Датчик сил упругой деформации механизма и устройство для его настройки

СОКИ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК ТЕНИ ПИСАН 1,:.Х : Г ЗХ Г. К АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛЬСТВ СССР1980.ФОРМАЦИИЕГО НАОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) Ломакин М.С. и Ромашенко А.М.Система автоматического регулирования натяжения подъемных канатов мощного драглайна. Сб. Добыча угля открытым способом. М.ЦНИЭуголь,1978, . 5, с. 11-13,Авторское свидетельство744446, кл. 6 05 В 13/02,(54) ДАТЧИК СИЛ УПРУГОЙ ДЕМЕХАНИЗМА И УСТРОЙСТВО ДПЯСТРОЙКИ(57) Изобретения предназначены дляконтроля нагружения и демпфированияупругих колебаний электроприводныхмеханизмов с упругими кинематическими звеньями и могут быть примененыдля управления их электроприводами.Целью изобретения является повышениеточности и быстродействия. Датчик построен с учетом погрешностных фактоЯ 01288511 А 1 д 511.4 С О 11/06, С 05 В 13/О ров и динамики, по уравнению которой и происходит вычисление измеряемой величины путем сложения с весовыми коэффициентами тока, его первых двух производных и производной напряжения якоря. Все слагаемые получаются и сглаживаются с помощью двух универсальных фильтров 3, 4 с одинаковой фазовой погрешностью, минимизирующей ошибку сложения. На входы этих фильтров 3, 4 подаются ток и напряжение якоря двигателя со своих датчиков 1, 2, Слагаемые с производными пропускаются на сумматор 8 через цифроуправляемые резисторы 5, 6, 7, поз- воляющие по своему цифровому входу ф корректировать весовые коэффициенты сложения. При настройке датчика с этими входами сопрягается аналого- С кодовое настроечное устройство, которое вычисляет дисперсию производной оценки упругих сил, пробными воздействиями на настройки датчика отыс-кивает ее минимум и по его координатам указывает на индикаторах адекватные настройки датчика, которые и выставляются после завершения на- ф стройки и удаления настроечного устройства. 2 с.п. Ф-лы, 5 ил.пффф1288511 ВВ. Изобретение предназначено дляконтроля нагружения и демпфированияупругих колебаний электроприводныхмеханизмов и машин, имеющих в кинематической цепи упругие конструктинные элементы, и может быть использовано, например, для управленияэлектроприводами мощных машин и мйханизмов в прокатном производстве, горной и других отраслях промьппленности.ОЦель изобретения - повышение точности датчика и повьппение точностии быстродействия устройства для на"стройки датчика.На фиг. представлена функциональная блок-схема датчика; на фиг,2схема универсального фильтра третьего порядка; иа фиг.З - функциональная схема устройства для настройкидатчика; на фиг.4 - схема. генератора пакета импульсов; на фиг.5 - временные диаграммы .процессов при настройке.Собственно датчик (фиг.1) содержит первичные датчики 1 и 2 тока инапряжения, универсальные фильтры3 и 4 третьего порядка, цифроупранляемые резисторы 5-7, сумматоры 8 ификсатор 9 кодов.Универсальньгй фильтр третьегопорядка является известным и образован из четырех операционных усилителей, один нз которых собран по схемеинерционного звена с тремя входами,а другие - по схеме интеграторов и35иннертора, Фильтр имеет один вход Хи три выхода Х Х , Х , причем сигнал Х представляет собой сглаженныйвходной сигнал Х - сглаженная пер 9 40вая производная входного сигнала; .Х з - сглаженная вторая производнаявходного сигнала (фиг.2),Устройство для настройки датчика представлено его функциональнойсхемой на фиг.З. В него входят дифференциатор 10, квадратор 11, пре.образователь 12 напряжение-частота,генератор 13 синхроимпульсов, инвертор 14, два элемента И 15 и б,формирователь 17 короткого импульса, реверсивный двоичный счетчик18, генератор 19 пакета импульсов,двоичный счетчик 20 по модулю шестьдешифратор-мультиплексор 21 реверУ 55сивные двоичные счетчики 22-24 и индикаторы кода 25-27.Нестандартный узел устройства -генератор 19 пакета импульсов пока 2зан на фиг.4. Он состоит.из делителя 28 частоты, элемента И 29, БК- триггера 30 и двоичного реверсивного счетчика 31. Этот генератор предназначен для выдачи пакета импульсов н тот момент времени, когда внешние импульсы начинают поступать на его второй вход, причем количество выдаваемых в пакете импульсов равно числу импульсов, ранее поступивших на его первый вход, поделенному на коэффициент делителя 28 частоты. Импульсом по третьему входу генератор под" готавливается к следующему циклу работы.На фиг.5 изображены временные диаграммы процессов.при настройке датчикаКосвенное определение оценки упругих сил в датчике осуществляется путем вычисления по полному уравнению для этих сил, получаемому из уравнений равновесия ЭДС и движения якоря электродвигателя постоянного тока, в ниде 1(р) =(Твр +Вр+ ) 1(р) -гце 1 (р) - статический ток днигаЧтеля, являющийся адекватной оценкой сил упругой деформации механизма;Т, В - электромагнитная и элеки этромеханическая постоянные времени двигателя сучетом первой массы многомассового механизма;К - активное сопротивлениеякорной цепи двигателя.Полнота уравнения (1) сама по себе не обеспечивает достижения цели изобретения. Для точного вычисления по этому уравнению необходимо еще решить следующие три задачи:1. Возможно точное получение самих производных.2. Подавление пульсаций тока и напряжения, порождаемых процессами коммутации в коллекторе машины постоянного тока и вентильном преобразователе, что предотвратит также их разнитие в производных уравнения (1).3. Минимизация ошибки суммирования по уравнению (1), для чего необходимо исключить фазовые сдвиги меж 128851(2) где фильтра:Х Х Х - выходные переменные фильт 1 ф аф 3 35 ра; 1(Р) = зу - - --- опеф Т р+Ф,Т, р+ Т,р+1 ратор сглаживания;Т - постоянная времени фильт 40 ра;- параметры, определяющие вид2фильтра, в частности при==2 получаем фильтр Баттерворта третьего порядка,45Если резонансная частота такого фильтра Баттерворта выбрана в 10-30 раз выше верхней границы частотной полосы полезного сигнала, то на выходах Х 2 и Х (фиг.2) будут получены соответственно первая и вторая производные входного сигнала Х практически без погрешности. Особенность такого фильтра, как это следует иэ (2), в том, что он по каждому своему каналу имеет абсолютно одинако- . вый оператор сглаживания, благодаря чему исключены фазовые сдвиги.между выходными сигналами. Это свойство ду аддитивными составляющими вычисляемой функции.В уравнение (1) входят чистые производные 1 , 1 и Ц . Это значит, чторешенйю первой задачи соответ ствовало бы включение в датчик идеальных дифференциаторов, но они физически неосуществимы. Можно применить реальные дифференциаторы, и они в данном случае не хуже идеальных, так10 как позволяют попутно решить вторую задачу подавления пульсаций, тем более, что соотношение частотных диапазонов пульсаций (и помех) и полезных сигналов 1. и 11 благоприятно:15спектр пульсаций и помех в 100-1000 раз выше частот полезных сигналов. Чтобы реальный дифференциатор эффективно решал вторую задачу помехоустой. чивости, он должен иметь сглаживание хотя бы на порядок выше порядка дифференцирования. В качестве реального дифференциатора в датчике взят универсальный фильтр третьего порядка (фиг.2). Его выходные сигналы выра- жаются фильтра при его использовании в совокупности с другими элементами в датчике упругих сил позволяет решить и третью задачу минимизации (даже исключения) ошибки суммирования. от первых трех слагаемых уравнения (1). Фазовая погрешность четвертого слагаемого уравнения (1) минимизируется, кроме того, за счет высокой идентичности амплитудно-фазовых характеристик двух входящих в датчик универсальных фильтров, достигаемой путемподбора попарно одинаковыми одноименных пассивных элементов (реэисторови конденсаторов) обоих фильтров.Отфильтрованные сигналы тока исоответствующих производных тока инапряжения по уравнению (1) складываются на сумматоре 8 с весовыми коэффициентами, осуществленными в датчике в виде переменных настроек спомощью цифроуправляемых резисторов5-7, цифровые входы которых и служатдля реализации корректирующего воздействия на настройки датчика.Датчик работает следующим образом.На вход универсального фильтра 3 от датчика 1 поступает сигнал тока якоря двигателя, Фильтр 3 подавляет высокочастотные помехи этого сигнала (на выходе Х,), а также выделяет первую и вторую производные токи (на выходах Х и Х ). Фильтр 4 идентичен фильтру 3, он получает сигнал с датчика 2 напряжения якоря, а с его второго выхода снимается первая производная этого напряжения. Выходные величины обоих фильтров подаются с соответствующими уравнению (1) знаками на сумматор 8, причем сигналы упомянутых производных предварительно пропускаются через цифроуправляемые резисторы 5-7 , коэффициенты передачи которых с помощью фиксатора кодов установлены равными коэффициентам при соответствующих переменных уравнения (1). Таким образом, на выходе сумматора 8 получается величина составляющей тока якоря,прямо пропорциональной текущей величине сил упругой деформацИи механизма. Фиксатор кодов 9 включает в себя и три механических коммутатора, на которых могут быть набраны коды коэффициентов передачи резисторов 5-7, индицированные Иа выходе настроечного устройства.Устройство для настройки датчика выполняет следующие конкретные задачи. Оно должно автоматически отыскивать три адекватные настройки датчика, т.е. такие, при которых получаемая на выходе датчика оценка упругих сил наиболее точно отражает действительные упругие силы, которые не известны. Поэтому сама ошибка получаемой оценки не может быть взята за критерий настройки. Иожет быть использован лишь какой-то косвенный нризнак этой ошибки. Поскольку настроек три, то и устройство должно иметь три выхода, и должен быть определен какой-то порядок из коррекции - стратегия поиска, жесткая или лучше гибкая. Поисковые колебания, допустимые в начале процесса поиска, нежелательны в его конце и должны быть сведены к минимуму. Должно быть минимизировано и время поиска, Период оценки результата пробного шага фиксирован и определен временем уп; ругих колебаний механизма без средства их подавления, поэтому устройство должно быть способно за это время оценить результат пробного шага.Само устройство предназначено для более широкого применения, а именно в качестве устройства для поиска экстремума многомерной экстремальной функции по критерию, аналогичному принятому в предлагаемом изобретении.Устройство для настройки датчика(фиг,3) работает следующим образом.Процесс автоматической настройки датчика поясняется временными диаграммами (фиг5). Генератор 13 непрерывно вырабатывает две последовательности синхронизированных прямоугольных импульсов со скважностью, равной 0,5, и частотами, отличающимисяв 2 раза (диаграммы 1 и 3). Импульсы задания, т.е. большей частоты(диаграмма ), подаются в систему управления электроприводом механизмаИх период взят равным удвоенному времени затухания упругих колебаний вмеханизме без средств их подавления(диаграмма 2 производной выходногосигнала датчика сил), что позволяетточно вычислять искомую дисперсию заодин цикл управляющих воздействий наэлектропривод (за один период импульсов задания). Импульсы меньшей частоты (тактовый сигнал, диаграмма 3) подаются в настроечное устройство. Навход устройства (на дифференциатор10) поступает выходной сигнал датчика сил, который в начале процесса 5 настройки далек от оптимальной настройки. Последовательно соединенными дифференциатором 10, квадратором11 и преобразователем 12 вырабатываются счетные импульсы, частота которых прямо пропорциональна текущемузначению квадрата производной сигнала датчика. Логическим элементом 15разрешается прохождение этих импульсов на вход 18 сложения в первые нолупериоды тактового сигнала с генератора 13; в полупериоды паузы тактового сигнала счетные импульсы через элемент 16 подаются на вход вычитания счетчика 18, Формирователь17 по фронту тактовых сигналов выдает короткие импульсы на вход установки нуля счетчика 18 и на третий входгенератора 19 пакета импульсов, подготавливая их к очередному циклу работы. Поведение выходного кода счетчика 18 изображено на диаграмме 4, Вмоменты времени 1 , 1 ,, 1 , ког 1 ф а Зфда содержимое счетчика 18 меняет знакна отрицательный, с выхода отрицательного переноса счетчика 18 выдаются короткие импульсы (диаграмма 6)поступающие на счетчик 20 по модулюшесть. Выходной код счетчика 20 (диаграмма 7) посредством дешифратора мультиплексора 21 переключает подачупакета импульсов генератора 19 (диаграмма 5) на тот из шести входов трехреверсивных счетчиков 22-24, номеркоторого равен содержимому счетчика 40 20. По приходу пакета импульсов содержимое одного из счетчиков 22-24изменяется в определенную сторону,соответственно изменяется коэффициент передачи соответствующего цифро управляемого резистора (5, 6 или 7)датчика сил (диаграммы 8, 9 или 1 О).Изменяется и дисперсия производнойвыходного сигнала датчика сил, причем, как видно из диаграммы, если 50величина дисперсии на каком-то пробном шаге возросла, то устройствовыполняет следующий пробный шаг, из- .меняя данный коэффициент в другуюсторону, либо переходит к изменениюсл;едующего по порядку коэффициентапередачи датчика сил.1При этом величина пробных шагов,определяемая числом импульсов в па 1283511кете с генератора 19, прямо пропорциональна текущему значению искомой дисперсии. Такое решение позволяет обеспечить максимальную скорость поиска оптимальных коэффициентов методом Гаусса-Зайделя в начале процесса поиска, а в конце поиска - пренебрежимо малый дрейф найденных коэффициентов относительно оптимальных значений. В целом это обеспечивает нахождение оптимальных настроек в автоматическом режиме (без участия человека) за 20-40 пробных воздействий. Окончание процесса контролируется по прекращейию заметных изменений кодов на индикаторах 25-27 устройства настройки, Высвечиваемые на этих индикаторах значения запоминаются фиксатором 9 кодов, и в дальнейшем датчик работает с соответствующими им коэффициентами по входам сумматора 8. После этого питание настроечного устройства отключают и его отсоединяют от датчика и системы управления электроприводом механизма. На этом настройка датчика сил окончена, и он готов к работе в режиме измерений.Формула изобретения1, Датчик сил упругой деформации механизма, включающий датчики тока и напряжения, например якоря приводного электродвигателя механизма, и сумматор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппения точности, в нем установлены универсальные фильтры третьего порядка, цифроуправляемые резисторы и фиксатор кодов, причем выходы датчиков тока и напряжения соединены каждый с входом соответствующего универсального фильтра третьего порядка, выходы первого универсального фильтра третьего порядка связаны соответственно с первым вхо-. дом сумматора и аналоговыми входами первого и второго цифроуправляемых .резисторов, второй выход второго универсального фильтра третьего порядка связан с аналоговым входом третьего цифроуправляемого резистора, выходы цифроуправляемых резисторов подключены соответственно к остальнымтрем входам сумматора, а три кодовыхвыхода фиксатора кодов подключены .5 каждый к цифровому входу соответствующих цифроуправляемых резисторов.2. Устройство для настройки датчика сил упругой деформации механизма, содержащее квадратор, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения точности и быстродействия,оно содержит дифференциатор, преобразователь напряжение - частота, генератор синхроимпульсов, инвертор,формирователь короткого импульса,два элемента И, четыре реверсивныхдвоичных счетчика, генератор пакетаимпульсов, двоичный счетчик по модулюшесть, дешифратор-мультиплексор итри индикатора кода, причем входомустройства является вход дифференциатора, соединенного последовательно через квадратор с преобразователем 25 напряжение в часто, выход которогоподключен к вторым входам элементовИ, первый вход первого элемента И непосредственно, а первый вход второгоэлемента И через инвертор соединеныс выходом генератора синхроимпульсов,я которым связан также вход формирователя короткого импульса, выходыпервого и второго элементов И и формирователя короткого импульса подсоединены каждый соответственно к входам сложения, вычитания и установкинуля первого реверсивного двоичногосчетчика и к первому, второму и третьему входам генератора пакета импульсов, который своим выходом связан симпульсным входом дешифратора в мультиплексора, кодовый вход которого через двоичный счетчик по модулюшесть подключен к выходу отрицательного переноса первого реверсивногосчетчика, а три пары выходов дешифратора-мультиплексора соединены соответственно с входами сложения и вычитания остальных трех реверсивных двоичных счетчиков а их выходы к кото 9 Эрым подсоединены индикаторы кода, являются кодовыми выходами устройства.12885 ф) й Составитель О.Гудковактор А.Ворович Техред М.Ходанич рректор А. Обр 9 Подписно комитета СССРй и открытий аушская на д еское предприя з 7797/38 Тираж 79 ВНИИПИ Государственно по делам изобретен 3035, Москва, 1-35, оизводственно-полигра