Устройство для позиционного управления

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ, содержащее вычислительный блок, связанный с шестью буферными бликами, блок сравнения, соединенный с вторым выходом первого буферного блока,и последовательно соединенные формирователь сигнала управления, согласующий преобразователь , исполнительный орган и датчик положения, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит четыре усилителя, сумматор, порого-вый блок и формирователь сигнала перемещения, первый вход которого соединен с выходом блока сравнения, вторым входом первого буферного блока и через пороговый блок - с входом блока сравнения, второй вход с вторым выходом второго буферного блока, а выход - с первым входом i формирователя сигнала управления, вторые выходы третьего, четвертого, (Л пятого и шестого буферных блоков соединены с первыми входами соответственно первого, второго, третьего и четвертого усилителей, выходы которых через сумматор соединены с вторыми входами формирователя.сигнала управления и порогового блока, вторые входы первого и второго усилителей соединены с первым выходом датчика положе;1ия, вторым входом . соединенного с вторыми входами тре тьего и четвертого усилителей,. 4 а: а:

COOS СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1% (И) 3(Д) 5 05 В 11/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1!

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3577752/18-24 (22) 25.04.83 (46). 23.07.84. Бюл. Р 27 (72) В.С.Садов, К.М.Шестаков и A.Â.Ðîìàíîâ (71) Институт электроники AH БелоРусской CCP (53) 62-50(088.8) (56) 1. Бай P.Ä. и др. Управление следящими электроприводами с применением цифровых устройств. M.

"Энергия", 1969, с.26.

2. Заявка Японии М 56-27885, кл. С 05 D 3/12, опублик. 1981.

3. Авторское свидетельство СССР

9 851333, кл. g 05 В 11/01, 1981 (прототип).

4. Кори Г., Корн.T., Справочник по математике. М., 1977, с. 723.

5. Зимин E.Н., Яковлев В.Н. Автоматическое управление электроприводом . "Высшая школа", 1973, с.170.

6. Иващенко Н.Н.Автоматическое регулирование. N., "Машиностроение", 1978, с,471-472. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЗИЦИОННОГО

УПРАВЛЕНИЯ, содержащее вычислительный блок, связанный с шестью буферны ми блоками, блок сравнения, соединенный с вторым выходом первого буферного блока,и последовательно соединенные формирователь сигнала управления, согласующий преобразователь, исполнительный орган и датчик положения, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит .четыре усилителя, сумматор, порого-. вый блок и формирователь сигнала перемещения, первый вход которого соединен с вчходом блока сравнения, вторым входом первого буферного блока и через пороговый блок — с входом блока сравнения, второй вход— с вторым выходом второго буферного блока, а выход — с первым входом формирователя сигнала управления, Я вторые выходы третьего, четвертого, пятого и шестого буферных блоков соединены с первыми входами соответственно первого, второго, третьего и четвертого усилителей, выходы которых через сумматор соединены с вторыми входами формирователя сигнала управления и порогового блока, вторые входы первого и второго усилителей соединены с первым выходом датчика положения, вторым входом соединенного с вторыми входами третьего и четвертого усилителей.

1104466

Изобретение относится к автомати— ке и .вычислительной технике и может быть использовано для управления прецизионным технологическим оборудованием с числовым программным управлением.

Известен следящий привод; состоящий из кодового устройства ввода, сумматора, преобразователя код напряжение, формирователя, задатчика скорости, усилителя мощности, двига-. теля, механизма, датчика скорости, датчика положения, преобразователя фаза — код (1)..

К недостаткам этого следящего привода относятся его невысокая

15 точность и дискретность позиционирования, вызванные наличием ошибки преобразования фазы в код и конечностью минимального шага квантования фазы, а также его сложность, особен- 70 но при значительном отличии между собой требуемой дискретности задаиия положения и точности отработки.

Известно также устройство управления позиционированием, состоящее из задатчика положения, цифрового детектора, вычитающей схемы, цифроаналогового преобразователя," серво— усилителя, сервоклапана, исполнительного органа (2) .

Недостатками такого устройства являются невысокая точность и разрешающая способность позиционирования, ограниченные минимальным уровнем квантования сигнала, характеризующего перемещение.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности являетСя система регулирования технологических процессов, содержащая задающие устройство, устройство сравнения, 40 формирователь сигналов управления, согласующий преобразователь, исполнительный механизм, объект регулирования, датчик регулируемого параметра, преобразователь. аналог — код, 45 коммутатор (3) .

Недостатками известной системы являются невысокая разрешающая способность и точность позиционирования, ограниченные минимальным уровнем .квантования сигнала, характеризующего перемещение.

Целью изобретения является повы.шение точности и разрешающей способности позиционирования за счет обес- 5 печения постоянной максимальной и не зависящей от дискретности позиционирования крутизны управляющего сигнала в точке удержания.

Указанная цель достигается тем, 60 что устройство для позиционного управления, содержащее вычислительный блок, связанный с шестью буферными блоками, блок сравнения, соединенный с вторым выходом первого 65 буферного блока, и последовательно соединенные формирователь сигнала управления, согласующий преобразователь, исполнительный орган и датчик положения, дополнительно содержит четыре усилителя, сумматор, пороговый блок и формирователь сигнала перемещения, первый вход которого соединен с выходом блока сравнения, вторым входом первого буферного блока и через пороговый блок — с входом блока сравнения, второй входс вторым выходом второго буферного блока, а выход — с первым входом формирователя сигнала управления, вторые выходы третьего, четвертого, пятого и шестого буферных блоков соединены с первыми входами соответственно первого, второго, третьего и четвертого усилителей, выходы которых через сумматор соединены с вторыми входами формирователя сигнала и порогового блока, вторые входы пер- . вого и второго усилителей соединены с первым выходом датчика положения, вторым входом соединенного с вторыми

° входами третьего и четвертого усилителей.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 — диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 3 — схема усилителя с регулируемым коэффициентом передачи; на фиг. 4 — то же., ; на фиг.5то же,формирователя сигналов перемещения; на фиг. б — формирователь сигналов управления; на фиг. 7 схема буферных блоков; на фиг. 8то же, порогового блока; на фиг.9то же, блока сравнения.

Устройство состоит из усилителей

1 — 4 с регулируемым коэффициентом передачи, сумматора 5, формирователя б сигналов управления, формирователя

7 сигналов перемещения, согласующего преобразователя 8, порогового блока 9, исполнительного органа 10, датчика 11 положения, блока 12 сравнения, вычислительного блока 13, буферных блоков 14 — 19.

Входы усилителей 1 и 2 связаны между собой и подключены к одному иэ входов датчика 11 положения, входы усилителей 3 и 4 также связаны между собой и подключены к второму выходу датчика 11 положения.

Выходы усилителей заведены на входы сумматора 5, выход которого связан с одним из входов формирователя

6 сигналов управления и входом пороroaoro блока 9. Второй вход формирователя 6 сигналов управления соединен с выходом формирователя 7 сигналов перемещения. Выход формирователя б заведен на вход согласующего преобразователя 8, к выходу которого подключен исполнительный орган 10, 1104466 или

X,.X щ.д

2 1 3 4

Тогда

45

3 Р- (Р = — 2n

tTl

50 или

k kq =cost(k3- = -e n q

k1 - ka =-cos (F 3 k, ч" п Ч

k1- k g = - cos (f

"3- "0 Sin М - k2 =cos(f

k3 k4= s

НРН О< q a 0/2.

) при - < q « ;

ОР» 0<(Р а- °

20 жестко связанный с датчиком 11 положения. Выход порогового блока 9 заведен на счетный вход блока 12 сравнения, выход которой связан с входами . запрета формирователя 7, порогового блока 9 и входом буфержного блока 19. 5

Выход буферного блока 19 соединен с установочными входами блока 12 сравнения, а выход буферного блока

18 соединен с установочными входами формирователя 7. Установочные входы 10 усилителей 1 — 4 соединены с выходами буферных блоков 17,16,15, и 14 соответственно. Канальные входывходы буферных блоков 14 — 19 подключены к каналу вычислительного 15 блока 13.

Устройство работает следующим образом.

Вначале по координате точки позиционирования, предварительно занесенной в запоминающее устройство вычислительного блока 13, определяется число М, т.е. количество целых периодов сигнала AsinX датчика положения {при перемещении исполнительного органа 10 датчик 11 положения генерирует сигналы Asinx и (Acos х), принятых за масштаб и укла." дывающихся между заданной точкой Х 1 и точкой Хо, принятой за начало координат, а также часть периода

8 по формуле хО где целое число масл,-х штабов; о*Х -х - часть масштаба масштаб — расстояние, соответствующее периоду сигнала датчика 11 положения.

Затем определяется величина изменения фазы сигналов датчика 11 положения при перемещении исполнительно.— го органа 10 на величину д

Х,-Х, x -x,-E м

q 21. (1) !

После этого производится сдвиг фазы сигнала датчика 11 положения, выбранного эа опорный, например

A sin X, на величину g с таким расчетом,.чтобы в точке позиционирования Х1 величина фазы опорного сигна- 60 ла A-Sinx равнялась 2 П

Для осуществления фазового сдвига сигнал Аз пХ датчика 11 положения подается на входы усилителей 1 и 2, а сигнал Acosx — на входы усилителей 65

3 и 4, причем усилители 2 и 4 являются инвертирующими, а усилители 1 и 3 — неинвертирующими. Таким образом, на выходах усилителей имеем сигналы Х,Asinxq-kqAsin Х,k3Acosx,-k0hoosx, которые поступают на входы сумматора

5. Коэффициенты передачи усилителей

К вЂ” К+ выбраны таким образом, чтобы суммарный сигнал с с выхода сумматора 5 имел вид Ann(х+ р), где заданный фазовый сдвиг. Для определения связи между фазовым сдвиroM суммарного сигнала и амплитудами

Ф

К< А, К2А K A Ky A складываемых сигналов представим сигналы на входе сумматора 5 в следующем виде:

k, AsinX- kqAsinX =4(",-kz)sinX;

Х34эх- k< Acosx = A(k+- kq) cosx, "(".-k2)SinX+A(l3-10)сакэ X.

Согласно известному (4 выражению после суммирования полученных сигналов имеем

4(k,- k2) sin x t A(k 3 k q) cos X 8 sin(x ac+ (2) где ф%= М "3 "@ A(k1 "2) >

8 4 (3)

Связь между заданным фаэовым сдвигом и. значениями коэффициентов передачи усилителей 1 — 4 определяется из выражений (2)и (3),положив

A=8 и обозначив

Решаем полученную систему уравнений относительно of и p:

Я г

«=0L < 0 .Я Cf >Of, = . =cos Я

hФ,162q, 2 откуда

0f. -+ cos я; (ъ = и si и р или

kg- kg=1 51ïô > kg-kg=sing, Иэ диаграмм, поясняющих работу устройства, видно, что величина фазового сдвига может находиться в пределах 0 — 2 0 и, следов ателы.

Абсолютные значения коэффициентов передачи усилителей <> К.0 выбира1104466 ются произвольно в пределах от 0 до максимального значения.

После задания рассчитанных коэф- фициентов передачи усилителей 1 — 4 путем подачи соответствующих кодов от вычислительного блока 13 через буферные блоки 14 — 17 на установочные входы усилителей 1 — 4 в блок

12 сравнения вычислительного блока

13 через буферный блок 19 переписывается число и +1 илий (при< =О) . 10

Осуществив указанные установки, вычислительный блок 13 через буферный блок 18 задает код величины усилия, необходимого для перемещения исполнительного органа 10, на установочный 15 вход формирователя 7сигналов перемещения, с выхода которого напряжение импульсной формы через формирователь

6 сигналов управления, согласующий преобразователь 8 запитывает привод исполнительного органа 10. Причем первую половину пути исполнительный орган 10 движется ускорению, а вторую — замедленно, с тем, чтобы в точке позиционирования скорость пере-25 мещения исполнительного бргана 10 являлась или приближалась к нулю.

Торможение осуществляется путем изменения полярности напряжения, питающего привод, по команде от вычислительного блока 13. На входе запрета формирователя 7 присутствует разрешающий потенциал.

Возникающий на выходе сумматора

5 гармонический сигнал Азм() при перемещении исполнительного органа 35

10 через пороговый блок 9, работающий по нулевому порогу, поступает в виде коротких импульсов той же частоты на счетный вход блока 12 сравнения.

На входе запрета порогового блока 9 40 также стоит разрешающий потенциал.

В момент равенства числа подсчитанных блоком сравнения 12 импульсов числу, предварительно в ней установленному (й е1 или й), что соответствует момен-45 ту выхода исполнительного органа 10 в точку позиционирования, на выходе блока 12 сравнения генерируется импульс, который запрещает работу формирователя 7 сигналов перемещения и порогового блока 9, и через буферный блок 19 поступает в вычислительный блок 13 как команда перехода устройства позиционирования из режима перемещения исполнительного органа 10 в режим удержания его в заданной точке 55

Управление приводом исполнительного органа 10 в режиме удержания осуществляются по гармоническому сигналу с выхода сумматора 5 через другой вход формирователя б сигналов 60 управления и согласующий преобразователь 8.

При переводе исполнительного органа 10 в следующую точку позиционирования xg указанные действия пов- 65 торяются, но сигнал Asin X, характеризующий перемещение, сдвигается на величину 2 Ч2 Ч ) где 2 — фазовый сдвиг сигнала, оггределяемый из величины перемещения во втором цикле; Щ, — фазовый сдвиг сигнала в первом цикле.

Устройство работает следующим образом.

Усилители с регулируемым коэффициентом передачи (фиг. 3) выполнены на базе операционных усилителей

К140уд8, двух регистров К155ИР1, восьми инверторов с открытым коллектором К155ЛН2 и матрицы весовых сопротивлений. Регулирование коэффициента передачи осуществляется в перцам каскаде. Коэффициент передачи такого усилителя имеет вид =(<; ) где Е(; — суммарная проводимость матрицы весовых сопротивлений; проводимость цепи обратной связи.

Изменением суммарной проводимости матрицы путем подачи соответствующего кода на установочные входы регистров задаем необходимый коэффициент передачи усилителя. Второй каскад усилителя является инвертором с коэффициентом передачи, равным единице.

Сумматор(фиг. 4) выполнен также на операционном усилителе К140УД8.

Суммируемые сигналы через сопротивления 1 поступают на инвертирующий вход усилителя.

Формирователь сигналов перемещения(фиг. 5) содержит вычитающий счетчик(микросхема K155HE7), три Р -триггера(микросхема K155TM2 J, две логические схемы И(микросхема К155ЛИ1), операционный усилитель(микросхема

К140УД8). Импульсы с кварцевого генератора частотой 1 мГц поступают на вычитающий вход счетчика, на входы установки которого с вычислительного блока через буферный блок поступает четырнадцатиразрядный код, определяющий ширину импульса ускорения или торможения исполнительного органа.

НаЮ -входы триггера Т поступает код четырнадцатого разряда, а триггер

Т вЂ” пятнадцатого разряда того же числа. По команде. "Вывод" с буферного устройства установленные коды переписываются в счетчик и триггеры

Т и Т . В результате на выходе одной иэ логических ячеек появляется положительный перепад напряжения(например на выходе ускорения). После обнуления счетчика импульсами генератора импульс переполнения с его выхода через триггер ТЗ снимает разрешение с входов логических ячеек и на выходе ускорения формируется

1104466 трицательный перепад напряжения. аким образом, в течение времени обнуления счетчика на выходе одной иэ логических ячеек действует положительный импульс, во время которого исполнительный орган ускоряется или замедляется. Выходы логических ячеек подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя соответственно. Следовательно, на выходе усилителя формируются разнополярные импульсы ускорения или торможения. Стабилитроны позволяют отключить усилитель от второго входа формирователя 6 сигналов управления при отсутствии импульсов уско- 15 рения или торможения.

В момент выхода исполнительного органа в точку позиционирования сигналом запрета от схемы сравнения состояние триггеров Т» и Т изменяется и работа всей схемы запрещается.

Формирователь сигналов управления (фиг. 6) выполнен на операционном усилителе К140УД8, на инвертирующий вход которого от формирователя сиг- ъ5 налов перемещения и от сумматора поступают управляющие сигналы. С целью уменьшения времени переходного процесса при отработке случайных возмущений в режиме позиционирования сигнал с сумматора поступает на вход формирователя сигналов управления через RC-цепочку.

Коэффициент передачи формирователя сигналов управления, а также амплитуды сигналов на его входе

35 выбраны таким образом, чтобы был обеспечен линейный режим работы усилителя для сигналов сумматора и режим глубокого насыщения для импульсов формирователя сигналов переме- 40 щения, т.е. при одновременном действии укаэанных сигналов усилитель не выходит из режима насыщения ни при каких допустимых уровнях сигнала сумматора. 45

Согласующий преобразователь представляет собой двухтактный усилитель мощности с двухпслярным питанием.

Вид схемы и ее параметры полностью определяются ее нагрузкой, т,е. приводом исполнительного органа.

Датчик положения представляет собой лазерный интерферометр с фотоприемниками ФД-27К и предусилителями на микросхемах К574УД В. В качестве .вычислительного блока выбрана серийно выпускаемая ЭВМ "Электроника-60", организованная на базе микропроцессора N2, устройств памяти П2(15УЗ04—

003) и ПП2(15УЗПП2048-16) .

Буферные блоки представляют собой 0 серийно выпускаемые устройства параллельного обмена И1(15КМ-180-004) микроканала ЭВМ с внешними устройствами и содержат(фиг. 7) канальные приемопередатчики, дешифратор адреса,65 дешифратор управляющих сигналов, мультиплексор данных, регистр данных.

Пороговый блок(фиг.8) содержит триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания, выполненный на микросхеме(К140УД8), транзисторный ключ, логическую схему И(К155ЛАЗ) и одновибратор(К155АГ)

Схема сравнения(фиг. 9) содержит вычитающий счетчик(К155ИЕ7)и триггер (К155ТМ2).

Предложенное изобретение по сравнению с известным, обладающим такой же добротностью цепи управления ! более высокоточно. В предложенной. системе регулирования крутизна управляющего сигнала в точке удержания максимальна и постоянна для любых перемещений исполнительного органа, что позволяет обеспечить максимально возможный коэффициент передачи в цепи управления и даже при малых сигналах управления достичь высокой точности регулирования.

Точность и разрешающая способность предлагаемого устройства позиционного управления повышены в первую очередь за счет максимально высокой точности определения фазы сигнала управления положения исполнительного органа в точке удержания, вносящей существенный вклад в ошибку системы (5) . Представим входной сигнал управления, как сумму полезного сигнала Sin y и сигнала помехи ф(Ц,т.Е.U<„=Ging+ g(t),СйСтЕМа УДЕРжания исполнительного органа в заданном положении стабилизирует фазу сигнала5с»(»» + (t)), где g (t) случайное изменение фазы суммарного, сигнала, обусловленное действием помехи g(t) . На входе системы удержания практически невозможно определить, чем вызванил изменение входного напряжения: смещением ли исполнительного органа и, следовательно, уходом от заданного фиксированного значения или действием помехи дрейфом фотоприемников, источников света, низкочастотными шумами элементов электронных схем и т.п. Таким образом, сигнал управления можно представить как

5in g+ ((t) = Gi n (c(> Щ или

5inQ» ф(t) Ging c05)g(tgi coGQ Gin (/ (»))

4 или (»-COG/y(()j7!Gin y if(t) =Cosy Gin(gH)).

Разлагая з п(у(1))»»coG)y(t)) в ряд Тейлора, получим

I i

y (t) у (t) ),, g»(t)

1-1»- —.- — » ° ) 5(ю»» 16 (t) = I g(()- — t „.1 соэ» ;

2) 4!

1104466

Пренебрегая членами второго -порядка, малости получим

10 у(Я «((/cosy „

Анализ последнего выражения по- 5 казывает, что, выбирая, можно уменьшить величину фазового шума на входе системы регулирования, наложенного на сигнал управления. Как известно (6), среднее значение квадрата ошибки прямо пропорционально спектральной плотности шумов, действующих в системе регулирования. В предлагаемом устройстве точки удержания исполнительного органа на фазовой оси управляющего сигнала всегда соответствуют минимальным фазовым шумам управляющего сигнала((кратно 27).

В известном устройстве точкам удержания могут соответствовать другие значения. Например, если точка удер- жания соответствует q =70 (cosy=0,17), то флуктуации фазы в известной системе регулирования в шесть раэ больше, чем у предлагаемой, т.к. Y в ней всегда кратно 2п(см2и lc =1, где K=0,1, 2, ). Соответственно и точность у известной системы регулирования ниже, чем у предлагаемой.

Учитывая тот факт, что на точность системы регулирования оказывают влияние также и внутренние шумы системы, которые могут в некотором пределе отличаться для разных реализаций устройств и которые в несколько раз меньше шумов на входе системы, и приняв во внимание приведенные выкладки, выигрыш в точности и разрешающей способности при использовании предлагаемого устройства составит порядка 2-3 раз.

1104466

Фиг. 4

1104466

1104466

С В1

Филд

1104466

Составитель A.Ëàùåâ

Редактор Л.Гратилло Техред Т. Маточка Корректор А.Дзятко

Эаказ 5209/33 Тираж 842 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4