Система управления объектом с упругими связями

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