикле; Щ, - фазовый сдвигсигнала в первом цикле.Устройство работает следующимобразом,Усилители с регулируемым коэффициентом передачи(фиг. 3)выполненына базе операционных усилителейК 140 уд 8, двух регистров К 155 ИР 1,восьми инверторов с открытым коллектором К 155 ЛН 2 и матрицы весовыхсопротивлений. Регулирование коэффициента передачи осуществляется нперцам каскаде. КоэФфициент передачи такого усилителя имеет видгде Е; - суммарная проводимость матрицы весовых сопротивлений;пронодимость цепи обратнойсвязи.Изменением суммарной проводимостиматрицы путем подачи соответствующего кода на установочные входырегистров задаем необходимый коэффициент передачи усилителя, Второй каскад усилителя является инвертором с коэффициентом передачи, равнымединице.Сумматор(фиг. 4) выполнен также на операционном усилителе К 140 УД 8. Суммируемые сигналы через сопротивления 1 поступают на инвертирующийвход усилителя.Формирователь сигналов перемещения(фиг. 5) содержит вычитающий счетчик(микросхема К 155 ИЕ 7), три Р -триггера(микросхема К 155 ТМ 2 , две логические схемы И(микросхема К 155 ЛИ 1), операционный усилитель(микросхема К 140 УД 8). Импульсы с кварцевого генератора частотой 1 мГц поступают на вычитающий вход счетчика, на входы установки которого с вычислительного блока через буферный блок поступает четырнадцатиразрядный код, определяющий ширину импульса ускорения илиторможения исполнительного органа.НаЮ -входы триггера Т, поступает кодчетырнадцатого разряда, а триггерТ - пятнадцатого разряда того жечисла, По команде. "Вывод" с буферного устройства установленные коды переписываются в счетчик и триггеры Т и Т . В результате на выходе одной иэ логических ячеек появляется положительный перепад напряжения(например на выходе ускорения), После обнуления счетчика импульсами генератора импульс переполнения с его выхода через триггер ТЗ снимает разрешение с входов логических ячеек и на выходе ускорения формируетсятрицательный перепад напряжения. аким образом, в течение времени обнуления счетчика на выходе одной иэ логических ячеек действует положительный импульс, во время которого исполнительный орган ускоряется или замедляется. Выходы логических ячеек подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя соответственно. Следовательно, на выходе усилителя формируются разнополярные импульсы ускорения или торможения. Стабилитроны позволяют отключить усилитель от второго входа формирователя 6 сигналов управления при отсутствии импульсов уско рения или торможения.В момент выхода исполнительного органа в точку позиционирования сигналом запрета от схемы сравнения состояние триггеров Т и Т изменя ется и работа всей схемы запрещается.Формирователь сигналов управления ( фиг. 6) выполнен на операционном усилителе К 140 УД 8, на инвертирующий вход которого от формирователя сиг- ъ 5 налов перемещения и от сумматора поступают управляющие сигналы, С целью уменьшения времени переходного процесса при отработке случайных возмущений в режиме позиционирования сигнал с сумматора поступает на вход формирователя сигналов управления через 1 С-цепочку.Коэффициент передачи формирователя сигналов управления, а также амплитуды сигналов на его входе35 выбраны таким образом, чтобы был обеспечен линейный режим работы усилителя для сигналов сумматора и режим глубокого насыщения для импульсов формирователя сигналов переме щения, т.е. при одновременном действии укаэанных сигналов усилитель не выходит из режима насыщения ни при каких допустимых уровнях сигнала сумматора. 45Согласующий преобразователь представляет собой двухтактный усилитель мощности с двухполярным питанием. Вид схемы и ее параметры полностью определяются ее нагрузкой, т,е. приводом исполнительного органа. Датчик положения представляет собой лазерный интерферометр с фотоприемниками ФДК и предусилителями на микросхемах К 574 УД В. В качестве вычислительного блока выбрана серийно выпускаемая ЭВМ "Электроника", организованная на базе микропроцессора М 2, устройств памяти П 2(15 УЗ 04- 003) и ПП 2(15 УЗПП 2048-16) .Буферные блоки представляют собой 60 серийно выпускаемые устройства параллельного обмена И 1(15 КМ-004) микроканала ЭВМ с внешними устройствами и содержат(фиг. 7) канальные приемопередатчики, дешифратор адреса,65 дешифратор управляющих сигналов, мультиплексор данных, регистр данных.Пороговый блок(фиг.8) содержит триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания, выполненный на микросхеме(К 140 УД 8), транзисторный ключ, логическую схему И(К 155 ЛАЗ) и одновибратор(К 155 АГСхема сравнения(фиг. 9) содержит вычитающий счетчик(К 155 ИЕ 7)и триггер (К 155 ТМ 2).Предложенное изобретение по сравнению с известным, обладающим такой же добротностью цепи управленияболее высокоточно. В предложенной системе регулирования крутизна управляющего сигнала в точке удержания максимальна и постоянна для любых перемещений исполнительного органа, что позволяет обеспечить максимально возможный коэффициент передачи в цепи управления и даже при малых сигналах управления достичь высокой точности регулирования.Точность и разрешающая способность предлагаемого устройства позиционного управления повышены в первую очередь за счет максимально высокой точности определения фазы сигнала управления положения исполнительного органа в точке удержания, вносящей существенный вклад в ошибку системы (5) . Представим входной сигнал управления, как сумму полезного сигнала 5 пСи сигнала помехи ф (Ц, т. Е Лв - 5(п у+, Сй СтЕМа удЕржания исполнительного органа в заданном положении стабилизирует фазу сигнала 51 п+1, где(с) случайное изменение фазы суммарного, сигнала, обусловленное действием помехи ф(,), На входе системы удержания практически невозможно определить, чем вызванил изменение входного напряжения: смещением ли исполнительного органа и, следовательно, уходом С от заданного фиксированного значения или действием помехи дрейфом фотоприемников, источников света, низкочаСтотными шумами элементов электронных схем и т.п. Таким образом, сигнал управления можно представить какили5 пЦЦ ф 5 юф с 051 Фс 05 5 билиПренебрегая членами второго порядка,малости уЦа о,исаа,получим 10Ц "Ь) / соз (Анализ последнего выражения по казывает, что, выбирая, можно уменьшить величину фазового шума на входе системы регулирования, наложенного на сигнал управления. Как известно 6, среднее значение квадратаошибки прямо пропорционально спектральной плотности шумов, действующих в системе регулирования. В предлагаемом устройстве точки удержания исполнительного органа на фазовой оси 5 управляющего сигнала всегда соответствуют минимальным фазовым шумам управляющего сигнала кратно 2 ф В известном устройстве точкам удержания могут соответствовать другие значения. Например, если точка удер-жания соответствует=70(сову=0,17),то флуктуации фазы в известной системе регулирования в шесть раэ больше,чем у предлагаемой, т.к.в нейвсегда кратно 2 псм 2 ц=1, где К=0,1,2, ). Соответственно и точностьу известной системы регулированияниже, чем у предлагаемой.Учитывая тот факт, что на точностьсистемы регулирования оказывают влияние также и внутренние шумы системы,которые могут в некотором пределеотличаться для разных реализаций устройств и которые в несколько разменьше шумов на входе системы, иприняв во внимание приведенные выкладки, выигрыш в точности и разрешающей способности при использовании предлагаемого устройства составит порядка 2-3 раз,