Устройство управления динамическим объектом с присоединенным упругим элементом

(51)5 6 05 В 13 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ходом второго селе выход объекта упра дом датчика угла, вь с входами двух су второго сумматора тель с выходом уси ля, а выход - с вхо элемента, выходы с нены с входами блок ного элемента, второи вления соединен с вхоход которого соединен мматоров, второй вход соединен через усилиителя -преобразоватедом второго релейного хем совпадения соедиа исполнительных орга, аваай 4 фь 4Недостатком из ляется возможнос тельных амплиту элемента. Это при длительной стабил нию возбужденных колебаний упругого Целью изобрет ние длительностивестного устройств ть возбуждения 3 д колебаний упру водит к необходим изации и демпфи в процессе ориент элемента.ения является переходных и ост овасокраще- роцессов ОСУДАРСТВ Е ННЫ Й КОМИТЕТЙО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(72) В.В,Карагодин и А,Н,Герасимов (56) Разыграев А.П, Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей, М.: Машиностроение, 1977.Авторское свидетельство СССР М 966669, кл. 6 05 В 13/00, 1982 (прототип),Проектирование и применение операционных усилителей./Под ред, Дж.Грэма, М,: Мир, 1974.(54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ С ПРИСОЕДИНЕННЫМ УПРУГИМ ЭЛЕМЕНТОМ Изобретение относится к управлениюдинамическими объектами, а именно к управлению объектами с присоединеннымиупругими элементами,Известно устройство, обеспечивающееуправление ориентацией объекта управления за счет реализации пропорциональногозакона управления, Основной его недостаток - неоптимальные временные затраты напроцесс управления.Известная система ориентации и стабилизации, выбранная в качестве прототипа,содержит последовательно соединенныеблок исполнительных органов, объект управления, датчик угловой скорости, усилитель-преобразователь, первый сумматор,первый релейный элемент, выход которогосоединен с входами двух систем совпадения, вторые входы которых соединены с выщ Я 2 лп 767477 А 1(57) Изобретение относится к управлению динамическими объектами, а именно к управлению объектами с присоединенными упругими элементами. Целью изобретения является сокращение длительности переходных процессов переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементом. С этой целью устройство, содержащее объект управления с присоединенным упругим элементом, блок исполнительных органов, датчики углового положения и скорости, формирователь знака управляющего момента и вычислитель интервалов управления, дополнительно снабжен двумя вычислителями временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, задатчиком периода упругих колебаний, формирователем уровней управляющего момента и блоком переключения управляющего момента, 1 ил,переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементом.Цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок исполнительных органов, соединенный выходом с входом объекта управления с присоединенным упругим элементом, датчик углового отклонения и датчйк скорости, входы которых соответственносоединены с пефвым и вторым выходамиобъекта управления с присоединенным упругим элементом, а их выходы подключены соответственно к информационным входам первого и второго ключей, управляющие входы которых связаны с выходом блока пуска, выходы первого и второго ключей связаны соответственно с первым и вторым входами формирователя знака управляющего момента и первым и вторым входами вычислителя интервалов управления, третий вход и первый выход которого подключены соответственно к первому выходу и третьему входу формирователя знака управляющего момента, дополнительно введены первый и второй вычислители временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, задатчик периода упругих колебаний, формирователь уровней управляющего момента и блок переключения управляющего момента, причем второй и третий выходы вычислителя интервалов управления подключены соответственно к первым входам первого и второго вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, вторые входы которых подключены к первому выходу задатчика периода упругих колебаний, выход первого вычислителя временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, подключен к первым входам блока переключения управляющего момента и формирователя уровней управляющего мо.мента, выход второго вычислителя интервалов управления, кратных периоду упругих колебаний, подключен к вторым входам блока переключения управляющего момента и формирователя уровней управляющего момента, первый и второй входы формирователя знака управляющего момента связаны соответственно с третьим и четвертым входами формирователя уровней управляющего момента, первый выход задатчика периода упругих колебаний связан с третьим входом блока переключения управляющего момента и с пятым входом формирователя уровней управляющего момента, первый и второй выходы которого связаны соответственно с четвертым и пятым входами блока переключения управляющего момента, второй выход задатчика периода упругих колебаний соединен с шестым входом формирователя уровней управляющего момента, шестой и седьмой входы блока переключения управляющего. моментасоединены соответственно с вторым итретьим выходами формирователя знака управляющего моменты, выход блока пускасвязан с третьими входами вычислителейвременных интервалов, кратных периодуупругих колебаний, и восьмым входом блокапереключения управляющего момента, первый, второй, третий и четвертый выходыблока переключения управляющего момента соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блокаисполнительных органов,Предлагаемое устройство обеспечиваетсокращение длительности переходных процессов переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементоми тем самым достижение цели изобретения,Сравнение заявляемого техническогорешения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна".При изучении других известных технических решений в данной области техникипризнаки, отличающие изобоетение от прототипа, не были выявлены и поэтому ониобеспечивают заявляемому техническомурешению соответствие критерию "существенные отличия".8 основу изобретения положено следуюшее, Динамика объекта с присоединенным упругим элементом может бытьописана системой уравненийЗ 5 -:Ь;+.в 3 + а 1 й) 3/Л+ а йР 8 = - Ь 7,где - массово-инерционный параметр обьекта управления;Ь - коэффициент взаимовлияния корпуса объекта и упругого элемента;в - приведенная масса упругого элемента;и - частота колебаний упругого эле 45 мента;и - логарифмический декремент затухания,у - координата корпуса объекта управления;з - обобщенная координата упругогоэлемента.Идея управления таким объектом основывается на независимости от величины управления периода колебаний упругогоэлемента, который равенТ=2 лТ,гдеТ=1/ и,Если управляющее воздействие поддерживать равным ц на интервале времени, кратном периоду колебаний Т, то в конце этогоинтервала координаты упругого элемента будут находится в той же точке, что и в момент начала управления (з = О, з = 0).Для оптимального по быстродействию разворота объекта управления как "твердого" (без учета упругого элемента) необходимо приложить к нему управляющее воздействие релейного вида, имеющее два интервала постоянства, длительности которых определяются выражениями 11 = -0 оГДЕ т 1, т 2 - ДЛИтЕЛЬНОСтИ ПЕРВОГО И ВТОРОГОинтервалов;у(0 ), у(0 ) - начальное значение фазовых координат;о - максимальный управляющий момент;- момент инерции объекта управления,Длительности т 1, 12 могут быть не кратными периоду колебаний уупругого элемента(случай кратности является частным и маловероятнымм),т.е,О 1 =О 1+ 611;12 = 12 + Л 12,где 1 =с 1/2 лТ;2 лТ, и =Ы 2 лТ)2 лТ,ф - целая часть числа;Л 112 л Т, Ь 122 7 г Т,Зто может привести к возбуждению значительных по амплитуде колебаний упругогоэлемента при переключениях управляющего воздействия, Однако, если Л 11, Л 12"растянуть" до величины, равной Т, то вконце интервалов управления фазовые ксординаты упругого элемента окажутся и вэтом случаев точке (з = О, з = 0), но тогдакоординаты "твердого" тела не попадут вцель управления. Совмещение этих двух моментов можно осуществить уменьшениемвеличины управляющего воздействия на"растянутых" до Тк интервалах Л 11, Ь 2.Величины в 1, и 2 на этих интервалах легкоопределить из выражений ц 1 о 2 (0 )2 ЛТо 2 = ( У (0)+У (0)((-2 Т которые получены из систеотносительно длительностепри учете, чтоЛО = Л 12=2 КТ,Знак управляющего момента на первом интервале определяют в соответствии с выражениемО = -0 39 п ЧЧ= -+- - у( О ), (5)В результате в конце управления все фазовые координаты будут удовлетворять конечным условиям ( у= О, у= О, з = О, з = 0),Длительность же разворота будет большеоптимальной не более чем на два периодаколебаний упругого элемента.Для оценки преимуществ предлагаемого способа был проведен ряд математических экспериментов, Осуществлялсяразворот объекта управления с параметрамиМомент инерции объекта= 1400 кг м с,Максимальный управляющий момент - 48,57 кг м;Приведенная масса упругого элемента т = 3,5 кгс/м:Коэффициент взаимовлияния упр 2 угогоэлемента и корпуса объекта Ь = 10 кгс;Собственная частота колебаний упругого элемента в = 51/с;Длина упругого элемента Ь =- 2 м;Логарифмический декремент затуханияР= 0,05;на 10 градусов при нулевых значенияхостальных фазовых координат.Длительности интервалов управления объекта как твердого тела" равны 11 = 12 ==2,2657 с,г ри этом их кратные периоду колебаний упругого элемента части равны 11 = 12=1,2551 с.Уровни управляющего моментац 1 = 02 =- 41,68 кг м,40 В конце управления все фазовые координаты оказались в нуле, что соответствует целиуправления, При этом длительность управления составила 1 упр = 5,0205 с, в то времякак длительность управления, оптимально 45 го по быстрсдействию, объектом как "твердым телом" равна 1 опт = 4,5314 с, однако кней необходимо добавить время, затрачиваемое на затухание (или стабилизацию) остаточных колебаний упругого элемента.50 На чертеже представлена структурнаясхема предлагаемого устройства,Устройство состоит из объекта 1 управления с присоединенным упругим элементом 2, блока исполнительных органов 3,55 способного создавать управляющее воздействие разных знаков, регулируемое повеличине, датчиков угла 4 и угловой скорости 5, двух ключей 6 и 7, блока пуска 8,вычислителя интервалов управления 9, формирователя знака управляющего момента 10, двух вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний,11 и 12, задатчика периода упругих колебаний 13, на первом выходе которого сигнал пропорционален Ть а на втором Т/2, формирователя уровней управляющего момента 14, блока переключения управляющего момента 15.Устройство работает следующим образом.Текущие значения угла и угловой скорости снимаются с датчика угла 4 и датчика угловой скорости 5. При необходимости совершения разворота объектом 1 с присоединенным упругим элементом 2 включают блок пуска 8 (это может быть просто нажатие кнопки "Пуск" ), Разрешающий сигнал поступает на логические входы ключей 6 и 7, в вычислители временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, 11 и 12 и в блок переключения управляющего момента 15. Начальные значения угла и угловой скорости объекта поступают на входы вычислителя интервалов управления 9, на выходах которого формируются сигналы. пропорциональные длительностям интервалов управления объектом как "твердым" телом 11 и , вычисленные в соответствии с выражениями(1), (2), и на входы формирователя знака управляющего момента 10, с первого выхода которого управляющий сигнал определенного в соответствии с выражением (5) знака и соответствующий максимальному управляющему воздействию через блок переключения управляющего момента 16 включает блок исполнительных органов 3, который создает максимальный управляющий момент соответствующего знака, С первого и второго выходов вычислителя интервалов управления 9 сигналы, пропорци. ональные соответственно 11 и 12,поступают на входы соответственно первого и второго вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, 11 и 12, Кроме того, на входы этих вычислителей поступает сигнал, пропорциональный величине Т с первого выхода задатчика периода упругих колебаний 13, На выходах вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, 11 и 12 сформируются сигналы, пропорциональные соответственно величинам 11 и 12, На выходах формирователя уровней управляющего момента 14 сформируются сигналы, пропорциональные щ и ц 2, вычисленные в соответствии с выражениями (3) и (4), Сигналы,"пропорциоЙальныеО, с 2 и Ть поступают на входы блока переключения управляющего момента 15. Когда длитель 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ность управления, соответствующая действию максимального управляющего момента, станет равной 11, на вход блока исполнительных органов 3 поступит через блок переключения управляющего момента 15 сигнал, пропорциональный и 1, переключая его на создание управляющего момента того же знака, но величиной ц. Такой управляющий момент создается в течении времени Ть Затем происходит переключение на создание максимального управляющего момента противоположного знака втечение времени т 2 и момента а в течение времени Ть Схема возвращается в исходное состояние. Процесс управления заканчивается.Использование предлагаемого устройства управления динамическим объектом с присоединенным упругим элементом позволяет по сравнению с известными существенно сократить длительность управления, что подтверждают результаты математического эксперимента.Описываемое устройство в конце разворота полностью гасит колебания упругого элемента, вто время как прототип оставляет упругий элемент в возбужденном состоянии. При этом создаются возмущающие ускорения, достигающие по величине единиц и даже десятков процентов от ускорения, сообщаемого объекту исполнительными органами. Поэтому процесс высокоточной стабилизации может существенно затягиваться и превышать по длительности в несколько раз процесс разворота (до 30- 60 с и более).Формула изобретения Устройство управления динамическим объектом с присоединенным упругим элементом, содержащее блок исполнительных органов, соединенный выходом с входом объекта управления с присоединенным упругим элементом, датчик углового отклонения и датчик скорости, входы которых соответственно соединены с первым и вторым выходами объекта управления с присоединенным упругим элементом, а их выходы подключены соответственно к информационным входам первого и второго ключей, управляющие входы которых связаны с выходом блока пуска, выходы первого и второго ключей связаны соответственно с первым и вторым входами формирователя знака управляющего момента и вычислителя интервалов управления, третий вход и первый выход которого подключены соответственно к первому выходу и третьему входу формирователя знака управляющего момента,от л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения длительности переходных проТиражударственного комитета113035, Москва,Ж изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 цессов переориентации динамических объектов с присоединенным упругим элементом, в него дополнительно введены первый и второй вычислители временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, задатчик периода упругих колебаний, формирователь уровней управляющего момента и блок переключения управляющего момента, причем второй и третий выходы вычислителя интервалов управления подключены соответственно к первым входам первого и второго вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, вторые входы которых подключены к первому выходу задатчика периода упругих колебаний, выход первого вычислителя временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, подключен к первым входам блока переключателя управляющего момента и формирователя уровней управляющего момента, выход второго вычислителя интервалов управления, кратных периоду упругих колебаний, подключен к вторым входам блока переключения управляющего момента и формирователя уровней управляющего момента, первый и второй входы формирователя знака управляющего момента связаны соответственно с третьим и четвертым входами формирователя уровней управляющего момента, первый выход задатчика периода упругих колебаний связан с треть им входом блока переключения управляющего момента и с пятым входом формирователя уровней управляющего момента, первый и второй выходы которого связаны соответственно с четвертым и пя тым входами блока переключения управляющего момента, второй выход задатчика периода упругих колебаний соединен с шестым входом формирователя уровней управляющего момента, шестой и седь мой входы блока переключения управляющего момента - соответственно с вторым и третьим выходами формирователя знака управляющего момента, выход блока пуска связан с третьими 20 входами вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, и восьмым входом блока переключения управляющего момента, первый - четвертый выходы блока пере ключения управляющего момента соединены с одноименными входами блока исполнительных органов. Подписноеизобретениям и открытиям при ГКНТ СС