Самонастраивающийся регулятор

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п 1196073 1(23) Приоритет Опубликовано 230982. Бюллетень Мо 35 Государственный комитет СССР по.делам изобретений и открытий(088. 8) Дата опубликования описания 23.09.82 Ю,А. Борцов, В.Б. Второв, С.Е. Голик,и В.В. Путов) р енинградский ордена Ленина электрот институт им. В.И. Ульянова (Лен Заявитель 54) САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ РЕГУЛЯ регулятора дифференциИзобретение относится к автоматй ческому управлению и может быть ис- пользовано для управления электро- приводами, регулируемыми по току, скорости и положению, с повышенными требованиями к точности, быстродействию и стабильности динамических характеристик, в которых в процессе работы имеет место изменение пара-. метров, в частности электромеханической постоянной времени: в станкостроении, в системах автоматического управления приводами металлорежущих станков, в роботостроении в системах автоматического управления приводами рабочих органов манипуляционных роботов и дрИзвестен самонастраивающийся регу лятор, состоящий Нз последовательно соединенных задатчика, эталонной модели, измерителя ошибки, блока дифФеренцирования, усилителя с ограничением и сумматора, второй вход которого соединен с выходом задатчика, а выход - с входом управляемого объекта, вь 1 ход которого подклю" чен к второму входу измерителя ошибки (1 .Недостатком такогоявляется наличие блока рования, реализация которого предусматривает получение производных выходной координаты управляемого объекта вплоть до (п)-й, где и - йорядок объекта. При использовании реальных дифференцнаторов такой регулятор может стать неработоспособным, во"первых,. из-эа влияния собственной динамики дифференциаторов на устойчивость адаптивных процессов, во-вторых, ввиду присутствия измерительных шумов в выходной координате. Наиболее близким техническим решением к изобретений является микросхемное уетройство для управленияэлектроприводом, содержащее первыйинтегратор, первый сумматор, второйсумматор и последовательно соединенные эталонную модель, измерительошибки, масштабный усилитель и нелинейный элемент, второй и третийвходы масштабного усилителя под ключены соответственно к выходунелинейного элемента и второгосумматора, выход первого сумматорасоединен с первым входом первогоинтегратора, а первый вход - со вто рьм входом измерителя ошибки 2),Недостатком данного устройства является ограниченный диапазон изменения параметров управляемого объекта (примерно 10-кратный), при котором гарантируется работоспособность этого устройства. Это объясняется тем, что при большей кратности изменения параметров, что характерно главным образом для,контурного коэффициента усиления объекта, оценивание производной измеряемой координаты, обеспечиваемое совместной работой первого и второго сумматоров и интегратора, становится слишком неточным, что препятствует нормальному функционированию устройстваЦель изобретения - расширение области применения данного устройства путем обеспечения его работоспо-. собности в условиях, когда контурный коэффициент усиления управляемого объекта изменяется в широком диапазоне (в десятки раз) . Такого рода нестационарность характерна, вчастности, для систем управления электро приводов с глубоким регулированием возбуждения двигателя и переменным моментом инерции, например электро- приводов прокатных станов и.главных приводов металлорежущих станков.Так, при 10-кратном изменении потока возбуждения в 3-5-кратном изменении приведенного момента инерции (например за счет переключения передаточного числа редуктора) привода главного движения станка электромеханическая постоянная времени и общий коэффициент усиления контура регулирования скорости вращения изменяются в 30-50 раз.указанная цель достигается тем, что регулятор содержит второй интегратор и последовательно соединенные первый блок умножения, третий интегратор, второй блок умножения, выход которого через последовательно соединенные второй сумматор и второй интегратор подключен ко второму входу первого сумматора и второму входу первого интегратора, первый вход которого соединен с первым входом первого блока умножения и со вторым входом второго сумматора, выход - со вторыми входами первого и второго блоков умножения и с третьим своим входом,четвертый вход - со входом эталонной модели.Введенные блоки обеспечивают сохранение точности оценки производ ной измеряемой координаты при глубоком изменении контурного коэффициента усиления управляемого объекта и тем самым сохранение в указанных условиях работоспособности всего устройства в целом.Первый интегратор, второй блок умножения, второй сумматор и второй интегратор вместе с соответствующими связями в совокупности образуютнастраиваемую модель управляемогообъекта (возможность эквивалентногопредставления системой второго порядка. характерна для многих систем,5 в частности для униФицированныхэлектроприводов с подчиненным регулированием переменных)При изменении контурного коэффициента усиления объекта первый блок умноже 10 ния и третий интегратор осуществляютавтоматическую настройку коэффициента передачи второго блока умножения, для чего используется вырабатываемый первым сумматором сигнал,15 рассогласования между измереннымзначением выходной координаты объекта и ее оценкой. Благодаря такойавтоматической настройке и сохраняется точность оценки производной,сигнал по которой формируется навыходе второго сумматора.На чертеже изображена структурная схема предлагаемого самонастраивающегося регулятора,Предлагаемый самонастраивающийсярегулятор, имеющий входы 1 и 2 ивыход 3, содержит последовательносоединенные эталонную модель 4, входкоторой подключен ко входу 1, измеритель 5 ошибки, второй вход которого соединен со входом 2, масштабный усилитель б, выход которогоподключен к выходу 3, и нелинейныйэлемент 7, выход которого соединенсо вторым входом масштабного уси 35 лителя б. Далее регулятор содержитпоследовательно соединенные первыйсумматор 8, вход которого подключенко входу 2, первый интегратор 9, второй вход которого соединен со вхо 40 дом 1, второй блок 10 умножения,второй сумматор 11, второй вход которого присоединен к выходу сумматора 8, а выход - к третьему входумасштабного усилителя б, и второгоинтегратора 12, выход которого под"ключен ко второму входу первогосумматора 8 и третьему входу первогоинтегратора 9, четвертый вход которого соединен с его выходом, а также;последовательно соединенные первый блок 13 умножения, входы которого подключены к выходам соответственно .первого сумматора 8 и первогоинтегратора 9, и третий интегратор14, выход которого подключен ко55 второму входу второго блока 10 умножения.Эталонная модель 4 может бытьреализована, например в виде пассивного ВС-фильтра, измеритель 5ошибки, масштабный усилитель б, сумматоры 8 и 11 и интеграторы 9, 12 и 14 - на операционных усилителях, например, на интегральных: микросхемах типа К 553 УД 1 В, нелинейный элемент 7 - в виде двух встреч 65но включенных стабилитронов, а блоки умножения 10 и 13 - например,на интегральных микросхемах аналоговых перемножителей 140 МА 1.Самонастраивающийся регуляторработает следующим образом. 5Задающий сигнал, поступающий навход 1 и являющийся одновременнозадающим сигналом для управляемогообъекта - электропривода, подаетсяна эталонную модель 4, На ее выходе 10формируется сигнал, соответствующийжелаемому (заданному) переходномупроцессу в электроприводе при стандартном (скачкообразном) воздействии.Одновременно с этим поступающий 15на вход 2 сигнал, пропорциональныйрегулируемой выходной координатеэлектропривода (скорости вращения),взятой с противоположным знаком,вместе с выходным сигналом эталонной модели 4 поступает на вход измерителя 5 ошибки. На выходе последнего, таким образом, формируетсясигнал, который своей формой, длительностью и амплитудой характеризует степень отклонения реальногопереходного процесса в.электроприводе от эталонного процесса, задаваемого моделью 4, а также его устойчивость при изменении параметрови характеристик электропривода,например, при изменении контурногокоэффициента усиления, при работев режиме прерывистых токов, изменении нагрузки и т.д. Далее сигнал свыхода измерителя 5 ошибки подаетсяна входмасштабного усилителя б,в об-.ратную связь которого включен нелинейный элемент 7,обеспечивающий зависимость коэффициента усиления масштабного усилителя 6 от уровня входного сигнала; на малых уровняхмасштабный усилитель имеет оченьбольшой коэффициент усиления (более200), а при больших уровнях на еговыходе устанавливается постоянное . 45напряжение ограничения (порядка10 В). Благодаря этому при наличиирассогласования между эталонным иреальным переходными процессами,т.е, при наличии сигнала ошибки на 50выходе измерителя 5 ошибки, на выходе масштабного усилителя 6 (выходе регулятора 3) формируется сиг.нал, воздействующий на управляемыйэлектропривод таким образом, чтобыстремиться уменьшить указаннуюошибку до нуля.Однако вырабатываемый масштабнымусилителем 6 сигнал еще не являетсяокончательно сформированным дляуправления электроприводом. Этообъясняется тем, что регулируемыйэлектропривод как объект управленияимеет порядок не ниже второго,и подача указанного сигнала на вход электропривода не обеспечивает устойчи вости процесса согласования переходных процессов в электроприводе сдвижением, предписываемым эталонноймоделью 4. Поэтому для обеспеченияустойчивости на вход масштабногоусилителя 6 должен быть подан такжесигнал, пропорциональный скоростиизменения ошибки рассогласованияреального и эталонного процессовлибо - поскольку эталонный процессвсегда устойчив - просто сигнал,пропорциональный скорости изменениявыходной координаты объекта. Этотсигнал вырабатывается на выходевторого сумматора 11 благодаря совместной работе блоков 8-14, чтопроисходит следующим образом. Бло,и9-12 образуют настраиваемую эквивалентную модель управляемого объекта,Еслипараметры этих блоков, в томчисле коэффициент передачи втооогоблока 10 умножения по первому входу,эыбраны в соответствии с номинальными параметрами объекта, то при пос-,туплении на вход интегратора 9 задающего сигнала с входа 1 регулятора выходной сигнал интегратора 12будет воспроизводить изменение вовремени выходной координаты электропривода (скорости вращения), а выходной сигнал сумматора 11 - изменение ее производной. Для того, чтобыоценивание указанных координат оста-валось достаточно точным при изме- .нении параметров электропривода, атакже для обеспечения возможностизадания скорости сходимости Оценок,вырабатываемых вторым сумматорОм11 и вторым интегратором 12,к их истинным значениям, сигналошибки оценивания выходной координаты, вырабатываемой сумматором 8,подается на входы йервого интегратора 9 и (через второй сумматор 11)второго интегратора 12, благодарячему ошибка оценивания стремитсяк нулю, и выходной сигнал второгосумматора 11, таким образом, является оценкой производной выходнойкоординаты,Коэффициент передачи второгоблока 10 умножения по первому .входу(от первого интегратора 9 к второмусумматору 11), т.е. выходной сигналтретьего интегратора 14, соответствует номинальному значению контурного коэффициента усиления объекта.Предположим,что контурный коэффициент усиления объекта изменился,например вследствие регулированияпотока возбуждения или изменениямомента инерции привода. Посколькув этом случае нарушается соответствие между параметрами объекта инастраиваемой модели, то на выходепервого сумматора 8 появится сигналошибки, Этот сигнал, проходя черезпервый блок 13 умножения, будет7 960731 77/55 Тираж 9 ВНИИПИ Эак одписн ектная, 4 г, Ужгород, У Филиал ППП "П до тех пор изменять выходной сигнал третьего интегратора 14, пока коэффициент передачи второго блока 10 умножения по первому входу не станет равньм йовому значению коэффициента передачи объекта. Указанный процесс обновления коэффициента передачи второго блока 10 умножения (по контуру, образованному блоками 8, 13, 14, 10, 11 и 12), как более медленный, не влияет на процессы в основном контуре оценивания (блоки 8-12). Существенным также является введение в первый контурпервого блока 13 умножения.,Благодаря этому изме. нение знака выходного сигнала первого интегра-.ора 9 не влияет на устойчивость этого контура, так как укаэанный сигнал подходит к контуру в двух точках.Таким образоМ, благодаря введению новых блоков, образующих контур автоматической настройки коэффициента передачи второго блока умножения, обеспечивается постоянное соответствие параметров настраиваемой модели параметрам объекта и, следовательно, сохранение точности оценивания производной выходной координаты объекта при широких изменениях контурного коэффициента объекта, Этим обеспечивается работоспособность самонастраивающегося регулятора в указанных условиях.Формула изобретенияСамонастраивающийся регулятор, содержащий первый, интегратор, первый сумматор, второй сумматор и последовательно соединенные эталоннуюмодель, измеритель ошибки, масштаб.ный усилитель и нелинейный элемент,второй и третий входы масштабного5 усилителя подключены соответственнок выходам нелинейного элемента ивторого сумматора, выход первогосумматора соединен с первым входомпервого интегратора, а первый вход 10 со вторым входом измерителя ошибки,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения области применения, он содержит второй интегратори последовательно соединенные первыйблок умножения, третий интегратор,второй блок умножения, выход которого через последовательно соединенные второй сумматор и второй интегратор подключен ко второму входупервого сумматора и второму входупервого интегратора, первый входкоторого соединен с первым входомпервого блока умножения и со вторымвходом второго сумматора, выход- со вторыми входами первого и второгоблоков умножения и с третьим своимвходом, четвертый вход - со входомэталонной модели,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Громыко В.Д., Санковский Е.А,Самонастраивающиеся системы с моделью. М., Энергия, 1974, с, 80.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2807165/07,31 кл, С 05 В 13/02, 1979 (прототип)е