Система управления объектом с упругими связями
Похожие патенты | МПК / Метки | Текст | Заявка | Код ссылки
Текст
ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Сфез СоветсиинСоциалистмчесиинРеспублик 941923(51)М. Кл,(22)Заявлено 30.12.80 (21) 3228588/18-24 с присоединением заявки ЗВ С 05 В 11/О 1 Ьеударстюный комитет СССР ав делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт ин. В. И. Упнянааа (Ленина)(54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ С УПРУГИМИ СВЯЗЯМИ15 го Изобретение относится к автомати ческому управлению и может быть использовано для управления электромеханическими объектами, в том числе нестационарными многомассовыми5 с упругими связями, выход и промежуточные переменные которого не все доступны измерению с помощью дат- .чиков, например в системах управления исполнительными органами механиз в мов промышленных роботов, металло- режущих станков и др,Известно устройство, используемое для управления объектом с упругой связью, содержащее последовательные соединенные регулятор, силовой преобразователь, исполнительный двигатель, механическую передачу и механизм. Для ограничения колебаний в упругой связи механизма он снабжен дополнительным контуром, состоящим из датчика тока, подключенного через диодный мост, инвертирующее звено и потенциометр к блоку регулируемого токоограничения, воздействующего на обратную связь регулятора. Кроме того, с целью ограничения динамических нагрузок, возникающих из-за зазора, организован дополнительный контур, воздействующий на ре. гулируемое токоограничение, и образованный датчиком обратной связи, присоединенным к выходу механизма, дифференцирующим блоком и последовательным мостом 1 1.Однако укаэанное устройство обладает малой устойчивостью,в области резонансных частот, низкой помехозащищенностью. Наиболее близкой к предложенной является система управления объектом, содержащая последовательно соединенные блок задающего сигнала, регулятор, усилитель мощности и исполнительный двигатель, соединенный с объектом управления, имеющим дат3цик измерения промежуточной переменной. При этом, с целью повышения устойчивости и быстродействия при управлении объектом, она включает масштабирующий сумматор и последовательно соединенные идентификатор состояния объекта, измеритель ошибки и блок Формирования сигнала управления, выход которого соединен со вторым входом регулятора, один вход идентификатора состояния объекта соединен с выходом датчика промежуточной крординаты, второй вход соединен с выходом регулятора, второй выход идентификатора состояния соединен со входом блока масштабных коэффициентов, выход последнего соединен с третьим входом регулятора и со вторым входом блока Формирования сигнала управления, а второй вход измерителя ошибки подключен к находу блока еадаккаего сигнала 22941923 Поставленная цель достигаетсятем, что в систему управления, содержащую последовательно соединенные задатчик, регулятор, исполнительныймеханизм, подключенный к объекту,выход которого через последовательно соединенные датчик, идентификатор состояния объекта, первый измеритель ошибки и формирователь сигнала 10 управления, выход которого подключен ко второму входу регулятора, выходкоторого подключен ко второму входуидентификатора состояния объекта,лятора, первый вход которого соединен с вторым входом первого измерителя ошибки, введены последовательно соединенные второй измеритель ошибки, формирователь сигнала кор 20 рекции и блок масштабных коэффициентов, выход которого подключен к второй выход которого через сумма 5 .тор соединен с третьим входом регуОднако в указанной 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 нелинейностей (т. е. при большом отклонении поведения объекта от линейного характера) работа идентификатора нарушается, При этом корректирующее действие контура, образованного измерителем ошибки, блоком формирования сигнала управления и регулятором, недостаточно для восстановления работоспособности идентификатора при нарушающем его работу влиянии указанных факторов. Это происходит потому, цто еще одно предназначение указанных блоков состоит в обеспечении устойчивости основного контура управления объектом по ошибке, и поэтому усиление этих блоков для осуществления ими корректирующего воздействия на идентификатор не могут быть выбраны независимо из-эа условия устойчивости основного контура управления. Целью изобретения является расширение области применения системы управления объектом, выход и промежуточные переменные которого не все доступны измерению, в условиях переменности его параметров и влияния нелинейностей. 25 30 35 б 40 45 треть.му входу идентификатора состояния объекта, третий выход которогосоединен с первым входом второго измерителя ошибки, второй вход которого соединен с выходом датчика, авторой вход формирователя сигналакоррекции - с выходом первого измерителя ошибки,В предложенной системе посредством вновь вводимых блоков и связейобразуются два дополнительных контура коррекции идентификатора. Первый корректирующий контур, состоящий иэ первого измерителя ошибки,Формирователя сигнала коррекции иблока масштабных коэффициентов,осуществляет коррекцию идентификатора по сигналу ошибки управления,создаваемой разностью сигналов выхода эадатцика и выхода идентификатора, вырабатывающего оценку той физической переменной объекта, котораядолжна контролироваться в процессеуправления, приобретая смысл выходноГ координаты объекта, недоступной непосредственному измерению.Второй корректирующий контур, состоящий из второго измерителя ошибки, Формирователя сигнала коррекции и блока масштабных коэффициентов, осуществляет коррекцию идентификатора по сигналу ошибки промежуточной переменной, создаваемой разностью сигналов непосредственно измеренной с помощью датчика промежуточной переменной и ее оценки, вырабатывае5 941 мой идентификатором состояния по ,своему третьему выходу. Блок формиро вания сигнала коррекции имеет большой коэффициент усиления с ограничением выходного сигнала по амплитуде, 5 определяемой из условия удовлетворительной работы дополнительных контуров, чем обеспечивается быстрая и эффективная коррекция оценок восстанавливаемых идентификатором пе ременных объекта при отклонении их от правильных значений из-за влияния изменения параметров и нелинейностей. Это расширяет область применения предлагаемой системы управле ния.На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемой системы управления; на Фиг. 2-принципиальная схема примера конкретного исполнения 20 системы управления; на фиг. 3-5 осциллограммы переходных процессов при управлении упругим нестационарным электромеханическим объектом в предлагаемой системе. 25Система управления в соответствии с функциональной схемой (фиг. 1) содержит задатчик 1, регулятор 2, исполнительный механизм 3, объект управления, датчик 5, идентификатор 6 состояния объекта, первый измеритель 7 ошибки, Формирователь 8 сигнала управления, сумматор 9, второй измеритель 10 ошибки, формирователь 11 сигнала коррекции и блок35 12 масштабных коэффициентов.Система управления, например, с нестационарным резонансным упругим механическим объектом с нелинейными свойствами работает следующим обра зом.Задатчик 1 вырабатывает командный сигнал, который через регулятор 2 и исполнительный механизм 3 воздей. ствует на объект управления 4, в котором возбуждаются резонансные колебания. Идентификатор состояния объекта 6 получает сигнал от датчика промежуточной переменной объекта, например одной иэ обобщенных50 скоростей объекта, в которой содержится (скрытая) информация о движении всех остальных (2 щ) независимых переменных состояния объекта, недоступных непосредственному измерению. Здесь щ - число степе 55 ней свободы объекта, именно щ упругих моментов, соответствующих е механическим резонансам и щ обоб 923 6щенных скоростей, соответствующих в сосредоточенным массам, а 2 в-и порядок дифференциального управления объекта. Для обеспечения быстродействующей и устойчивой отработки объектом задающего сигнала идентификатор состояния 6 вырабатывает (восстанавливает) оценки всех и независимых переменных, как нецоступных измерению, так и измеренных, которые подаются в сумматор 9, Формирующий линейную комбинацию из восстановленных идентификатором 6 переменных с заданными весовыми масш.табными коэффициентами, Сформированный сумматором 9 сигнал через регулятор 2 и исполнительный механизм 3 воздействует на объект 4, подавляя принудительным образом его упругие колебания ( резонансы) с помощью исполнительного механизма 3, При этом обеспечивается устойчивое движение объекта с полосой пропускания, перекрывающей область его резонансных частот. Таким образом, блоки - 6 и 9 образуют внутренний контур управления по восстановленным переменным состояния объекта, а выбором масштабных коэффициентов сумматора 9 обеспечивается устойчивость работы в области резонансных частот с наперед заданным быстродействием. Далее на вход первого измерителя 7 ошибки с выхода идентификатора 6 подается си гнал, соот вет ст вующий оценке некоторой переменной объекта, пропорциональной или равной той физической координате, которая должна контролироваться в гроцессе управления в соответствии с задающим сигналом, приобретая смысл выхода объекта управления недоступного непосредственному измерению (например, обобщенной скорости сосредоточенной массы жестко связанной с рабочим инструментом механизма), Оценка идентификатором 6 выходной координаты объекта 4 сравнивается в измерителе 7 с задающим сигналом, а измеренная ошибка поступает в формирователь 8 сигнала управления, представляющего собой безынерционный усилитель с большим усилением и ограничением (с характеристикой близкой к релейной), Сформированный формирователем 8 сигнал управления также поступает на вход регулятора 2, Таким образом, блоки 2 - 8 образуют второй, внешнийИдентификатор состояния 6, выраба тывающий оценки и переменных объекта построен по известным алгоритмам, в соответствии с которыми имеет два входа (один, подключенный,к выходу регулятора 2, и второй, подключенный к выходу датчика 5) и известную структуру, содержащую и подблоков (интеграторов), вырабатывающих и переменных объекта, При этом его работа рассчитана на линейность и стационарность характеристик объекта, и при изменении параметров и отклонении от линейности объекта вырабатываемые идентификатором 6 оценки переменных отклоняются от их действительных значений и работа системы нарушается. Поэтому для коррекции работы идентификатора введены второй измеритель 10 ошибки, Формирователь 11 сигнала коррекции и блок 12 масштабных коэффициентов. Во втором, измерителе 10 ошибки срав. ниваются сигналы переменной, непосредственно измеренной датчиком 5, и ее оценки, вырабатываемой идентификатором 6. Их разность, вырабатываемая измерителем 10 и характеризующая неточность работы идентиФикатора 6, поступает на вход формирователя 11 сигнала коррекции, представляющего собой безынерционный усилитель с большим усилением и ограничением. Одновременно на второйвход формирователя 11 сигнала коррекции поступает сигнал с выхода первого измерителя 7 ошибки, характеризующий степень нарушения работы контура управления по ошибке управления всей системы в целом, вызванной нарушением работы идентификатора. Сформированный формирователем контур управления по ошибке (откло.нению восстановленной выходной координаты объекта от задающего сигнала)Регулятор 2 имеет пропорциональноинтегральную характеристику, чем присоответствующей настройке обеспечиваются астатические свойства и максимальное усиление контура управления по ошибке и достигается предельное, с учетом ограничения ресурсов исполнительного механизма 3, быстродействие, перекрывающее областьрезонансных частот, с сохранениемустойчивости, гарантированной внутренним контуром управления по состоянию, описанным выше,5 0 -15 20 25 30 35 40 45 50 55 11 сигнал коррекции поступает вблок масштабных коэффициентов 12,который подает этот корректирующийсигнал с соответствующими, масштабными коэффициентами (весами) навходы каждого из и подблоков (интеграторов) идентификатора 6,обеспечивая принудительное согласование его оценок переменных с ихдействительными значениями в условиях любого характера измененияпараметров объекта и его нелинейностей. Таким образом, при введенииновых блоков 10-12 и соответствующихсвязей образуются два дополнительныхконтура, корректирующих работу идентификатора 6 Первый контур коррекции идентификатора по ошибке управления выходом объекта образуетсяблоками 7, 11 и 12. Второй контуркоррекции идентификатора по ошибкеидентификации измеряемой переменнойобъекта образуется блоками 10 - 12.При этом вновь введенные .блоки исвязи обеспечивают работоспособ,ность идентификатора и предлагаемой3системы в целом в условиях переменности параметров объекта и нелинейностей, что расширяет область применения предлагаемой системы управления,На Фиг, 2 приведена принципиальная схема системы управления, взятаяв качестве примера конкретной реализации изобретения. Задатчик 1 можетбыть реализован, например, с помощьюпеременного сопротивления. Исполнительный механизм 3 представляет собой систему ( управляемый силовой тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока) . Объект управления 4 представляет собой механическую вращающую упругую систему (зазор - пружина - инерционнаянагрузка), соединенную с двигателем,инерционный ротор которого образуетс объектом двухмассовую систему,динамика которой характеризуетсяследующими переменными: ц/ - частотавращения ротора двигателя, Му - упругий момент кручения пружины, Ж- частота вращения инерционной нагрузки.Датчик промежуточной переменной 5представляет собой тахогенератор,жестко связанный с ротором двигателя и измеряющий Ю. Остальные блоки 2 - 12 реализова-ны на микросхемах операционных уси41923 10 5 1 О 15 20 25 30 35 х40 45 9 9 лителей (ОУ) 134 - 13 с С-цепями. Регулятор 2 выполнен на ОУ 134 с С-обратной связью и тремя резистивными входами. Идентификатор состояния объекта выполнен на семи ОУ 132 13, 13, причем подблоки идентификатора (интеграторы), вырабатывающие оценки переменных ц 1, Му и цР , выполнены соответственно на 13 134 и 13с емкостными обратными связями, усилители 13, 13, 132, 132 - инвертирующие. Оценки переменных идентификатора подаются на масштабирующий сумматор 9, выполненный на ОУ 1315 с тремя резистивными входами, а блок масштабных коэф фициентов 12 представляет собой три резистивные цепи, подключающие выход формирователя 11 сигнала коррекции к входам интеграторов идентификатора. Кроме того, выход интегратора 13 идентификатора, восстанавливающего незимеряемый выход объекта Й 3, подключен к резистивному входу первого измерителя ошибки 7, выполненного на ОУ 10, второй вход которого подключен к блоку 1. Выход ОУ 13 идентификатора, вырабатывающего оценку промежуточной переменной Ю 4, подключен к резистивному входу второго измерителя ошибки 10, выполненному на ОУ 138, второй вход которого подключен к датчику 5. Формирователи сигнала 8 управления и сигнала 11 коррекции выполнены соответственно на операционных усилителя 13,1 и 13 с большими коэффициентами усиления и ограничениями по амплитуде выходных сигналов обоих знаков посредством стабилитронных цепей Ч, Ч 4 и М 4, Ч на полупроводниковых элементах КС 156 А. Ос" тальные неупомянутые связи, показан" ные на принципиальной схеме, соответствуют функциональной схеме, приведенной на фи г. 1.На фиг. 3 - 5 приведены осциллограммы процессов по управлению частотой вращения двухмассового упругого электромеханического стенда в предлагаемой системе управления, реализованной по схеме, показанной на фиг. 2. На Фиг. 3 и Фиг,11 показаны процессы оценок недоступных измерению в реальных условиях упругого момента М и частоты вращения второй массыЖ . На фиг. 3 (слева) показан характер изменения оценки идентификатора 9 у без блоков 10 - 12, а справа - при включении указанных блоков. Справа имеем пол" ное совпадение характера изменения, оценки 4 с характером действительной переменной М , измеряемой специальным датчиком упругого момента, предусмотренным в лаббраторных условиях на электромеханическом стенде, тогда как слева заметно сильное отклонение оценки от характера изменения самой переменной М, На фиг. ч показан характер изменениялоценки 1 щ, причем слева - без блоков 10 - 12, а справа - при включении указанных блоков. Здесь также наблюдается справа удовлетворительлное совпадение оценки Ч 3 с характером изменения самой переменной Ы, вырабатываемой специальным датчиком частоты вращения, предусмотренным в лабораторных условиях на стенде, тогда как слева оценка лФ без блоков 10 - 12 сильно расходится с характером самой Ю.На фиг. 5 приведены осциллограммы процессов поуправлению частотой вращения неизмеряемой координаты ж (от скачкообразного воздействия): слева - в системе управления без блоков 10 - 12, а справа с блоками коррекции 10 - 12, Слева наблюдаются упругие нелинейные колебания второй массы с частотой 6-7 Гц (частота резонанса смещается влево из-за влияния зазора), и регулилование заканчивается за 0,15-0,2 с, Справа переходный процесс имеет приемлемую форму и заканчивается практически за время первого согласования (0,01 с), что соответствует полосе пропускания не менее 35-ч 0 Гц. Внедрение данной системы управления для исполнительных органов станков с ЧПУ создаст экономический эфФект в размере 99 тыс. руб. в год Формула изобретения Система управления объектом с упругими связями, содержащая последовательно соединенные задатчик, регулятор, исполнительный механизм, подключенный к объекту, выход которого через последовательно соединенные датчик, идентификатор состояния11 94192 объекта, первый измеритель ошибки и формирователь сигнала управления, выход которого подключен ко второму входу регулятора, выход которого подключен ко второму входу идентификатора состояния объекта, второй выход которого через сумматор соединен с .третьим входом регулятора, первый вход которого соединен с вторым входом первого измерителя ошибки, 1 о о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью расширения области применения системе, в нее введены последовательно соединенные второй измери- тель ошибки, формирователь сигнала 1 з коррекции и блок масштабных коэффи 3 12циентов, выход которого подключен ктретьему входу идентификатора состояния объекта, третий выход которогосоединен с первым входом второгоизмерителя ошибки, второй входкоторого соединен с выходом датчика, а второй вход формирователясигнала коррекции - с выходом первого измерителя ошибки.Источники информациипринятые во внимание при экспертизе1. Авторсков свидетельство СССРМ 585583, кл. Н 02 Р 5/06, 1977.2, Авторское свидетельство СССРпо заявке й 2700948/18-24,кл. С 05 В 11/О 1, 1978,941923 лФу У 4 иг. 4 Составит ехре дписное ого комитета СССР ии и открытии Раушская наб д. 4/5 Ужгород, ул. Проектна едактор П. Коссей аказ 4834/34 Тираж ВНИИПИ Государстве по делам изобрет 113035, Москва, Жлиал ППП "Патент" г.Х В. Гриб аточка орректор М, Коста
СмотретьЗаявка
3228588, 30.12.1980
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. В. И. УЛЬЯНОВА
БОРЦОВ ЮРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ, ВАСИЛЬЕВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ, ВТОРОВ ВИКТОР БОРИСОВИЧ, ПОЛЯХОВ НИКОЛАЙ ДМИТРИЕВИЧ, ПУТОВ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ, КОРБУТ АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ, ЯКОВЛЕВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ
МПК / Метки
МПК: G05B 11/01
Метки: объектом, связями, упругими
Опубликовано: 07.07.1982
Код ссылки
<a href="https://patents.su/8-941923-sistema-upravleniya-obektom-s-uprugimi-svyazyami.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Система управления объектом с упругими связями</a>
Предыдущий патент: Система автоматического регулирования с компенсацией помех
Следующий патент: Импульсное регулирующее устройство
Случайный патент: Устройство для офтальмологических операций