Импульсная следящая система

(56) Авторское свидетельство СССРМ 300874. кл. 0 05 О 11/00, 1969,Авторское свидетельство СССРМ 1228070, кл. 6 05 В 11/01, 1984.Авторское свидетельство СССРМ 1366980, кл. 6 05 О 11/01, 23.03.86.(54) ИМПУЛЬСНАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА(57) Изобретение относится к машиностроению и авиационной технике и может бытьиспользовано для управления станками счисловым программным управлением, роботами-манипуляторами, пилотируемыми ибеспилотными летательными аппаратами,локаторами и т.д, Целью изобретения явля.: Изобретение относится к машиностроению и авиационной технике и может быть использовано для управления стайками с числовым программным управлением, роботами-манипуляторами, пилотируемыми и беспилотными летательными аппаратами, локаторами и т.д.Целью изобретения является повышение точности, быстродействия, системы, а также КПД и надежности системы.На фиг.1 представлена структурная схема системы с первым вариантом выполнения блока импульсов; на фиг.2 принципиальная электрическая схема второго варианта выполнения блока сравнения импульсов; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу системы.На чертежах приняты следующие обозначения; ется повышение точности, быстродействия, КПД и надежности системы, Поставленная цель достигается за счет того, что в зависимости от величины рассогласования меняется величина управляющего воздействия на исполнительный механизм. При больших сигналах рассогласования на исполнительный механизм действует постоянный сигнал. при малых - единичные импульсы, а при промежуточных значениях сигнала рассогласования - импульсный сигнал скважности два. Кроме того, особенностью системы является то, что в ней сигнал задания и регулируемая координата предварительно подвергаются широтно-импульсной модуляции и в дальнейшем все последующие а действия осуществляются только над импульсными сигналами. б з,п. ф-лы, 3 ил,преобразователь 1 положение - код. элементы ИЛИ - НЕ 2 и 3. дифференцирующий конденсатор 4. потенциометр 5, масштабирующий резистор б, выходной вал 7 электродвигателя 8, измеритель 9 рассогласования, 85-триггер 10, элементы И-Н Е 11 и 12, усилитель 13 мощности, якорь 14 электродвигателя 8, формирователь 15 импульсов, элементы ИЛИ - НЕ 16 и 17, О- триггер 18, диод 19, масштабирующий резистор 20, дифференцирующий конденсатор 21, масштабируюший резистор 22. дифференцирующий конденсатор 23, ждущий мультивибратор 24, элемент ИЛИ - НЕ 25 и 26, масштабирующий резистор 27, дифференцирующий конденсатор 28, диод 29, согласующий резистор 30, масштабирующий резистор 31. транзисторы 32-37, масштзбйрующие резисторы 38-40, интегрирующий и дифференцирующие конденсаторы 41 и 420 блОк 43 сравнения импульсов, дифференцирующий конденсатор 44, масштабирующий резистор 45, общая шина 46, элементы И-НЕ 47-50, конденсаторы 51 и 52, элементы И-НЕ 53 и 54, задатчики 55, источники 56 напряжения питания, согласующий резистор 57,механическая передача 59, интегрирующий конденсатор 58, источник 60 питания, ключ 61, 1-й выходной сигнал 1-го элемента или блока системы, Х - выходной сигнал задатчика 55, т.е. сигнал задания, Х - выходной сигнал преобразователя 1 положение - код, т.е, регулируемая координата, 0 и 0 - выходные сигналы ЯЯ- триггера 10,устроЙство работает следующим образом.Входной сигнал Хх задатчика 55, полезная информация в котором содержится в ширине импульса (фиг.З), запускает преобразователь 1 положение - код, вырабатывающий сигнал Х, длительность импульсов которого изменяется и зависит от положения движка потенциометра 5 (фиг.З), Сигналы Хх и Х поступают на входы измерителя 9 рассогласования, на выходах элементов которого офОрмируются СИГНаЛы 147 - ХхвХ, Олв " Хох Х, О 49 = ХахХ и О 5 О = ХехХ (фигЗ. СИГналы ХвхХ и О 48 = ХвхХ и О 49 = ХвхХ поступают соответственно на Б и Я-входы ВЯ-триггера 10, который определяет знак сигнала рассогласования, т.е, определяет направление вращения якоря 14 электродвигателя 8. С выходов 0 и ОЯЯ-триггера 10 сигналы знака (т,е, направления вращения) поступают на управляющие входы ключа 61 (фиг.З).Сигнал Озо = Хвй( с выхода элемента И-НЕ 50 измерителя 9 рассогласования поступает на информационный вход формирователя 15 импульсов, где импульс Оо даже бесконечно малой длительности расширяется до импульса О 15 длительностью т 1(фиг.З) необходимой и достаточной для максимально возможноЙ скорости вращения вала 7 электродвигателя 8, но с соблюдением условий устойчивости системы (без перерегулирования), что определяется параметрами ВЯ-цепочки, состоящей из масштабирующего резистора 20 и дифференцпрующего конденсатора 21, номиналы которых выбираются исходя из динамических характеристик исполнительного механизма, функционально состоящего из усилителя 13 мощности, исполнительного электродвигателя 8 и механической передачи 59, Расширенные им пульсы поступают на информационный вход ключа 61,0 на одном из выходов которого появляются импульсные сигналы Х(фиг.З) СИГНаЛ О 4 Т = ХвхХ С ВЫХОда ЭЛЕМЕНта И-НЕ 47 измерителя рассогласования 9 через дифференцирующую цепочку, состоящую из масштабирующего резистора 22 и дифференцирующего конденсатора 23, помультивибратора 24, который по положительному перепаду сигнала 7 = ХвхХ (фиг,З) вырабатывает импульс О 24 длительностью г 2 (фиг.З). Этот сигнал поступает на С-вход триггера 18, на 0-вход которого по- СТуПаЕТ СИГНаЛ Озо = ХвхЯ Х С ВЫХОДа ЭЛЕМЕН- та И - НЕ 50 измерителя 9 рассогласования.Если длительность импульса О 24 меньше длительности импульса Ояо = Хвх 9 Х, то на прямом выходе О-триггера 18 устанавливается сигнал О 4 з равный "1" (фиг.З), который через диод 19 поступает на опорный вход формирователя 15 импульсов, на его выходе устанавливается сигнал "1", который поступает на информационный вход ключа, На выходе ключа 61 формируется сигнал О 61 (фиг.З). Транзисторы усилителя 13 мощности открываются и на якорь 14 электродвигателя 8 поступает постоянное напряжение, Его вал 7 развивает полный крутящий момент,По мере изменения положения вала 7 исполнительного электродвигателя 8 изменяется положение движка потенциометра 5, что приводит к изменению длительности импульса сигнала Х на выходе преобразователя 1 положение - код. Это приводит к уменьшению длительности сигнала О =- Хох Э Х на выходе элемента И-НЕ 50. Когда она станет меньше длительности г 2 О-триггер 18 опрокидывается, На его инверсном выходе появляется напряжение с уровнем "1", которое через диод 29 и резистор 30 поступает на вход элемента И-НЕ 26 ждущего мультивибратора 24 и корректирует длительность т импульсов О 24 в сторону их уменьшения до величины тз, При этом, если длительность тз импульса О меньше дли- ТЕЛЬНОСТИ ИМПуЛЬСа СИГНаЛа Оьо = ХвхеХ На выходе элемента И-НЕ 50, то на прямом выходе 0-триггера 18 и на выходе блока 43 сравнения импульсов появляется напряжение О 4 з с уровнями "1" и "0" (фиг,З) и через каждый период сигнала задания Хвх (режим 3) электродвигатель 8 развивается 50% МОЩНОСТИ.Если длительность тз импул.а и 24 больше длительности импульса сигнала Ово 15 20 25 30 35 40 45 50 55 10, ступает на информационный вход ждущегог Хвх 9 Х, то нэ прямом выходе О-триггера устанавливается сигнал "О",Таким образом, при больших сигналах рассогласования, т,е. если длительность импульса О 24 меньше длительности импульса Ово = Хахов Х, то на электродвигатель 8 поступает постоянное напряжение и он развивает полную мощность (режим 2, фиг.З), По мере уменьшения величины рассогласования уменьшается длительность импульса Ово = Хвх 6 К В том случае, когда длительность импульса О 24 больше длительности импульса Ово = Хвх 6 Х, а длительность тз импульса О 24 меньше длительности импульса Ово = ХвхЮХ, то на электродвигатель поступает импульсный сигнал скважности два, т,е; он развивается 50% своей мощности (режим 3, фиг.З). Когда длительность импульса Ово = ХвхХ становится меньше длительности тз импульса и 24 (режим 1, фиг,З), О-триггер 18 выключается. На его прямом выходе устанавливается сигнал "0", а в каждый период сигнала задания Хвх на электродвигатель 8 поступает импульс длительностью т 1 для точной установки вэлЭ 7 электродвигателя 8 на требуемый угол отклонения или точного передвижения рейки исполнительного механизма нэ требуемую длину,Так как система будет работать до тех пор. пока разность сигналов Хвх и Х на выходе элемента И-НЕ 50 измерителя 9 рассогласования не станет равной нулю(точнее бесконечно малой величине с учетом сухого трения), то вал 7 исполнительного электродвигателя 8 ьсегда будет устанавливаться в требуемое положение с нулевой ошибкой Ь, точнее с ошибкой Л, равной бесконечно малой величине, зэв сящей от параметровЛ г аад/21 к/перКсоп 1 рКцгде т зад - время задержки одного элемента И - НЕ измерителя 9 рассогласования (наносекунды);Кпер - отношение максимальной длительности импульса Хвх к его минимальной длительности. Кпер может быть выбрано любым от 1 до 100 и более. Чем больше К пер и меньше г аад. тем меньше составляющая погрешности, г эад/21/ К пер и практически реально достижение ее знэчв.,я бесконечно малой величины третьего четвертого порядка.Кс.ппр - коэффициент, учитывающий работу чувствительного элемента и ри наличии сухого трения (кулоновского), В.ыполнение чувствительного элемента конденсаторного типа (или еще более точного) уменьшает5 10 Кс.вр до малой, величины. а выражение Гзад/2, 1/Кпер ф Кслпр дает в результате уменьшение порядка бесконечно малой величины до второго - третьего порядка,Кп - коэффициент, учитывающий динамические характеристики исполнительного механизма (сервомеханизма).Из всего сказанного вытекает следующее.При любых динамических характеристиках исполнительного механизма значение его мертвой зоны в данной системе можно устанавливать бесконечно малой величины второго - третьего порядка, но при 15 худших динамических характеристиках исполнительного механизма. Вращение вала электродвигателя в точном режиме слежения несколько уменьшается, что определяется параметрами резистора 20 и 20 конденсатора 21, При необходимости вве-.дения эоны нечувствительности в формирователе 15 импульсов устанавливается ВС-цепочка, постоянная времени тес которой и является определяющей для ширины 25 мертвой зоны.В зависимости от динамических характеристик исполнительного механизма устанавливают зоны действия режима 2 )100 мощности) и режима 3 (50 вмощ: - : сти) пу тем подбора номиналов резистора 27 и конденсатора 28(режим 3) и резисторов 27 и 30 (режим 2).В данном техническом решении динамические характеристики всей системы оп ределяются только динамическимихарактеристиками исполнительного механизма, а во всех остальных традиционных .известных аналогах зависят еще и от динамических характеристик других элементов 40 системы управления, что является оченьбольшим недостатком аналогов.При осуществлении регулирования вданной системе на скоростях, равных скорости регулирования аналогов, в ней ширина 45 мертвой зоны будет бесконечно малой величиной второго - третьего порядка, а пои осуществлении регулирования с минимальными мертвыми зонами, известными из анэ логов в данной системе скорости 50 регулирования увеличиваются на один-двапорядка, по причине отсутствия в ней инерционных звеньев: интеграторы, дифференциаторы и т.д,Крометого. вь,полнениеусилителя мощ ность по предложенной схеме позволяет су.щественно повысить КПД и надежность системы так, как при изменении тока элек-.тродвигателя 8, например при изменении нагрузки, приклэдываемой к выходному вэлу 7 электродвигателя 8, изменяется ток базы транзистора 33 (или 35) и он входит в более глубокое насыщение при увеличении тока нагрузки, что приводит к более глубокому насыщению транзисторов 37 и 34 (или 5 36 и 32). При малых токах нагрузки базовые токи транзисторов незначительны, т,е. осуществляется адаптация усилителя мощности при изменениях момента.прикладываемого к выходному валу испол-.10 нительного механизма.В известных же технических решениях при фиксированных токах базы транзисторов усилителя мощности, которые весьма значительнь 1, при увеличении тока нагрузки 15 транзисторы выходят из глубокого насыщения. На переходах эмиттер - коллектор этих транзисторов возрастает падение напряжения, что приводит к увеличению рассеиваемой на них мощности и к уменьшению 20 мощности, подводимой к якорю 14 электродвигателя 8.Формула изобретения1. Импульсная следящая система, со-, держащая ключ, формирователь импульсов 25 и последовательно соединенные усилитель мощности, электродвигатель, механиче,скую передачу и преобразователь положение - код, выходом соединенный с первым входом измерителя рассогласования, вто рым входом подключенного к выходу задатчикэ,отл ича ющаяся тем,что,с целью повышения точности и быстродействия системы, в неи дополнительно установлен блок сравнения импульсов. соединенный инфор мэционныгл входом с первым модульным вь 1 ходом измерителя рассогласования, ОГ 10 рныгл входом с вторым модульным вы" ходом измерителя рассогласовэния и информационным входом формирователя 40 иглпульсов, э выходом - с опорным входом форглировэтеля импульсов, соединенного выходом с инфорглационным входом ключа, подключенного 11 ервьнл и вторым выходами к первому и второму входам усилителя мощ ности, а первым и вторым управляющими входами к первому и второглу знаковым выходам измерителя рассогласования, вторым модульным выходом соединенного с информационным входом формирователя импуль сов, выход задатчика соединен с входом синхронизации преобразователя положен ие - код.2. Систеглэ по п,1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что измеритель рассогласования со держит первь 1 й элеглент И-НЕ, первый и второй входы которого являются первым и вторь 1 м входами измерителя и соединены соответственно с первыми входами второго и третьего элементов И- НЕ, а выходом - с вторыми входами второго и третьего элементов И - НЕ, выход второго элемента ИНЕ соединен с первым входом четвертого элемента И - НЕ и Я-входом ЯЯ-триггера и через первый конденсатор - с общей шиной, выход третьего элемента И-НЕ соединен с вторым входом четвертого элемента И-НЕ, Я-входом ЙЯ-триггера и через второй конденсатор - с общей шиной, причем выходы первого и четвертого элементов И - Н Е являются первым и вторым модульными выходами измерителя, а первый и второй выходы триггера - первым и вторым знаковыми выходами измерителя.3. Система по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения КПД и надежности системы, усилитель мощности содержит шесть транзисторов одного типа проводимости, два масштабирующих резистора и источник напряжения питания, соединенный выходом с эмиттерами первого и второго тр;нзисторов, подключенных базами к эмиттерам соответственно Гоетьего и четвертого транзисторов, коллектор первого транзистора соединен с коллектором третьего транзистора с эмиттером пятого транзистора и через первый масштабирующий резистор - с базой четвертого транзистора, коллектор второго транзистора соединен с коллектором четвертого транзистора, эмиттером шестого транзистора и через второй масштабирующий резистор - с базой третьего транзистора, базы пятого и шестого транзисторов являются первым и вторым входами усилителя, а их коллекторы соединены с общей шиной, коллекторы первого и второго транзисторов являются выходами усилителя,4. Система по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что преобразователь положение - код содержит первый масштабирующий резистор, соединенный первым выводом с общей шиной и первым выводом второго масштабирующего резистора, а вторым выводом через первый дифференцирующий конденсатор - с вторым выводом второго масштабирующего резистора и первым входом первого элемента ИЛИ-НЕ, подключенного вторым входом к выходу второго элемента ИЛИ-НЕ, а выходом через второй дифференцирующий конденсатор - к обоим входам второго элемента ИЛИ-НЕ и первому выводу третьего масштабирующего резистора, Соединенного вторым выводом с первым выводом потенциометра, подключенного вторым выводом к выходу источника напряжения питания и подвижному движку потенциометра, причем второй вывод первого масштабирующего резистора является входом синхронизации преобразоразователя, а выход второго элемента ИЛИНЕ является выходом преобразователя,5, Система поп.1,от л ича ю ща я с я тем, что блок сравнения импульсов содержит О -триггер, О-вход которого является 5 опорным входом блока, С-вход соединен с выходом ждущего мультивибратора, прямой выход - с анодом первого диода, а инверсный выход через второй диод и согласующий резистор - с опорным входом 10 ждущего мультивибратора, подключенного к выходу дифференцирующей ВЯ-цепочки, вход которой является информационным входом блока, катод первого диода является выходом блока. 156, Система поп,1, отл ича ющаяся тем, что блок сравнения импульсов содержит Р-триггер,О-вход которого является опорным входом блока, С-вход соединен с первым выводом согласующего резистора и 20 первыми обкладками интегрирующего и дифференцирующего конденсаторов, прямой выход - с анодом диода, а инверсный выход - с второй обкладкой дифференцирующего конденсатора, вторая обкладка интегрирующего конденсатора подключена к общей шине, причем второй вывод согласующего резистора является информационным входом блока, а катод диода - выходом блока,7. Система по п,1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что формирователь импульсов содержит масштабирующий резистор, соединенный первым выводом с общей шиной и первой обкладкой интегрирующего конденсатора, вторым выводом - с первой обкладкой дифференцирующего конденсатора и первым входом первого элемента ИЛИ-НЕ, подключенного выходом через согласующий резистор к второй обкладке интегрирующего конденсатора и обоим входам второго элемента ИЛИ - НЕ, выход которого является выходом блока сравнения и соединен с второй обкладкой дифференцирующего конденсатора, причем первый и второй входы первого элемента ИЛИ. - НЕ являются опорным и информационным входами формирователя,1746359 Составитель Г.федотоРедактор Г.Гербер Техред М,Моргентэл орректор Т,Пали т "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Производственнольскии ко Тираж уд р венного ко 113035, Моаказ 2395 ВНИИПИ Гос а ст ета по из а, Ж, Р Подписноеретениям и открытиям при ГКН шская наб., 4/5