Система управления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК и С 05 В 13/00 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ов зд -дев(ие линеймиМ.,ис, 31.оматиМ., "На 7-22.о СССР1982 ыход - с чет катора состо ьтра соедине я сигнала ко ьтра, а иденти вход ф мироват ерт дом та,выход ы ор одключ входу суммато нительно о механизма, оду суммирую второ атчи шибк ход - к в и го ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО делАм изОБРетений и ОтнРьпЖ Н АВТОРСКОМ,Ф СВРЩЕТЕПЬСТВУ"Наука", 1975, с, 341-351,2. Боднер В.А. Теория авческого управления полетом.ука", 1964, с. 319-320, рис3. Авторское свидетельстФ 941923, кл. С 05 В 23/00,(54)(57) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, содержщая последовательно соединенные задатчик и суммирующий усилитель и последовательно соединенные исполнимеханизм, объект управления,обратной связи, измеритель формирователь сигнала коррек ции, первый блок масштабных коэффициентов, идентификатор состояния объекта и масштабирующий сумматор, выходкоторого соединен с вторым входомсуммирующего усилителя, соединенноговыходом с вторым входом идентификатора состояния объекта, третий входкоторого подключен к датчику обратной связи, а второй выход соединенс вторым входом измерителя ошибки,о т л и ч а ю щ а я с я тем, что,с целью повышения устойчивости системы, в нее введены последовательносоединенные фильтр, второй блок масштабных коэффициентов, сумматор итретий блок масштабных коэффициентов,вход которого соединен с выходомРэобретецце относится к автоматическому управлению и может быть использовано для управления электромехттТтическими объектами, н т.ч, цестациоцарцыми, многомассоными с упруги ми связями, не все переменные которого доступны измерению с помощью датчиков, например, в системах управления исполнительными оргатТами меха - ниэмон роботов, металлорежущих стан О ков, бортовых радиолокационных стан- ций Известны следящие системы, содержацие последовательно соединенные из 15 меритель рассогласования, регулирования, вход и выход которого соединены с соотнетствующими входами устройства для измерения текущих динамических характеристик цестациондрцого объ20 ектд (идентификатором), выход которого соединен с вторым входом регулятора Ц.Известны также следящие системы, содержащие последовательно соединенные залатчик, измеритель рассогласона ния, регулятор и объект, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через эталонную модель соединен с выходом эадатчика, а выход через устройство упЗО равления с бесконечно большим коэффициентом усиления и ограничения соединен с вторым входом регулятора, В такой системе сравнивают реальные выходные координаты объекта с желаемыми, З 5 а по их разности формируется дотолци - тельный сигнал управления 2.Однако в данных системах;таже при незначительных изменениях параметров объекта ухудшается качество динамичес 40 ких процессов, тем более и реальных условиях работы системы, когда параметры объектов управления значитель-но изменяются в функции координат и времени, нелинейные и нестационарцые 45 параметрические рассогласования могут принести к потере устойчивости.Наиболее близкой к предложенной является система управления объектом, содержащая последовательно соединенный задатчик, суммируюпий усилитель,исполнительный механизм, объект управления, датчик объекта, идентификатор состояния объекта и масштабирующий сумматор, выход которого со единен с вторым входом суммирующего усилителя, а вьТход последнего соел - нец с вторым входом цдецтифц аторд состояния объектс. : неп.н соурдце - ния рдботостособцости идентификатора состояния объекта д с.ц ловательцо, и всей системы днтомдтического управления при изменении пардметрон объекта, в цее лопотТцительцо введены последовательно соединенные измеритель ошибки, формирователь сигнала коррекции и блок масштабных коэффициентов, выход которого -оединен с третьим входом идентификатора, а входы измерителя ошибки подключены к второму выходу идентификации и к датчику объекта 3 .Однако в известной системе управления при значительном изменении параметров объекта и/или при их изменении со скоростями, сравнимыми с быстродействием основного контура управления по ошибке, а также при существенном влиянии нелицейностей объекта область устойчивости системы управления сужается. Кроме того, при больцих параметрических рассогласованиях требуется значительное усиление в контуре обратной связи объекта по оценкам идентификатора состояния, что может привести к ухулшецию и даже нарушению работоспособности системы управления в условиях всегда имеющихместо помех.Целью изобретения является повьште -ыие устойчивости системы управленияпри значительных нелинейных и нестационарцых параметрических рассогласонаниях объекта управления и действии помех,Поставленная цель достигается тем, что в систему управления, содержащую последовательно соединенные здлатчик и суммирующий усилитель и последовательно соединенные исполтительцый механизм, объект управления, датчик обратной связи, измеритель ошибки, формирователь сигнала коррекции, первый блок масштабных коэффициентов, идентификатор состояния объекта и мдсштабирующий сумматор, выход которого соединен с вторым входом суммирующего усилителя, выходом соединенного с вторым входом идентификатора состояция объекта, третий вхол которого подключен к 1 дтчику обратной связи, а нторой выход со.лицен с вторым входом измерителя ошибки Ло -У полццтельно ннелецы последовательо со:ттценные фильтр, нтрой бл к и;31 т зтт 1 х оъф 1 е т сР Г,чиаталРи третий блок масштабных коэффициентов, вход которого соединен с выходом фильтра, а выход - с четвертымвходом идентификатора состояния объекта, вход фильтра соединен с выходом формирования сигнала коррекции,выход сумматора подключен к входуисполнительного механизма, а второйвход - к выходу суммирующего усилителя. 10В системе кроме двух основныхконтуров управления - контура обратной связи объекта управления по оценкам идентификатора, состоящего изсуммирующего усилителя, сумматора, 15исполнительного механизма, объектауправления, датчика объекта, идентификатора состояния объекта и масштабирующего сумматора, и контура коррекции идентификатора, состоящего из 20идентификатора состояния объекта, из"мерителя ошибки, формирователя сигнала коррекции и блока масштабныхкоэффициентов - посредством вновьвведенных блоков и связей дополнительно организованы контур адаптации объекта, состоящий из сумматора,исполнительного механизма, объектауправления, датчика объекта, измерителя ошибки, формирователя сигнала кор-ЗОрекции, фильтра и второго блока масштабных коэффициентов, и дополнительная цепь адаптации идентификатора состояния объекта, состоящая из фильтраи третьего блока масштабных коэффициентов,Цель основного контура обратнойсвязи объекта управления по оценкамидентификатора состоит в том, чтобыобеспечить устойчивую работу системы 4 Ос требуемой динамикой, Назначениевторого основного контура коррекцииидентификатора состоит в корректировке поведения переменных, вырабатываемых идентификатором, имеющим стационарную-структуру, с целью приближения характера их поведения к динамике,свойственной нелинейному и нестационарному объекту. Тем самым оценкиидентификатора уточняются с учетомпараметрических рассогласований объекта.Целью вновь организованного контура адаптации объекта введенной дополнительной цепи адаптации идентифика- у тора является компенсация параметрических рассогласований в объекте и в идентификаторе состояния объекта соответственно. При этом в контуре обратной связи объекта по оценкам идентификатора за счет действия контураадаптации объекта и дополнительнойцепи адаптации идентификатора могутбыть значительно ослаблены коэффициенты усиления. Поэтому параметры обратных связей обоих контуров, определяемые масштабирующим сумматоромв первом контуре и вторым блокоммасштабных коэффициентов во второмконтуре, выбираются исходя из устойчивости адаптивных процессов управления и идентификации и требуемогобыстродействия управления объектом.Это расширяет область устойчивостипредлагаемой системы управления,На фиг, 1 приведена функциональная схема предлагаемой системы управления; на фиг. 2 - принципиальная схема примера конкретного исполнения системы управления; на фиг,3осциллограммы переходных процессовпри управлении упругим нестационарным электромеханическим объектомв предлагаемой системе.Система управления содержит задатчик 1, суммирующий усилитель 2, сумматор 3, исполнительный механизм 4,объект 5 управления, датчик 6 обратной связи, измеритель 7 ошибки, формирователь 8 сигнала коррекции,блок 9 масштабных коэффициентов, идентификатор 10 состояния объекта, масштабирующий сумматор 11, фильтр 12,второй блок 13 масштабных коэффициентов, третий блок 14 масштабньгх коэффициентов, усилители 15,Система управления, например, снестационарным резонансным упругиммеханическим объектом с нелинейнымисвойствами работает следующим обра3 омЗадатчик 1 вырабатывает командныйсигнал, который через суммирующийусилитель 2, представляющий собойусилитель с суммирующим входом, сумматор 3 и исполнительный механизм 4воздействует на объект 5 управления,в котором возбуждаются резонансныеколебания, Идентификатор 10 состояния объекта получает сигналы отсуммирующего усилителя 2 и датчика 6полностью наблюдаемой переменной объекта, например, одной из обобщенныхскоростей объекта, в которой содержится скрытая информация о движениивсех остальных (2 ш) независимых пе 1120283ременных состояния объекта, недоступных непосредственному изМерению, ина основе получаемой информации вырабатывает оценки ш переменных объекта,где ш - число степеней свободы объекта, именно ш упругих моментов, соответствующих механическим резонансам,и ш обобщенных скоростей,Стационарная часть идентификатора 10 состояния построена по известОным алгоритмам, в соответствии с которыми имеет два входа и известнуюструктуру, содержащую 2 ш подблоков(Интеграторов), вырабатывающих переменные объекта. При этом его работарассчитана на линейность и стационарность характеристик объекта, и приизменении параметров и отклонении отлинейности объекта вырабатываемыеидентификатором 10 оценки переменныхотклоняются от их действительных значений, С целью согласования поведенИя идентификатора с нелинейными нестационарным объектом и, такимобразом, получения точных оценокпеременных объекта вводится контуркоррекции идентификатора, подчиняющего движение идентификатора движениюобъекта, Коррекция осуществляетсяконтуром, образованным измерителем 7ошибки, формирователем 8 сигнала коррекции и блоком 9 масштабных коэффициентов. В измерителе 7 ошибки сравниваются сигналы переменной, непосредственно измеренной датчиком 6 обратной связи, и ее оценки, вырабатываемой идентификатором 10, Их разность,вырабатываемая измерителем 7 и характеризующая параметрические рассогласования объекта, поступает на вход 40Формирователя 8 сигнала коррекции,представляющего собой безынерционныйусилитель с большим усилением и ограничением (с релейной характеристикой),Сформированный формирователем Я сигнал коррекции поступает в блок 9масштабных коэффициентов, которыйподает этот корректирующий сигнал ссоответствующими масштабными коэффициентами (весами) на входы каждого 5 Оиз 2 ш подблоков (интеграторов) идентификатора 10, обеспечивая согласование его оценок переменных с их действительными значениями.Организуемый дополнительный контур адаптации объекта, образуемый блоками 3-8 и вновь введенными блоками 12 и 13, обеспечивает компенсацию нелинейных и нествционарных параметрических рассогласований объекта и приведение динамики объекта к динамике соответствующей стационарной части идентификатора.Сигнал параметрических рассогласований объекта, вырабатываемый контуром коррекции идентификатора и снимаемый с формирователя 8 сигнала коррекции, несет в себе информацию о нестационарном и нелинейном поведении объекта и поэтому может быть использован в работе контура адаптации объекта для компенсации его параметричес.ких рассогласований, Этот сигнал проходит через фильтр 12 и второй блок 13 масштабных коэффициентов, который подает этот сигнал со своим масштабным коэффициентом на вход сумматора 3. Сформированный сумматором 3 сигнал через исполнительный механизм воздействует на объект 5 управления, компенсируя его параметрические рассогласования.Теперь, когда объект ведет себя как стационарный, необходимо скомпенсировать нестационарное поведение идентификатора 10 состояния, обусловленное параметрическими рассогласо ваниями объекта. С этой целью организована цепь адаптации идентификатора, использующая сигнал параметрических рассогласований, снимаемый с формирователя 8 сигнала коррекции. Этот сигнал проходит через фильтр 12 и третий блок 1 ч масштабных коэффициентов, который подает его с соответствующими масштабными коэффициентами на входы интеграторов идентификатора 10, возвращая ему свойства стационарной модели с заданными параметрами.ЪВновь введенный фильтр 12 играет двоякую роль: роль сглаживания ироль блока задержки, Сглаживание выхода формирователя 8 сигнала коррекции необходимо для того, чтобы всистеме исполнительный механизм -объект не возник скользящий режим,приводящий на практике к неприятнымявлениям "дрожаний" и высокочастотныхколебаний механических узлов объекта, а в некоторых случаях - к неустойчивой работе системы, Временнаязадержка фильтра необходима для разнесения во времени процессов коррекции идентификатора и адаптации объекта, которые обусловлены одним и темже сигналом, снимаемым с формирователя 8. При этом процессы идентификации должны заканчиваться быстрее, чем процессы адаптации, так как в противном случае адаптивный сигнал дополнительной цепи адаптации идентификатора может компенсировать действие контура коррекции идентификатора и тем самым нарушить его работу, Время задержки фильтра выбирается 10 большим, чем время протекания процессов в контуре коррекции идентификатора, но, с другой стороны, оно выбирается достаточно малым, чтобы не оказывать заметного влияния на 15 быстродействие процесса адаптацци объекта.Наконец, основной контур обратной связи объекта по оценкам идентификатора, образованный блоками 2-6, 10 20 и 11, формирует желаемое по качеству и быстродействию поведение системы управления. В этом контуре идентификатор 10 состояния вырабатывает (восстанавливает) оценки всех 2 ш не зависимых переменных, которые подаются на масштабирующий сумматор 11, формирующий иэ них линейную комбинацию с заданными весовыми коэффициентами, Сформированный масштабирующим З 0 сумматором 11 сигнал через последовательно соединенные блоки 2-4 поступает на объект 5, подавляя его упругие колебания (резонансы) с помощью исполнительного механизма 4, который может представлять собой блок усилитель мощности - двигатель либо тиристорный преобразователь - двигатель и др. Теперь требуемые большие коэффициенты усиления в кон туре обратной связи объекта по оценкам идентификатора, обеспечивающие высокое быстродействие системы управления, что часто приводит к потере устойчивости при воздействии помех, могут быть существенно снижены за счет дополнительного введения адаптирующего сигнала (на первый вход сумматора 3), тем самым расширяется область устойчивой работы (например, перекрывается область резонансных частот объекта) при требуемом быстродействии.Задатчик 1 (фиг. 2) может быть ре.ализован, например, с помощью переменного сопротивления 16. Исполнительный механизм 4 представляет собойблок. состоящий из управляемого силового тиристорного преобразователя 17и двигателя 18 постоянного тока. Объект 5 управления представляет собой механическую упругую нагрузку 19 с зазором, соединенную с инерционнымротором двигателя, Датчик промежуточной переменной 6 представляет собойтахогенератор 20, жестко связанныйс ротором двигателя. Остальные блоки 2, 3, 7-14 реализованы на микросхемах операционных усилителей 151- 15 с ВС-цепями. Суммирующий усилитель 2и сумматор 3 выполнены соответственнона усилителях 15 и 15 . Измеритель ошибки 7 выполнен на усилителе 15. Формирователь 8 сигнала коррекции выполнен на усилителе 15 с большим коэффициентом усиления и двусторонним ограничением по амплитуде выходного сигнала посредством стабилитронной цепи Н, Ч 2 на элементах КС 156 А.Идентификатор 10 состояния объекта выполнен на семи усилителях 15- 15, причем подблоки идентификатора (интег раторы), вырабатывающие оценки переменных, выполнены на усилителях 15, 15 , 156 с емкостными обратными связями; усилители 154., 15, 158, 1." инвертирующие. Оценки переменных идентификатора подаются на масштабирующий сумматор 11, выполненный на усилителе 151 о с тремя резистивными входами, а блок 9 масштабных коэффициентов представляет собой три резистивные цепи, подключающие выход формирователя 8 сигнала коррекции к входам интеграторов идентификатора. Фильтр 12 выполнен на усилителе 15 с ВС-цепью в обратной связи. Выход фильтра 12 через второй блок 13 масштабных коэффициентов и через третий блок 14 масштабных коэффициентов, которые в конкретной реализации представлены резистивными цепями, подключен соответственно на входсумматора 3 и на вход усилителя 15идентификатора.1На осциллограммах (фиг. 3) показаны кривые: 1 - задающий скачкообразный сигнал; 2 - частота вращения исполнительного двигателя; 3 - частота вращения объекта,Из осциллограмм (фиг. За) видно, что поведение объекта управления характеризуется слабо затухающими упругими колебаниями механизма. Из осциллограммы известной системы (фиг. Зб) видно, что упругие коле 1120283 10бания подавляются, хотя между поведением нагрузки объекта (кривая 3) и исполнительным механизмом (кривая 2) наблюдается значительное рассогласование, увеличивающееся при изменении параметров объекта, что характеризует "узкую" область устойчивости,В предлагаемой системе управления (фиг. Зв) эффективно подавляются колебания двухмассового объекта при со О хранении быстродействия и формы переходных процессов, соответствующих техническим оптимальным предписани- :яМ, а быстродействие системы отвечает полосе пропускания, перекрывающей 15 область резонансных частот. При этом поведение нагрузки (кривая 3) близко к поведению исполнительного двигателя (кривая 2), и указанная картина переходных процессов сохраняется при на личин зазора, а также при изменении параметров объекта, например собственной частоты вращения в 2"4 раза, суммарного момента инерции в 3-6 раз. Таким образом, в предложенной систе ме расширяется область устойчивости,Примером использования предложенной системы управления могут служить исполнительные органы механизмов промышленных роботов, которые описы- Зо ваются как нестационарные двухмассовые объекты с упругими связями. В ка. честве базового объекта выбрана типовая система управления следящих электроприводов исполнительных органов манипуляционных роботов, фВыбранная за базовый объект система управления применяется в новейших разработках роботов, построенных по модульному принципу, и отвечает со временному уровню развития робьтотехнической промышленности, Она обеспечивает технически оптимальное по быст родействию (программИруемое) движение манипулятора при условии идеализации его конструкции как абсолютно твердого телаОднако современные типы манипуляторов работают в области частот, где начинают проявляться упругие свойства механической конструкции.Техническим преимуществом предлагаемой системы управления является введение новых блоков и связей, подавление колебаний механической конструкции манипулятора при сохранении требуемого быстродействия, отвечающего полосе пропускания, перекрывающей область резонансных частот, а также при изменении параметров объекта, что приводит к расширению области устойчивости предлагаемой системы управления по сравнению с базовым объектом. В результате достигаемых технических преимуществ в предлагаемой системе управления повышается точность, а также производительность (на 10-15%) манипулятора за счет снижения времени позиционирования.Ожидаемый экономический эффект от использования предлагаемой системы управления рассчитан в сравнении его с базовой системой на примере обработки детали валика ПВ 8304017 на двух токарных станках УТ 1683, обслуживаемых роботом-манипулятором. Годовой экономический эффектна единицу оборудования составляет26 тыс.821 руб.1Зака ПодлисноеСССР д, 4/5 Филиал ППП ,Патент, г, Ужгород, ул, Проектная,7739/34 Тираж 84 ВНИИПИ Государствен по делам изобрете 113035, Москва, Ж, ного комитета ний и открыти Раушская наб