Устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости

 

Изобретение относится к демпфированию колебаний упругих элементов конструкции объектов и может быть преимущественно использовано при проектировании и создании перспективных систем управления объектами нежесткой конструкции. Целью изобретения является повышение быстродействия устройства. С этой целью устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости по авт. св.N1129585 дополнительно снабжено блоком оценки частоты колебаний, генератором тактовых импульсов, двумя квадраторами, двумя блоками деления и тремя функциональными преобразователями. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1500990

А2 (51) 4 С 05 В 11/О1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,.7, 1иу ) epflkl ;л(.,9 ; А

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (57) Изобретение относится к демпфированию колебаний упругих элементов конструкции объектов и может быть использовано преимущественно при проектировании и создании перспективных систем управления объектами нежесткой конструкции. Цепью изобретения является повышение быстродействия устройства. С этой целью устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости по авт.св. h"- 1129585 дополнительно снабжено блоком оценки частоты колебаний, генератором тактовых импульсон,двумя квадраторамь, двумя блоками деления и тремя функциональными преобразователями, 4 з.п. A-лы, 4 ил. отклонения, дифференцнрующий блок 3, инвертор 4, первый 5 и второй 6 делители напряжения, сумматор 7,первый

8 и второй 9 релейные элементы,элемент И 10, элемент ИЛИ-HF. 11, элемент ИЛИ 12, ис.юлнительный орган 13, блок 14 оценки частоты колебаний, генератор 15 тактовых импульсов, квадратор 16, первый блок 17 деления, второй квадратор 18, функциональный преобразователь 19 зависимос.— ти оптимального угла поворота от частоты, синусный 20 и косинусный

21 функциональные преобразователи и второй блок 22 делсния.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (61 ) 1129585 (21) 4349466/24-24 (22) 17.!1.87 (46) 15.08.89.Бюл. Р 30 (72) Ю.С.Мануйлов, С.В.Шалымов и P.Е.Филимонов (53) 62-50 (088.8) (56) Мануйлов Ю.С. Синтез оптимального управления жесткостно упругих динамических объектов. — Приборостроение. 1986, т.ХХТХ, Р 11,с.27-31.

Авторское свидетельство СССР

В 1129585, кл. С 05 В 11/01, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСПОКОЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ПЕРЕМЕННОЙ

ЖЕСТКОСТИ

Изобретение относится к области демпфирования колебаний упругих элементов конструкции объектов, может быть использовано преимущественно при проектировании и создании перспективных систем управления объектами нежесткой конструкции и является усовершенствованием изобретения по авт.св. 11 1129585.

Целью изобретения является повышение быстродействия устройства.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2— схема блока формирования оценки, на фиг. 3 — схема блока осреднекия; на фиг. 4 " характеристика нелинейного элемента, Система содержит объект 1 управления (упругий элемент), датчик 2

Блок 14 оценки частоты колебаний содержит блок 23 формирования оценки и блок 24 осреднения.

1500990

Блок 23 формирования оценки (фиг.2) содержит первый, второй,третий, четвертый и пятый ключи 25—

29, первый, второй, третий и четвертый запоминающие элементы 30 — 33, первый, второй, третий и четвертый кнадраторы 34 — 37, первый 38 и второй 39 сумматоры, первый целитель

40, формирователь 41 модуля,нелинейный элемент 42, днухразрядный сдниговый регистр 43.

Блок 24 осреднения (фиг.3) содержит первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ключи 44 — 49, первый, второй, третий и четвертый сумматоры 50 — 53, первый, второй, третий и четвертый запоминающие элементы 54 — 57, первый 58 и второй 59 делители, элемент 60 задержки,инвертор 61, триггер 62, первый 63 и второй 64 счетчики, элемент И 65.

Физическая сущность работы предлагаемого устройства заключается в следующем.

Оптимальное управление П,успокаиМ вающее объект за минимально короткое время, имеет следующую структуру:

11макс з1 " г з1@ » ц./ А

12

I де U» z (макс » Пмнн " мин J

И „„ и сд„цц, — соответственно максимальная и минимальная частоты из возможного диапазона частот колебаний упругого элемента, которые соответствуют максимальной и минимальной жесткости объекта управления; обобщенная координата отклонения упругого элемента от положения равновесия; g — вторая сопряженная переменная, Известно также, что

ы q cos ч/"авакс ю (2) где угол Ц характеризует взаимное расположение осей систем координат (q 9.Импекс) и (4Р, )

Для характеристики диапазона возможных частот упругого элемента,ко-торый может быть получен за счет из.менения его жесткости, введен параметр ЗРИ, определяемый как отношение квадратов минимальной и максимальной частот этого диапазона.. Эксперименты показали, что каждому зна-, чению. @ соответствует свое значе ние Ч О Р, при котором управление

55 (1), (2) обеспечивает оптимальное быстродействие. .Зависимость ч от ф представо

1 И лена на фиг.4.Процесс успокоения упругого элемента посредством изменения жесткости при некотором 88 может быть и представлен как колебательный с частотой +V е(4)мин, Мм,„„,)и некоторым эффективным коэффициентом демпфировао

Функциональная зависимость 1 (q

Я. Э

q) (с постоянными коэффициентами передачи), используемая при построении системы по известному техническому решению, обеспечивает оптимальное функционирование лишь для <„ = 0,063, что соответствует у „„,= 4У .Одмин како (предварительно точно определить параметр д „ для конкретного упpyroro элемента невозможно. Ошибка в определении И„с„,(Ы„щ„ ) может достига ь в некоторых случаях 100K и более. Это может привести к существенному ухудшению быстродействия устройства. Чтобы избежать таких нежелательных последствий, предлагается в процессе функционирования реального упругого элемента на основе информации о его движении осуществлять корректирование параметра Юн, а затем корректировать коэффициенты передачи в цепи контура управления на каждом интервале управления, Для корректирования параметра Ю необходиМ мо оценивать действительные значения

Ямс и (a)мин максимальной и MHHH (< I (<) мальной частот колебаний упругого элемента на i+1-м интервале управления. Сделать это можно следующим образом. . Пусть упругий элемент свободно колеблется с некоторой частотой <„1, Его фазоная траектория на фазоной плоскости (q, q/ó) будет представлять окружность с центром в начале коо— динат и радиусом H = q + q X/у, о о где (ц, о /у) — начальные фазоные в р координаты. Пусть известны два последовательных измерения фазовых координат объекта (q;, q / ) и (q ., q . ./у). Из услонйя npu +< 1 1 надлежности этих точек фазовой траектории .нетрудно получить (3) 1 500990

Формула (3) по.-.воляет оценивать как д, так и (,)(. на i+1=M (1) (1)

1+ ма»Г 1+(М((Н интервале управления по последовательным измерениям обобщенных координат и скорости объекта.

Поскольку полученные значения (д ((,)() ) и значения пре""МаКС +(ф1ИН дыдущих оценок равноправны, то в качестве величин Ю.макс (()к мир() р используемых в дальнейшем для формирования коэффициентов передачи на

k-м интервале управления, целесообразно принимать среднее значение полученных ранее оценок:

К-1 () = — — — — > " ма кс (4)

»макс k-1 либо и 1

I (11 (ф) = — —: CO (5) "мф(н 1(-1;. (e(1(1

Для каждого интервала управления .имеет силу лишь одно уравнение - (4) или (5), позволяющее корректировать ишь один параметр, в то время как второй считается константой. Поэтому параметр « Вя» на k-м интервале управле(Гия формируется из соотношения

2, (()мин)

Ю = — — - — либо ик - ((а

»А(а»с (6) (1)Зма» („= сов(9,„,,(К„„) »ма((с

Устройство работает следующим образом.

Пусть предварительная оценка диапазона частот возможных колебаний . o упругого элемента определяет (о ((„ и(ас которые в исходном состоямокс р нии записаны в запоминающие элементы 54 и 56 соответственно блока 24 осреднения.

»мин »ма»с (где (д и ((1 — текущие скоррек()1„айте (м((н const„

По полученному значению @„„ для

k-го интервала управления из зависимости (Р„, (3e ) (см.фиг,4) определяется ч 1ерекя1, ие которого фермеру"

Ч орр ются скорректированные коэффициенты передачи ф»(и 1 (" первого и второго делителей напряжения соответственно в полном соответствии с (2):

После воздействия внешнего возму. щающего момента упругий элемент начинает колебаться с максимальной

5 т час отой () (") поскольку в сосМо»с тоянии покоя жесткость упругого элемента максимальна (из условия снижения амплитуды колебаний, нозникающих от действия внешнего возмущаюше10 го импульса). датчик 2 отклонений начинает выдавать текущее значение величины обобщенной координаты отклонения упругого элемента 9, которое поступает на входы дифференцируюшего блока 3, первого делителя 5 напряжения и блока 23 формирования оценки. Текущее значение скорости обобщенной координаты отклонения упругого элемента q выдается с выхода дифференцирующего блока 3 на второй вход блока 23 формирования оценки, а также через инвертор 4 поступает .на вход второго делителя 6 напряжео ния. На основе информации (,)„„„ и

25 о (ä „ формируются коэффициенты пере1 дачи первого и второго делителей напряжения и управляющий сигнал 11 по логике (1).

Поскольку, ) и ф („) (1 (d „„г () „, необходимо оценивать действительные максимальную и минимальную частоты .колебаний упругого элемента. Такая оценка проводится для каждого интервала управления в блоке 23 формирования оценки согласно (3). Период следования импульсов с генератора 15 подбирается таким, чтобы он был равен времени прохождения сигнала через ключ и записи в запоминающий элемент, а ключ 29 открыт непрерывно на все время функционирования блока 23, начиная с второго тактового импульса. Благодаря этому оценка частоты осуществляется по каждому так-овому импульсу,начиная с второго, и исключается возможность ложного скачка сигнала на перsoM входе блока 23 после первого так тового импульса.

Сигнал с первого выхода блока 23 оценки поступает на первый вход блока 24 осреднения и информационные входы ключей 44 и 45. Управляющий сигнал U сформированный на основе

$5 ар исходного значения д. „=. (()„,„ (.)„,®„с), поступает на второй вход блока 24 осреднения (фиг.3). и через элемент

60 задержки, необходимый для компен1500990 санни временного рассогласования между моментами формирования управляющего сигнала и отработки его объектом управления, на управляющие входы ключей 44 - 47. В соответствии с логикой управления открывается только два ключа. Например, если

О, .то открываются ключи 45 и

47 и сигнал с первого входа блока

24 будет использоватт ся для коррекции сГ,,к ф если Пр = 1у то открыва ются ключи 46 и 44, осуществляется коррекция у„, „ . Имеем, таким образом, два совершенно одинаковых канала.

Рассмотрим функционирование одного из них, например для коррекции мои 20

Итак, управляющий сигнал открывает ключи 44 и 46. Начиная с второго такта сигнал с первого входа блока

23 складывается в сумматоре 50 с сигналом, записанным в запоминающем эле- 25 менте 54, и эта сумма, через элемент

54 поступает на вход делителя 58.

Синхронно с поступлением информации на первый вход блока 24 с второго такта элемент И 65 открывается для тактовых импульсов, которые проходят через ключ 46, накапливаются в счетчике 64, имеющем единичное начальное состояние, и поступают на второй вход делителя 58, на выходе которого по каждому тактовому импульсу формирует35 ся сигнал согласно (4}.. Этот сигнал записывается в запоминающем элементе

55 и образует первый выход блока 24, одновременно поступая на информацион- 40 ный вход ключа 49. Поскольку U

1 то на первом выходе триггера 62 устанавливается логическая единица, а на r.тором — логический нуль; благодаря этому счетчик 63 находится 45 в единичном состоянии, ключ 49 закрыт, а ключ 48 открыт. Значит, пока управляющий сигнал не изменится,на первом выходе блока 24 будем иметь у а на втором (д к = collstоо ."мии макс 50

Гсли управляющий сигнал изменяет знак, то триггер 62 перебрасывается в противоположное состояние, счетчик

64 устанавливается в единичное состояние, ключ 49 открывается, сигнал последнего приближения сд через

55 кмин сумматор 52 записывается в запоминающем элементе 54, ключи 44, 46, 48 закрываются, ключи 45, 47 открываются, Аналогично предыдущему случаю начинают функционировать канал коррекции >« . Следовательно, пока управляющий сигнал не изменит знак, на первом выходе блока 24 будем иметь у„ „= const, а на второму . В дальнейшем осушествляет + макс ся поочередная коррекция граничных частот диапазона возможных колебаний упругого элемента в соответствии с логикой управления.

Сформированные по каждому тактовому импульсу выходные сигналы блока

24 с помощью квадраторов 16 и 18 и блока 17 деления преобразуются в который в, функциональном

И1.Л преобразователе 19, имеющем характеристику изображенную на фиг.4,формируется в Ц" (;р . ). Этот сигнал

М И +Ф с помощью функциональных преобразователей 20, 21 и блока 22 деления преобразуется в сигналы, пропорциональные коэффициентам передачи

) 1"1 и .". согласно (7), которые

° + 1 1+ t поступают на вторые входы соответствующих делителей.

Формула изобретения

1. Устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости по авт.св, N- 1129585, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, введены блок оценки частоты колебаний, генератор тактовых импульсов, два квадратора,последовательно соединенные первый блок деления, функциональный преобразователь зависимости оптимального угла поворота от частоты и синусный функциональный преобразователь, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь и второй блок деления, второй вход которого подключен к входу второго квадратора и второму выходу блока оценки частоты колебаний, первый выход которого соединен через первый квадратор с первым входом первого блока деления, второй вход которого подключен к выходу второго квадратора,выход функционального преобразователя зависимости оптимального угла поворота от частоты соединен с входом косинусного функционального преобразо" вателя, выход второго блока деления

10 первого и второго ключей, второй вход — с входом элемента задержки, третий вход — с первым входом элемента И, четвертый вход — с первым входом третьего сумматора, пятый вход—

5 с первым входом четве того сумматора, шестой вход — с вторым входом элемента И, выход которого подключен к информационным входам третьего и четвертого кчючей, выходы которых соединен с управляющим входом второго делителя напряжения, управляющий вход первого делителя напряжения соединен с выходом синусного функционального преобразователя, выходы датчика отклонения, дифференцирующего блока, элемента ИЛИ и генератора тактовых импульсов соединены соответственно с первым, вторым, третьим н 0 четвертым входами блока оценки частоты колебаний, пятый и шестой входы которого соединены с первым и вторым входами задания параметров устройства, а управляющий вход генератора 15 тактовых импульсов соединен с входом "Чуск" устройства.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок оценки частоты колебаний состоит из бло- 20 ка формирования оценки и блока осреднения, причем первый выход блока формирования оценки соединен с первым входом блока осреднения, второй вход которого соединен с третьим входом 25 блока оценки частоты колебаний,первый и второй входы которого подключены к первому и второму входам блока формирования оценки, третий вход которого соединен с третьим входом 30 блока осреднения и четвертым входом блока оценки частоты колебаний, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с четвертым и пятым входами блока осреднения,шестой вход которого подключен к второму выходу блока формирования оценки,первый и второй выходы блока оценки частоты колебаний соединены соответственно с первым и вторым выходами бло- 4Q ка осреднения, 3. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок формирования оценки содержит последовательно соединенные первый ключ, первый 45 запоминающий элемент, второй ключ, второй запоминающий элемент,кнадратор, первый сумматор, делитель,формирователь модуля, нелинейный элемент и пятый ключ, последовательно соединенные третий ключ, третий запоминающий элемент, четвертый ключ, четвертый запоминающий элемент,третий квадратор н второй сумматор, двухразрядный сдвигающий регистр,второи и четвертый квадраторы,выход первого запоминающего элемента через второи квадратор подключен к второму входу первого сумматора, выход третьего запоминающего элемента подклкче;s через четвертый квлдратор к втор му входу второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом делителя, первый вход блока формирования оценки соединен с входом первого ключа, второй вход — с входом третьего ключа, третий вход — с управляющими нходамн с первого по четвертый ключей и информационными входами двухразрядного сднигающего регистра, первый вь.ход блока формирования оценки соединен с ныходом пятого ключа, управляющий вход которого подключен к выходу двухразрядного сдвигающего регистра и нторому выходу блока формирования оценки., 4. Устройство по п.2, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок осреднения содержит последовательно соединенные первый ключ, первый сумматор, первый запоминающий эгемент и первый делитель, с второго по шестой ключи, второй, третий и четвертый сумматоры, нторой, третий и четвертый запоминающий элементы, перный и второй счетчики, инвертор, триггер, элемент И, элемент задержки и второй делитель, выход которого подключен через четвертый запоминающий элемент к информационному входу пятого ключа и второму выходу блока осреднения, I выход второго ключа через последовательно соединенные второй сумматор, третий запоминающий элемент и второй делитель подключен к входу четвертого запоминающего элемента, выход третьего запоминающего элемента соединен с вторым вх 1 второго сумматора, выход первого запоминающего элемента — с вторым входом первого сумматора, выход первого делителя через второй запоминающий элемент подключен к информационному входу шестого ключа и первому выходу блока осреднения, первый вход .которого соединен с информационными входами

11 )500990

10 подключены соответственно к входам второго и первого счетчиков, управляющие входы которых соединены соответственно с прямым и инвертирующими выходами триггера, выход элемента задержки подключен к управляющим входам с первого по четвертый ключей, прямому входу триггера и через инвертор — к сбросовому входу триггера, прямой выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа, инвертирующий выход триггера соединен с управляющим входом шестого ключа, выход, которого подключен к второму входу третьего сумматора,выход которого соединен с управляющим входом первого запоминающего элемента, выход. пятого ключа соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к управляющему входу третьего запоминающего элемента, 1500990.1500990

28

24 и

f2

Ф

О 01 02 05 0,9 05 0,6 07 08 09 10 _#_g

Фиг.Ф

Составитель Г.Нефедова

Техред М. Ходанич.

Редактор А.Маковская

Корректор Н.Король

Заказ 4865/42 Тирак 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Узгород, ул. Гагарина, 101