Система идентификации колебаний присоединенного к объекту упругого элемента с дискретно изменяемой жесткостью

(51) 1 ИО ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНН АВТОРСКОМ.К СВИДЕТЕЛЬСТВУ Ю.С.Мануйл ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГННТ СССР(56) Авторское свидетельство СССРВ 1432457, кл. С 05 В 13/00, 1986,Кузовков Н.Т. Модельное управление и наблюдающие устройства, М.: Машиностроение, 1976, с.67, 68, 74-78.(54) СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ КОЛЕБАНИЙПРИСОЕДИНЕННОГО К ОБЪЕКТУ УПРУГОГОЭЛЕМЕНТА С ДИСКРЕТНО ИЗМЕНЯЕМОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ(57) Изобретение относится к техникеидентификации параметров механических колебаний, а именно колебаний.объектов с управляемыми динамическими характеристиками. Целью изобретения является повышение динамическойточности системы при релейно импульсном характере управляемого измененияжесткостного параметра упругого элемента. Система идентификации колебаний присоединенного к объекту упругого элемента с дискретно изменяемойжесткостью включает блок запуска 1,объект наблюдения 2, блок идентификации 3, элемент задержки 4, суммато5, блок расчета коэффициентов моделиобъекта наблюдения 6, блок запоминающих элементов 7, блок формирдванияоценки параметров колебаний упругогоэлемента 8, блок расчета параметровидентификатора 9, источник задающеговоздействия 10, источник постоянногонапряжения 11, блок управления коррекцией параметров идентиФикатора 12,1 з.п.ф-лы, 2 ил.Изобретение относится к идентификации параметров механических колеба-,ний, а именно колебаний объектов суправляемыми динамическими характе 5ристиками.Целью изобретения является повышение динамической точности системыпри релейно импульсном характереуправляемого изменения жесткости упругого элемента.На фиг.1 представлена структурная схема системы идентификации колебаний присоединенного к объектуупругого элемента с дискретно изменяемой жесткостью; на фиг.2 - структурная схема объекта управления.Система содержит (Фиг.1) блок 1запуска, объект 2 наблюдения, блок 3идентификации, элемент 4 задержки,сумматор 5, блок 6 расчета коэффициентов модели объекта наблюдения, блок7 запоминающих элементов, блок 8 формирования оценки параметров колебанийупругого элемента, блок 9 расчета параметров идентификатора, источник 10задающего воздействия, источник 11постоянного напряжения и блок 12 управления коррекцией параметров идентиФикатора, содержащий элемент ИЛИ 13,ключ 14, запоминающий элемент 15,нуль-индикатор 16, элемент 17 задержки и одновибратор 18,Блок 7 запоминающих элементов состоит из четырех запоминающих элеМентов, входы и выходы которых соедиНены с соответствующими информационными входами и выходами блока запомиНающих элементов, управляющий входкоторого соединен с управляющими входами запоминающих элементов.Объект 2 наблюдения (Фиг.2) содержит объект (как жесткое тело ) 19,присоединенный упругий элемент 20,датчик 21 угла, датчик 22 угловой д 5скорости, исполнительный орган 23 управления объектом, исполнительный ор"ган 24 управления упругим элементом,регулятор 25 и вентиль 26.Блок 8 формирования оценки, блок9 расчетапараметров идентификатора,блок 6 расчета коэффициентов моделиобъекта наблюдения и блок 3 ицентиФикации могуг быть реализованы аналогично прототипу.Снабжение системы идентификацииколебаний дополнительно блоком управления коррекцией параметров иден"тификатора и блоком запоминающих элементов позволяет до минимума сократить длительность переходного процесса при коррекции параметров идентификатора при релейно импульсном ха рактере изменения жесткостных пара-. метров упругого элемента и тем самым улучшить динамические характеристики системы в том режиме работы.Принцип работы предлагаемой системы следующий.Рассмотрим объект, состоящий из твердого тела с присоединенным упруго деформируемым элементом (УДЭ) переменной жесткости, у которого измерению поддаются лишь параметры твердого тела (угол поворота и угловая скорость поворота твердого тела), а доопределению подлежат параметры УДЭ (величина отклонения и скорость отклонения УДЭ от положения равновесия).Движение данного объекта можно описать векторным линейным дифференциальным уравнением четвертого порядка:Х = А(С)Х + В(С)ЯС)1.к(с) = сх(с),где Х 4 = 1 х,х,хх 1 - вектор состояния объекта;х х - соответственно угол и углоФувая скорость движения твердого тела;х х " отклонение и скорость отклонения УДЭ от положения равновесия;аут 1 У, фу = ххД - вектор выходных (измеряемых) параметров объекта; 10001С 1 О 1 О 03 ф йБсО, ч , О,0 1 О 00 0 а(с) Ь(г)0 0 0 10 0 с й(Е) Ад )Е 4, / (1- РЦ цГ ы /(1- Р)ДюУ lУ (2) Г 1 + 4 Р/(1-дР)3 и 11 + ау/(1- Вв Ф,а(С) Ь(г.) с(й) й(с) собственная частота упругих колебаний; где Ы3384 Собстве связана собъекта со отношением ы (с) = 8 (е) ш(5) (6) Н ТВ,5 154 логарифмический декремент затухания;известные параметры, определяемые конструктивными особенностями объекта; параметры, определяющие максимальные величины абсолютных значений ускорения, сообщаемых твердому телу и УДЭ в процессе управления. иная частота колебаний Ы жесткостью 9 и массой ш т,е, изменение жесткости влечет эа собой изменение собственной частоты колебаний и, следовательно, измене - ние параметров а, Ъ, с, с 1(с) .Для эффективного управления объектом необходимо знать текущие значения всех компонент вектора состояния Х(С) объекта. Если все компоненты этого вектора измерить невозможно, то неизмеримую часть компонент этого вектора можно оценить с помощью, например, асимптотического идентификатора состояния - наблюдающего устройства.Уравнение такого идентификатора состояния для линейного неста- ционарного объекта имеет видЕ = Р(С)Е +С(С)У(С)+Н(й)13, (3) где Е = Е 1,Е 1 - вектор состояния идентификатора, связанный с вектором состояния объекта преобразованием Е(С) = Т(С) Х(С) . (4) Идентификатор обеспечивает для полностью наблюдаемого объекта получение оценок неизмеряемых компонент вектора состояния с ошибкой, стремящейся к нулю, если матрицы А,В,С, Р,С,Н,Т - постоянные (объект стационарный), и удовлетворяет соотношениям.ТРТ - ТА + СС; должна иметь отрицательные вещественные части собственных значений и обеспечивать существование единственного нетривиального решения системы(5)-(6).При релейно импульсном характереизменения жесткостного параметра В;можно говорить о стационарности объекта на промежутках С,йгде С;, с , =1,2 - моменты изме"нения значения жесткостного параметраНестационарность проявляется лишь вмоменты изменения параметра 8т.е. в моменты времени с1,2.Уравнение (5) описывает процесс изменения параметра Т, обусловленный нестационарностью объекта идентификации, Однако на участках стационар ности объекта, когда переходный процесс в системе (5)-(6) можно считатьустановившимся, справедливо равенство Т: - О, при котором дифференциальное уравнение (5) может быть заменено 25 алгебраическим: РТ - ТА + СС = О, (5 а) Оценка искомых компонент определяется в виде Из выражения (7) видно, что дляполучения требуемых оценок можно оп ределять либо элементы матрицы Т ипотом обращать составную матрицуЕ Слибо искать сразу элементы матрицы Ы.Для рассматриваемого объекта идентификатор состояния имеет второй порядок, а матрицы Р,С,Н,Т,11 имеют размерность соответственно 4 в 4, 4 ю 2,4 к 1, 2 а 4, 44.4 Разобъем матрицы А, С, 11, Т наблоки:полученным на основании анализа выражения Е = с/Ый Т(й) Х(С)1,являющего -ся результатом почленного дифференцирования соотношения (4). Матрица Р О ОО ЪоАи ОС 111 1 Ага = / 19 154Начальное условие для интегрирова" ния выражения (13) можно брать нулевым или выбирать из условия Е(0) =ТХ(0), откуда следует, чтоЕ (0) = х (О) - х (О).(16)Е (0) = -х (0) + х (0)2. 2Управление объектом 19 происходит по управляющему сигналу П, вырабатываемому регулятором 25 на основании информации об угле и угловой скорости жесткого тела, снимаемой с датчика 21 угла и датчика 22 угловой скорости, а также об отклонении и скорости отклонения упругого элемента от положения равновесия, снимаемой с блока идентификации. Управляющий сигнал может формироваться регулятором, например, по линейному закону+ гуе + 1 зЕ + КЕ 2В этом случае регулятор можно реализовать в виде четырех усилителей и сумматора.Третий вход объекта наблюдения соединен через элемент 4 ф задержки с блоком 1, запускающим систему в работу, а четвертый вход - с источником 10 задающего воздействия, На первый, второй и третий входы объекта наблюдения подводится информация соответственно об угле и угловой скорости жесткого тела и величине управляющего параметра Ю.Для демпфирования колебаний упругого элемента может быть применено управление его жесткостным параметром, для чего гредназначен источник 10 задающего воздействия, который выдает сигнал, пропорциональный требуемому приращению жесткости Д, на четвертый вход объекта 2 наблюдения.Значение требуемого приращения жесткости поступает также на вход сумматора 5, где складывается с постоянным значением жесткости 8 , поступающим на второй вход сумматора с источника 11 постоянного напряжения. На выходе сумматора Формируется требуемое значение жесткости вгр = 8 + + 68, которое поступает на вход блока 6 расчета коэффициентов модели объекта наблюдения, реализующего соотношения (2). Определение параметров идентификатора согласно уравнениям 3384 о(12) производится в блоке 9 расчетапараметров идентификатора,Значения Е и Е состояния иденти 5фикатора формируются согласно уравнениям (13) с начальными условиями (16)в блоке 3 идентификации.Оценка неизмеряемых компонент вектора состояния объекта 2 наблюденияпроизводится в блоке 8, реализующемуравнения (15),Блок 7 памяти предназначен дляхранения значений параметров идентификатора й С Сгз и С , рас 5 считанных в блоке 9, которые поступают на его информационные входы, запоминаются в нем в момент прихода науправляющий вход разрешающего сигналас блока 12 управления коррекцией и20 гостоянно выдаются на пятый - восьмойвходы блоКа 8 формирования оценки. В блоке 12 Формируются сигналы управлениядля блока 7 запоминающих элементов вмомент поступления разрешающего сиг 25 нала с блока 1 запуска, а также каждый раз при смене сигнала В О , поступающего с выхода источника 10,Блок 12 управления коррекцией работаег следующим образом.30На первый вход блока 12 поступаетсигнал запуска с блока 1 запуска, который через элемент И%1 13 и элемент17 задержки поступает на одновибратор 18, где Формируется выходной сиг 35 нал управления коррекцией. Сигнал управления формируется также при изменении значения 4 8, которое с блока1 О поступает через второй вход блокана второй вход нуль-индикатора 6,40 где сравнивается со старым значением6 9,снимаемым с выхода запоминающегоэлемента 15 и поступающим на первыйвход нуль-индикатора 16, При изменении д Ы сигнал нуль-индикатора 16 по 45 ступает на инверсный вход элементаИЛИ 13, откуда через элемент 17 задержки подается на одновибратор 18,формирующий разрешающий (ненулевой)выходной сигнал, Сигнал с элемента50 ИЛИ 13 поступает также на управляющий вход ключа 14, через который свторого входа блока 12 в запоминающий элемент 15 записывается новоезначение Ь 8 .551функционирование схемы начинаетсяпо разрешающему сигналу с блока 1 запуска, который поступает через элемент 4 задержки на объект 2 наблюде 11154 ния, на первый вход блока 12 управления коррекцией, параметров идентификатора и на шестой вход блока 3 идентификации, Элемент л задержки рассчитан так, чтобы задержать сигнал запуска на время Д с, необходимое для проведения всех вычислений по формированию ца выходах блока 8 сигналов оценки х и х, . Элемент задержки блока 3 идентификации задерживает сигнал запуска ца время д з, необходимое для проведения вычислений в блоках 5, 6, 7 и 9, а элемент 17 задержки блока 12 - ца время ь 7" , необходимое для проведения вычислений в блоках 6 и 9.лЧерез время дпосле начала работы рассчитанные значения параметров идентификатора с выходов блока 9 йо управляющему сигналу блока 12 управления коррекцией параметров идентификатора записываются в блок 7 запоминающих элементов, с выходов которого оци поступают на соответствующие входы блока 8 Формирования оценки.лЧерез время 6 з начинается формирование значений Еи Е в блоке 3 идентификации, с выходов которого значения 7., и Е поступают на первый и:второй входы блока 8 Формирования оценки,ца выходах которого через время ЙФормируются значения оцениваел мых компонент вектора состояния хзли х . Далее в стационарном режиме система работает. аналогично прототипу.При скачкообразном изменении значения д О на выходе источника 10 изменяется значение 8 т на выходе сумматора 5. В блоке 6 рассчитываются новые значения коэффициентов модели обьекта наблюдения, а в блоке 9- новые значения параметров идентификатора 1:,З, с, 5 и 1:1,1.Изменившийся сигнал д 8 поступает на второй вход блока 12 управления коррекцией параметров идентификатора, на выходе которого через время Д с Формируется сигнал, поступающий на управляющий вход блока 7 запоминающих элементов. По этому сигналу в блоке 7 происходит смена старых значений параметров идентификатора на новые.Процесс изменения динамических параметров идентификатора происходит практически синхронно с действительным управляемым изменением жесткостного параметра упругого элемента. Та 338 ч 12 10рактеристики системы при релейно импульсном характере изменения жест 20 25 30 35 40 45 50 55 кои вариант коррекции параметров идентификатора позволяет практическибез переходного процесса перестраивать его всякий раз на новый режимработы, что способствует повьппению динамической точности системы в целом. Таким образом снабжение системыидентификации дополнительно блокомуправления коррекцией параметровидентификатора и блоком запоминающих элементов улучшает динамические хакостного параметра упругого элемента. Формула изобретения 1, Система идентификации колебаний присоединенного к объекту упругогоэлемента с дискретно изменяемой жесткостью, содержащая блок расчета коэффициентов модели объекта наблюдения, соединенный четырьмя выходами с соответствующими входами блока расчета параметров идентификатора, объект наблюдения, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первым трем входамблока ицентификации, первый и второй выходы блока идентификации соединены с первым и вторым входами блока формирования оценки параметров колебаний упругого элемента, первый и второй выходы которого подключены к первым двум входам объекта идентификации и,кроме того, к третьему и четвертому входам блока Формирования оценки параметров колебаний упругого элемента, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с четвертым и пятым входами блока идентификации, блок запуска, выход которого соединен с шестым входом блока идентификацйи и через элемент задержки с третьим входом объекта наблюдения, четвертый вход которого соединен с выходом источника задающего воздействия, соеди" ненным также с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного напряжения, а выход соединен с входом блока расчета коэффициентов модели объекта наблюдения, о т л ич а ю щ а яс я тем, что, с целью повьппения динамической точности системы при релейно импульсном характере управляемого изСоставитель В,ХромовТехред М.Ходанич Корректор Э.Лончаков Редактор Т.Лазоренко аказ 40 Тираж 660 Подписное нного комитета по изобретениям и отк 3035, Москва, Ж, Раушская наб., д НИИПИ ням при ГКНТ ССС/5 сударст роизводственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 13 15 менения жесткости упругого элемента, она дополнительно снабжена блоком запоминающих элементов и блоком управления коррекцией параметров идентификатора, первый вход которого соединен с выходом блока запуска, второй вход - с выходом блока задающего воздействия, а выход - с управляющим входом блока запоминающих элементов, четыре информационных входа которого соединены с соответствующими выходами блока расчета параметров ицентификатора, а выходы - соответственно с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами блока формирования оценки параметров колебаний упругого элемента. 2 Система по п.1, о т л и ч а ю -щ а я с я тем, что блок управления 43384 14коррекцией параметров идентификаторасостоит из ключа, запоминающего элемента, нуль-индикатора, элемента ИЛИ, 5элемента задержки и одновибратора,причем первый вход блока управлениякоррекцией параметров идентификаторасоединен с первым входом элементаИЛИ, а второй вход - с информационным входом ключа и первым входомнуль-индикатора, выход нуль-индикатора связан с вторым входом элементаИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа и входу элемента задержки, выход ключа через запоминающий элемент соединен с вторымвходом нуль-индикатора, выход элемента задержки через одновибраторподключен к выходу блока управления 20 коррекцией параметров идентификаТора.