Нелинейное корректирующее устройство

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 5 0 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Е ИЗОБРЕТЕН ОП У С ТЕЛ ЬСТВ К АВТОР ствам (НКУ) и предназначено для повышения точности и качества обеспечиваемого им процесса позиционирования с учетом изменения параметров корректируемых систем автоматического регулирования (САР), Введение НКУ дифференциатора, делителя, инвертирующего усилителя и блока умножения позволяет получить качественно новый режим подхода к точке позиционирования,характеризующийся отсутствием перерегулирования и заданной точностью, которая не зависит от момента перехода в данный режим и от изменения параметров в корректируемой САР в широком диапазоне. 6 ил,%18отехнический инстиА.В,Кваша, Д,И,Коркий вСССР82,СССР детельство5 В 5/01,.1детельство05 В 5/01,ОЕ КОРРЕ 984.КТИ Р вухкан им уст относитсякорректиру о соедин элемент ИЛИ, последователные ключ и второй масштабподключенный выходом квторого сумматора, первым вченного к входу усилителя, кпервого сумматора, к сигнключа и к входу нуль-органа,ключенного к второму входупервым входом подключеннощему входу ключа, выход подключен к второму входу ния,Изобретение относится к технике автоматического регулирования, к классу двухканальных нелинейных корректирующих устройств и может быть использовано в быстродействующих системах позиционирования, например станков с программным управлением, приводов роботов-манипуляторов, высококачественных следящих установок, а также в тех системах автоматического регулирования (САР), где требуется высокая точность и надежность с учетом изменения их параметров в процессе работы.Известно нелинейное корректирующее устройство, содержащее нуль-орган, последовательно соединенные усилитель, блок выделения модуля и блок умножения, последовательно соединенные второй сумматор, пиковый детектор, первый масштабирующий блок, первый сумматор, сигнум-реле, формирователь импульсов, блок задержки и ирующий блок, второму входу ходом подклювторому входу альному входу выходом подэлемента ИЛИ, го к управляюсигнум-реле блока умножеНедост ся низкое б ние коэфф повышения явлению в сов, Изме широком д же привод которые н(57) Изобретениеным нелинейным атком такого устройства являетыстродействие, так как увеличеициента усиления устройства для быстродействия приводит к по- системе колебательных процеснение параметров системы в иапазоне в процессе работы такит к возникновению колебаний, е позволяют получить хорошую1734070 Редактор Н.Каменская нча рректо роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго л.Гагарина, 10 каз 1669ВНИИПИ Гос оставитель Д.Коротовцеехред М.Моргентал Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/510 третьем режиме. 50 55 точность позиционирования, Устройство также сложно в настройке,Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее последовательно соединенные пиковый детектор, первый масштабирующий блок, первый сумматор, сигнум-реле, выход которого подключен к второму сигнальному входу первого переключателя, последовательно соединенные второй масштабирующий блок и второй сумматор, вторым входом подключенный к второму входу первого сумматора и к входу нуль-органа, выходом подключенного к управляющему входу пикового детектора, источник постоянного напряжения и первый и второй переключатели, управляющие входы которых подключены к выходу второго сумматора, первые сигнальные входы - к второму входу второго сумматора и к сигнальному входу пикового детектора, выходом соединенного с входом второго масштабирующего блока, второй сигнальный вход второго переключателя подключен к выходу источника постоянного напряжения, выход второго переключателя соединен с входом усилителя, выход которого является вторым выходом устройства, выход первого переключателя является первым выходом устройства, а сигнальный вход пикового детектора является входом устройства. Это корректирующее устройство формирует управляющий сигнал таким образом, что коменсирует ЭДС исполнительного двигателя, обеспечивая его разгон и торможение с максимально возможным ускорением при заданных параметрах САР. Недостатки устройства заключаются в сложности выбора момента перехода в режим, который возникает при подходе к точке позиционирования (третий режим), когда кинетическая энергия уже погашена предыдущим режимом торможения. Неудачный выбор момента перехода в третий режим приводит к затягиванию переходного процесса и ухудшению динамической точности. Обычно момент перехода в третий режим определяют экспериментально, что связано со значительными трудностями.В случае удачного выбора момента перехода в третий режим система переходит в устойчивый установившийся режим, обеспечивающий заданное качество процесса позиционирования только при постоянстве заданных параметров системы (коэффициента усиления и постоянной времени). Увеличение коэффициента усиления так же как и уменьшение постоянной времени в третьем режиме неизбежно вызывает перерегулирование, а уменьшение коэффициента усиления так же как и увеличение постоянной времени приводит к затягиванию пере.ходного процесса и снижению динамической точности.Цель изобретения - повышение точности устройства,Поставленная цель достигается тем, что в нелинейное корректирующее устройство, содержащее последовательно соединенные пиковый детектор, вход которого является входом устройства, первый масштабирующий блок, первый сумматор, сигнум-реле, выход которого соединен с первым информационным входом переключателя, выход 15 которого является выходом устройства, последовательно соединенные второй масштабирующий блок и второй сумматор, выход которого соединен с управляющим входом переключателя, второй вход соединен с вхо дом устройства, с вторым входом первогосумматора и с входом нуль-органа, выход которого соединен с управляющим входом пикового детектора, соединенного выходом с входом второго масштабирующего блока, 25 введены последовательно соединенныедифференциатор, делитель, инвертирующий усилитель и блок умножения, причем выход блока умножения подсоединен к второму информационному входу переключа теля, второй его вход соединен с выходомдифференциатора, вход которого соединен с выходом устройства и вторым входом делителя.Сущность изобретения состоит в том, 35 что в результате введения в предлагаемоеустройство новых блоков - дифферен циатора, делителя, инвертирующего усилителя и блока умножения, в режиме подхода к точке позиционирования вырабатывается качест венно новый сигнал управления Оз, подаваемый на исполнительный двигатель. На фазовой плоскости режим подхода к точке позиционирования (третий режим), обеспечиваемый данным сигналом управления Оз,соответствует прямой ВО (фиг,2). В результате обеспечивается высококачественный процесс позиционирования с заданной точностью, которая не зависит от изменения параметров САР в широком диапазоне в Действительно, пусть корректируемая система описывается передаточной функциейгде К и Т - соответственно коэффициент усиления и постоянная времени исполнительного двигателя с нагрузкой на валу.Для того, чтобы движение системы (1) нафазовой плоскости описывалось прямой ВО(фиг.2) необходимо выполнение условия- е=е к, (2)где (2) - уравнение прямой ВО, К - тангенсугла наклона прямой ВО к оси О е, е и е -фазовые координаты, где е - сигнал ошибки.Можно записатьЕ= 0 - 04,где 6 - входное ступенчатое воздействие,04 - сигнал на выходе корректируемой системы (1), Дважды продифференцируем повремени левую и правую части уравнения (3)е=б - 04= - 04, 04= - е=е к (4)04= Е к = - к 04, (5)То есть уравнение прямой ВО (2) можнопредставить в виде (5).Найдем сигнал управления Оз, которыйобеспечивает корректируемой системе (1)движение, описываемое по прямой ВО нафазовой плоскости.Дифференциальное уравнение, характеризующее поведение системы, с учетомвыражения (1), примет видТ 404+ 04 = К 403 (6)где Оз - выходной сигнал суммирующегоустройства, В третьем режиме значениесигнала Оз определяется выражением03 = 04 К 5+019, (7)где К 5 - коэффициент передачи датчика скорости 5, 019 сигнал на выходе нелинейногокорректирующего устройства, В третьем режиме 019 = 017, где 017 - сигнал на выходеблока умножения. Если выполнить условиеК 5 = 1/К 4, и подставить уравнение (7) в выражение (6), то получимТ 404 = К 4 019. (8)Решая совместно уравнение (5) и (8) относительно 019 получимК 04 Т 4(9)К 4С учетом (2) и (4) уравнение (9) можнопереписать019 - (10)К 4 ЕФизически сигнал 019 (10), обеспечивающий корректируемой системе (1) линейныйрежим при подходе к точке позиционирования, можно реализовать при использованииследующихблоков: дифференциатора, делителя, инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи - Т 4/К 4, и блокаумножения. Подставляя (10) в (7), получим сигнал управления Оз, который необходимо подать на исполнительный двигатель, чтобы движение системы (1) на фазовой плоскости происходило по прямой ВО 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Оз= 04 К 5 -Т 4 ЕК 4 Е(11) Из (11) видно, что сигнал управления Оз, подаваемый на исполнительный двигатель в третьем режиме, зависит от величины тангенса угла наклона К =е/е прямой ВО к оси О е. Причем величина К вычисляется аппаратно как текущее значение с момента перехода корректирующего устройства в третий режим. Поэтому вне зависимости от того, в каком положении на фазовой плоскости находилась изображающая точка в момент перехода в третий режим работы, ее движение в этом режиме будет осуществляться по прямой, соединяющей данную точку с началом координат - точкой О, В результате обеспечивается высокое качество переходного процесса (перерегулирование отсутствует), и заданная точность, независящая от изменения параметров корректируемой САР в широком диапазоне и момента переключения на третий режим, который выбирается в зависимости от требуемого быстродействия.На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого нелинейного корректирующего устройства в составе САР; на фиг.2 - фазовые траектории, характеризующие работу корректирующего устройства с учетом изменения параметров корректируемой САР в третьем режиме; на фиг.3 - кривые переходного процесса, характеризующие изменение выходной координаты корректируемой САР с учетом изменения ее параметров в третьем режиме при использовании прототипа в качестве корректирующего устройства; на фиг.4 - кривые переходного процесса, характеризующие изменение выходной координаты корректируемой САР с учетом изменения ее параметров в третьем режиме при использовании предлагаемого нелинейного корретирующего устройства; на фиг.5 - структурная схема двухстороннего пикового детектора; на фиг.б - принципиальная электрическая схема делителя,На фиг.1 приняты следующие обозначения: измеритель рассогласования 1, дифференциатор 2, суммирующее устройство 3, исйолнительный двигатель 4 с нагрузкой, датчик скорости 5, нелинейное корректирующее устройство 6, пиковый детектор 7, первый масштабирующий блок 8, первый сумматор 9, сигнум-реле 10, переключатель 11, второй масштабирующий блок 12, второй сумматор 13, делитель 14, инвертирующий усилитель 15, нуль-орган 16, блок умножения 17, 18 и 19 - соответственно вход и выход нелинейного корректирующего устройства 6, 6 - входное ступенчатоевоздействие, О - выходной сигнал -го функционального блока.Пиковый детектор 7 выполнен двусторонним, построенным на базедвуходносторонних пиковых детекторов положительных и отрицательных значений, объединенных по выходу сумматором, Структурная схема двустороннего пикового детектора приведена на фиг.5, где 20 - пиковый детектор положительных значений, 21 - пиковый детектор отрицательных значений,22-сумматор. Входы пиковых .детекторов положительных и отрицательных (20 и 21) значений объединены и являются входом двухстороннего пикового детектора 7. Выход сумматора 22, к входам которого подключены выходы пиковых детекторов 20 и 21, является выходом двухстороннего пикового детектора 7. Пиковые детекторы положительных 20 и отрицательных 21 значений имеют общую цепь сброса.Делитель 14 построен по методу переменной крутизны. Принципиальная электрическая схема делителя приведена на фиг,б, Делитель содержит резисторы, транзисторы, операционные усилители, общую шину.Дифференциатор 2 может быть собран на операционном усилителе. Инвертирующий усилитель 15 также может быть собран на операционном усилителе,Рассмотрим работу нелинейного корректирующего устройства в составе САР, Коэффициент передачи К 8 первого масштабирующего блока 8 выбираем равным 0,5, что обеспечивает необходимое положение линии переключения с режима разгона на режим торможения (фиг.2, точка А),Величину коэффициента передачи второго масштабирующего блока 12, обуславливающую переход САР в третий режим с режима торможения, выбираем равной 0,05(К 1 г = 0,05).Устройство работает следующим образом.Пиковый детектор 7 запоминает экстремальное значение сигнала рассогласования О 1, формирует на своем выходе сигнал О 7 и хранит его до прихода сигнала на сброс с выхода нуль-органа 16. В блоках масштабирования 8 и 12 значение сигнала О 7 уменьшается соответственно в 2 и 20 раз и сравнивается в сумматорах 9 и 13 с текущим значением сигнала О 1. В зависимости от результатов сравнения возможны 3 режима работы устройства.В первом режиме работы выполняется условие О 7/О 1/0,5 О 7, В этом случае выходные сигналы сумматоров 9 и 13 положительны и переключатель 11 замкнут на5 10 15 20 25 30 35 4045 50 55 свой второй вход, а сигнум-реле через переключатель 11 формирует на выходе корректирующего устройства 6 положительный ступенчатый сигнал О 11=019 требуемой величины, которая определяется исходя из конкретных параметров системы автоматического регулирования. Сигнал О 11 поступает на первый вход суммирующего устройства 3. На второй вход суммирующего устройства 3 подается выходной сигнал О 5 датчика скорости 5, В результате суммирования на выходе суммирующего устройства 3 образуется управляющее воздействие Оз, обеспечивающее оптимальный разгон исполнительного двигателя 4 (фиг.2, кривая ИА). Во втором режиме работы, когда 0,05 О 7/О 1/0,5 О 7 выходной сигнал О 9 первого сумматора 9 становится отрицательным, а выходной сигнал О 1 з второго сумматора 13 остается положительным, поэтому переключатель 11 продолжает находиться в прежнем состоянии, на выходе сигнум-реле 10 формируется отрицательн ы й ступенчатый сигнал О 1 о определенной величины. В резул ьтате уп ра ел я ющее воздействие Оз на выходе суммирующего устройства 3 обеспечивает оптимальное торможение исполнительного двигателя 4 (фиг,2, кривая АВ).Третий режим возникает при подходе к точке позиционирования и характеризуется соотношением 0/О 1/0,05 О 7. В этом режиме выходной сигнал второго сумматора становится отрицательным и переключатель 11 отсоединяет свой выход от второго входа и подсоединяет его к первому входу, пропуская на свой выход сигнал О 17 с выхода усилителя 17. Корректирующее устройство в этом случае обеспечивает апериодический процесс высокого качества без перерегулирования, Отработка данного режима характеризуется заданной точностью позиционирования, которая не зависит от изменения параметров корректируемой системы в широком диапазоне, На фазовой плоскости он соответствует прямой ВО (фиг.2). Рассмотрим поведение корректирующей системы при изменении постоянной времени Т 4 исполнительного двигателя 4 в третьем режиме (точка С фиг.2).Пусть постоянная времени Т 4 уменьшилась на 25%, т.е.Т 4 = - Т 434(12) тогда дифференциальное уравнение (8), описывающее поведение корректируемой системы, будет иметь видТ 4 О 4= К 4 019, (13) С учетом (12), (5) и (9) уравнение (13) можно переписать(15)В результате уменьшения постоянной времени Т 4 тангенс угла наклона К прямой ВО к оси О я увеличивается. Из (5) и (15) следует, чтоК = О 4/О 4= - К.43(16)В данном случае третьему режиму на фазовой плоскости соответствует ломаная ВСМО (фиг,2), Аналогично можно показать, что при увеличении постоянной времени Т 4 тангенс угла наклона прямой, соответствующий третьему режиму, уменьшается (ломаная ВСДО на фиг.2).На фиг.4 кривая 1 - соответствует переходному процессу корректируемой САР при постоянстве ее параметров; кривая 2 - при уменьшении постоянной времени Т 4 в третьем режиме (точка С фиг.2); кривая 3 - при увеличении Т 4 в третьем режиме (точка С фиг.2).Как видно из фиг.4 изменение постоянной времени Т 4 двигателя 4 в третьем режиме в случае использования предлагаемого нелинейного корректирующего устройства отражается только на быстродействии корректируемой САР и то незначительно (ТТТ ), При уменьшении Т 4 быстродействиеИувеличивается (кривая 2), при увеличении Т 4 быстродействие уменьшается, Точность же остается заданной и в этом и в другом случае, а перерегулирование отсутствует,На фиг.3 приведены кривые переходного процесса в аналогичных случаях при использовании в качестве корректирующего устройства - прототипа. Видно, что изменение постоянной времени Т 4 в третьем режиме влияет как на быстродействие, так и на точность корректируемой САР, а также на величины перерегулирования,ИЗмЕнЕниЕ казффициЕнта уеилЕния К 4 двигателя 4 в третьем режиме при исполь- зовании предлагаемого корректирующего устройства также не отражается на заданной точности. Изменяется только быстродействие корректируемой САР, причем эффект обратный: при увеличении К 4 быстродействие увеличивается, при уменьшении К 4 - уменьшается.Таким образом, использование предлагаемого нелинейного корректирующего устройства позволяет получить качественно новый - линейный режим подхода к точке позиционирования, характеризующийся высоким качеством (перерегулирование отсутствует) и заданной точностью, которая не зависит от изменения параметров корректируюемой САР в широком диапазоне. Указанные свойства предлагаемого нелинейного корректирующего устройства обуславливает не только технический, но и экономический эффект. Формула изобретения Нелинейное корректирующее устройство, содержащее последовательно соединенные пиковый детектор, вход которого является входом устройства, первый масштабирующий блок, первый сумматор, сигнум-реле, выход которого соединен с первым информационным входом переключателя, выход которого является выходом устройства, последовательно соединенные второй масштабирующий блок и второй сумматор, выход которого соединен с управляющим входом переключателя, а второй вход соединен с входом устройства, с вторым входом первого сумматора и с входом нульоргана, выход которого соединен с управляющим входом пикового детектора, соединенного выходом с входом второго масштабирующего блока, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные дифференциатор, делитель, инвертирующий усилитель и блок умножения, причем выход блока умножения подсоединен к второму информационному входу переключателя, второй его вход соединен с выходом дифференциатора, вход которого соединен с входом устройства и вторым входом делителя.