Следящая система

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советскин Социалистических Республик(23) Приоритет Государственный комитет Совета Министров СССР по ренам изооретеннй и открытий) СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА Изобретение относится к области системавтоматического регулирования и может бытьиспользовано в дискретных следящих системах автоматического управления и кибернетики, к которым предъявляются повышенные 5требования по быстродействию и точностиобработки управляющего сигнала.Известна следящая система с шаговымдвигателем, состоящая из чувствительногоэлемента, подключенного на вход усилителя, 10выход которого включен одновременно навход схемы управления шаговым двигателеми на вход управления скоростью двигателя,причем выход последнего включен на одиниз входов чувствительного элемента, на другие входы которого подкпючены соответственно задатчик и датчик регулируемой величины.Указанная спедящая система позволяет засчет использования режима программногоразгона двигателя до частот выше частоты 2приемности повысить скорость отработкибольших расс огпас ований,Недостатком такой следящей системыявляется снижение рабочей частоты двигателя при некотором пороге селектирования 2 для предотв тв системе Й привод 11,Существенно повысить быстродействиешагового привода удается при использовании датчика шагов на валу двигателя,Однако известная следящая система, использующая шаговый эпектропривод в режимесамокоммутации имеет ограниченные функциональные возможности по реализации режимов управления (реверс, торможение,отработка единичных шагов) 12.Указанные недостатки исключены в следящей системе, содержащей элемент сравнения, к первому и второму 1 входам которогоподкпючены соответственно задатчик и датчик регулируемой величины, блок усилителей, выходы второго соединены соответственно с входами блока определения знакаскорости и с обмотками управления шагового двигателя,.который механически соединенс датчиком шагов и через объект регулирования - с датчиком регулируемой величины,коммутатор, одни из входов и выходы которот о подключены соответственно к выходам датчика шагов и входам блока усилителей.Эта следящая система является наиболе близкой к изобретению по технической сущности н достигаемому результату так как позволяет реализовать плавное регулирование во всем диапазоне изменения величины рассогласования, Однако система имеет отграниченную скорость слежения при заданной точности 13)10Белью изобретения является повышение точности системы.Это достигается тем, что в известную следящую систему дополнительно установле-ны блок задания программы и логический блок;15 : первые входы которых подключены к выходу элемента сравнения, первый, второй и третий выходы блока задания программы соединены. соответственно со вторым, третьим и четвертым входами логического 2 в блока,. к пятому и шестому входам которого подключены соответственно выходы блока определения знака скорости, первый, второй и третий выходы логического блока соединены соответственно с другими входа ми коммутатора четвертый выход логи.ческого блока подключен ко второму входу бло ка задания программы, к другим входам которого подключены соответственно выходы датчика шагов, 30При этом логический блок содержит пороговый элемент, вход которого подключен к первому входу логического блока, первыйФи второй выходы порогового элемента соединены соответственно с первыми и вторыми 55 входами первого элемента ИЛИи триггера, первый выход которого соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, второй,выход триггера,соединен с первыми входами четвертого, пятого и шес того элементов И второй вход логического блока соединен оо вторыми входами третьего и пятого элементов И,. третий вход - со вторыми входами второгошестого элемен-тов Ичетвертый вход - с первым входом 45 седьмого элемента И, пятый вход - со вторым входом четвертого и с третьими входами. второго и третьего элементов И, и шестой вход - со вторым входом первого и с третьими входами пятого и шестого элементов Р И, выход первого элемента ИЛИ соединен с четвертым выходом логического блока и через первый элемент НЕ - со вторым входом седьмого элемента И, выход которого подключен к третьему выходу логичес- о кого блока и через второй элемент НЕ - к третьим входам первого и четвертого и к четвертым входам второго, третьего, пятого и шестого элементов И, выходы первого, второго и пятого элементов И черезЬО второй элемент ИЛИ подключены к первому выходу логического блока, ко второму выходу которого через третий элемент 4 ЛИ подключены выходы третьего, четвертого и шестого элементов И.Кроме гого, блок задания программы содержит нуль-орган, первый вход коорогочерез усилитель соединен с первым входомблока задания программывторой входкоторого через дифференцирующую цепь подключен к первому входу первого элементаИ, выход которого соединен с первымивходами первого и второго элементовИЛИ, ко второму входч первого,из которыхчерез элемент задержки подключен выходтретьего элемента ИЛИ, выход первогоэлемента ИЛИ соединен с первым входомсчетчика и через первый генератор развертки с входами первого пороговых элементов, первый и второй выходы первогопорогового элемента подключены соответственно к первым входам второго и третьегоэлементов И, выходы которых соединенысоответственно со вторым входом второгоэлемента ИЛИ и с первым входом триггера,ко второму входу которого подключен выходвторого элемента ИЛИ, выход нуль-органасоединен с входом формирователя импульсоввыход котороГо подключен ко второму входу счетчика н через второй генератор развертки - ко второму входу нуль-органа,выход счетчика через преобразовательнкод- аналог соединен со вторым входом первого порогового элемента другие входыблока задания программы подключены соответственнок входам третьего элементаИЛИ, выход которого соединен со вторымивходами второго и третьего элементов И,а первый и вторые выходы триггера и второго порогового элемента соединены соответственно с первым, вторым, третьим выходами блока задания программы и со вторымвходом первого элемента И.На фиг. 1 представлена структурная схема следящей системы; на фиг. 2 - фазовый портрет, поясняющий особенности работы системы в различных режимах,Следящая система, к первому входу элемента сравнения которой подключен задагчик, состоит из шагового двигателя 1, свалом которого механически соединен датчикшагов 2 и объект регулирования 3 с датчиком регулируемой величины, подключеннымко второму входу элемента сравнения (главная обратная связь на фиг, 1 показана штриховой линией), коммутатора 4, один извходов (первые входы элементов И 40-51)и выходы (элементы ИЛИ 36-39) которого подключены соответственно к выходамдатчика шагов 2 и входам блока усилителей30 35, выходы которого соединены соответственно с входами блока определения зцака скорости 6 и с обмотками управления щвговтэ двигателя 1, логического блока 5 и блока задания программы 7.5Лтический блок 5 имеет шесть входов н четыре выхода. Он состоит из триггера 8, к входам которого подключены выходы порогового элемента 9, вход которого подкпючен к первому входу погическто 10 блока 5. Выходы порогового элемента 9, кроме того подключены соответственно к входам первого элемента ИЛИ 10, выход которого подключен на вход первого элемент та НЕ 11. Первый выход триггера 8 сое динен с первыми вхэдвми первого, второго и третьего апементов И 12, 16 и 17, Второй выход триггера 8 соединен с первыми . входами. четвертого, пятого и шестого алементов И 13, 14 и 15. Второй вход доги ческого блока 5 соединен со вторыми входами третьего и пятого алемеитов И 14 и 17, третий вход - с вторыми входами второго и шестого алементов И 15 и 16, червертый вход - с первым входом седьмого 25 алемента И 18, пятый вход - со вторым входом четвертого алемента И 13 и с третьими входамн второго и третьего алементов, И 16 и 17, и шестой вход - со вторым входом первто элемента И 12 и с третьими вхэдами пятто и шестого алементов И 14 И 15, Выход первого алемента ИЛИ 10 соединен с четвертым выходом логического блока,5. Выход первого алемента НЕ 11 соединен со вторым входом седьмого апемента И 18, выход которого подключен к третьемувыходу логического блока 5 через второй апемент НР 19 - к третьим входам первто и четвертого алементов И 12 и 13 и к четвертым входам 40 второго, третьего, пятого и шестого алементов И 14, 15, 16 и 17. Выходы первого, второго и пятого элементов И 12, 14 и 16 через второй элемент ИЛИ 70 подключены к первому выходу логвческого бло 45 ка 5, ко второму выходу которого через третий элемент ИЛИ 71 подключены выходы третьего, четвертогэ и шестого элементов И 13, 15 и 17.Блок задания программы 7 содержит50 нуль-орган 57, первый вход которого через усилитель 56 соединен с первым входом блока задания программы 7, второй вход которого через дифференцируюшую цепь 64 подключен к первому входу первого алемен 55 тв И 65. Выход алемента И 65 соединен с нервыми входами первого и второго апементов ИЛИ 66 и 53. Ко второму входу апементв ИЛИ 66 через алемент звдер 60 жки 68 подключен выход гретого алемецтв 6ИЛИ 69. Выход лервэго алементв ИЛИ 66соединен с первым входом счетчика 9 ичерез первый генератор развертки 62 - свходами первого и второго пороговыхэлементов 61 и 67, Первый и второй выходы первого пороговогоалемента 61 подключены соответственно к первым входамвторого и третьего элементов И 54 и 55,выходы которых соединены соответственносо вторым входом второго алементв ИЛИ53 и с первым входом триггера 52, кэвторому входу которого подключен выходвторого алемента ИЛИ 53. Выход нупь-органа 57 соединен с входом формирователяимпульсов 5, выход которого подключенко второму входу счетчика 59 и через второй генератор развертки 63 - ко второмувходу нуль-органа 57. Выход счетчика59 через преобразоввтель,код - аналог 60соединен со вторым входом первогопорогового алемента 61, Другие входыблока задания программы 7 подключены соответственно к входам третьего апементвИЛИ 69, выход которого соединен со вторыми входами второго и третьего элементовИ 54 и 55, Первые и вторые выходы триггера 52 и второго порогового элемента67 соединены соответственно с первым,вторым, третьим выходами блоказаданияпрограммы 7 и со вторым входом первогоэлемента И 65,К первым входам блока задания программы 7 и логического блока 5 подключен выход апемента сравнения. Первый, второйи третий выходы блока задания программы7 соединены соответственно со вторым,третьим и четвертым входами логическогоблока 5, к пятому и шестому входам которого подключены соответственно выходы блока определения знака скорости 6. Первый,второй и третий выходы 1 логнческого блока5 соединены соответственно с входами коммутатора 4 (вторые входы элементов И40-51). Четвертый выход логического блока 5 подключен ко второму входу блоказадания программы 7, к другим входам которого подключены соответственно выходыдатчика шагов 2.Следящая система работает следующимобразом.Режим работы двигателя 1 задается управляющими командами логического блока5. При наличии управляющего сигнала навыходе алементв ИЛИ 70 разрешающийсигнал поступает на алементы И 40,43, 46 и 49 и обмотки управпення двигателя коммутируются таким образсм, чторотор вращается в прямом направлении,При управляющем сигнале, поступающем свыхода алементв ИЛИ 71, снгналы с датчика шагов проходят через алементы Им 4245, 48, 50 я ротор вращается в обратномаправлении.Сигнал с выхода алемента И 18 поступает на алементы И 41, 44, 47, 51 иротор фиксируется в одном из устойчивыхположений,Пороговый элемент 9 логического блока5 имеет три устойчивых состояния. Еслисигнал ошибки превышает зону нечувсгви 1тельности, го на одном яэ выходов порогового элемента 9 в зависимости от знакарассогласования появляется высокий потенциал. Если сигнал ошибки меньше величины1зоны нечувствительности, го на обоих выходах имеет место нулевой потенциал,Блок знака скорости 6 выявляет направление вращения, двигателя, используя в качестве входных сигналов импульсы, поступающие с усилителя мощности 35 на обмотки управления шагового двигателя 1,При включении очередной фазы на выходеодной из дифференцирующих цепей 31-34появляется импульс, который проходит через один из алементов И 23-30 в зависимости от комбинации включения в этот момент других обмоток, Например, при работе двигателя с чегырехгактной попарнойкоммутацией обмоток по системе - 12-.23-34-41 - при включении фазы 3 и отключения фазы 1 включенной фазой можетбыть также фаза 2 или 4. При атом переход с положения 23 на 12 будет соответствовать отрицательному направлению вращения, а переходс положения 34 на 41 положительному, Выходы элементов И,пропускающих импульсы, соответствующиеодному и тому же направлению вращения,объединяются алементами ИЛИ 21 и 22подсоединяются к входам триггера 20, который осуществляет запомянание направления вращения на каждом шаге.И блоке задания программы 7 реализуется зависимость9 - 0,555 ел 0Информация о величине скорости вращения двигателя снимается с датчика шагов 2,Время обработки шага обратнопропорционально средней скорости вращения двигателя 1 яа шаге: ос,щ (дрпоэтому уравнение линии переключения можно представить какгде сАщМК 535,Иеляиана с/Я реализуется в видеуровня напряжения с помощью функциоиажного преобразователя, состоящего из усилителя 56 с коэффициентом усиления 1/0,555 с, генератора параболическ ойразвертки 63, нуль-органа 57, формирователя импульсов 58, счетчика 59 и преобразователя код - аналог 60. Генератор параболической развертки выполняется на двухсоединенных последовательно генераторахлинейной развертки. Генератор линейнойразверткисостоит иэ интегриру 1 него конденсатора, включенного яа выход генератора0 гока. Конденсатор шунгируется ключем, который замыкается при поступлении импульса по шине Установка 0". При атом конденсатор мгновенно разряжается до нуля,Ток первого генератора тока поддерживает 5 ся постоянным, поэтому напряжение напервом интегрирующем конденсаторе линейно нарастает во времени, Ток второго генератора именяется пропорционально напряжению на первом конденсаторе, при атом20 напряжение на втором конденсаторе изменяется во времени по параболе. Напряжениепараболической развертки, снимаемое с генератора развертки 63, сравнивается снапряжением рассогласования91 . В момент25 их равенства срабатываег нуль-орган 57 ина выходе формирователя 58 появляетсяимпульс, который поступает на счетныйвход счетчика 59 и одновременно разряжает интегрирующие конденсаторы генерато 30 ра развертки 63,Таким образом на счетчик 59 поступают импульсы с периодом следовании, равнымТ =фЯ 4, причем число импульсовна интервале в один шаг определяется какй ТТпр ТщЯоткуда а Пд= гИз последнего соотношения с учетомгого, что Т, ОЯВ, уравнение линии40 переключения имеет вид;Решение этого уравнения осуществляется пороговым элементом 61, на входы которого поступают величины й иввиде уровней напряжения,Напряжение, пропорциональное числу импульсов ъ, снимается с преобразователякод - аналог 60, включенного на выход50счетчика 59. Напряжение, соответствующееТ создается генератором параболическойЩ фразвертки 62. Таким образом, в моментприхода очередного импульса с датчика шаговна элементы И 54 и 55 на одном из выЖходов порогового элемента 61 в эависимост:; от величины напряжений на выходе преобразователя код - аналог 60 и генератора развертки 62 имеется высокий потенциал, Импульс с датчика шагов 2, проходя60через один из элементов И 54 или 55,устанавляваег триггер 52 в одно из поль45 жений, определяющих разгон или торможение двигателя. После считывания информациисо счетчика 59 и генератора развертки 62импульс датчика шагов 2 через линию задержки 68 устанавливает их в исходное 5состояние, после чего начинается формирование линии переключения на следующем шаге двигателя.Если двигатель 1 находится в режимефиксации в зоне нечувствительности, то при 10появлении сигнала рассогласования первыйимпульс на формирование линии переключения проходит по дифференцирующей цепи 64,которая срабатывает при появлении высокого потенциала на одном из выходов порогового элемента 9. Этот импульс черезалемент И 65 и алемент ИЛИ 66 такжепоступает по щине "Установка О" на входысчетчика 59 и генератора развертки 62.Если же при нулевом рассогласовании двигатель 1 имеет значительную скорость, топри срабатывании порогового элемента 9импульс с дифференцирующей цепи 64 черезалемент И 65 не проходит, так как на втором входе присутствует запрещающий потен 25циал, снимаемый с порогового алемента 67.Пороговый элемент 67 срабатывает и выдает разрешающий потенциал только при превышении чапряжения на выходе генератораразвертки 62, напряжения порога срабаты 30вания. Это напряжение соответствует скорости, с которой двигатель 1 тормозится нафиксированном участке беэ,выбега, Импульсэлемента И 65 поступает также через элемент ИЛИ 53 на вход триггера 52 и35устанавливает его в положение, соответствующее разгону двигателя, для того чтобыуже на первом шаге двигателя движениеосуществлялось в требуемом направлении.40Фазовая плоскость (см. фиг. 2) разбивается линиями переключения пороговыхэлементов 9, 61 и 67 и триггером 20 наряд областей, Штрихами показаны линиипереключения, которые исключены алгоритмом управления системы, Для синтеза алгоритма используется, таким образом, семьобластей, границы которых отмечены сплошными линиями. Каждой из атих областейсоответствует один иэ элементов И 12-18.Часть фазовой плоскости с координатами -849+9 и,к+М принадлежит области 1 У, а с координатами -9(9(49 исКчд- области Ш. Это достигается с помощьютриггера 8, включенного на выходы порогового элемента 9, который запоминает предыдущее значение координаты при отключении порогового элемента 9,На выходах алементов И 12, 14, 16 высокий потенциал появляет я тогда, когдакоординаты системы находятся в пределах Т, В и Р областей соответственно. Выходы указан ных алемен Гэв бьелиняются элементами ИЛ 11 7 О, так кяк эняк унрявляюнегэвоздействия на всех трех участках одинаков, и подаются ня вхэд кэммутатэря 4,обеспечивающего атот знак управляющеговоздействи Аналогичным образом выходыэлементэв И 13, 15 и 17, включение одного из кэторых означает, чтэ координатыесистемы находятся в области 11, 1 У илиУ 1, эбьединяются элементом ИЛИ 70 ивключаются на вхэд коммутатора 4 другого знака, Ня вхэды алементов И 12 и 13включаются только выходы триггерэв 8 и20, так как при нахэждении фазовых координат системы в областях 3, и Д информации с этих элементов достаточно для выбора нужногэ знака управляющего воздействия.Ня элементы И 14-17 подаются сигналыи с блока эадяния программы 7, так какуправляющее воздействие зависит также этФтого, по какую сторону линии переключения находятся пороговые координаты системы Ыи 8 . Режим фиксации осуществляется в1"области УП только после того, как рассогласование и скорость двигателя станутменьше пороговых значений, Если ня обоихвыходах порогового алемента 9 появятсянулевые потенциалы тэ на выходе элементаНЕ 11 будет выс ий уровень напряжения,который поступает разрешающим сигналомна один из входов алемента И 18. Второйразрешающий сигнал приходит на элементИ 18 с порогового элемента 67 блока задания программы 7, когда скорость двигателя станет ниже портовой. Режим фиксации двигателя, осуществляющий при атэм,происходит с исчезнэвением разрешающих .уровней напряжения на выходах элементовИ 12-17, так как сигнал с выходя элемента И 18 инвертируется элементом НЕ 19и подается на входы алементов И 12-17.Рассмотренная следящая система поэвэляет отрабатывать в квазиоптимальном режиме входные воздействия типа скачок угла,При атом, как пэкаэывает опыт, в основном совершается не более одного дополнительного переключения в переходном процессе.Входные воздействия типа "скачок скоростисистема отрабатывает в вибрационном режиме, имея при этэм некоторую динамическую ошибку,Использование предлагаемого изобретенияпозволит значительнэ увеличить точностьсложения (в 2-3 раза) при повышенныхскоростях этрябэтки сигнала рассогласования, Кроме того, эта следяцяя система эасчет уменынения колебательности и увеличения устойчивости обладает более высокимлкачествами отработки вхэднэго сигнала.формула изобретения 1. Следящая система, содержащая алементсравнения, к первому и второму входамкоторого подключены соответственно задаг 5чик и датчик регулируемой величнны блокусилителей, выходы которого соединены соответственно с входвми блока определениязнака скорости н с обмотками управления10шагового двигателя, который механическисоединен с датчиком щагов н через объектрегулирования - с датчиком регулируемойвеличины, коммутатор, один из входов и выходов которого подключены соответственно15к выходам датчика щагов и входам блокаусилителей, о т л и ч а ю ш а я с ятем, что, с целью повышения точности системы, она содержит блок задания программы. н логический блок, первые входы которыхподключены к выходу элемента сравнения,первый, второй н третий выходы блока задания прогрвммы соединены соответственносо вторым, третьим и четвертым входамилогического блока, к пятому и шестомувходам которого подключены соответственновыходы блока определения.знака скорости,первый, второй и третий выходы логического блока соедннены соответственно с другнми входами коммутатора, четвертый выход логического блока подключен ко второмувходу блока задания программы, к другим,входом которого подключены соответственновыходы датчика щагов,2. Следящая система по и. 1, о гл н ч а ю ш а я с я тем, что логический блок содержит пороговый алемент, вход которого подключен к первому входу логического блока, первый и второй выходы порогового алеменга соединены соответственно40 с первыми н вторыми входами первого алемента ИЛИ н триггера, первый выход .которого соелчек с первыми входами первого, второго н третьего алеменгов И, второй45 выход триггера соединен с первыми входами четвертого, пятого я шестого алементов И, второй вход логического блока соединен со вторымя входами третьего и пятого алементов И, гретой вход - со вторыми входа 50 ми второго н шестого элементов И, четвертый вход - с первым входом седьмого элемента И, пятый вход - со вторым входом четвертого н с гретьимя входами второго и третьего элементов И, и шестой вход - со вторым входом первого н с гретьимн входами пятого и шестого элементов И, выход первого элемента ИЛИ соединен с четвертым выходцм логического блока и через первый алеменг НЕ - со вторым входом седьмого элементаИ, выход которого подключен к третьемувыходу логического блока и через второйэлемент НЕ - к .третьим входам первогон четвертого и к четвертым входам, второго, третьего, пятого н шестого алеменговИ, выходы первого, второго и пятого алементов И через второй алемент ИЛИ подключены к первому выходу логического блока,ко второму выходу которого через третийалеменг ИЛИ подключены выходы третьего,четвертого и шестого элементов И.3. Следящая система по п. 1 о т л нч а ю ш а я с я тем, что блок заданияпрограммы содержит нуль-орган, первыйвход которого через усилитель соединен спервым входом блока задания программы,второй вход которого через днфференцнруюшую цепь подключен к первому входу первого элемента И, выход которого соединенс первыми входами первого н второго алементов ИЛИ, ко второму входу первого изкоторых через алеменг задержки подключенвыход третьего алемента ИЛИ, выход пер."вого алемента ИЛИ соединен с первым вхо-.дом счетчика и через первый генераторразвертки - с входами первого и второгопороговых элементов, первый н второй выходы первого порогового алемента подключены соответственно к первым входам второго я третьего элементов И, выходы которых соединены соответственно со вторымвходом второго алемента ИЛИ н с первымвходом триггера, ко второму входу которогоюдключен выход второго алеменга ИЛИ, выход нуль-органа соединен с входом формирователя импульсов, выход которого подключенко второму входу счетчика н через второйгенератор развертки - ко второму входунуль-органа, выход счегчнка через преобразователь код - аналог соединен со вторымвходом первого порогового алемента, другие входы блока задания программы подключены соответственно к входам третьегоалеменга ИЛИ, выход которого соеднненсо вторыми входами второго и третьего алементов И, а первые н вторые выходы триггера н второго порогового элемента соединенысоответственно с. первым, вторым, третьимвыходами блока задания программы и совторым входом первого алемента И,Источники инф орм вцику принятые во вниманне при акспертизе1. Авторское свидетельство СССР237228, кл. З 05 Р, 12.02.68.2, Авторское свидетельство СССР21 СР 78, кл. З 05 Г, 05.02,65.ЗАвторское свидетельство СССР494725, кл, б 05 И 11/14,28. 01,74,Заказ 5047/38Тираж 1095 П одписн ое ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 филиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4в