Устройство для активного демпфирования упругих колебаний элементов конструкции вращающегося объекта

СОЮЗ СОВЕТСНИХссецнпииаеиРЕСПУБЛИН 4(51) С 05 В 11/О в теорию Наука",рототип) 2. Устройс чающе есяделения максималсигнала содержитсоединенные гене изаци пл ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИ(56) 3, Атанс М., Фалб П. Оптимальное управление,. М., "Машиностроение", 3968, с. 503-524.2, Пановко Я.Г. Введениемеханических колебаний. М1971.3. Троицкий В.А, Оптимальныепроцессы колебаний механических систем. Л., "Машиностроение", 1976.4. Авторское свидетельство СССРпо заявке В 3595567/24,кл, С 05 В 33/00, 3983 (и(54)(57) 3. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКТИВ-НОГО ДЕМПФИРОВАНИЯ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ. КОНСТРУКЦИИ ВРАОАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, содержащее инвертор,сумматор, первый дифференцирующийблок, два релейных элемента, первыйэлемент И и последовательно соединенные блок исполнительных органов,объект управления, датчик угловойскорости и второй дифференцирующийблок, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения быстродействия устройства, оно дополнительносодержит последовательно соединенные, первый источник постоянного нап 1ряжения и первый ключ, последовательно соединенные элемент несовпадения, второй ключ и третий релейный элемент, иоследовательно соединенные формирователь модуля сигнала, блок выделения максимальногозначения сигнала, компаратор и второй элемент И, выход первого источника постоянного напряжения соеди- .нен с входом инвертора, выход которого соединен с входом третьегоключа, выход второго дифференцирующего блока подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходами первого и тртьего ключей, выход второго источника постоянного напряжения соединен с вторым входом компаратора,выход третьего релейного элсментасоединен с первым входом первогоэлемента И и с инверсным входомвторого элемента И, первый вход которого подключен к второму входупервого элемента И, выход второгоэлемента И соединен с первым вхо-дом блока исполнительных органови вторым входом первого ключа,выход первого элемента И соединенс вторыми входами блока исполнительных органов и третьего ключа,выход сумматора соединен с входами формирователя модуля сигнала,первого дифференцирующего блока ипервого рЕлейного элемента, выходпервого релейного элемента подключен к первому входу элемента несовпадения, а выход первого дифференцирующего блока соединен с вторымвходом второго ключа и через второйрелейный элемент - с вторым входомэлемента несовпадения. по.н. 1, о тлитем, что блок выного значенияпоследовательноатор импульсов диснудный детектор, четвертый ключ и запоминающий элемент, выход генератора импульсовдискретизации подключен к второмувходу четвертого ключа, вход блока 1 ) 34927выделения максимального значения сигнала подключен к второму входу амплитудного детектора, а выход - к выходу запоминающего элемента.Изобретение относится к областиуправления угловым движением подвижных объектов с нежесткой конструкцией и может. быть преимущественноиспользовано при проектировании и 5создании перспективных систем управ-,ления угловым движением объектовтакого класса,Известны устройства демпФирования для успокоения относительноговозмущающего движения гибких элементов конструкции вращающегося объекта, построенные с использованиемдемпФеров, которые с одной стороныкрепятся к относительно неподвижным частям конструкции, а с другой -к подвижным и предназначены дляпреобразования кинетической энергии подвижных элементов в какой-либо иной вид энергии, Использование 2 ОдемпФирующих свойств трения в шарнирных соединениях также можно отнести к данному способу демпФирования 1, Я и 3.Недостатком таких устройств является низкое быстродействие в техслучаях, когда специально используемые демпФеры или (и) естественноедемпФирование, обеспечиваемое конструктивными особенностями обьекта, Зоне в состоянии обеспечить требуемыхвременных характеристик переходного процесса успокоения возмущающегодвижения гибких элементов конструкции, а использование более мощныхдемпФеров либо нежелательно, либовообще невозможно.Наиболее близким к данному явля,ется устройство для демпФирования. колебаний, содержащее инвертор, сумматор, первый диФференцирующий блок, две релейных элемента, первый элемент И и последовательно соединенные блок исполнительных органов, объект уп равления, датчик угловой скорости4 и второй дифференцирующий блок Я. Недостаток этого устройства -малое быстродействие. Цель изобретения - повышение быстродействия.Для достижения цели устройство, содержащее инвертор, сумматор, первый дифференцирующий блок, два релейных элемента, первый элемент И и последовательно соединенные блок исполнительных органов, объект управления, датчик угловой скорости и второй диФФеренцирующий блок, дополнительно содержит последовательно соединенные первый источник постоянного напряжения и первый ключ, последовательно соединенные элемент несовпадения, второй ключ и третий репейный элемент, последовательно соединенныс Формирователь модуля сигнала, блок выделения максимального значения сигнала, компаратор и второй элемент И, выход первого источника постоянного напряжения соединен с входом инвертора. выход которого соединен с входом третьего ключа, выход второго дифФеренцирующего блока подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходами первого и третьего ключей, выход второго источника постоянного напряжения соединен с вторым входом компаратора, выход третьего релейного элемента соединен с первым входом первого элемента И и с инверсным входом второго элемента И, первый вход которого подключен к второму входу первого элемента И, выход второго элемента И соединен с первым входом блока исполнительных органов и вторым входом первого ключа, выход первого элемента И сое динен с вторыми входами блока исполнительных органов и третьего ключа, выход сумматора соединен с входами Формирователя модуля сигна1134927 4где б = Ч + Р(Ч) (Ч " обобщеннаякоордината текущего фазового состоя.ния осциллятора);Г(Ч) - некоторая однозначная функция своего аргумента, зависящая отпараметров самого осциллятора (собственная частота колебаний) и характеристик исполнительного органа,Однако поведение упругого элемен 10 та конструкции как правило описывается динамикой более чем одного осциллятора. Поэтому возникает вопросо формировании обобщенной информации о текущем состоянии всего упру 15 гого элемента ("эквивалентного" осциллятора) на основании информациио текущем угловом положении самогоГобъекта (датчика угла, угловой скорости либо углового ускорения).З 1 Второй вопрос заключается в формировании линии переключения. какфункции обобщенных координат "эквивалентного" осциллятора. Динамика движения объекта управления,Я 5 например, с двумя учитываемыми тонами упругих колебаний может бытьописана следующей системой дифференциальных уравнений:е 1х 1 =х,:г= а Ч+аз 5+30 + ц (2)фЧ =-ОЧ-ы Ч+Ъх,11 1з = -св - и з+ Ъх где х35 Ч 40 Ц = -Бддп (б) 3ла, первого дифференцирующего бло, ка и первого релейного элемента, выход первого релейного элемента подключен к первому входу элемента несовпадения, а выход первого дифференцирующего блока соединен с вторым входом второго ключа и через второй релейный элемент - с вто рым входом элемента несовпадения.Блок выделения максимального значения сигнала содержит последо - вательно соединенные генератор импульсов дискретизации, амплитудный детектор, четвертый ключ и запоминающий элемент, выход генератора импульсов дискретизации подключен к второму входу четвертого ключа, вход блока выделения максимального значения сигнала подключен к второму входу амплитудного детектора, а.выход - к выходу запоминающего элемента.На фиг, 1 представлена схема устройства для активного демпфирования упругих колебаний; на фиг, 2 схема элемента несовпадения.На фиг. 1 и 2 обозначены: блок исполнительных органов 1, объект управления, состоящий из собственно объекта 2, демпферов 3 и упругих элементов 4, датчик угловой . скорости 5, дифференцирующий блок , б, источник постоянного напряжения 7, инвертор 8, ключи 9, 10, сумматор 11, элемент несовпадения 12, дифференцирующий блок 13, ключ 14, формирователь модуля сигнала 15, релейный элемент 1 б, блок выделе: ния максимального значения сигнала 17, компаратор 18, источник постоянного напряжения 19, блок 20 управления исполнительными органами, амплитудный детектор 21, ключ 22, запоминающий элемент 23,.генератор импульсов дискретизации 24, элементы И 25 и 2 б, релейные элементы4 27, 28, элементы И 29, 30, элемент ИЛИ 31.Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.Известно решение задачи оптимального по быстродействию управления одиночным недемпфированным осциллятором с целью сведения к нулю значения его фазового вектора состояния, т.е. полной остановки движения гибкого элемента Я .- текущие угол и угловаяскорость объекта управления;- обобщенные координатыдвух тонов упругих колебаний;коэффициенты корреляции тон-объект; -, коэффициенты корреляцииобъект-тон;- коэффициенты демпфиро" вания,- собственные частотыколебаний. Для простоты выкладок будем полагать, что с и О малы и ими можно 50 пренебречь на интервале оцениваниявеличины, характеризующей возмущающее влияние упругих тонов на объект.Подставив третье и четвертое уравнения во второе уравнение системы, ч) значим а(с 1 + а" зС. Т а ц + а з. Ломножим пе 5 пп ие системы (4) на а, а 4+4) гдавое урвторо на а и сложим ихйа" 1 + а" з = -(сЛ а 1 + а аз)+(Ь 1,а + Ь) ас) С + ЧУ,Ю М +гдеЧ (Ьа+Ьа) ЧДанное уравнение описываетьоку "эквивалентного" осцилляС =-ц(с)С+ Чи,где Я з)(п- эквивалентная частотаколебаний упругих элементов,рая изменяется во времени вветствии с тем, в какой прнакладываются друг на другупругих колебаний. динатора(5) кото- соотопорци а тона Следовательно, выражение (5) имеет место и в более общем случае,когда на объект действует болеедвух тонов упругих колебаний,40Таким образом, система (2) можетбыть переписана в видех = С + Ч Б2(6)С = - ай)С + Щ (7)Отсюда несложно получить, чтопри постоянном управляющем воздействии Сх - текущая производная2от ускорения, а50С х - ЧБ.2(8)Выражение (8) может быть использовано для получения текущих значений обобщенной координаты отклоне,ния упругих элементов С и ее первой 55производной на основании информации, поступающей с.выхода датчикаугловой скорости.Величина С(С) характеризует собой возмущающее влияние динамики упругих элементов на объект управления в данный момент времени Это фактически мгновенная реакция объекта на воздействия со стороны упругих элементов, величина которой, как показано выше, пронорциональна отклонению осцилляторов от положения равновесия.Для осциллятора (7) линия пере" ключения б в законе управления (1) не может быть точно построена, так как параметр Яэв в общем случае изменяется в течение времени по на перед неизвестному закону, В связи с этим использование закона уп- равления (1) не представляется воз- можным, так как вид Функции Р(б ) практически определить невозможно, а от этого в большой мере зависят демпфируюшие свойства алгоритма. Наиболее опасными являются моменты смены знака управления, так как неточность определения Функции Р и разного рода инерционности в канале управления ведут к тому, что прикладываемое управление не демпФирует,. а, наоборот,раскачивает упругие элементы. Проведенные иссле- дования показали, что наилучшими демпфирующими свойствами и наибольшей простотой реализации обладает закон управленияс -Яоп (С), Яап (С) = 4 Язеп (С);который в противном случае, може быть записан в более компактном вид= -В(пп (й(рп (С) - 3(цп (й)10 (10) Яз.Впаду = О,= О,-1,( О,Данный закон .обеспечивае субоп- тимальное по быстродействию управление системой осцилляторов, динамика которых определяет динамику упругих элементов конструкции объекта. Вопрос об окончании процесса демпфирования может быть решен следукнцим образом. Обычно частоты основных тонов упругих коле-, баний конструкции с определенной1134927 1 С, l ь". с Ь (11)Предлагаемое устройство работает следующим образом.При необходимости демпфирования колебаний упругих элементов констру ции объекта информация с датчика 5 дифференцируется с помощью блока б и затем суммируется с информацией, поступающей с выходов ключей 9 и 10 при отсутствии управляющих сигналов с выходов блока 20 ключи 9 и 10 закрыты и на второй вход сумматора 11 поступает нулевой сигнал. Источник постоянного напряжения 7 выдает сигнал, пропорциональный величи. не ускорения 0 (3), создаваемого исполнительными органами. Поэтому при наличии управляющего сигнала на первом выходе блока 20 (отрицательное управление) в соответствии с выражением (8) на второй вход сумматора 11 поступает сигнал Б а на выходе сумматора имеем С = х 1 + Б . При наличии управляющего сигнала на втором выходе блока 20 на выходе сумматора 11 С = хФ г - Б , Сигнал С дифференцируется с помощью блока 13, а знаки С и С . сравниваются в блоке 12, который определяет знаки поступающих на его входы сигналов с использованием элементов 27, 28 и осуществляет их сравнение на схеме несовпадения,собранной из двух элементов И иэлемента ИЛИ, иа выходе которогоразрешающий сигнал в случае з 1 яп(С) = -зз 8 п (С). При этом информация С с выхода блока 13 через ключ14 поступает на вход элемента 1 бЭкоторый Формирует Функцию Бдп Си подает ее значения на второй входблока 20 для формирования управления исполнительными органамиНо управление к объекту прикладыРаботоспособность предлагаемогок- устройства исследуют путем матема 20 тического моделирования на ЦВИЕСпроцесса управления сложного динамического объекта с четырьмя осцилляторами, система уравнений, описывающих его динамику,25 аналогична системе (2) (разницалишь в том, что добавлены два высокочастотных тона с существенно меньшими коэффициентами а, Ь и примерноравными коэффициентами демпфирования30по сравнению с первыми двумя,низкочастотными, тонами)Исследования показали работоспособностьустройства и высокую эффективностьдемпфирования низкочастотных колеба.ний, Высокочастотные колебания приэтом не возбуждаются ввиду учетаограничения типа СЬ 2Ьприформировании управления. Аналогичный эффект можно достигнуть предва 4 .рительной фильтрацией сигнала Сот высокочастотных составляю -щих,точностью известны. Если в качест ве некоторого мерного интервалалвремени Ь выбрать период самого низкочастотного тона ( й с = Т), то максимальнЬе значение абсолютной величины С на этом интервале ( /С я, д ь ) характеризует собой уровень упругих колебаний конструкции, Теперь если задаться некоторым уровнем . упругих колебаний, который считается допустимым, то ус ловие окончания процесса демпфирования может быть представлено в ви- де 8твается только в случае, если /С /ЬЬ. Величина уровня Ь задается источником 19, а /С д / 6 формируется на выходе блока 17, ко торый состоит из амплитудного детектора 21, определяющего максимальную амплитуду поступающего сигнала (может быть реализован на операционном усилителе), генератора 24, 10 задающего интервал Ь и осуществляющего одновременно фиксацию на запоминающем элемент 23 нового значения С /и сброс в ноль детектора 21 (элемент 23 также может быть 15 реализован на базе операционногоусилителя) . Для сравнения качества активного 45,демпфирования проводят исследование,использования этого режима в процессе высокоточной ориентации и стабилизации упругого объекта сй= 0,1, 0 б = 0,15. Наиболее высокий 50уровень упругих колебаний наблюдается после окончания этапа ориентации.После окончания процесса ориентациииспользуют режим активного демпфирования. Эффективность подавленияупругих колебаний в большой мере 55зависит от величины параметров Ь"1УскоРения 1ваемого исполнительными органамии начального уровня колебаний. НаиЗаказ 10089/41Подписное НИИПИираж 8 ЬЗ Фце большего эффекта удается достичь,когда ЬТл,;сс 1/Я где Ь Тминимальная длительность управляющего импульса, создаваемого исполнительными органами,и щах(а,и,1,и,0,5 аТ Ч с Е. 34927 10Проведенные исследования показали, что в среднем при реализации режима демпфирования - стабилизации этап высокоточной стабилизации упф ругого объекта, исполнительные органы которого удовлетворяют перечисленным требованиям, может быть сокращен по времени на 50-1003. Филиал ППП патент",г. Ужгород, ул, Проектная,