Система стабилизации объекта с присоединенным упругим элементом переменной жесткости

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 119) (11) 5 В 13 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ ЕТЕЛЬСТВУ а ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССР У 1129585, кл. С 05 В 11/01, 1984.Авторское свидетельство СССР М 1525676, 0.03,88(54) СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ОБЬЕКТА С ПРИСОЕДИНЕННЫМ УПРУГИИ ЭЛЕМЕНТОМ ПЕРЕМЕННОИ ЖЕСТКОСТИ(57) Изобретение относится к системам управления угловым движением динамических объектов, а именно к системам стабилизации углового положения объектов с присоединенными упругими Изобретение относится к системам управления угловым движением динамических объектов, а именно к системам стабилизации углового положения объ" ектовс присоединенными упругими элементами конструкции.Цель изобретения - повышение точности управления и сокращение времени переходного процесса стабилизации углового положения объекта с упругим элементом конструкции.На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемой системы стабилизации объекта с присоединенным упругим элементом; на фиг.2 - структурная схема блока логики выбора управления; на фиг.3 - то же, блока терэлементами конструкции. Целью изобретения является повышение точности управления и сокращение времени переходного процесса стабилизации углово"го положения объекта с упругим элементом конструкции.Система стабилизациисодержит блок исполнительных органов,датчики угла и угловой скорости, первый и третий усилители, первый, второй и третий сумматоры, датчик отклонений упругого элемента, дифференциатор, блок выбора закона управления,блок терминального управления, блоккомпенсирующего управления, устройство управления жесткостью, блок формирования опорного управления жесткостью и блок коррекции управленияжесткостью, 6 фиг. минального управления; н фиг.4 - то же, блока компенсирующего управления; на фиг.5 - то,же, блока. формирования опорного управления жесткостью; на фиг.б в . фазовая траектория движения упругого элемента.Система стабилизации объекта с присоединенным упругим элементом содержит (фиг.1) 1 объект 1 управ.-. ления с присоединенным упругим элементом 2; блок 3 исполнительных органов, датчики 4 и 5 угла и угловой скорости, первый б, второй 7 и третий 8 усилители, первый 9, второй 10 и третий 11 сумматоры; датчик 12 отклонений упругого элемента; дифференциа" тор 13; блок 14 выбора закона управ 3 16033ления 1 блок 15 терминального управле"ния; блок 16 компенсирующего управления; устройство 17 управления жесткостью; блок 18 формирования опорного управления жесткостью; блок 195коррекции управления жесткостью; состоящий.из Формирователя 20 модулясигнала, первого 21 и второго 22 множителей, источника 23 постоянного напряжения, компаратора 24, первого 25и второго 26 релейных элементов,элемента И 27, первого 28 и второго 29 ключей,Блок 14 выбора закона управлениясодержит (фиг,2) сумматор 30, формирователи 31 и 32 модуля сигнала, компаратор, 33, .три схемы 34-36 сравнения знаков сигналов, элементы И 37и 38, ключи 39-41,Блок 15 терминального управлениясодержит (фиг.3) два квадратора 42и 43, два делителя 44 и 45, два множителя 46. и 47, сумматор 48.Блок 16 компенсирующего управления содержит (фиг.4) два множителя 49и 50 и сумматор 51.Блок 18 формирования опорного уп"равления жесткостью содержит(фиг.5) сумматор 52, два релейныхэлемента 53 и 54, элемент И 55, элемент ИЛИ-НЕ 56, элемент ИЛИ 57.В основу изобретения положено следующее,Динамика процесса угловой одноканальной стабилизации объекта с учетом основной низкочастотной формы колебаний присоединенного к нему упругого элемента описывается следующей. системой дифференциальных уравненийе 40Ч(ЧФЧ) зя Ь фр (1,)Ч = -М -ц Ч --- (Ц с+Ь)2 а53где, Ч - текущее рассогласованиепо углу и угловой скорости объекта управления;4Ч,Ч,Ч - текущие отклонения,скорость и ускорение относительного движения присо"единенного к объекту упругого элемента;1 - момент инерции. объекта пооси управления;а - коэффициент динамическоговзаимовлияния объекта иупругого элемента; ш - массовый параметр упругого элемента;40 Ь с - диссипативный и жесткостный параметры упругогоэлемента;9 = а Ч + ЪЧ - возмущающее ускорение, обусловленное динамикой упругого элемента0= К,Ц 1+ К,(К, с О, К 2 ( О) - традиционное пропорциональнодифференциалькое стабилизирующее управление;а 11 - компенсирующая управляюФщая добавка (компенсирую- ащая возмущающее влияниеупругого элемента); Й = в (1 - а /(1 ш - а)1ЭС. Г 2Я = - -1-а /(1 т -. а)1Ф Ьа Ъюа т 1 ш-а аса -1 ш-а зирующего управления. Самым простым очевидным решением Формирования компенсирующего управления Ы 3 является следующее:ЬЦ= - 9 (Ч,Ч)Однако данное решение не учитывает тот Факт, что при слабом собственном демпфировании упругого элемента потребуется достаточно долго прикладывать компенсирующее управление, которое по величине при малых координатных рассогласованиях объекта может оказаться несоизмеримо больше самого стабилизирующего управления.и, более того, противоположно ему по знаку. А следовательно, любые (даже сравнительно малые) погрешности в формировании компенсирующего управления могут привести к нарушению качества стабилизации. Чтобыэтого не происходило или возможности проявления таких эффектов были сведены к минимуму, необходимо одновременно с эффек- . тивной компенсацией возмущения обеспечивать и активное демпфирование колебаний упругого элемента, Этого можно достичь за счет рационального (без ущерба основному контуру управления) целенаправленного изменения величины компенсирующего управления в зависимости от текущего состояния упругого элемента, чем определяется величина и знак создаваемого возмущающего ускорения, а также от знака, формируемого по состоянию самого объекта стабили) и осью 0 = алой полуосью 4 Х Э. И (7) -найдем точки пере вух траекторий : (Ча формул (6) чения этиТ о /мака) и сцисоситель т сде ре АО(4) Ч =-Ы а+2 аксисхо ктора,е, чем мента при уравпри Я - Яма кс -выгодре СОД 0 пругогоочке (Ч,Ч(5)траектории рассмати плоскости (ЧэЧЯ, ри Я =Яа, имеемг Ч ( - -)=(Ч -)Сдмакс с смаке альнейшем все 50 иваем на Фазово9 Формулы (5) иЧ г(Ч - )+мин 6 о е Закон формирования величины Б% для случая постоянной жесткости упру ас =МВ случае переменной жесткости упр гого элемента целесообразно изменять ее таким образом, чтобы, не ухудшая характеристики движения объекта при управлении по закону (2),. внести дополнительный вклад в демпфирование колебаний упругого элемента.Пустьсд аУмнаЮ ма кс 1 - диапазон изменения частоты колебаний присоединенного упругого элемента.Пренебрегая собственным затуханием упругого элемента, из формулы (1) уравнение его относительного движения имеет вид где 0 = Бз + БНа фиг.6 изображена траекториядвижения упругого эленении по закону (2)= сопя и 0 (О.Пусть на интервале управленияйБ щ сопят. Обозначим сфУ = Ч == сопят, тогда из выражения (4) унение фазовой траектории уэлемента, начинающейся в т4/),имеет вид гого элемента записывается в виде Чо = (Ч - ) + (-) /ЭЕ О 2 И мин максЭ2 Ж= --- Я мннмакссы этих точек симметричны отно начала координат.Это обстоятельство позволлать следующие выводы; в секцелесообразно принимать Япоскольку круговая траекторидящая из любой точки этого слежит к началу координат блиэллиптическая; в секторе ВОСнее принять Я =(д,нц , в сектнеобходимо брать Я =Ямакс В секторе АОД по закону (2) осуществляется терминальное управление. Если мощности исполнительных органов недостаточно для приведенйя упругого элемента в начало координат при максимальной жесткости, тогда необходимо переходить к мйнимальной жесткости, что следует из анализа выражения (3) для расчета У, , т.е. чем меньше Я , тем меньшее по абсолют" ной величине терминальное управление требуется для перевода объекта из одного.и того же положения в одну и ту же требуемую конечную точку. Поэтому уменьшая Я , можно обеспечить перевод в терминальную точку даже тогда, когда при большем Я реализация такого управления невозможна изза того, чтоУу,) П1603340 Следовательно, логика управления жесткостью в этом секторе следующаяУл,с, если 1 ццмакс(л) =дл ии ф если ццмд ,где Ц - абсолютная величина максиЬасмального ускорения, развиваемого исполнительными органами объекта.В нижней части фиг.б показаны области фазовой плоскости и соответствующие им жесткости упругого элементасогласно приведенным выводам приЧ ) О. В силу симметрии при изменениизнака нагружения упругого элементадостаточно провести инверсию (геометрическую) логик относительно начала координат.Таким образом, закон управленияжесткостью может быть представленцу,Б 8 п(цц) =1 Ь Б 1.8 п(сИ) = -1 (8) цыг, иначе,20 Сигналы управления "1" и "О" соот;ветствуют минимальнойи максимальной жесткости упругого элемента, 25Предлагаемый закон управления (2)и (8) реализуется системой стабилизации, функциональная схема которойпредставлена на фиг,1, следующим образом. ЗССигнал, соответствующий ц ,формируется на выходе сумматора 9. На выходе блока 15 формируется Цт в соответствии с выражением (3), причем исходные значения. параметров с и ЯМ г35поступают на установочные входы блока 15, С выхода блока 16 снимается+параметры а+ и Ь подаются на установочные входы этого блока. СигналЕц снимается с выхода сумматора 30,твходящего в состав блока 14, на выходе ко торо го формируется со 6 ственнозначение Лц . Логика закона (2) реализуется в блоке 14. Причем истинность 4логического выражения ацЯопределяет компаратор 33, логическоговыражения Б 1.пц= БЦп О - схемасравнения знаков (ССЗ)35, логическоговыражения Я 1.япЦ = Бдпа - ССЗ 36,а логического выражения БхдпАц,-Б 1 дп 8 - ССЗ 34. Истинностьпервого и второго логйческих выражений закона (2) определяется элементами И 3 и .38 соответственно, которые55и организуют формирование требуемойуправляющей информации на выходе блока 14 с помощью ключей 39-41. Сумматор 10 служит для формирования Ц == ц 1 + 6 о, , На выходе датчика 12 фор 5мируется текущее значение ц, а на выходе блока 10 - ц соответственно.Сигнал, соответствующий ц, формируется на выходе блока 19 в соответствии с выражением (8), Причем истин ность логического выражения Б 8 пцИ=1 определяется последовательно сое;, диненными множителем 21 и релейнымэлементом 25, а выражения Брц.ц== -1 - множителем 22 и релейным элементом 26. Истинность выражения ц цлопределяется компаратором 24,на выходе которого формируется ц . Сигнал, пропорциональный Цс, формиг руется,блоком 18. Устройство управления жесткостью 17 изменяет жесткость упругого элемента, причем при наличии на входе сигнала "0" формируется максимальная жесткость, а сигнала 1" - минимальная.Предлагаемое устройство работает следующим образом.При наличии упругих колебаний элемента 2, по амплитуде не превосходящих зону нечувствительности датчика отклонений 12 а точнее, при их фактическом отсутствии), ненулевое управление цформируется лишь только на выходе сумматора 9 - основной (первый) контур стабилизации объекта, Работа устройства не отличается от рг.- боты прототипа. Если же уровень упругих колебаний элемента 2 превышает зону нечувствительности, то в работу включаются еще два контура управления: контур формирования компенсирующего управления, состоящий из блоков 14-16; контур активного демпфирования колебаний элемента 2, включающий блоки 18,19 и исполнительный орган 17. Взаимоувязка работы контуров50 предлагаемой л 1 ногоконтурной системы стабилизации осуществляется за счет использования управляющей информации первого контура при Формировании управления во втором контуре, а ин 5 формац:1 и о суммарном управляющем воздействии от первых двух контуров при формировании управляющей информации в третьем контуре. Второй и третий контуры согласованно решают основную задачу по максимальному снижению амплитуды колебаний упругого элемента. Кроме того, второй контур обеснечивает еще и компенсацию возмущающего 15 влуяния колебаний упругого элемента 2 на корпус самого объекта, Предлагаемое устройство допускает работу и без участия второго (компенсирующего) контура, например, в режиме грубой стабилизации объекта. Этот режим осуществляется путем задания нулевых значений Ы, а , Ь+ и с на управля 4 М Мющих входах 15 и 1 б блоков.Система стабилизации в отличие от прототипа обеспечивает практически полную компенсацию возмущающего влияния динамики присоединенного упругого элемента на угловое движение объекта управленияПри этом стратегия компенсирующего управления выбрана так, чтобы обеспечить фактически и активное демпфирование колебаний упругого элемента за счет рационального использорания возможностей целенаправленного изменения величины ком 35 пенсирующего управления в зависимости от текущего состояния упругого элемента, что также способствует достижению высокой точности стабилизации углового положения объекта. Вклю- чение в систему третьего контура управления, обеспечивающего возможность управляемого изменения жесткости упругого элемента, позволяет еще болееинтенсифицировать процесс активного демпфирования его колебаний. Стратегия управления жесткостью выбрана таким образом, чтобы с учетом текущего состояния упругого элемента, а также величины и знака прикладываемого управляющего воздействия, спираль на фазовой плоскости скручивалась бы с наибольшим градиентом. В результате действия Формируемого комбинированного управления и сам55 объект стабилизируется с требуемым качеством, а уровень колебаний упругого элемента неуклонно и достаточно быстро, убывает, Длительность этого процесса в значительной степени зависит от инерцио 1 ности используел 1 ых исполнительных органов, начальной амплитуды колебаний и требуелш 1 х точностей стабилизации объекта го углу и угловой скорости, а также частоты смены знака прикладываемого управления,ьФормула изобретения1.Система стабилизации обьекта сприсоединенным упругим элементом переменной жесткости, содержащая блок, исполнительных органов, выходом подключенным к входу объекта управления с присоединенным упругим элементом, первый выход которого соединен с входом датчика углового положения объекта, а второй выход - с входом датчика угловой скорости, выходы датчика углового положения объекта и датчика угловой скорости через первый и второй усилители подключены соответственно к первому и второму входам пер - вого сумматора, устройство управления жесткост 1.ю, подключенное к входу упругого элемента, с выходом которого связан датчик отклонения упругого элемента, выход которого непосредственно и через дифференциатор соединен соответственно с первыми и вторыил. входами блока терминального управле-ния, блока компенсирующего управлениЯ и блока Формирования опорного управления жесткостью, выход первого сумматора подключен к первому входу второго сумматора и первому входу блока выбора закона управления, к второму входу которого подключен выход дифференциатора, к третьему входу - выход блока компенсирующего управления, а к четвертому входу, - выход блока терминального управления, выход блока выбора закона управления соединен с вторым входом нторого сумматора, вы-. ход которого сВязан с входом исполнительного органа, вход устройства управления жесткостью связан через третий усилитель с первым нходом третьего сумматора, выход которого подключен к третьему входу блока терминального управления, о т л и ч а ю - щ а я с я тем, что, с целью повышения точности системы и сокращения времени переходного процесса, она снабжена блоком коррекции управления жесткостью, первый вход которого сое 1603340 12динен с выходом датчика отклоненияупругого элемента; второй вход соединен с выходом дифференциаторатретий вход связан с выходом второгосумматора, а четвертый вход - с вы 5,ходом блока опорного управления жесткостью, а выход блока коррекции управ-.лений. жесткостью подключен к входуустройства управления жесткостью.2. Система по п.1, о т л и ч а ю -щ а я с я тем, что блок коррекцииуправления жесткостью содержит формирователь модуля сигнала, первый ивторой множители, первый и второй ре лейные элементы, компаратор, элемент И и источник постоянного напряжения,первый вхоц блока коррекции управления жесткостью соединен спервым . входом второго множителя, второй20 вход связан с вторым входом второго множителя и первым входом первого множителя, третий вход блока коррекции управления жесткостью подключенк входу формирователя модуля сигналаи к второму входу первого множителя,а четвертый вход блока коррекции управления жесткостью соединен с сигнальным входом второго ключа, выходыпервого и второго множителей соединены соответственно через первый и второй релейные элементы с первым и вторым входами элемента И, выход которого подключен к управляющим входампервого и второго ключей, выходы источника постоянного напряжения и формирователя модуля сигнала соединенысоответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которогосвязан с сигнальным входом первогоключа, выходы первого и второго ключей соединены с выходом блока коррекции управления жесткостью,603340 Составитель В.ХромовТехред Л,Сердокова Корректор О.Ципле Келемеш едакт 62 Произво енно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород гарина, 10 Заказ 3384 ВНИИПИ Государственного 1.13035, Тир митет сква,по изобретениям -35, Раушская н одписноеи открытиям при ГКНТ ССд. 4/5