Адаптивное устройство для управления объектом с присоединенным упругим элементом

 

Изобретение относится к управлению движением динамических объектов , а именно объектов с присоединенными упругими элементами. Целью изобретения является повьппение точности управления упругим элементом при наличии действующих на него внешних возмущений и расширение функциональных возможностей устройства.Устройство подключается к объекту 1 управления с присоединенным упругим элементом 2 и содержит блок 3 исполнительных органов, три сумматора 4, 9, 18, три аналоговых ключа 5, 6, 23, элемент НЕ триггера 13 с сл ю о- o о 0f.f

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3960335/24-24 (22) 05.10.85 (46) 15.03.87. Бюл. Р 10 (72) Ю.С.Мануйлов и В.В.Черньпп (53) 681.325 (088.8) (56) Алексеенко А.Г. и др, Применение прецизионных аналоговых интегральных схем. M.: Радио и связь,1981.

Блок операций перемножения ОП-ЗМ.

Техническое описание ТО 3.071.011 к

АВМ МН-18M, 1969, с. 9, рис. 4, Клокова Н.П. и др. Тензодатчики для экспериментальных исследований.

М.: Машиностроение, 1972.

Троицкий В.А. Режим оптимального нагружения упругого объекта. Оптимальные процессы колебаний механических систем. Л.: Машиностроение, 1976, с. 114, рис. 24.

ÄÄSUÄÄ 1297020 А1 (sg 4 С 05 D 3/12 С 06 F 15/20 (54) АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ С ПРИСОЕДИНЕННЫМ УПРУГИМ ЭЛЕМЕНТОМ (57) Изобретение"-относится к управлению движением динамических объектов, а именно объектов с присоединенными упругими элементами. Целью изобретения является повьппение точности управления упругим элементом при наличии действующих на него внешних возмущений и расширение функциональньтх возможностей устройства.Устройство подключается к объекту 1 управления с присоединенным упругим элементом 2 и содержит блок 3 исполнительных органов, три сумматора 4, 9, 18, три аналоговых ключа 5, 6, 23, элемент НЕ 10, два триггера 13

1297020 и 27, два нуль-индикатора 8 и 24, жителя 16, 19, 25, делитель 1$, усиблок 7 источников постоянных напря- литель 26, компаратор 20, три- элеменжений, блок 12 запуска, датчик 14 та И 22,.40, 41, элемент ИЛИ 42, деотклонения упругого элемента, диф- литель 11 напряжения. 1 з.п. ф-лы ференцирующий элемент 15, три умно- g 4 ил.

Изобретение относится к управлению движением динамических объектов, а именно объектов с присоединенными упругими элементами.

Цель изобретения — повышение точности управления упругим элементом при наличии действующих на него внешних возмущений и расширение функциональных возможностей устройства.

На фиг. 1 представлена функцио- t0 нальная схема адаптивного устройства для управления объектом с присоеди1ненным упругим элементом, на фиг.2

1 зависимость управляющих воздействий на объект в течение одного периода колебаний на фиг. 3 — фазовая точка плоскости, отображающая поведение упругого элемента; на фиг. 4 — типовые переходные процессы управляемого изменения нагружающей силы. 20

Устройство содержит объект 1 управления, присоединенный упругий элемент 2, блок 3 исполнительных органов, первый сумматор 4, первый аналоговый ключ 5, второй аналоговый ключ 6, блок 7 источников постоянных напряжений, первый нуль-индикатор 8; второй сумматор 9, элемент НЕ 10, делитель 11 напряжения, блок 12 запуска, первый триггер 13, датчик 14 отклонения упругого элемента, дифференцирующий элемент 15, первый умножитель 16, делитель 17, третий сумматор 18, второй умножитель 19, компаратор 20, коммутатор 21, элемент И 35

22, третий аналоговый ключ 23, второй нуль-индикатор 24, третий умножитель

25, усилитель 26, второй триггер 27, Блок 7 постоянных напряжений содержит пять источников постоянных на-<0 пряжений 28-32,счетный триггер 33„ четыре аналоговых ключа 34-37, два сумматора 38 и 39.

Коммутатор 21 содержит элементы И

40 и 41, элемент ИЛИ 42. Делитель 17

2 и дифференцирующий элемент 15 реализуются с использованием операционных усилителей, а все умножители могут использоваться в виде стандартных блоков. В качестве датчиков положения упругого элемента могут быть использованы тензодатчики.

С достаточной степенью приближения динамика объекта„ управления (твердого тела) с присоединенным упругим элементом описывается уравнениями Ликинза х =д..aq+ U — - q + /ax

А х = -Ь, u) q + с U

q =-ыц+bU (2) где Ь, =o(a/(1-dna ), b= P а/(1-сара ) постоянный параметр, определяющий влияние нагружающей силы на динамику упругого элемента, где x(t) — фазовая координата объекта управления;

q (t) — обобщенная координ та упругого элемента, л

) — циклическая частота колебаний упругого элемента, а — коэффициент взаимовлияния объекта управления и упругого элемента,, — параметры, определяющие массово-инерционные характеристики объекта и упругого элемента, V(t) — текущая величина управляющего ускорения.

В модели предполагается, что коэффициент диссинации упругого эле,мента очень мал.

Производя взаимную подстановку уравнений, входящих в систему (1), и проводя несложные преобразования, получают следующую систему

3 12970 с=1/(1-spa ) — постоянный параметр,,„> z »- квадрат приведенной циклической частоты колебаний упругого элемента.

При этом состояние упругого элемента с минимальной полной энергией (потенциальной и кинетической), со-ответствующее требуемому установившемуся значению нагружающей силы П определяется точкой » 0 на фазовой f0 плоскости q, q/ä, где »= Ь U, /,д, называемой точкой динамического равновесия (в ней компенсируются потенциальная и кинетическая энергии). 15

Необходимо перевести упругий элемент из начального состояния q =О, =0 в конечное q = », q =0 и обесо „! печить в конечный момент времени выполнение условия U = U . Задача на-20 тр гружения объекта с коэффициентом динамичности, равным единице {перевод в точку динамического равновесия) для случая безинерционного исполнительного органа рассмотрена в прото- 25 типе. При этом в течение половины периода колебаний упругого элемента

Т/2 (Т=2Р/о ) к объекту прикладывается управление П = П /2, а затем при t ) Т/2 — управление U = Ц 30 (фиг. 2).

Однако использование такого алгоритма для управления реальным объектом при наличии внешних возмущений и инерционности исполнительных орга- 35 нов не всегда приводит к желаемому результату.

Значительно лучшими характеристиками обладает алгоритм последовательного терминального управления нагру- 40 жающей силой, характерной чертой которого является то, что величина U,ð-U(t) на участке приведения упругого элемента в "мертвую" точку постоянно убывает с обнулением в момент 45 совпадения фазовой точки с точкой (»,О. Кроме того, такой алгоритм позволяет не только нагружать объект с коэффициентом динамичности равным единице, но и разгружать его. Будем 50 полагать, что при нагружении величина U должна принимать значение

П„ „,, а при разгружении П О. Рассмотрим этап нагружения.

Предполагается формировать алгоритм управления следующим образом.

В начальный момент к объекту прикладывается постоянное управляющее ус20 4 корение U=U*. Фазовая точка плоскос-! ти q,q/,ä, отображающая поведение уп, ругого элемента, начинает двигаться по окружности радиуса LI» (р» =Ь U* Id ) с центром в точке р", 0 (фиг. 3).

После попадания фазовой точки на касательную к окружности, проходящую через точку динамического равновесия

9,0, к объекту прикладывается управление П(Е}, заставляющее фазовую точку двигаться по прямой, касательной к этой окружности, до попадания в точку +,0. При этом величина начальной нагружающей силы выбирается из условия обеспечения максимального быстродействия на управляемом участке (участок АВ) SA„(p,t» ) — ша1с, (3) !» Ю где Б„ — площадь треугольника АВС.

Из фиг. 4 нетрудно получить

$ = у I AC I I ABI= уМ" Р -2IP .(4)

1 1 откуда

+1 1 ю — П

3 3 (6) Для произвольной точки F отрезка

АВ можно записать

1FG1=qАо; 10E1=1oG1 — IEG1=q

1" Ч

l0G1=q; 1св1= р -q;

1кс1=1FG1 — = †=iFG1 q 1GB1 ы17Р- ТЭ или, учитывая, что

Р = ь U„ />!: I OE I =q +

Ч обозначим 10Е(= q .

Таким образом, условием перехода от неуправляемого участка с постоян1 ной нагружающей силой U = -- — -U к

3 участку терминального управления будет

«1) Р" (7)

Величина нагружающей силы на втором участке определяется выражением

Условие (3) равносильно условию

as (P ) 1 1 РР с — !!» 2 »P+Др !!. !»й !» !»»! о

= О, (5) 5 12970

U(t) = —" (q + ) (8)

Ь q

По достижении упругим элементом малой окрестности точки динамического равновесия алгоритм терминаль- 5 ного управления выключается и объект нагружается силой Б=П

Аналогично можно рассмотреть этап разгружения. Необходимо только полоU* — — 3 UÄ Ä, U, =О. Траектория движения фазовой точки в этом случае показана на фиг. 3 пунктиром.

Объединяя оба этапа (нагружение и разгружение), можно представить алгоритм управления в следующем виде °

U(t)=$u 8(,J+u(t) (1-В?. ь„1)) e(„1+

Ж), (9) где Н„Е (О, Б,};

g {e- )- логическое выражение, + (1 ° <

1. О, д — ложно, м< кс ("," тр мо.кс1 3 ср

1 = (г.) з /Ь; 9 (с)=q(t)+ —.-<„>

Устройство работает следующим образом.

Текущие значения обобщенной координаты колебаний упругого элемента

q(t) снимаются с выхода датчика 14 отклонения, Значения q(t) формируется на выходе дифференцирующего элемента 15. Текущее значение функции

40 с(Г.) формируется на выходе третьего сумматора 18 с использованием первого умножителя 16, на выходе которого формируется q2 третьего умножителя .т

25, на выходе которого формируется q второго сумматора 9, на выходе которого формируется cd q-b U,„ (U,ð формируется на втором выходе блока 7 и равно либо U Ä в режиме нагружемакс 50 ния, либо О в режиме разгружения,„

Ь вЂ” коэффициент передачи делителя

11 напряжения). На выходе умножителя 19 формируется U(t). Величина О формируется на первом выходе блока

7. Значение функции 9Ы,3 формируется

55 на выходе коммутатора 21. Причем истинность логического выражения U ð =О определяется нуль-индикатором 24, а

20 истинность логического выражения

U (U — компаратором 20. Значение функции 8 (ы. 1 формируется на выходе нуль-индикатора 8. Причем HLER. ) = 1 при нулевом сигнале на выходе нульиндикатора 8 (это определяется триггером 27, единичный сигнал с второго выхода которого соответствует

8 (д )=1), Функции (1-eL,)) и (1 — Q (с . 1 ) формируюгся соответственно на первом выходе триггера 13 и первом выходе триггера 27. Управляющая функция U(t) формируется на выходе сумматора 4. (При необходимости сообщения объекту 1 с упругим элементом 2 ускорения U ð =U включают блок 12 запуска (это может быть просто нажатие кнопки "Пуск" ), Разрешающий сигнал устанавливает в единичное состояние триггер 13 (разрешающий сигнал поступает на управляющий вход аналогового ключа 5), триггер 27 (6(d- )=-1) и счетный триггер ЗЗ блока 7 (разрешающие сигналы поступают на управляющие входы аналоговых ключей 34 и 36). При этом на первом выходе бло1 ка 7 формируется сигнал — U кото3 макс рый через открытый аналоговый ключ 5 и сумматор 4 поступает на вход блока 3 исполнительных органов и запускает его на одну треть максимальной мощности. На втором выходе блока 7 формируется сигнал U =U кототр мс кС рый используется для формирования

U(t). С началом работы блока 3 исполнительных органов упругий элемент 2 начинает отклоняться от положения равновесия, На выходах датчика 14 и дифференцирующего элемента

15 формируются сигналы q(t) и q(t) которые также используются для формирования U(t).

Поскольку с выхода нуль-индикатора 24 поступает .нулевой сигнал (Б,„. фО), то разрешающий сигнал на выходе логического блока 21 начинает формироваться только при условии

U(t) ) U = — U „., Как толька выполняется это условие, триггер 13 переводится в нулевое состояние. 3акрывается аналоговый ключ 5. Элемент

И 22 формирует разрешающий сигнал, открывает аналоговый ключ 23 и сигнал U(t) с выхода умножителя 19 на1297 чинает управлять работой блока 3, мощность которого увеличивае" ..я,приближаясь к максимальной. После того, как по условию свисс) = Ы р срабаты2 вает нуль-индикатор 8, прекращает работу делитель 17, участвующий в формировании О(г.). Триггер 27 переходит в нулевое состояние, а разрешающий сигнал с его первого выхода открывает аналоговый ключ 6. Лнало- fO говый ключ 23 закрывается. На вход блока 3 поступает сигнал U =.U тр Макс

Если по каким-либо причинам необходимо прекратить работу блока 3, то достаточно нажать кнопку "Пуск" (включить блок 12 запуска) . По этому сигналу триггеры 13 и 27 снопа переходят в единичное состояние, а триггер 33 — в противоположное. Р<:зрешающий сигнал с второго выхода триггера 33 открывает аналоговые ключи 35 и 37. При этом йа первом выходе блока ? формируется сигнал

2/3 Б „,, а на втором Ут =О, Поскольку открыт только аналоговый ключ 5, то на вход исполнительного органа поступает сигнал 2/3 U„ „

Нуль-индикатор 24 формирует единичный сигнал. Логический блок 21 формирует разрешающий сигнал лишь при

2 условии U(e) i U = — Б

При выполнении этого условия аналоговый ключ 23 открывается, триггер

13 опрокидывается и закрывает аналоговый ключ 5, На вход блока 3 поступает сигнал U(t), уменьшающийся до нуля в процессе движения упругого элемента 2. При выполнении условия

40 с1со = Ь U„ 0 срабатывает нуль-индикатор 8, опрокидывается триггер

27 и на вход блока 3 через аналоговый ключ 6 поступает сигнал U ð = 0 до следующего нажатия кнопки "Ifycx".

В идеальных условиях прототип обладает большим быстродействием по сравнению с предлагаемым устройством.

Однако при проведении экспериментов внешнее возмущение задавалось в пределах 10-15Х от U . В этих условимак ях прототип, работающий по разомкнутой схеме, не обеспечивает приве55 дения фазовой точки в положение р,0.

Погрешность составляет 10-15, что проявляется наличием остаточных коле-. баний упругого элемента при работе

020 8 исполнительного органа. На практике, если величиной р ограничивается максимально допустимая величина отклонения упругого элемента от положения равновесия, обусловленная прочностными свойствами конструкции, остаточные колебания элемента недопустимы.

Иначе необходимо существенно снизить максимально допустимую величину нагружающей силы соответственно на

10-157 (в зависимости от граничных значений возможных возмущающих воздействий).

Предлагаемое устройство обеспечивает перевод фазовой точки в положение Р,О практически без погрешностей. На фиг. 4 представлены типовые переходные процессы управляемого изменения нагружающей силы. Начальное положение упругого элемента 2 не обязательно должно быть нулевым перед нагружением и не обязательно он должен находиться в точке )ч,0 перед разгружением, Достаточно лишь. выполнения условия (() ц ) г+(() / >) г

ЬU„ о 3 cd о (.) c. O

2ыг перед нагружением и (()- — "-ю5-) +(()/ )

2 U„

2Ь UM«, -< ) о

3) перед разгружением.

Возможность управляемого сброса тяги блока 3 до любой величины (не только до нуля, достаточно с второго выхода блока 7 при разгружении выдавать Б„., а с первого —. 2/3 (U„-У„) расширяет функциональные возможности устройства. Прототип такой возможностью не обладает, поскольку по времени можно переводить осциллятор только из состояния покоя в.состояние покоя (например из 0,0 в )и,O ).

Формула изобр етения

1. Адаптивное устройство для управления объектом с присоединенным упругим элементом, содержащее блок исполнительных органов, первый сумматор, два аналоговых ключа, блок

129702

9 источников постоянных напряжений, первый триггер, выход блока исполнительных органов является выходом устройства для подключения к объекту, вход блока исполнительных органов соединен с выходом первого сумматора, выходы первого и второго аналоговых ключей соединены с входами первого и второго слагаемых первого сумматора соответственно, первый и вто- f0 рой выходы блока источников постоянных напряжений соединены с информационными входами первого и второго аналоговых ключей соответственно, выход первого триггера соединен с 15 управляющим входом первого аналогового ключа, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности управления упругим элементом при наличии действующих на него внешних 20 возмущений и расширения функциональных возможностей устройства, в него введены датчик отклонения упругого элемента, дифференцирующий элемент, три умножителя, делитель, два сумма- 25 тора, компаратор, коммутатор, два нуль-индикатора, уСилитель, третий аналоговый ключ, элемент И, второй триггер, элемент HE делитель напрякения, блок запуска, причем вход дат- 30 чика отклонения является входом устройства для подключения упругого элемента, выход датчика отклонения соединен с входами первого слагаемого .третьего сумматора и первого сомножителя третьего умножителя и с входом дифференцирующе го элемента, выход дифференцирующего элемента соединен с входами первого и второго сомножителей первого умножителя, выход перво- 40 го .умножителя соединен с входом делимого делителя, выход третьего умножителя соединен,с входом первого слагаемого второго сумматора, выход второго сумматора соединен с входом 45 делителя и через первый нуль-индикатор — с входом блокировки делителя и с входом сброса второго триггера, выход делителя соединен с входом второго слагаемого третьего сумматора, 50 выход третьего сумматора соединен с входом первого сомножителя второго умножителя, выход которого соединен с первым входом компаратора и информационным входом третьего аналогово- 55

ro ключа, выход которого соединен с входом третьего слагаемого первого сумматора, выход компаратора соединен с информационным входом коммутао 1О тора, выход которого соединен с первыми входами элемента И устройства и с входом установки первого триггера, выход элемента И устройства соединен с управляющим входом третьего аналогового ключа, прямой и инверсный выходы второго триггера соединены с управляющим входом второго аналогового ключа и с вторым входом элемента И устройства соответственно, второй выход блока источников постоянных напряжений соединен с входами второго нуль-индикатора и делителями напряжения, выход второго нуль-индикатора соединен с управляющим входом коммутатора, выход делителя напряжения соединен через элемент НЕ с входом второго слагаемого второго сумматора, выход блока запуска соединен с входами установки первого и второго триггеров И и с входом пуска блока источников постоянных напряжений, первый выход которого соединен с вторым входом компаратора, третий выход блока источников постоянных напряжений соединен с входом в торог о сомножителя третьего умно-, жителя и через усилитель- с входом второ - го умножителя.

2 ° Устройство по и в 1 у О т л и

f ч а ю щ е е с я тем, что блок источников постоянных напряжений содержит пять источников постоянных напряжений, счетный триггер, четыре аналоговых ключа, два сумматора,причем выход пятого источника постоянных напряжений является третьим выходом блока, вход счетного триггера является входом пуска блока, выходы с первого по четвертый источников постоянных напряжений соединены с информационными входами с первого по четвертый аналоговых ключей соответственно, первый выход счетного триггера соединен с управляющими входами первого и третьего аналоговых ключей, второй выход счетного триггера соединен с управляющими входами второго и четвертого аналоговых ключей, выходы первого и второго аналоговых ключей соединены с входами первого и второго слагаемых первого сумматора соответственно, выходы третьего и четвертого аналоговых ключей соединены с входами первого и второго слагаемых второго сумматора соответственно, выходы первого и второго сумматоров являются вторым и первым выходами блока соответственно, 1297020 т.

Qua.t

Составитель В.Бородин

Редактор И.Касарда Техред А.Кравчук Корректор Н Король

Заказ 779/50 Тираж 864 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4