Система управления

 

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, содержащая последовательно соединенные за- ; датчик и суммирующий усилитель и последовательно соединенные исполнительный механизм, объект управления, датчик обратной связи, измеритель ошибки, формирователь сигнала коррекции , первый блок масштабных коэффициентов , рщентификатор состояния объекта и масштабирующий сумматор, выход которого соединен с вторым входом суммирующего усилителя, соединенного выходом с вторым входом идентификатора состояния объекта, третий вход которого подключен к датчику обратной связи, а второй выход соединен с вторым входом измерителя ошибки, отличающаяся тем, что, с целью повышения устойчивости системы , в нее введены последовательно соединенные фильтр, второй блок масштабных коэффициентов, сумматор и третий блок масштабных коэффициентов, § вход которого соединен с выходом (Л фильтра, а выход - с четвертым входом идентификатора состояния объекта , вход фильтра соединен с выходом формирователя сигнала коррекции, выход сумматора подключен к входу исполнительного механизма, а второй вход - к выходу суммирующего усилителя .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) 1 ц G 05 В 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / -

Н ABT0PCHOMV CBMQETHlbCTHУ "-.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ1ТЖ (21) 3669206/24-24 (22) 05.12.83 (46) 23.10.84. Бюл. 11 39 (72) Ю.А. Борцов, H.Ä. Поляхов, В.В. Путов, В.F.. Кузнецов, О.И. Поздняков, В.B. Малютин, B.È. Николаев и В.В. Завернихин (53) 62-50(088.8) (56) 1, Андреев Yl.H. Управление линейными конечно-черными объектами. М., "Наука", 1975, с. 341-351, рис. 31.

2. Боднер В.A. Теория автоматического управления полетом. M. "Наука", 1964, с. 319-320, рис. 7-22.

3. Авторское свидетельство СССР

941923, кл. С 05 В 23/00, 1982 (прототип). (54)(57) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, содержащая последовательно соединенные задатчик и суммирующии усилитель и последовательно соединенные исполнительный механизм, объект управления, датчик обратной связи, измеритель ошибки, формирователь сигнала коррекции, первый блок масштабных коэффициентов, идентификатор состояния объекта и масштабирующий сумматор, выход которого соединен с вторым входом суммирующего усилителя, соединенного выходом с вторым входом идентификатора состояния объекта, третий вход которого подключен к датчику обратной связи, а второй выход соединен с вторым входом измерителя ошибки, отличающаяся тем, что, с целью повышения устойчивости системы, в нее введены последовательно соединенные фильтр, второй блок масштабных коэффициентов, сумматор и третий блок масштабных коэффициентов, Я вход которого соединен с выходом фильтра, а выход — с четвертым входом идентификатора состояния объекта, вход фильтра соединен с выходом формирователя сигнала коррекции, вы- а ход сумматора подключен к входу исполнительного механизма, а второй вход — к выходу суммирующего усилителя.

I 120283

Изобретение относится к автоматическому управлению и мож T f)blTb использовано для управления электромеханическими объектами, в т.ч. нестационарными, многомяссовыми с упруги- 5 ми связями, не все переменные которого доступны измерет(ию с помощью датчиков, например, в системлх управления исполнительными оргаттями меха— ниэмов роботов, металлорежущих стан- 10 ков, бортовых радиолокационных станций и др.

Известны следящие системы, содержащие последовательно соединеннтяе изI5 меритель рассогласования, регулирования, вход и выход которого соединены с соотнетствующими входами устройства для измерения текущих динамических характеристик нестационлрного объ.

20 ектл (идентификатором)> выход которого соединен с вторым входом регулятора )1j .

Известны также следящие системы, содержащие последовательно соединенные задатчик, измеритель рассогласова ния, регулятор и объект, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через эталонную модель соединен с выходом эадатчика, а выход через устройство упЗО равления с бесконечно большим коэффициентом усиления и ограничения соединен с вторым входом регулятора. В такой системе сравнивают реальные выходные координаты объекта с желаемыми, З5 а по их разности формируется дополни— тельный сигнал управления (2).

Однако в данных системах;таже при незначительных изменениях параметров объекта ухудшается качество динамичес40 ких процессов, тем более в реальных условиях работы системы, когда параметры объектов управления значитель- но изменяются в функции координат и времени, нелинейные и нестационарные 45 параметрические рассогласования могут привести к потере устойчивости.

Наиболее близкой к предложенной является система управления объектом, содержащая последовательно соединенный задатчик, суммирующий усилитеsIh, исполнительный механизм, объект управления, датчик объекта, идентификатор состояния объекта и масштабирующий сумматор, выход которого соединен с вторым входом суммирующего усилителя, а выход последнегп соед. нен с вторым входом идентифш.ятог)л состоя((ия опт ектл. (: непьн> (:Охранения рлботоспособности идентиф((клторл состояния объекта л с.ц довательт(с, и всей системы лвтомлтическог() управления при изменении плрлметрон объектл, в нее дополнительно введены последовательно соединенные измеритель ошибки, формирователь сигнала коррекции и блок масштабных коэффициентов, выход которого -оединен с третьим входом идентификатора, а входы измерителя ошибки подключены к второму выходу идентификации( и к датчику объекта 3) .

Однако в известной 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 объекта область устойчивости системы управления сужается. Кроме того, при болыпих параметрических рассогласованиях требуется значительное усиление в контуре обратной связи объекта по оценкам идентификатора состояния, что может привести к ухудшению и даже нарушению работоспособности системы управления в условиях всегда имеющих место помех.

Целью изобретения является повыше—

ыие устойчивости системы управления при значительных нелинейных и нестационарных нлраметрических рассогласованиях объекта управления и действии помех.

Поставленная цель достигается тем, что в систему управления, содержащую последовательно соединенные злдатчик и суммирующий усилитель и последовательно соединенные исполнит ельный механизм, объект управления, датчик обратной связи, измеритель ошибки, формирователь сигнала коррекции, первый блок млсштабных коэффициентов, идентификатор состояния объекта и млсштабирующий сумматор, выход которого соединен с вторым входом суммирующего усилителя, выход(тм соединенного с вторым входом идентификатора состояния объекта, третий вход которого подключ(и к г(атчику обратной связи, а нторой выход со(. линен с вторым входом измерителя ошибки д(— У (толнительно вв(.де>(ь> нос)телонлтель.(о (.ое l!!!l(! l(Hblt> фильтр ° вт(>1)(> l б(1»к мл > ll! Та лнь!х г (> >tp (((и!((l т (>F > ("и" (7 т(>1) 1120283 и третий блок масштабных коэффициентов, вход которого соединен с выходом фильтра, а выход — с четвертым входом идентификатора состояния объекта, вход фильтра соединен с выходом формирования сигнала коррекции, выход сумматора подключен к входу исполнительного механизма, а второй вход — к выходу суммирующего усилителя. lO

В системе кроме двух основных контуров управления — контура обратной связи объекта управления по оценкам идентификатора, состоящего из суммирующего усилителя, сумматора, 15 исполнительного механизма, объекта управления, датчика объекта, идентификатора состояния объекта и масштабирующего сумматора, и контура коррекции идентификатора, состоящего из 2п идентификатора состояния объекта, из" мерителя ошибки, формирователя сигнала коррекции и блока масштабных коэффициентов — посредством вновь введенных блоков и связей дополни- 25 тельно организованы контур адаптации объекта, состоящий из сумматора, исполнительного механизма, объекта управления, датчика объекта, измерите. ля ошибки, формирователя сигнала кор- О рекции, фильтра и второго блока масштабных коэффициентов, и дополнительная цепь адаптации идентификатора состояния объекта, состоящая из фильтра и третьего блока масштабных коэффициентов.

Цель основного контура обратной связи объекта управления по оценкам . идентификатора состоит в том, чтобы обеспечить устойчивую работу системы 4О с требуемой динамикой. Назначение второго основного контура коррекции идентификатора состоит в корректировке поведения переменных, вырабатываемых идентификатором, имеющим стационарную-структуру, с целью приближения характера их поведения к динамике, свойственной нелинейному и нестационарному объекту. Тем самым оценки идентификатора уточняются с учетом параметрических рассогласований объекта.

Целью вновь организованного контура адаптации объекта введенной дополнительной цепи адаптации идентифика- 55 тора является компенсация параметрических рассогласований в объекте и в идентификаторе состояния объекта соответственно. При этом в контуре обратной связи объекта по оценкам идентификатора за счет действия контура адаптации объекта и дополнительной цепи адаптации идентификатора могут быть значительно ослаблены коэффициенты усиления. Поэтому параметры п6ратных связей обоих контуров, определяемые масштабирующим сумматором в первом контуре и вторым блоком масштабных коэффициентов во втором контуре, выбираются исходя из устойчивости адаптивных процессов управления и идентификации и требуемого быстродействия управления объектом.

Это расширяет область устойчивости предлагаемой системы управления.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемой системы управления; на фиг. 2 — принципиальная схема примера конкретного исполнения системы управления; на фиг.3 осциллограммы переходных процессов при управлении упругим нестационарным электромеханическим объектом в предлагаемой системе.

Система управления содержит задатчик 1, суммирующий усилитель 2, сумматор 3, исполнительный механизм 4, объект 5 управления, датчик 6 обратной связи, измеритель 7 ошибки, формирователь 8 сигнала коррекции, блок 9 масштабных коэффициентов, идентификатор 10 состояния объекта, масштабирующий сумматор 11 фильтр 12, второй блок 13 масштабных коэффициентов, третий блок 14 масштабньгх коэффициентов, усилители 15.

Система управления, например, с нестационарным резонансным упругим механическим объектом с нелинейными свойствами работает следующим обра-!

3 ом

Задатчик 1 вырабатывает командный сигнал, который через суммирующий усилитель 2, представляющий собой усилитель с суммирующим входом, сумматор 3 и исполнительный механизм 4 воздействует на объект 5 управления, в котором возбуждаются резонансные колебания. Идентификатор 10 состояния объекта получает сигналы от суммирующего усилителя 2 и датчика 6 полностью наблюдаемой переменной объ-. екта, например, одной из обобщенных

I скоростей объекта, в которой содержится скрытая информация о движении всех остальных (2m-1) независимых пе1120283 ременных состояния объекта, недоступных непосредственному изМерению, и на основе получаемой информации вырабатывает оценки m переменных объекта, где m — число степеней свободы объекта, именно m упругих моментов, соответствующих механическим резонансам, и m обобщенных скоростей, Стационарная часть идентификатора 10 состояния построена по извест10 ным алгоритмам, в соответствии с которыми имеет два входа и известную структуру, содержащую 2m подблоков (Интеграторов), вырабатывающих переменные объекта. При этом его работа рассчитана на линейность и стационарность характеристик объекта, и при изменении параметров и отклонении от линейности объекта вырабатываемые идентификатором 10 оценки переменных отклоняются от их действительных значений. С целью согласования поведения идентификатора с нелинейным и нестационарным объектом и, таким образом, получения точных оценок переменных объекта вводится контур коррекции идентификатора, подчиняющего движение идентификатора движению объекта. Коррекция осуществляется контуром, образованным измерителем 7 ошибки, формирователем 8 сигнала коррекции и блоком 9 масштабных коэффициентов ° В измерителе 7 ошибки сравниваются сигналы переменной, непосредственно измеренной датчиком 6 обрат- 35 ной связи, и ее оценки, вырабатываемой идентификатором 10, Их разность, вырабатываемая измерителем 7 и характеризующая параметрические рассогласования объекта, поступает на вход 40 формирователя 8 сигнала коррекции, представляющего собой безынерционный усилитель с большим усилением и ограничением (с релейной характеристикой), Сформированный Формирователем Я сиг- 4 нал коррекции поступает в блок 9 масштабных коэффициентов, который подает этот корректирующий сигнал с соответствующими масштабными коэффициентами (весами) на входы каждого из 2m подблоков (интеграторов) идентификатора 10, обеспечивая согласование его оценок переменных с их действительными значениями.

Организуемый дополнительный контур адаптации объекта, образуемый блоками 3-8 и вновь введенными блоками 12 и 13, обеспечивает компенсацию нелинейных и нествционарных параме Tрических рассогласований объекта и приведение динамики объекта к динамике соответствующей стационарной части идентификатора.

Сигнал параметрических рассогласований объекта, вырабатываемый контуром коррекции идентификатора и снимаемый с формирователя 8 сигнала коррекции, несет в себе информацию о нестационарном и нелинейном поведении объекта и поэтому может быть использован в работе контура адаптации объекта для компенсации его параметрических рассогласований ° Этот сигнал проходит через фильтр 12 и второй блок

13 масштабных коэффициентов, который подает этот сигнал со своим масштабным коэффициентом на вход сумматора 3. Сформированный сумматором 3 сигнал через исполнительный механизм 4 воздействует на объект 5 управления, компенсируя его параметрические рассогласования.

Теперь, когда объект ведет себя как стационарный, необходимо скомпенсировать нестационарное поведение идентификатора 10 состояния, обусловленное параметрическими рассогласо ваниями объекта. С этой целью организована цепь адаптации идентификатора, использующая сигнал параметрических

Рассогласований, снимаемый с формирователя 8 сигнала коррекции. Этот сигнал проходит через фильтр 12 и третий блок 14 масштабных коэффициентов, который подает его с соответствующими масштабными коэффициентами на входы интеграторов идентификатора 10, возвращая ему свойства стационарной модели с заданными параметрами.

Ъ

Вновь введенный фильтр 12 играет двоякую роль: роль сглаживания и роль блока задержки. Сглаживание выхода формирователя 8 сигнала коррек1 ции необходимо для того, чтобы в системе исполнительный механизм— объект не возник скользящий режим, приводящий на практике к неприятным явлениям "дрожаний" и высокочастотных колебаний механических узлов объекта, а в некоторых случаях — к неустойчивой работе системы. Временная задержка фильтра необходима для разнесения во времени процессов коррекции идентификатора и адаптации объекта, которые обусловлены одним и тем

1120283 же сигналом, снимаемым с формирователя 8. При этом процессы идентификации должны заканчиваться быстрее, чем процессы адаптации, так как в противном случае адаптивный сигнал дополнительной цепи адаптации идентификатора может компенсировать действие контура коррекции идентификатора и тем самым нарушить его работу.

Время задержки фильтра выбирается 10 большим, чем время протекания процессов в контуре коррекции идентификатора, но, с другой стороны, оно выбирается достаточно малым, чтобы не оказывать заметного влияния на быстродействие процесса адаптацци объекта.

Наконец, основной контур обратной связи объекта по оценкам идентификатора, образованный блоками 2-6, 10 20 и 11, формирует желаемое по качеству и быстродействию поведение системы управления. В этом контуре идентификатор 10 состояния вырабатывает (восстанавливает) оценки всех 2m не- 25 зависимых переменных, которые подаются на масштабирующий сумматор 11, формирующий иэ них линейную комбинацию с заданными весовыми коэффициентами. Сформированный масштабирующим З0 сумматором 11 сигнал через последовательно соединенные блоки 2-4 поступает на объект 5, подавляя его упругие колебания (резонансы) с помощью исполнительного механизма 4, который может представлять собой блок усилитель мощности — двигатель либо тиристорный преобразователь— двигатель и др. Теперь требуемые большие коэффициенты усиления в кон 40 туре обратной связи объекта по оценкам идентификатора, обеспечивающие высокое быстродействие системы управления, что часто приводит к потере устойчивости при воздействии помех, могут быть существенно снижены за счет дополнительного введения адаптирующего сигнала (на первый вход сумматора 3), тем самым расширяется область устойчивой работы (например, перекрывается область резонансных частот объекта) при требуемом быстродействии.

Задатчик 1 (фиг. 2) может быть реализован, например, с помощью пере- 55 менного сопротивления 16. Исполнитель. ный механизм 4 представляет собой блок. состоящий из управляемого силового тиристорного преобразователя 17 и двигателя 18 постоянного тока. Объект 5 управления представляет собой механическую упругук нагрузку 19 с зазором, соединенную с инерционным ротором двигателя. Датчик промежуточной переменной 6 представляет собой тахогенератор 20, жестко связанный с ротором двигателя. Остальные блоки

2, 3, 7-14 реализованы на микросхемах операционных усилителей 154- 15< с RC-цепями. Суммирующий усилитель 2 и сумматор 3 выполнены соответственно на усили1 елях 15 и 15 . Измеритель ошибки 7 выполнен на усилителе 15„.

Формирователь 8 сигнала коррекции выполнен на усилителе 15„ с большим коэффициентом усиления и двусторонним ограничением по амплитуде выходного сигнала посредством стабилитронной цепи V<, Ч2 на элементах КС 156А.

Идентификатор 10 состояния объекта выполнен на семи усилителях 15 - 15, причем подблоки идентификатора (интег. раторы), вырабатывающие оценки переменных, выполнены на усилителях 15, 15, 156 с емкостными обратными связями; усилители 15, 15, 15, t5 инвертирующие. Оценки переменных идентификатора подаются на масштабирующий сумматор 11, выполненный на усилителе 15 ос тремя резистивными входами, а блок 9 масштабных коэффициентов представляет собой три резистивные цепи, подключающие выход формирователя 8 сигнала коррекции к входам интеграторов идентификатора.

Фильтр 12 выполнен на усилителе t5t с RC-цепью в обратной связи. Выход фильтра 12 через второй блок 13 масштабных коэффициентов и через третий блок 14 масштабных коэффициентов, которые в конкретной реализации представлены резистивными цепями, подключен соответственно на вход сумматора 3 и на вход усилителя 15 идентификатора.

На осциллограммах (фиг. 3) показаны кривые: 1 — задающий скачкообразный сигнал; 2 — частота вращения исполнительного двигателя; 3 — частота вращения объекта.

Из осциллограмм (фиг. За) видно, что поведение объекта управления харак теризуется слабо затухающими упругими колебаниями механизма. Из осциллограммы известной системы (фиг. Зб) видно, что упругие коле1120283

10 бания подавляются, хотя между поведением нагрузки объекта (кривая 3) и исполнительным механизмом (кривая 2) наблюдается значительное рассогласование, увеличивающееся при изменении параметров объекта, что характеризует "узкую" область устойчивости.

В предлагаемой системе управления (фиг. Зв) эффективно подавляются колебания двухмассового объекта при со- 1О хранении быстродействия и формы переходных процессов, соответствующих техническим оптимальным предписани:ям, а быстродействие системы отвечает полосе пропускания, перекрывающей 15 область резонансных частот. При этом поведение нагрузки (кривая 3) близко к поведению исполнительного двигателя (кривая 2), и указанная картина переходных процессов сохраняется при на- 20 личии зазора, а также при изменении параметров объекта, например, собственной частоты вращения в 2-4 раза, суммарного момента инерции в 3-6 раз.

Таким образом, в предложенной систе- 25 ме расширяется область устойчивости.

Примером использования предложенной системы управления могут служить исполнительные органы механизмов промышленных роботов, которые описы- щ ваются как нестационарные двухмассовые объекты с упругими связями. В качестве базового объекта выбрана типовая система управления следящих электроприводов исполнительных органов манипуляционных роботов. ®

Выбранная за базовый объект система управления применяется в новейших разработках роботов, построенных по модульному принципу, и отвечает со- 40 временному уровню развития робьтотехнической промышленности. Она обеспечивает технически оптимальное по быст родействию (программируемое) движение манипулятора при условии идеализации его конструкции как абсолютно твердого тела ° Однако современные типы манипуляторов работают в области частот, где начинают проявляться упругие свойства механической конструкции.

Техническим преимуществом предлагаемой системы управления является введение новых блоков и связей, подавление колебаний механической конструкции манипулятора при сохранении требуемого быстродействия, отвечающего полосе пропускания, перекрывающей область резонансных частот, а также при изменении параметров объекта, что приводит к расширению области устойчивости предлагаемой системы управления по сравнению с базовым объектом. В результате достигаемых технических преимуществ в предлагаемой системе управления повышается точность, а также производительность (на 10-15%) манипулятора за счет снижения времени позиционирования.

Ожидаемый экономический эффект от использования предлагаемой системы управления рассчитан в сравнении его с базовой системой на примере обработки детали валика ПВ8304017 на двух токарных станках УТ1683, обслуживаемых роботом-манипулятором.

Годовой экономический эффект на единицу оборудования составляет

26 тыс.821 руб.

»ж.я

Составитель A. Лащев

1 едактор Г. Волкова Техред Т.Маточка Корректор A. Тяс ко

Заказ 7739/34 Тираж 841 Подлисное

В11ИИПИ Госуд чрственного комитета CCCI во делам изобретений и открытий

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

Филиал ГИ1П . 11атент™, г. Ужгород, ул. Проектная,