Рецепторный датчик положения обучаемой системы управления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЩЕЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 51)4 С 05 3 19/ АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕТЕЛЬСТ К АВТОРСКОМУ ий ин)гин ие и аданБ.С.Сотск1, с.30.в С.В.У. Л.:адское от(54) РЕЦЕПТО ОБУЧАЕМОЙ СИ (57) Изобрет ти автоматич жет быть исп НЫЙ ДАТЧИК П ТЕМЫ УПРАВЛЕ ние относит ского управл льзовано в ОЛОЖЕН к обласния и мо томатичесГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Аналоговые запоминаютивные элементы/ Под ред.го. М.: Энергия,1973, с.Косарев Ю.А., ВиноградЭлектрически изменяемые ПЭнергоатомиздат, Ленингрделение, 1985, с. 47.Патент США У 4469993,кл. С 05 В 13/00, 1984.Заявка ФРГ У 3311118,кл. С 01 В 11/02, 1985. ких системах с путевым контролем, например в системах управления металлорежущими станками и промьппленными роботами, Цель изобретения - выполнение Аункций управления объектом, повьппение качества управления и его надежности. Рецепторный датчик положения содержит подвижную головку 1, неподвижную мерную линейку 4 с матрицей ПЗУ и с рецепторами 5, которые совмещены со строчными шинами 6 матрицы ПЗУ. Разрядные шины матрицы соединены попарно с элементами сравнения 8, выходы которых подключены к исполнительным органам 9. Рецепторный датчик положения обучаемой системы управления совмещает в себе Функции измерения и управленияС использованием рецепторных датчиков положения отпадает необходимость в логической разработке алгоритма управления, т.к. этот алгоритм формируется автоматически в процессе обучения, 1 з,п. ф-лы, 3 ил, Р д Ю 7 725 На фиг.3 показаны суппорт 19 токарного станка, рецепторный датчик 20 положения продольного перемещения, подвижная головка 21 датчика продольного перемещения, каналы. 22 управления приводами продольного Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано в автоматических системахс путевым контролем, например всистемах управления металлорежущимистанками и промышленными роботами.Цель изобретения - повышение функций управления объектом, повышениекачества управления и его надежности. 10На фиг.1 представлена схема обучаемой системы управления с рецепторнымдатчиком положения, в котором рецепторы выполнены в виде фотоэлектрических элементов; на фиг.2 - схема 15обучаемой системы управления с рецепторным датчиком положения, в котором рецепторы выполнены в видеэлектрических контактов; на фиг.3 -пример схемы обучаемой системы управления по двум координатам.Рецепторный датчик положения(фиг.1) содержит подвижную головку 1.с источником 2 света и оптикой 3, неподвижную мерную линейку 4 с матрицей ПЗУ и с рецепторами 5 в видефотоэлектрических элементов, которыесовмещены со строчными шинами 6 матрицы ПЗУ. Разрядные шины 7 матрицысоединены попарно с элементами 8 срав- З 0нения, которые соединены с исполни. тельными органами 9. На фиг.1 показантакже пульт 10 обучения.Рецепторный датчик положения(фиг.2) имеет ползун 11, которымснабжена подвижная головка 1. Ползун11 соединен с источником 12 постоянного тока и связан с передачей 13винт-гайка, приводимой в действие исполнительным органом 9.40Рецепторы 5 выполнены в виде электрических контактсв,Матрица ПЗУ (фиг.2) содержит аналоговые элементы 14 памяти. Пульт 10обучения имеет формирователь 15 импульсов записи стирания и переключатель 16, который может быть выполненв виде кнопок 16 16 16, свозвратом с регулируемым от усилиянажатия электрическим сопротивлением.Элемент 8 сравнения выполнен в виде электронного усилителя 17 и резисторов 18,перемещения, резцедержатель 23, рецепторный датчик 24 положения поперечного перемещения, подвижная головка 25 датчика поперечного перемещения, каналы 26 управления приводами поперечного перемещения.Обучаемая система управления, в которую входит рецепторный датчик положения, не имеет отдельного блока управления. Все датчики системы действуют по принципу рассматриваемого датчика положения и совмещают в себе функции сбора информации и управления. Процессом обучения устанавливается однозначная связь между информацией о состоянии объекта управления и сигналами управления на все исполнительные органы. Информация поставляется в виде возбуждения рецепторов датчиков (электрического напряжения), а сигналы управления - в виде тока на входе из элементов сравнения.В общем случае объект управления имеет несколько исполнительных органов, и каждый датчик системы управления имеет столько же.элементов 8 сравнения и выходов с них для управления этими исполнительными органами. Таким образом, результирующий сигнал управления каждого исполнительного органа 9 получается как сумма сигналов, идущих со всех датчиков на данный исполнительный орган.Пусть Е (фиг.1) есть составляющая общего сигнала управления исполнительного органа 9, идущая с рас" сматриваемого рецепторного датчика положения, Зависимость сигнала Е от перемещения а подвижной головки 1 в общем случае имеет сложный характер Е = Г(а), однако если разбить весь диапазон изменения параметра а на малые интервалы Ь,Ь,Ь то можно эту зависимость сделать линейной:Е = сЪ + с,Ь с Ъ, (1)где сс с - весовые коэффициенты.Требуемая точность зависимости (1) может быть достигнута путем подбора интервалов ЬЬ Ь . С уменьшением интервалов точность увеличивается,Зависимость (1) лежит в основе рецепторного датчика положения обучаемой системы управления и определяет плотность и количество рецепторов 5.Расстояние между рецепторами в общем случае должно быть равно допуску на позиционирование подвижной головки 1 или меньше его (фиг.1 и 2).Общее количество рецепторов 5 (фиг. 1) определяется как результат деления всей длины перемещения головки 1 на расстояние между рецепторами, оно может быть значительным, Каждый рецептор 5 соединен со строчной шиной 6 матрицы, Следовательно, число строчных шин матрицы может быть также значительным, По этой причине разносить в пространстве рецепторы и строчные шины ПЗУ нецелесообразно, в противном случае потребовалось бы огромное количество проводников для их соединения. Этим объясняется то, что ПЗУ совмещено с измерительной частью и датчик положения совмещает функции измерения и управления. Постоянное запоминающее устройство (фиг,1 и 2) содержит элементы 14 памяти, электрическая проводимость которых может изменяться в широких пределах по командам, подаваемым с пульта 10 обучения, и в зависимости от возбуждения рецепторов 5. Такими элементами памяти могут быть гальваномагнитные устройства, электрохимические элементы, линейные конденсаторы, нагруженные на вход полевых транзисторов, и аморфные полупроводники. Пусть в ПЗУ рецепторного датчика положения используются элементы памяти из аморфных полупроводников, например из халькогенидного стекла. Они отличаются простой технологией изготовления и потенциально низкой стоимостью. Между параметрами импульса записи и величиной сопротивления элемента памяти из аморфного полупроводника существует непрерывная зависимость. Его недостаток, заключающийся в нестабильности указанной зависимости, применительно к ПЗУ рецепторного датчика положения не имеет практического значения, так как величину импульса записи в процессе обучения обучатель задает такой, чтобы получить требуемый закон движения исполнительного органа. Обратной связью обучателю служат его органы чувств (зрение). Не имеет также существенного значения по ука 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 занной причине нелинейность указанной зависимости.В аморфном состоянии халькогенидное стекло является диэлектриком.Если через него пропустить электрический импульс определенной мощности, то,в стекле возникает электрический пробой, в результате которогоаморфное состояние переходит в кристаллическое, электрическая проводимость которого выше, чем у аморфного. В результате пробоя в телестекла образуется кристаллическийтокопроводящий шнур, сечение которого зависит от мощности импульса. Приповторной подаче импульса записи сечение шнура увеличивается и электрическое сопротивление его уменьшается.Такое свойство стекла позволяет увеличивать проводимость пробоя многократно. Средние параметры импульсов записи: напряжение 25 В, ток 5 мА,длительность 10 мс,Запись на аморфных полупроводниках можно стирать. Для этого подается такой по мощности импульс стирания, при котором кристаллический токопроводящий шнур снова переходи ваморфное состояние и сопротивлениерезко увеличчвается. Импульс стирания имеет следующие параметры:напряжение свыше 25 В, ток 100 мА,длительность 5 мкс.Пульт 10 обучения имеет формирователь импульсов записи и стиранияи переключатель для переключенияформирователя по желанию обучателяна ту или иную разрядную шину матрицы ПЗУ,Переключатель 16 может быть выполнен в виде кнопок с возвратом срегулируемым от усилия электрическимсопротивлением. Если обучаемая системауправления имеет несколько датчиков(фиг.З), то разрядные шины ПЗУ, соответствующие одному и тому же приводу, должны быть соединены междусобой и выведены на пульт 10 обучения (фиг.З). Импульс записи продолжительностью10 мс и тем более импульс стирания немогут повлиять на инерционную системууправления приводами, но если этопроизойдет, то в каналах управлениянеобходимо установить фильтры в видеконденсаторов для предотвращенияэтогоЭлементы 14 памяти ПЗУ (фиг.2) иузлы соединения каналов управленияприводами, идущие от различных датчиков (фиг.З), имеют диодную развязку(одностороннюю проводимость) с тем,чтобы исключить взаимовлияние элементов памяти и датчиков между собой,те. исключить блуждающий ток,Разрядные шины матрицы ПЗУ объединены попарно. Каждая пара разрядныхшин 7 (фиг.2 и 1) соединена со своимэлементом 8 сравнения (фиг.1 и 2),Условно можно назвать одну разряднуюшину пары плюс-шиной (+), а вторую - 15минус-шиной (-),Элемент 8 сравнения определяетразность потенциалов разрядных шинЕ +1 и Е( ) , эта разность использует-,ся как сигнал управления Е = Е -Е+1 (-)Один из вариантов схемы элементасравнения представлен на фиг.2. Оберазрядные шины через резисторы 18соединены на землю и параллельно соединены с входом электронного усилителя (ЭУ) 17, на выходе которого формируется усиленный сигнал управления Е. Сопротивление резисторов 18подбирается таким, чтобы рабочий ток,идущий от рецептора 5 через элементпамяти 14 ПЗУ на разрядную шину 7матрицы, был меньше тока записи и неизменял проводимость элемента 14 памяти.Для управления объектом с двумяисполнительными органами (фиг.З) дос 35таточно, чтобы каждый рецепторныйдатчик положения имел только двепары разрядных шин матрицы ПЗУ, но вобщем случае датчик должен иметь та Окое количество пар разрядных шин, которого хватило бы для любого многоприводного объекта управления с учетом резервирования.Рецепторы 5 могут быть располо жены по прямой, тогда датчик будет фиксировать линейное перемещение подвижной головки 21 (или 25), или по окружности для фиксации конечного (или бесконечного) поворота головки. БОВ качестве фотоэлектрических элементов рецепторов 5 в случае применения ПЗУ на основе аморфных полупроводников можно использовать фотодиоды, способные обеспечить необходимое напряжение импульса записи.Количество элементов памяти 14 ПЗУ определяется произведением строчнЫх шин 6 и разрядных шин 7 и относительно невелико. Это объясняется тем, чтоПЗУ не является пространственным накопителем, как, например, ПЗУ микропроцессоров. Вся информация о состоянии объекта управления, собираемаядатчиком положения, не укладываетсярядом, а накладывается одна на другую.Процесс обучения состоит в том,что с помощью команд, подаваемых спульта 10 обучения в форме импульсов записи, обучатель устанавливаеттакие проводимости элементов 14 памяти ПЗУ, которые обеспечивают требуемыевеличины сигналов управления на всеисполнительные органы в любом положении датчика. Обучение многократноеЕсли в процессе обучения окажется,что сигнал управления каким-либо исполнительным органом мал (допустим,скорость этого органа мала), обучатель подает дополнительный импульсзаписи на разрядную шину той парыразрядных шин ПЗУ, которая связана сданным исполнительным органом, Практически это осуществляется нажатиемтой кнопки 16 пульта обучения 10,которая замкнет формирователь 15 импульсов записи на соответствующую разрядную шину 7. Усилие нажатия определитмощность импульса. Импульс записипойдет только через те элементы памяти 14 ПЗУ, со строчными шинами которых в данном положении через рецепторы 5 контактирует подвижная. головка 1, В результате увеличитсяэлектрическая проводимость этих элементов 14 ПЗУ, следовательно, наэлемент 8 сравнения будет поданобольшее напряжение источника питания подвижной головки и, наконец,увеличится сигнал управления,Если на следующем цикле обученияв том же самом положении объекта управления (и датчика положения) окажется, что сигнал управления по-преж-,нему мал, обучатель должен повторитьпроцедуру увеличения этого сигнала. Если же сигнал управления окажется велик (а об этом обучатель судит по скорости исполнительного органа, руководствуясь своими органами чувств то обучатель повторяет описанную выше процедуру с той лишь разницей, что корректирующий импульс записи должен быть подан на вторую разрядную шину 7 той же самой пары. В результате увеличится проводимость элементов 14ПЗУ этой разрядной шины, увеличится напряжение, подаваемое этой разрядной шиной на элемент сравнения и, наконец, уменьшится сигнал управления.Обучаемая система управления,яв" ляется автоматической системой и может использоваться как для регулирования, так и для воспроизведения.повторяющихся циклических движений.Так, например, суппорт 19 токарного станка (фиг.З) должен повторять одни и те же движения при обработке большого количества деталей одной конфи- гурации. Обученный на изготовлении нескольких первых деталей, суппорт 19 в дальнейшем будет работать в автоматическом режиме.Процесс обучения сходящийся, т.е. величина последующей корректировки 2 О всегда меньше предыдущей (при безошибочном обучении), Ошибка в обучении может быть исправлена на последующих циклах обучения. По желанию обучателя память датчика положения мо жет быть стерта и обучение начато заново.Обучение можно считать законченным, если движение исполнительных органов удовлетворяет обучателя с заданной степенью точности. Если погрешность движений больше допустимой, процесс обучения необходимо продолжить. 35Рассмотрим процесс обучения и автоматический режим работы рецептор- ного датчика положения на примере суппорта токарного станка, оснащенного указанными датчиками (фиг.З), 40 Считаем, что память ПЗУ перед началом обучения чиста. Если в ПЗУ что-то было записано ранее и есть необходимость стереть запись, обучатель подсоединяет ко всем разрядным шинам ПЗУ обоих датчиков, т.е. к тем разрядным шинам, которые подсоединены к пульту 10 обучения, формирователь 15 импульсов стирания, параметры которых указаны вышее. С другой стороны яо должны быть замкнуты на источник электрического тока подвижных головок все строчные шины матриц ПЗУ рецепторных датчиков 20 и 24 положения. Это можно осуществить путем принудительного перемещения подвижных головок 21 и 25 по всей длине датчиков положения или любым другим способом, Мощность импульсов стирания и время . их действия таковы, что имеющиеся кристаллические шнуры элементов памяти ПЗУ перейдут в аморфное исходное состояние, характеризируемое большим омическим сопротивлением. После окончания процесса стирания все элементы памяти ПЗУ будут, вопервых, иметь большое электрическое сопротивление, а во-вторых, эти сопротивления будут выравнены, Поэтому в исходном состоянии напряжения плюсшин и минус-шин на каждой паре, соз- . даваемые источником электрического тока подвижной головки (фиг2; на фиг.З этот источник не показан), будут равны и сигналы управления испол-, нительными органами 9, и 9, определяемые как разность указанных напряжений, будут равны нулю. Это внешне выразится в том, что исполнительные органы будут бездействовать.Допустим, что перед обучателем ставится цель обучить токарный станок обрабатывать определенную деталь с определенной конфигурацией, Для этого необходимо обучить суппорт с двумя исполнительными органами 9 и 9 повторять сложные циклические движения с заданной точностью.Обучатель в каждом положении суппорта 19, характеризуемом положениями подвижных головок 21 и 25, определяет закон движения суппорта 19 (какой исполнительный орган и с какой скоростью должен работать) и добивается исполнения этого закона движения путем нажатия с требуемым усилием кнопок 16 на пульте 1 О обучения (кнопки на фиг.З не показаны).Пусть кнопки 16 имеют следующие обозначения: (+) - соединение формирователя 15 импульсов записи с плюс-шинами матриц ПЗУ обоих датчиков, элементы 8 сравнения которых имеют выход на исполнительный орган 9 16(-) - то же с минус-шинами;16 (+) - то же с плюс-шинами исполнительного органа 9, 16 (-) - то же с минус-шинами исполнительного органа 9 г. Допустим, необходимо совершитьпродольное перемещение суппортавправо на определенную величину сопределенной скоростью. Обучательнажимает кнопку 16, (+), замыкаятем самым соответствующие плюс-шинына формирователь 15 импульсов записи.Под напряжением импульса записи ока-жутся все элементы ПЗУ обоих датчиковсоответствующих плюс-шин, однако пробой возникнет только у тех элементов,строки которых с помощью подвижных5головок 21 и 25 через контакты рецепторов 5 соединены с источниками электрического тока. Цепи всех прочихстрочных шин разорваны (они ни счем не соединены), поэтому прочиеэлементы ПЗУ запись не произведут.По продолжительности импульс записинастолько короток, что не сможетповлиять на систему управления исполнительным органом 9, Фильтрующуювысокие частоты сигнала управления,поэтому исполнительный орган 9 несработает.Однако после осуществления записив соответствующие элементы ПЗУ, выразившейся в увеличении электрической проводимости этих элементов, напряжение источников тока подвижныхголовок будет подано на плюс-шиныобоих датчиков, соответствующие исполнительному органу 9, а напряжения на минус-шинах равны нулю, результирующим напряжением, поданымна исполнительный орган 9 будетсумма напряжений обоих плюс-шин, Исполнительный орган 9, придет в действие, и суппорт 19 начнет перемещаться вправо. Движение будет продолжаться до тех пор, пока будет нажатакнопка 16, потому что в любом новомположении датчиков все время будетповторяться рассмотренный процессзаписи в памяти ПЗУ,Если необходимо ускорить движение, обучатель должен сильнее нажать кнопку 16,При этом увеличитаося мощность импульса записи, соответственно увеличится проводимостьэлементов ПЗУ, строчные шины которыхнаходятся под напряжением подвижнойголовки, и увеличится сигнал управления, Как только суппорт 19 переместится на заданную величину, обучатель должен отпустить кнопку 16.Запись прекратится, и исполнительныйорган остановится.Так можно осуществлять любые согласованные движения исполнительныхорганов 9, и 9При повторных циклах обучения могут возникнуть отклонения в заданном законе движения и даже ложные движения. Корректировка и исправление осуществляются тем же способом: иажатием соответствующих кнопок 16 пульта10 обучения.Рассмотрим несколько примеров,1. Требуемое движение - вправо,действительное движение - влево: необходимо нажать кнопку (+).2. Требуемое движение - вперед,действительное движение - влево: необходимо сначала нажать кнопку16, (+) с таким усилием, чтобыостановить орган 9 а затем нажатькнопку 16 (+). Можно нажать обекнопки одновременно.3, Действительная скорость органа 9, вправо выше, органа 9 назадниже требуемых: необходимо нажатькнопки 16, (-) и 16 (-) с такимусилием, чтобы достичь желаемых скоростей.Пульт 10 обучения может работатьв следящем режиме, когда выбор кнопоки усилие их нажатия определяютсяавтоматически в зависимости от положения, например, единой рукоятки, управляемой обучателем.Циклы обучения должны повторятьсядо тех пор, пока суппорт 19 не научится совершать требуемые циклическиедвижения с заданной точностью, и всеэто время постоянно будут корректироваться проводимости элементов ПЗУ,Обучаемая система управления неимеет раздельных режимов обучения иработы: обучение считается завершенным, если обучатель не нажимает накнопки пульта обучения и не посылаетимпульсы записи на ПЗУ, в то же время обучатель в любой момент имеетвозможность вмешаться в работу системы управления и скорректировать ее.В обученном состояни в автоматическом режиме суппорт 19 работаетследующим образом,В любом положении суппорта 19 сигналы управления 9 и 9 определяются тремя факторами: положениями подвижных головок датчиков 21 и 25, окончательно установившимися проводимостями тех элементов ПЗУ, строчные шины которых контактируют с подвижными головками, и соотношением проводимостей элементов плюс- и минус-шин.Отличительной особенностью рецепторного датчика положения обучаемой системы управления является то, что, он совмещает в себе Функции измере" ния и управления.С использованием рецепторах датчиков положения отпадает необходимость в логической разработке алгоритма управления, так как этот алгоритм формируется автоматически в процессе обучения. Логическое моделирование процессов управления заменяется обучаемым моделированием,При выходе из строя отдельных эле Оментов ПЗУ, т.е, при нарушениях памяти происходит снижение точностидвижений, но не возникает полный отказ системы управления. Например, врезультате флуктуаций аморфного стекла самопроизвольно изменяется проводимость отдельного элемента 14 памяти ПЗУ. Доля этого элемента в.формировании сигнала управления очень мала, поэтому нарушения его отразятся дна изменении поведения приводов совсем незначительно. Также незначительно повлияет на точность потеря отдельного контакта ползуна 11 подвижной головки с рецепторами 5. Сказанное хорошо подтверждается выражением (1). Изменение отдельных весовыхкоэффициентов с; или возбуждений рецепторов Ь. отразится на изменении1Е незначительно. Следует также иметьв виду, что самопроизвольные изменения проводимостей элементов памятиносят в общем случае нормальный законраспределения, поэтому в среднем этиизменения разделятся поровну на плюсшины и на минус-шины, а так как ре 35зультирующий сигнал управления формируется как разность напряжений парных разрядных шин, то этот сигнал управления не должен измениться. В этомзаключается повышение надежности процессорной части датчика положения,если сравнивать ее с надежностью процессорной части обычйых релейных систем управления и управляющих вычислительных машин. В процессе работы в автоматическом режиме погрешности в движениях будут накапливаться и могут превысить допустимые отклонения, тогда восстановления требуемой точности можно достигнуть не ремонтом ПЗУ, а обычным додбучением. В этом состоит еще одно преимущество рецепторных датчи-. ков положенияТребования по качеству изготовления датчиков также снижены, потому что многие исходные отклонения могут быть нейтрализованы в процессе обучения.Рецепторные датчики положения позЪволят также повысить .качество автоматического управления.Формула изобретения1. Рецепторный датчик положенияобучаемой системы управления, содержащий неподвижную мерную линейку срецепторами в виде фотоэлектрическихэлементов, подвижную головку с источником света и оптикой, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью выполнения функций управления объектом,повышения качества управления и егонадежности, мерная линейка датчикасодержит постоянное запоминающееустройство, выполненное в виде матрицы аналоговых элементов памяти,строчные шины которой совмещены срецепторами, а разрядные шины объединены попарно и являются выходамидатчика.,2. Датчик по п.1, о т л и ч а ю" щ и й с я тем, что рецепторы выполнены в виде электрических контактов, а подвижная головка имеет полэун, соединенный с источником постоянного тока и контактирующий с рецепторами., д. 4 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужг л. Проектная, 4 47 Тираж 8ВНИИПИ Государственпо делам изобрет 113035, Москва, Ж,ого комитета СССРний н открытийаушская наб.