Следящий пъезопривод с коррекцией неоднозначной статической характеристики

 

СЛЕДЯЩИЙ ПЬЕЗОПРИВОД С КОРРЕКЦИЕЙ НЕОДНОЗНАЧНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ, содержащий измеритель рассогласования, первый вход которого через датчик положения соединен с выходом объекта регулирования, второй вход - с выходом задающего устройства , а выход - с первым входом выходного сумматора, выход которого через последовательно соединенные усилитель и исполнительный двигатель соединен с входом объекта регулирования , отличающийся тем, что, с целью повьшения точности регулирования при использовании в качестве исполнительного двигателя пьезодвигателя за счет коррекции неоднозначности его статической характеристики , в него введены корректирующие блоки, число которых на единицу меньше числа участков линейной аппроксимации статической характеристики пьезот двигателя, входы которых соединены с выходом измерителя рассогласования, а выходы корректирующих блоков соединены с соответствующим входом выходного сумматора, каждый ко1 ректирунмцйй блок содержит нелинейный элемент и последовательно соединенные сумма (Л тор, инвертирующий интегратор и масштабный блок, выход которого является выходом корректирующего блока, входом которого является первый вход сумматора , второй вход которого соединен с выходом нелинейного элемента, третий вход - с выходом инвертирующего интегратора, а выход - с входом нелинейного элемента. ю э N3 :о

СООЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (И) С 05 В 11/01 списочник изоврятКНий н ав то сномм соидетвъствм

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbfTHA (21) 3526028/24-24 (22) 21.12.82 (46) 23.10.84. Бюл. К - 39 (72) Е.А. Иванов, А.Ю. Лукичев, В.Ю. Трубников и А.С. Дмитриев (7i) Московский институт электронной техники (53) 62.50(088.8) (56) 1,.Авторское свидетельство СССР

)1 620940, кл. С 05 В 11/01, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

М 647646, кл. С 05 В 11/01, 1976. (54)(57) СЛЕДЯЩИЙ ПЬЕЗОПРИВОД С КОРРЕКЦИЕЙ НЕОДНОЗНАЧНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ, содержащий измеритель рассогласования, первый вход которого через датчик положения соединен с выходом объекта регулирования, второй вход — с выходом задающего устройства, а выход — с первым входом выходного сумматора, выход которого через последовательно соединенные усилитель и исполнительный двигатель соединен с входом объекта регулирования, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования при использовании в качестве исполнительного двигателя пьезодвигателя за счет коррекции неоднозначности его статической характеристики, в него введены корректирующие блоки, число которых на единицу меньше числа участков линейной аппроксимации статической характерйстики пьезо-, двигателя, входы которых соединены с выходом измерителя рассогласования, а выходы корректирующих блоков соединены с соответствующим входом выходного сумматора, каждый корректирующий блок содержит нелинейный элемент )

З и последовательно соединенные сумматор, инвертирующий интегратор и масштабный блок, выход которого является выходом корректирующего блока, входом которого является первый вход сумматора, второй вход которого соединен с выходом нелинейного элемента, третий вход — с выходом инвертирующего интегратора, а выход — с входом нелинейного элемента.

11? 02

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть иснользовано в следящих системах, в которЫх в качестве исполнительного двигателя используется пьезодвигатель.

Пьезодвигатели обладают высокой нагрузочной способностью до 3-4 кН, большой точностью позициониирования (попрешность установки не превышает 1О

<0,2 мкм при подаче соответствующего управляющего воздействия)и высоким быстродействием, позволяющим перемещать регулируемый объект с частотой

200-400 Гц.

Однако пьезодвигателям присущ характерный недостаток — наличие неоднозначной нелинейной статической характеристики в виде петли гистерезиса, Наличие элемента с такой характе- 20 ристикой внутри контура, охваченного обратной связью, может вызывать автоколебания в следящем приводе.

Известны следящие системы с компенсацией нелинейности типа "люфт (1),25

Недостатком известных следящих систем является невозможность ее построения при использовании в ней пьезодвигателя в качестве исполнительного двигателя, так как в силу конструк- 5О тивных особенностей пьезодвигатепя нельзя измерить параметры перемещения собственно исполнительного двигателя отдельно от нелинейного звена типа "люфт".

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является следящий привод с коррекцией люфта, содержащий измеритель рассогласования, первый вход которого через дат- Ао чик положения соединен с выходом объекта регулирования-, второй вход с выходом задающего устройства, а выход — с первым входом выходного сумматора, выход которого через последо-<5 вательно соединенные усилитель и исполнительный двигатель соединен с входом объекта регулирования (2) .

Принцип коррекции статической характеристики, использованной в извест бО ном следящем приводе основан на измерении скорости перемещения и положения исполнительного двигателя перед элементом, имеющим нелинейную статическую характеристику. При использо- 55

BRHHH пьезодвигателя.такие измерения невозможны, так как нелинейность его статической характеристики обусловле79 2 на свойствами применяемого пьезоматериала и нельзя выделить точку для подключения датчика скорости между двигателем и элементом с нелинейной статической характеристикой.

Целью изобретения является повышение точности регулирования при использовании в качестве исполнительного двигателя пьезодвигателя за счет коррекции неоднозначности его статической характеристики.

Поставленная цель достигается тем, что в следящий пьезопривод с коррекцией неоднозначной статической характеристики, содержащий измеритель рассогласования, первый вход которого через датчик положения соединен с выходом объекта регулирования, второй вход — с выходом задающего устройства, а выход — с первым входом выходного сумматора, выход которого через последовательно соединенные усилитель и исполнительный двигатель соединен с входом объекта регулирования, введены корректирующие блоки, число которых на единицу меньше числа участков линейной аппроксимации статической характеристики пьезодвигателя, входы которых соединены с выходом измерителя рассогласования, а выходы корректирующих блоков соединены с соответствующим входом выходного сумматора, каждый корректирующий блок содержит нелинейный элемент и последовательно соединенные сумматор, инвертирующий интегратор и масштабный блок, выход которого является выходом корректирующего блока, входом которого является первый вход сумматора, второй вход которого соединен с выходом нелинейного элемента, третий вход — с выходом инвертирующего интегратора, а выход — с входом нелинейного элемента, На фиг. 7 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 статическая характеристика пьезодвигателя и график связанного с ней напряжения, подаваемого в следящей системе на пьезодвигатель.

Устройство содержит измеритель 1 рассогласования, датчик 2 положения, объект 3 регулирования, задающее устройство 4, сумматоры 5, нелинейные элементы б, инвертирующие интеграторы 7, масштабные блоки 8, выходной сумматор 9, усилитель 10, исполнительный двигатель 11, являющийся пьезодвигателем, корректирующие блоки 12.

1120279

На фиг. 2а и б введены следующие обозначения: Х вЂ” перемещение рабочего органа пьезодвигателя; Ug — напряжение, приложенное к пьезодвигателю;

U — сигнал рассогласования.

Р

Следящий пьезопривод работает следующим образом.

Положение объекта 3 регулироваЪ ния измеряется датчиком 2 положения, выходной сигнал которого поступает 10 в измеритель 1 рассогласования, где сравнивается с сигналом задающего устройства 4. Выходной сигнал Up измерителя рассогласования поступает на первые входы каждого из суммато- 15 ров 5. Сумматоры 5,нелинейные элементы 6, инвертирующие интеграторы 7, масштабные блоки 8, а также выходной сумматор 9 и усилитель 10 служат для формирования напряжения Ug, подава- 20 емого в следящей системе «а пьезодвигатель 11. Коэффициент передачи совокупности этих элементов следящей системы изменяет в зависимости от состояния пьезоэлектрического двигате- 25 ля 11, определяемого точкой на статической характеристике (фиг. 2а).

В момент изменения знака сигнала рассогласования состояние пьезодвигателя описывается начальной точкой Хь 1 U!z 30 на статической характеристике (фиг. 2а) .

Характер нелинейности не зависит от положения точки X U- а полностью.оп— ределяется функцией 1(/Ug Б /), постоянной для данного типа пьезоцвигателя описываемого формулой

x = F(/U - и /) 8 д + Х (1) — dt O!

В момент изменения знака скорости 40

dx движения — фиксируется новое пол—

Ж

l жение координат начальной точки Х

U (для конкретной статической характеристики на фиг. 2а Х, = Х ., U

= Ug>). Коэффициент передачй пьезодви-. гателя 11, соответствующий начальному наклону кривой 0, b С у точки

Х, Ug, минимален. Поэтому требуется чтобы коэффициент передачи группы элементов 5 — 10 был максимальным. С этой t "" целью коэффициент усиления усилителя

10 выбирается равным (2)

При этом сигналы на выходах инвертирующих интеграторах 7 остаются неизменными. Сигнал выходного сумматора 9, усиленный усилителем 10, подается на пьезодвигатель 11, вызывая перемещение объекта 3 регулирования из точки Хб в точку Х(. Таким образом, на участке !ь статической хдрактеристики (фиг. 2а) при изменении сигнала рассогласования U от Про до Ир, объект регулирования перемещается из точки Хо в точку Х», т,е. суммарный наклон статической характеристики равен

dx Х вЂ” Хд Х4- Хо (3)

"р1 1- ро Ug g,î где А — коэффициент, определяющий средний наклон статической характеристики пьезодвигателя при максимальном изменении напряжения.

При дальнейшем увеличении напряжения рассогласования увеличивается наклон статической характеристики, поэтому коэффициент передачи группы элементов 5-10 должен уменьшаться.

Это достигается в результате действия сумматоров 5, нелинейных элементов 6 и инвертирующих интеграторов 7. Статические характеристики нелинейных элементов 6 выбираются симметричными и описываются уравнением

U>< ripH U,(t) ) U«

"н = U;(t)Сн пр™ /Пн1 (t / < V„(4)

-U, при Uz (t) (— Uð, где Бд, — напряжение на выходе i-го нелинейного элемента 6 (i = 1,2, ..., n);

U> — максимальное напряжение на вьгходе i-го нелинейного элемента 6, при котором наступает ограничение выходного сигнала U„;

С вЂ” коэффициент передачи нелинейного элемента 6 при отсутствии ограничения;

UlN4 Сн

U --= =— — приведенное к входу i-го

P 1+С„ сумматора 5 напряжение ограничения Uì « м<

В случае если выполняется условие

/U„; (t)/e. Бр„, на второй вход 1-го сумматора 5 поступает усиленный в

С> раз выходной сигнал. При этом коэффициент передачи сумматора 5 от первого входа к выходу уменьшается

C„ + 1 раз. Напряжение на выходе интегратора 7, вход которого подключен к выходу сумматора 5, в этом случае описывается уравнением

1120279

1-!

)-1

U<(p)

Hi (5) где Т вЂ” постоянная времени интегратора 7. 5

Так как коэффициент передачи нелинейного элемента С1, может быть выбран достаточно большим, постоянная времени (C. - - 1)Т апериодического звена (5), замещающего элементы 10

5-7 будет большой и напряжение на выходе инвертирующего интегратора будеr оставаться практически неизменным при быстром изменении сигнала Uð.

При этом скорость изменения выходно- 15

ro напряжения усилителя 10 определяется только сигналом, поступающим на п+1 вход выходного сумматора 9.

При увеличении сигнала рассогласования U(, и, соответственно, при 20 невыполнении условия /U (t) / (U p„

И1 выходной сигнал i-ro нелинейного элемента принимает значение И „ или

-U, . В этом случае напряжение на выходе а-го интет ратора 7 описывает- 25 ся уравнением

/ ъл P (P) (6)

М Р = Т +1

Р

При этом постоянная времени апериодического звена (б), замещающего эле менты 5-7 будет равна постоянной времени Т интегратора 7, т,е, в (Сн + 1) раз меньше, чем в случае (5) и присут ствует постоянная составляющая U>,.

Переход групп элементов 5-7 Р состоянию, описываемому уравнением (6), происходит последовательно. С этой цепью статическая характеристика пьезадвигателя разбивается на линейЩ ные отрезки, границы которых определяются напряжением U>,, На участке р, статической характеристики (фиг, 2а) при изменении си1 нала рассогласования U от Ь а до Up

45 первая группа элементов 5-7 переходит в состояние, описываемое уравнением (6), Это означает, что при быстром изменении сигнала рассогласования Up скорость изменения выходного сигнала со первого интегратора 7 существенно не отличается от скорости изменения Up.

Поступая на первый вход выходного сумматора 9, сигнал U „ вызывает уменьшение скорости нарастания напря55 женияЖ3г подаваемого на пьезодвигаБ .тель 11 (отрезок b c фиг. 2б) . Путем выбора коэффициента усиления С усиИ лителя 8 с номером i = 1 по формуле обеспечивается движение регулируемого объекта из точки X„в точку X при изменении сигнала рассогласования от 13р„ дс U < .

Таким образом, на отрезке Х Х о 2 обеспечивается корректироька нелинейности статической характеристики пьеэодвигателя и достигается постоянdx ство пРоизводной — A . 1(орректи

1И> Х ровка статической характеристики пьезодвигателя на остальных отрезках аппроксимирующей кривой производится аналагично, путем выбора коэффициентов усиления усилителей 8 по формуле {7) и выбора напряжений ограничения U> нелинейных элементов.

При перемене знака скорости изменения сигнала рассогласования U з т.е. при необходимости изменения направления движения регулируемого объекта выходные напряжения U инн< теграторов 7 описываются уравнением (5). Следовательно, напряжения

U<, фиксируются на уровне, на котором они находились до момента перемены направления движения регулируемого объекта. При этом переход интеграторов 7 к состоянию, описываемому уравнением (6), происходит в том же

1 . В Г порядке, что и при движении из точки

X „„ Ug, так как характеристика пьезодвигателя симметрична (1) и симметричны также характеристики нелинейных элементов 6(4).

Б этом случае на отрезке е f ! (фиг. 2б) скорость изменения напряжения Б на пьезодвигателе 11 максимальна и определяется собсщ енным коэффициентом передачи пьезодвигателя, Затем, как и в случае движения из точки Хр, U gд происходит поочередный переход ингеграторов 7 к состоянию, описываемому уравнением (б), и скорость изменения напряжения Ug для каждого последующего отрезка аппроксимации уменьшается. В результаdx те производная — = А остается поП.р стаянной и при обратном движении пьезодвигателя. Из этого следует, что суммарная статическая характеристика пьезопривода становится линейной и однозначной, т,е. корректируется нелинейная неоднозначная статит 1 ческая характеристика пьезодвигателя.

Так как точка начала движения Х

О@, и точка изменения направления движения Х4, Ug были выбраны произвольно, рассмотренный процесс корректировки реализуется при любом их расположении на статической характеристике пьезодвигателя. Поэтому при

120279 5 любом изменении сигнала рассогласования Орпредложенный пьезопривод можно рассматривать как линейный. Следовательно, в нем отсутствуют автоколебательные процес сы, повышается динамическая точность слежения за заданной координатой.

1120279

Составитель Р. Батаршин

Редактор Г, Волкова Техред И.Тепер Корректор А. Тяско

Заказ 7739/34 Тираж 841 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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