Устройство для программного управления с коррекцией программы

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к системам программного управления манипуляторами. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем управления по трем координатам при относительных перемещениях объекта управления и носителя исполнительного механизма и коррекции программы с учетом этих перемещений. Устройство содержит источник опорного сигнала, три канала управления по каждой координате , датчики перемещения объекта и датчики перемещения носителя по каждой координате, многоканальный блок управления приводами, блок приводов , исполнительный механизм с рабочим органом и датчики обратной связи . Каждый канал управления содержит блок задания координат, масштабный блок, блок сравнения, блок переключения знака, регулятор величины коррекции , блок ввода коррекции, причем блок ввода коррекции содержит последовательно соеди1ненные сумматор и блок сглаживания сигнала. 3 з.п., 6 ил. с

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (19) (И) <51) 4 С 05 В 19/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

3. 4

Ьяй г г А

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2i) 4088860/24-24 (22) 10.07.86 (46) 15.11.87. Бюл. ¹ 42 (71) Дальневосточный политехнический институт им. В.В.Куйбышева и Николаевский кораблестроительный институт им. адм. С.О.Макарова (72) Ю.П.Кондратенко, В.Ф.Филаретов, Ю.М.Корнгауэ и Г.В.Миронец (53) 621.503.55 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 617207, кл. В 23 К 11/24, 1978.

Архангельский А.Е. и др. Модели.рование на аналоговых вычислительных машинах. Л.: Энергия, 1972,с. 33.

Авторское свидетельство СССР № 813473, кл. G 06 С 7/52, 1979.

Авторское свидетельство СССР № 1229728, кл.„ G 05 В 19/00, 1984.

Авторское свидетельство СССР

¹ 451059, кл. С 05 В 19/16, 1972. (54) УСТРОЙСТВО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ С КОРРЕКЦИЕЙ ПРОГРАММЫ (57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к системам программного управления манипуляторами. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем управления по трем координатам при относительных перемещениях объекта управления и носителя исполнительного механизма и коррекции программы с учетом этих перемещений. Устройство содержит источник опорного сигнала, три канала управления по каждой координате, датчики перемещения объекта и датчики перемещения носителя по каждой координате, многОканальный блок управления приводами, блок приводов, исполнительный механизм с рабочим органом и датчики обратной свя- ® эи. Каждый канал управления содержит блок задания координат, масштабный блок, блок сравнения, блок переключения знака, регулятор величины коррекции, блок ввода коррекции, причем ф блок ввода коррекции содержит последовательно соединенные сумматор и блок сглаживания сигнала. 3 э.п.ф-лы, 6 ил.

457

1 1352

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к системам программного управления манипуляторами.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем управления по трем координатам при относительных перемещениях объекта управления и носителя исполнитель- 10 ного механизма.

На фиг,1 изображена функциональная схема устройства программного управления с коррекцией программы; на фиг.2 — схема блока сглаживания сигнала; на фиг.3 — статистическая характеристика ограничителя верхнего уровня; на фиг.4 — статистическая с характеристика релейного элемента; на фиг.5 — положение объекта и носи20 теля исполнительного механизма (а при отсутствии возмущений; о — при наличии возмущений); на фиг.6 — кривые изменения выходных сигналов раз25 личных блоков устройства при его работе.

Устройство программного управления с коррекцией программы содержит источник 1 опорного сигнала, три канЪла 2-4 управления по координатам, датчики 5 перемещения объекта и дат.чики 6 перемещения носителя исполнительного механизма по каждой координате, многоканальный блок 7 управления приводами, блок 8 приводов, ис- 35 полнительный механизм 9 с рабочим органом, датчики 10 обратной связи.

Каждый канал управления содержит блок 11 задания координат, блок 12 ввода коррекции, блок 13 сравнения, 40 блок 14 переключения знака, масштабный блок 15 и регулятор 16 величины коррекции.

Блок 11 задания координат содержит первый масштабный усилитель 17, ин- 45 тегратор 18 и ограничитель 19 верхнего уровня.

Блок 12 ввода коррекции содержит сумматор 20 и блок 21 сглаживания сигнала. Блок 14 переключения знака 50 содержит инвертор 22 и переключающий элемент 23. Регулятор 16 величины коррекции содержит релейный элемент

24, блок 25 выделения модуля и второй масштабный усилитель 26. Блок 21 сглаживания сигнала содержит блок 27 вычитания, блок 28 вычитания абсолютной величины, блок 29 умножения, интегратор 30, сумматор 31.

Устройство программного управления с коррекцией программы работает следующим образом.

Управление исполнительным механизмом 9 с рабочим органом осуществляется по трем каналам 2-4 управления Х, Y, Z (т.е, по трем координатам). Рассмотрим работу устройства на примере канала 4 по координате 2, так как построение всех каналов управления идентично, Рабочий орган исполнительного механизма 9 должен отработать по координате Z заданный программной сигнал

Z„ (t) и остановится в целевой точке (точке, в которой может находиться объект) с координатами (Х„д,У », Z „) в системе координат OXYZ жестко связанной с носителем исполнительного механизма 9, т.е. для данного канала управления отработать сигнал

Z>». B тех случаях, когда объект и носитель исполнительного механизма 9 являются подвижными и совершают в общем случае случайные колебания по каждой из координат или по любой из них, например по Z то перемещение рабочего органа по траектории Z „ (.) не приводит к цели, т.е. отработанная рабочим органом координата Е » не соответствует координате Z целевой точки. Носитель, на котором установлен исполнительный механизм 9, и объект, координаты которого должен обработать рабочий орган, как правило, совершают колебания под действием приложенных к ним возмущений. Таким образом, программная траектория

Z „p(t) изменения координаты Z выбирается для случая, когда возмущения отсутствуют, т.е. когда носитель и объект неподвижны относительно друг друга. При действии возмущений, когда носитель и объект совершают случайные колебания по всем координатам, а для рассматриваемого канала 4 управления по координате Z, устройство осуществляет коррекцию программы движения

Z „>(t) в подвижной системе координат

0X Z связанной с носителем, обеспечивая компенсацию возмущений, приложенных к носителю и объекту, а соответственно, и сближение рабочего органа с объектом в условиях возмущений по программе Z „<(t), следовательно, и отработку координаты целевой точки Е » . Таким образом исполнительный механизм 9 непрерывно

1352457 изменяет свое состояние с учетом коррекции по координате Z, вводимой для компенсации колебаний носителя и объекта (или целевой точки), обеспечивая сближение рабочего органа с объектом в соответствии с программой Z„ (t), т.е. аналогичное сближению прй неподвижных относительно друг друга носителе и объекте.

Вместе с тем исполнительному механизму 9 нет необходимости полнос10 тью отрабатывать скорректированную траекторию Е (t) а достаточно отрабатывать сглаженную скорректированную траекторию с минимальной дисперсией Е „(), если рабочий орган находится по координате Z на расстоянии, большем расстояния, чем величина / h7/ до целевой точки Z О, т,е. до объекта. В том случае, когда ра!

20 бочий орган преодолел расстояние jh,(, устройство автоматически уменьшает степень сглаживания сигнала Z„ (t), соответствующего скорректированной координате Z (t), уменьшая его сте25 пень сглаживания, т. е. увеличивая его носителю исполнительного механизма 9.

При этом первый масштабный усилитель

17 формирует сигнал Vz = / К ° Uon / пропорциональный величине составляющей скорости перемещения рабочего органа исполнительного механизма 9

55 по данной координате, rue К 7 — коэффициент усиления масштабного усилитедисперсию и приближая его к скоррекI тированному сигналу Z (t), обеспечивающему полную компенсацию колебаний 30 носителя и объекта. Сигнал U с выхода источника 1 опорного сигнала поступает на третий вход канала Z управления и, следовательно, на входы блоков 11 и 15, Блок 15 формирует сигнал /и / К 7 П > пропорциональ ный модулю расстояния по координате

Z между рабочим органом исполнительного механизма 9 и объектом, при,qocтижении которого изменяется величина 40. коррекции ; (= 1,2), изменяющая степень сглаживания сигнала Е „ управления по данной координате на выходе канала 4, где K1> — коэффициент усиления блока 15. Требуемая величи- 45 на К, устанавливается предварительно. Блок 11 формирует сигнал /Z„ /, пропорциональный модулю составляющей перемещения исполнительного механизма 9 по данной координате без учета возмущений, приложенных к объекту и ля 17. Требуемая величина коэффици- ента К, устанавливается предварительно. Сигнал Ч поступает на вход интегратора 18, на выходе которого формируется сигнал Sz(t) = ) V dt, пропорциональный текущему значению составляющей перемещения рабочего органа по данной координате. Затем сигнал,S (t) подается на вход ограничителя 19 верхнего уровня, который ограничивает предельную величину сигнала /Z„ 11 до заданного уровня Z, соответствующего модулю координаты неподвижного объекта (в исходном состоянии) в системе координат OXYZ, который жестко связан с неподвижным относительно объекта носителем. Таким образом, на выходе блока 11 формируется сигнал

S7(t) при S(t) IZ»>/;

/Z, (t)i

/ Z 0t> / nPH S7 (t) - /Z»д / °

Статическая характеристика ограничителя 19 верхнего уровня приведена на фиг.3. Необходимая величина верхнего уровня Z ä (устанавливаетI ся предваpHTt.ëüêo.

Сигналы (Z,, / и fh / с выходов блоков 11 и 15 соответственно подаются на входы блока 13 сравнения, на выходе которого формируется сигнал Е = /Z. / — /Ь7(, который подается на вход регулятора 16 величины коррекции. Кроме того, сигнал /Z„ / подается на вход блока 14 переключения, на выходе которого получается сигнал Е, со знаком "+" или "-", в зависимости от положения переключающего элемента

23. Знак сигнала Z + /Еп j соответствует знаку координаты целевой точки (в которой находится объект) в системе координат, жестко связанной с носителем. Для рассматриваемого (фиг.5) примера переключающий элемент

23 устанавливается в положение "Минус", соединяя выход инвертора 22 с. выходом блока 14. С выхода блока 14 переключения знака сигнал Z,„

Ч»

= -/Z

Сигнал h Z с выхода блока 13 сравнения поступает на вход регулятора 1б величины коррекции и соответственно на вход релейного элемента 24. Релейный элемент 24 имеег статистическую характеристику типа "сухое трение"

13524 (фиг.4) . В зависимости от того, с каким знаком (— или "+ ) поступает на вход релейно|о элемента 24 сигнал

b7. на выходе формируется сигнал с соответствующим знаком и амплитудои: (IZ60; а7)0.

U(, если

-U если

2 >

Сигнал с выхода релейного элемента

24 подается на вход блока 25 выделения модуля, на выходе которого формируется сигнал / U /, который пода-ется на вход второго масштабного уси- "5 лителя 26, на выходе которого формиРуетсЯ cnrIIa I5 Къ2 /Uz/ щий на степень сглаживания сигнала управления по данной координате, где

К вЂ” коэффициент усиления второго 20 масштабного усилителя 26. Величины уровней U и -U на выходе релейного элемента 24 и величина К устанавливаются предварительно.

С выхода регулятора 16 величины коррекции сигнал подается на тре0 тий вход блока 12 ввода коррекции.

При этом если 5 Z (О, то .), =К, /U,/ и обеспечивается сглаживание с миним альной дисперсией, а если AZ > О, то = К /-П„/ и степень сглаживах ния уменьшается „увеличивая гри этом дисперсию. Блок 12 ввода коррекции предназначен для формирования скорректированного сигнала 7 управления по заданной координате с учетом программно заданной текущей координаты Z» (t), составляющих колебаний объекта Z, и носителя 7„, а также с учетом текущего значения сигна- д0 ла „

Сигнал 7. и 7.„с датчиков 5 и 6, пропорциональные составляющим колебаний объекта и носителя исполнительного механизма 9 по координате Х соответственно подаются на первый и второй входы блока 12 ввода коррекции.

Таким образом, на прямые входы сумматора 20 подаются сигналы Z u

Z,, а на инвертирующий вход — сигнал

Z . На выходе сумматора 20 формирун

I ется скорректированный сигнал Z (t) =

Z„ + Z — Z,, соответствующий желаемому изменению координаты рабочего органа исполнительного механизма 9, обеспечивающему полную компенсацию колебаний объекта и носителя исполнительного механизма 9 при одновре >7 6 менном сближении рабочего органа с объектом.

Г>лок 21 сглаживания сигнала предназначен для сглаживания сигнала

Z (t)

Исходя из соображений получения наиболее экономичной траектории движения рабочего органа, нецелесообразно на всей траектории движения полностью компенсировать колебания объекта и носителя. Поэтому при перемещении исполнительного механизма 9 до некоторого, заранее определенного расстояния

/7.../ — /1./ между объектом и рабочим органом, обеспечивающего безаварийную работу исполнительного механизма 9, имеет место более высокая степень сглаживаI ния сигнала Z . При достижении этого расстояния изменяется сигнал ",, становится равным ) и соответственно уменьшается степень сглажива-! ния сигнала Z, т.е. происходит более полная компенсация колебаний объекта и носителя.

На блок 21 сглаживания сигнала (сигнальный вход), т.е. на вход сумматора 27, подается сигнал Z (t), на ! управляющий вход блока 21, т.е. на вход блока 29 умножения, подается сигнал У;z который перемножается с сигналами, поданными на остальные вхбды блока умножения, а на выходе блока 21 формируется сигнал Z I,(t) соответствующий сглаженному блоком 21 сигналу 2, (t).

Формируемые таким образом в каждом канале управления скорректированные сигналы х„= (Ä (x, (с), х,(с), х„(с),(;Д;

К„= f, (Y„, (t), Y,(t), Y,(t), У; ); подаются на входы блока 7, который преобразует командные сигналы (Х „, Y., Z c ), соответствующие текущей

k точке траектории движения рабочего органа, а управляющие сигналы ()(., —, для соответствующих приводов каждой степени подвижности исполнительного механизма 9. Таким образом„ управляющие сигналы (>., — Ы„ (где п — число приводов, соответствующее числу сте1352457 пеней подвижности исполнительного механизма 9) поступают на входы блока 8 прив. дов» который, отрабатывая их, перемещает звенья исполнительного 5 механизма 9, обеспечивая движение рабочего органа по траектории К,„(e)=

CXc (t) Y,„(С), 2,„()) .

Датчики 10 предназначены для формирования сигнала обратной связи сле-10 дящих приводов всех степеней подвижности исполнительного механизма 9.

Схема конкретного блока 7 зависит от вида исполнительного механизма, числа степеней подвижности и типа 15 привода. Так» если исполнительный механизм обладает тремя степенями подвижности и работает в прямоугольной системе координат, то каждый канал блока 7 и соответствующий канал 2р блока 8 приводов представляет собой обычный следящий привод, выходной сигнал которого (перемещение по соответствующей координате рабочего органа исполнительного механизма 9) 25 должен воспроизводить входной сигнал, поступающий с выхода соответствующего канала управления 2-4 устройства.

Если же в качестве исполнительного механизма 9 выбран манипулятор, ра- 3р ботающий в цилиндрической, сферической или комбинированной системе координат, то построение блоков 7, 8 и датчика 10 и их взаимосвязь с исполнительным механизмом 9 может быть

35 осуществлена по аналогии с известив<м устройством. При этом тип рабочего органа зависит от назначения устройства. В общем случае это должен быть либо захват, либо рабочий инструмент, „ управляющая команда на который поступает в момент, когда рабочий орган будет перемещен в целевую точку с кодинатами (Xçàä» Y <»ä» Zúoä )» т рабочий орган должей при этом либо захватить объект, либо осуществить над HHM определенную технологическую операцию.

В качестве примера исполнительного механизма возьмем манипулятор

50 (спуско-подъемное устройство манипуляционного типа), установленный на подвижном носителе, например на судне.

Объектом может быть любой предмет, находящийся на поверхности воды или на палубе другого судна. Устройство управления обеспечивает сближение рабочего органа (например, схвата) исполнительного механизма 9 с объектом при решении задачи захвата объекта в условиях морского волнения различной балльности. При этом случайные колебания объекта и колебания носителя (судна) с установленным на нем манипулятором в условиях развивающегося и затухающего волнения носят нестационарный характер, Благодаря непрерывному введению коррекции программы, т.е. формированию сигнала управления по соответствующей координате, компенсирующего влияние составляющих перемещения объекта и носителя по данной координате, рабочий орган исполнительного механизма

9 будет осуществлять сближение с объектом захватывания с теми же параметрами, т.е. так же, как и при отсутствии волнения. Для рассматриваемого примера предварительной установкой коэффициентов К „ »К, и К определяется величина скорости изменения каждой программной координаты:

1 у, I x Uoo )» ) (Ке По«

v2 1К22 Поп< ° !

Предварительная установка коэффициентов К„, К <,<» К< влияет на выбор параметров:

I

Jhxl = <х U „; (hI1 = < Uî«» о

2 (2 <><< где U „>0, которые выбираются исходя из соображений исключения ситуации случайного столкновения рабочего органа с объектом при высокой степени сглажис вания скорректированных сигналов, т.е. при

fix 3

Предварительная установка коэффициентов К „» Кз и Ê влияет на величину параметров г (i = 1,2;

j = Х, Y, Z), так как

У;;= К„ /U;(, влияющих на степень сглаживания. Если, например, стоит задача захватить объект, находящийся на поверхности моря, то элемент 23 канала управления

9 13524 по координате Z необходимо перевести в положение "Минус .

На фиг.5 показаны различные положения носителя, объекта и исполни5 тельного механизма 9 для иллюстрации работы устройства при формировании сигнала Z, (t). На фиг.5 пунктиром показаны положения объекта, носителя и исполнительного механизма в исходном состоянии, т.е. при отсутствии волнения, а сплошной линией — их состояния в один из моментов времени, когда имеет место и вертикальная качка судна, и вертикальные колебания объекта, причем исполнительный механизм 9 показан в двух положениях: 1 — при отключенном устройстве программного управления; 2 — при коррекции программной координаты Z„ с учетом сигналов Z и Z поступающих с соответствующих датчиков 5 и 6.

На фиг.б приведены кривые изменения сигналов Z Äp(t), Z (t) и Z „ (t), иллюстрирующие работу устройства про- 25 граммного управления с коррекцией программы и блока сглаживания сигнала 21, где обозначены: Zп (t) — программная траектория изменения координаты Z; Z (t) — кривая колебаний объекта," 7.„(t) — кривая колебаний носителя исполнительного механизма 9;

Z (t) — скорректированная координата, I обеспечивающая пс1лную компенсацию колебанж1 ОбъеР;-а и носителя у 7.с„(t) с|лаженная скорректированная координата (сигнал на выходе блока 21); с времяo

Переключающий элемент 23 может 4д быть выполнен в виде двухпозиционного переключателя. В первой позиции (положение "Минус") выход блока 14 подключается и выходу инвертора 22, а во второй позиции (положение 45

"Плюс" ) выход блока 14 подключается к вхоцу инвертора 22.

Таким образом, введение в устройство датчиков перемещения объекта и перемещения носителя исполнительного механизма, а также предложенная структура блоков и каждом канале и структура самого канала управления обеспечивают функционирование устройства при относительных перемещениях объек- 5та и носителя исполнительного мехавизма по всем трем координатам и позволяет вносить коррекцию програм-мы с учетом этих перемещений.

l0

57 формула изобретения

1. Устройство программного управления с коррекцией программы, содержащее источник опорного сигнала, два канала управления по координатам, каждый из которых содержит блок задания координаты, блок ввода коррекции, блок сравнения, блок переключения знака, масштабный блок, регулятор величины коррекции, рабочий орган, связанный с исполнительным механизмом, а также многоканальный блок управления приводами, первый и второй входы которого подключены к выходам соответствующих каналов управления па координатам, а выходы многоканального блока управления приводами подключены к соответствующим входам блока приводов, выходы которого связаны с соответствующими звеньями исполнительного механизма, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем управления по трем координатам при относительных перемещениях объекта управления и носителя исполнительного механизма и коррекции программы с учетом этих перемещений, блок ввода коррекции содержит блок сглаживания сигнала и сумматор, первый прямой вход и инвертируемый вход которого являются первым и вторым входами блока ввода коррек-. ции, третьим и четвертым входами которого являются управляющий вход блока сглаживания сигнала и второй прямой вход сумматора соответственно, сигнальный вход блока сглаживания сигнала соединен с выходом сумматора, а выход является выходом блока ввода коррекции, а также в устройство введен третий канал управления по координате, датчики перемещения объекта и датчики перемещения носителя исполнительного механизма па каждой координате, выходы которых подключены к первому и второму входам соответствующего канала управления, причем выход источника опорного сигнала подключен к третьим входам каналов управления, первый и второй входы каждого из которых связаны соответственно с первым и вторым входами блока ввода коррекции, а третий вход канала управления - с входами блока задания координат и масштабного блока, выходы которых подключены к!

1З соответствующим входам блока сравнения, выход блока сравнения через регулятор величи»»ы коррекции подключен к третьему входу блока ввода коррекции, четвертый вход которого через блок переключения знака соединен с выходом блока задания координат, каждое звено исполнительного механизма через датчик обратной связи подключено к соответствующему входу обратной связи многоканального.блака управления приводами, вь»хад каждого блока ввода коррекции является выходом соответствующего канала управления, а выход третьего канала управления па координате подключен к третьему входу многоканального блока управления приводами.

2. Устройство па п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что каждый блок задания координат содержит последовательно соединенные первый масщтабный усилитель, интегратор и ограничитель

26 7 верхнего уровня, вход масштабНога усилителя является вхачам блока, а выход ограничителя верхнего уровня является выходам блока.

3. Устройство по п.1, а т л и ч аю щ е е с я тем, чта регулятор величинь» коррекции содержит последовательно соедине»»ные реле»»ньп» элемент, блок выделения модуля и второй масштабный усилитель, выход катарогс является выходом регулятора величины коррекции, входом которого является вход релейного элемента. !

4. Устройства по п.1, о т л и— ч а к щ е е с я тем, чта каждьп» блок переключения знака содержит инвертар и переключающий элемент, входы которого подключены соответственно к входу и выходу инвертара, выход переключающего элемента является выходом блока переключения знака, вход которого подключен к входу инвертора.

1352457

1352457

Составитель А. Исправникова

Техред A. Кравчук

Корректор В.Гирняк

Редактор М.Циткина

Тираж 863

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 5565/4/

Подписное

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