Следящий пъезопривод с коррекцией неоднозначной статической характеристики

СООЭ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) (11) 15 С 05 В 11 щь тем, и регу- качест- ьезос целью повью вания при испо сполнительного зовани л игателя укичев,итриев ат значности лектронно ы корректирующие х на единицу мень линейной аппрокс рактерйстики пье торых соединены ля рассогласования изо-,(56) 1,.Авто )1 620940, к2. Автор У 647646, к(54)(57) С РЕКЦИЕЙ НЕ ХАРАКТЕРИС рассогласо ерез с выход рой вхо ройства выходчерелител осл и и н с оедин ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ САНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ(53) 62.50(088.8) ское свидетельство ССС С 05 В 11(01, 1976. кое свидетельство СССР С 05 В 11/01, 1976.ЕЛЯЩИЙ ПЬЕЗОПРИВОД С КОРДНОЗНАЧНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ ИКИ, содержащий измеритель ания, первый вход которотчик положения соединен объекта регулирования, втос выходом задающего уствыход - с первым входом сумматора, выход которого едовательно соединенные ус сполнительный двигатель входом объекта регулирования, о т л и ч а ю щ и йчто, ения точн счет коррекции неодностатической характеристики, в него введеблоки, число которше числа участковмации статической хадвигателя, входы кс вьжодом измерите а выходы корректирующих блоков соединены с соответствующим входом выходного сумматора, каждый корректирующий блок содержит нелинейный элементи последовательно соединенные сумматор, инвертирующий интегратор и масштабный блок, вьжод которого являетсявыходом корректирующего блока, входомкоторого является первый вход сумматора, второй вход которого соединенс выходом нелинейного элемента, третий вход - свыходом инвертирующегоинтегратора, а выход - с входом нелинейного элемента.11202 Изобретение относитсяк автоматическому управлению и может Гыть использовано в следящих системах, вкоторцх в качестве исполнительногодвигателя используется пьезодвигатель,Пьезодвигатели обладают высокойнагрузочной способностью до 3-4 кН,большой точностью позициониирования(попрешность установки не превышает дО0,2 мкм при подаче соответствующегоуправляющего воздействия)и высокимбыстродействием, позволяющим перемещать регулируемый объект с частотой200-400 Гц,15Однако пьезодвигателям присущ характерный недостаток - наличие неоднозначной нелинейной статической характеристики в виде петли гистерезиса, Наличие элемента с такой характе ристикой внутри контура, охваченного обратной связью, может вызывать авто- колебания в следящем приводе.Известны следящие системы с компенсацией нелинейности типа "люфт 11,25Недостатком известных следящих систем является невозможность ее построения при использовании в ней пьезодвигателя в качестве исполнительного ддвигателя, так как в силу конструк О тивных особенностей пьезодвигатепя нельзя измерить параметры перемещения собственно исполнительного двигателя отдельно от нелинейного звена типа "люфт".Наиболее близким по технической сущности к предложенному являетсяследящий привод с коррекцией люфта,содержащий измеритель рассогласования, первый вход которого через дат Очик положения соединен с выходом объекта регулирования., второй входс выходом задающего устройства, а выход - с первым входом выходного сумматора, выход которого через последо вательно Соединенные усилитель и исполнительный двигатель соединен свходом объекта регулирования 2. Принцип коррекции статической характеристики, использованной в известбО ном следящем приводе основан на измерении скорости перемещения и положения исполнительного двигателя перед элементом, имеющим нелинейную статическую характеристику, При использо вании пьезодвигателя.такие измерения невозможны, так как нелинейность его статической характеристики обусловле 79 гна свойствами применяемого пьезоматериала и нельзя выделить точку дляподключения датчика скорости междудвигателем и элементом с нелинеинойстатической характеристикой.Целью изобретения является повышение точности регулирования при использовании в качестве исполнительного двигателя пьезодвигателя за счеткоррекции неоднозначности его статической характеристики,Поставленная цель достигается тем,что в следящий пьезопривод с коррекцией неоднозначной статической характеристики, содержащий измеритель рассогласования, первый вход которогочерез датчик положения соединен свыходом объекта регулирования, второйвход - с выходом задающего устройства, а выход - с первым входомвыходного сумматора, выход которогочерез последовательно соединенныеусилитель и исполнительный двигательсоединен с входом объекта регулирования, введены корректирующие блоки,число которых на единицу меньше числа участков линейной аппроксимациистатической характеристики пьезодвигателя, входы которых соединены с выходом измерителя рассогласования,а выходы корректирующих блоков соединены с соответствующим входом выходного сумматора, каждый корректирующийблок содержит нелинейный элемент ипоследовательно соединенные сумматор,инвертирующий интегратор и масштабный блок, выход которого являетсявыходом корректирующего блока, входом которого является первый входсумматора, второй вход которого соединен с выходом нелинейного элемента, третий вход - с выходом инвертирующего интегратора, а выхоц - с входом нелинейного элемента,На фиг. 1 представлена блок-схемапредлагаемого устройства; на фиг, 2статическая характеристика пьезодвигателя и график связанного с ней напряжения, подаваемого в следящейсистеме на пьезодвигатель.Устройство содержит измеритель 1рассогласования, датчик 2 положения,объект 3 регулирования, задающее устройство 4, сумматоры 5, нелинейныеэлементы б, инвертирующие интеграторы 1, масштабные блоки 8, выходнойсумматор 9, усилитель 10, исполнительный двигатель 11, являющийся пьезодвигателем, корректирующие блоки 12.На фиг. 2 а и б введены следующие обозначения: Х - перемещение рабочего органа пьезодвигателя; Я - напряжение, приложенное к пьезодвигателю; Б - сигнал рассогласования. РСледящий пьезопривод работает следующим образом.Положение объекта 3 регулироваЪ ния измеряется датчиком 2 положения, выходной сигнал которого поступает 10 в измеритель 1 рассогласования, где сравнивается с сигналом задающего устройства 4. Выходной сигнал БР измерителя рассогласования поступает на первые входы каждого из суммато ров 5. Сумматоры 5,нелинейные элементы 6, инвертирующие интеграторы 7, масштабные блоки 8, а также выходной сумматор 9 и усилитель 10 служат для формирования напряжения У, подава емого в следящей системе ца пьезодвигатель 11. Коэффициент передачи совокупности этих элементов следящей системы изменяет в зависимости от сосогласования состояние пьезодвигателяописывается начальной точкой Х, Уона статической характеристике (фиг,2 а) .Характер нелинейности не зависит отположения точки Хо, Б аполностью,оп -ределяется функцией 1(Я-/), постоянной для данного типа пьезоцвигателяописываемого формулой х = (И /) 8 дп - + Х (1) В момент изменения знака скоростиЙхдвижения - фиксируется новое пол -Жжение координат начальной точки Х 10 (для конкретной статической характеристики на фиг. 2 а Хо = Х, = У). Коэффициент передачй пьезодви-. гателя 11, соответствующий начальному наклону кривой О , Ь, С у точки Х Бр, минимален. Поэтому требуется чтобы коэффициент передачи группы элементов 5 - 10 был максимальным. С этойФ "целью коэффициент усиления усилителя 10 выбирается равным к -Еа:-Ъ. р 1 о(2) При этом сигналы на выходах инвертирующих интеграторах 7 остаются нестояния пьезоэлектрического двигателя 11, определяемого точкой на статической характеристике (фиг. 2 а).В момент изменения знака сигнала расизмецными, Сигнал выходного сумматора 9, усиленный усилителем 10, подается на пьезодвигатель 11, вызывая перемещение объекта 3 регулировацця из точки Хб в точку Х. Таким образом, на участке Д ь статической характеристики (фиг. 2 а) при изменении сигнала рассогласования Бот Про до Ир, объект регулирования перемещается цз точки Хо в точку Х, т,е, суммарный наклон статической характеристики равен с 1 х Х - Хо Хф- Хо(3)Ор .ро 0 1 о где А - коэффициент, определяющий средний наклон статической характеристики пьезодвигателя при максимальном изменении напряжения,При дальнейшем увеличении напряжения рассогласования увеличивается наклон статической характеристики, поэтому коэффициент передачи группы элементов 5-10 должен уменьшаться. Это достигается в результате действия сумматоров 5, нелинейных элементов 6 и инвертирующих ицтеграторов 7. Статические характеристики нелинейных элементов 6 выбираются симметричными и описываются уравнениемБМ, при Б,(;) ) (1, 15; = 11.;(с:)Спри Вц, (Е)/(Б,(4)-Бм, при И ( -1 Р, где Бц, - напряжение на выходе ь-го нелицейцого элемента 6 (1. = 1,2, , и); У- максимальное напряжение на выходе -го нелинейного элемента 6, при котором наступает ограничение выходного сигнала 13; Сц - коэффициент передачи нелинейного элемента 6 при отсутствии ограничения; Ч; Сн У = -- приведенное к входу 1-го Р 1+С сумматора 5 напряжение ограничения Б,.М В случае если выполняется условие Ин,(С)/1 Б, на второй вход -го сумматора 5 поступает усиленный в С, раз выходной сигнал. При этом коэффициент передачи сумматора 5 от первого входа к выходу уменьшается См + 1 раз, Напряжение на выходе интегратора 7, вход которого подключен к выходу сумматора 5, в этом случае описывается уравнением(5) где Т оянная време нтегратора 7. 5Так как коэффициент передачи нелинейного элемента С 11 может быть выбран достаточно большим, постоянная времени (С, . 1)Т апериодического звена (5), замещающего элементы 1 5-7 будет большой и напряжение ца выходе инвертирующего интегратора будет оставаться практически неизмеццым при быстром изменении сигнала Бр. При этом скорость изменения выходно го напряжения усилителя 10 определяется только сигналом, поступающим на п+1 вход выходного сумматора 9.При увеличении сигнала рассогласования Бр и, соответственно, нри . 2 неэыполнении условия В/ ( Б рцсвыходной сигнал х-го нелиНейного элемента принимает значение ИА, или -Б 1, В этом случае напряжение на выходе -го интет ратора 7 описывает ся уравнением О Рчъл Р (Р)(6)Т + 1ГПри этом постоянная времени апериодического звена (б), замещающего злементы 5-7 будет равна постоянной времени Т интегратора 7, т,е, в (Сц + 1)раз меньше, чем в случае (5) и присутствует постоянная составляющая УмПереход групп элементов 5-7 Р состоянию, описываемому уравнением (б),происходит последовательно. С этойцепью статическая характеристикапьезодвигателя разбивается ца линейЩные отрезки, границы которых определяются напряжением УНа участке Р(, статической характеристики (фиг, 2 а) при изменении ситнала рассогласования Ур от Ьрдо 0 р 245первая группа элементов 5-7 переходитв состояние, описываемое уравнением(6), Это означает, что при быстромизменении сигнала рассогласования Брскорость изменения выходного сигналапервого интегратора 7 существенно неотличается от скорости изменения Пр,Поступая на первый вход выходногосумматора 9, сигнал Бн вызываетуменьшение скорости нарастания цапря 5 сжецияЖ 1 Ф подаваемого ца пьезодвигаБ.тель 11 (отрезок 5 с фиг. 2 б). Путемвыбора коэффициента усиления С усиолителя 8 с номером= 1 по формуле1-Р1-1обеспечивается движение регулируемого объекта из точки Х в точку Хпри изменения сигнала рассогласования от 13 р 1 дс Ур 2 .Таким образом, ца отрезке Х Х 2о 2 обеспечивается корректироька нелинейности статической характеристики ьеэодвигателя и достигается постояностается посхство производной - .= А , Коррективр х ровка статической характеристики пьезодвигателя на остальных отрезках аппроксимирующей кривой производится аналогично, путем выбора коэффициентов усиления усилителей 8 по формуле (7) и выбора напряжений огра ничеция Б нелинейных элементов.При перемене знака скорости изменения сигнала рассогласования Б т.е. при необходимости изменения направления движения регулируемого объекта выходные напряжения У инН( теграторов 7 описываются уравнецием (5). Следовательно, напряжения Ц, фиксируются ца уровне, ца котором они находились до момента перемены направления движения регулируемого объекта. При этом переход интеграторов 7 к состоянию, описываемому уравнением (6), происходит в том же 1, Впорядке, что и при движении из точки Х , Ьо, так как характеристика пьезодвигателя симметрична (1) и симметричны также характеристики нелинейных элементов 6(4).Б этом случае на отрезке е Г (фиг. 2 б) скорость изменения напряжения Б на пьезодвигателе 11 максимальна и определяется собсщ 3 енным коэффициентом передачи пьезодвигателя, Затем, как и в случае движения из точки Хр, Бд происходит поочередный переход ингеграторов 7 к состоянию, описываемому уравнением (б), и скорость изменения напряжения П для каждого последующего отрезка аппроксимации уменьшается. В результаЙхте производная в , = АПрстояцной и при обратном движениипьезодвигателя. Из этого следует, что суммарная статическая характеристика пьезопривода становится линейной и однозначной, т,е. корректируется нелинейная неоднозначная стати т 1 ческая характеристика пьезодвигателя. Так как точка начала движения Х 01 о и точка изменения направления движения Х 4, 04 были выбраны произвольно, рассмотренный процесс корректировки реализуется при любом их расположении на статической характеристике пьезодвигателя. Поэтому при 120279любом изменении сигнала рассогласования Орпредложенный пьезоприводможно рассматривать как линейный. Следовательно, в нем отсутствуют автоколебательные процес сы, повышается динамическая точность слежения за заданной координатой.1120279 Составитель Р, БатаршинРедактор Г, Волкова Техред М,Тепер Корректор А. Тя з 773 ППП "Патент, г, Ужгород, ул. Проектная,Фили 34 Тираж 841НИИПИ Государственногопо делам изобретений035, Москва, Ж, Рау Подписикомитета СССРоткрытийская наб д. 4/5