Самонастраивающаяся система с переменной структурой

 

Изобретение относится к системам автоматического управления, а именно к системам с переменной структурой, и предназначено для управления электроприводами с переменными нагрузочными характеристиками. Изобретение позволяет повысить точность и качество процессов управления, а также упростить техническую реализацию самонастраивающейся системы с переменной структурой. Система содержит измеритель рассогласования 1, блоки умножения 2, 5, сумматоры 3, 9, 13, 25, релейные элементы 4, 22, 23, усилитель 6, электродвигатель 7, датчик тока 8, датчик скорости 17, датчик ускорения 16, выпрямители 10, 21, 20, элемент слежения - хранения 12, источник постоянного напряжения 14, редуктор 15, датчик положения 19, объект управления 18. Система позволяет сохранить монотонность переходного процесса, устранить срыв скользящего режима работы. 1 ил.

Изобретение относится к системам автоматического управления, а именно к системам управления с переменной структурой и предназначено для управления электроприводами устройств позиционирования и манипуляторов. Целью изобретения является повышение точности системы. На чертеже показана структурная схема предлагаемой системы и приняты следующие обозначения: α_вх сигнал входного воздействия; U^*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателя; α_н угол поворота выходного вала редуктора; ¹α, "α соответственно скорость и ускорение вращения вала двигателя; i выходной сигнал датчика тока. Самонастраивающаяся система с переменной структурой содержит измеритель рассогласования 1, первый блок умножения 2, первый сумматор 3, первый релейный элемент 4, второй блок умножения 5, первый усилитель 6, электродвигатель 7, датчик тока 8, второй сумматор 9, первый выпрямитель 10, блок деления 11, элемент слежения хранения (выборки хранения) 12, третий сумматор 13, источник постоянного напряжения 14, редуктор 15, датчики ускорения 16 и скорости 17, объект управления 18, датчик положения 19, второй выпрямитель 20, третий выпрямитель 21, второй релейный элемент 22, третий релейный элемент 23, четвертый выпрямитель 24 и четвертый сумматор 25. Система с переменной структурой работает следующим образом. В исходном состоянии на выходах датчиков скорости 17, ускорения 16 вращения и тока 8 электродвигателя 7 сигналы равны нулю. На выходе датчика положения 19 сигнал соответствует фактическому угловому положению выходного вала редуктора 15. При включении системы и подаче на ее вход задающего сигнала a_вх на выходе измерителя рассогласования 1 выявляется сигнал ошибки ε. На выходе второго блока умножения 5 формируется сигнал (ε) Sign S) и подается на вход усилителя мощности 6, имеющего коэффициент передачи K_y. В результате на вход электродвигателя 7 с усилителя мощности 6 поступает сигнал (1) Выходной вал электродвигателя 7 начинает вращаться в направлении, соответствующем уменьшению сигнала рассогласования ε. После начала движения системы на входе электродвигателя 7 будет формироваться сигнал (2) за счет поступления дополнительного сигнала с выхода третьего релейного элемента 23. Движением электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением относительно угла поворота α выходного вала редуктора может быть достаточно точно описано следующим дифференциальным уравнением (без учета сил трения) (3) где T_э=L/R, T_м=RY/(K_мK_ω) соответственно электрическая и электромеханическая постоянные времени электродвигателя 7; R активное сопротивление якорной цепи; L индуктивность якорной цепи; K_ω коэффициент противоЭДС;
K_м-коэффициент крутящего момента;
Y-приведенный к валу электродвигателя момент инерции нагрузки. Полагается, что внешний момент нагрузки M_н, приложенный к валу электродвигателя 7, складывается из моментов сухого M_ст= и вязкого трения , т.е. M_н=M_ст+M_вт (4). Такой характер приложения внешних моментных нагрузок имеет место в довольно широком классе систем управления, например в следящих системах манипуляционных роботов, обеспечивающих поворот относительно вертикальной оси, в космических и статически разгруженных манипуляторах, работающих в диапазоне средних скоростей. После введения обозначений

уравнение (3) с учетом M_н (4) можно переписать в следующем виде:
(5),
где
для электродвигателя 7 постоянного тока справедливо соотношение (6). Из (6) следует, что
(7). Это соотношение используется для оценки текущего значения 1/Y. Оно формируется на выходе блока деления 11. При этом полагается, что первый положительный вход второго сумматора 9 имеет коэффициент усиления K_м, его второй отрицательный вход коэффициент усиления K_в, а на третий единичный отрицательный вход с третьего релейного элемента 23 поступает сигнал

Очевидно, что в этом случае на выходе второго сумматора 9 формируется сигнал K_мi-M_н. Для качественной работы блока деления 11 необходимо, чтобы и делимое, и делитель всегда имели бы один знак. Причем величина сигнала делителя не должна быть меньше некоторой малой величины Δ=const(Δ>0). Для выполнения указанного условия в схему введены первый 10 и третий 21 выпрямители. Причем выходной сигнал первого выпрямителя 10 имеет следующий вид:

При уменьшении величины ниже Δ второй релейный элемент 22 с характеристикой

переводит элемент слежения хранения (выборки хранения) 12 в режим хранения (запоминания). При этом на выходе этого элемента сохраняется то значение 1/Y, которое было определено в момент отключения релейного элемента 22. При увеличении вновь срабатывает релейный элемент 22, переводя элемент слежения хранения 12 в режим слежения. В результате на выходе элемента 12 опять будет воспроизводиться текущее значение 1/Y. Конечно, во время отключения схемы измерения может произойти некоторое изменение величины Y при изменении. Однако в данном случае рассматриваются такие системы, у которых величина Y или дискретно постоянна (изменяется только при переходе от одного рабочего режима к другому), или меняется медленно и за время отключения реле 22 изменяется весьма незначительно. К тому же при инерционная составляющая момента на работу привода практически не оказывает никакого действия и при терминальном управлении только при смене знака. Таким образом, предложенное устройство с заданной точностью всегда будет формировать 1/Y на выходе элемента слежения хранения 12. Полагается, что коэффициент усиления первого входа третьего сумматора 13 равен (K_вR+K_мK_ω)/L, а с выхода источника постоянного напряжения 14 на второй единичный вход третьего сумматора поступает сигнал, равный . Тогда на второй вход первого блока умножения 2 будет поступать сигнал, равный
. О выборе C₂ будет сказано выше. Полагается, что первый (положительный) вход первого сумматора 3 единичный, его второй (отрицательный) вход имеет коэффициент усиления 1/ip, а третий (отрицательный) коэффициент усиления C₂/ip (где ip-передаточное отношение редуктора 15). Таким образом, рассматривается терминальное управление приводом, т.е. . В результате на выходе первого сумматора 3 будет формироваться сигнал
(7). Уравнение S= 0 описывает гиперплоскость переключения, по которой и происходит перемещение изображающей точки в заданное положение. Параметры C₁ и C₂, обеспечивающие существование устойчивого скользящего режима работы формируются, исходя из следующих условий. Прежде всего решение уравнения S=0 должно быть устойчивым и монотонным
(8),
где λ₁ и λ₂ корни характеристического уровня (7);
A₁ и A₂ некоторые постоянные интегрирования. Для обеспечения устойчивости (8) необходимо и достаточно выполнение следующих условий:
λ₁<0, λ₂<0 (9). Из (9) и (7) непосредственно следует, что
C₁<O, C₂>O (10). Для обеспечения монотонности (8) необходимо выполнение условия
(11). Неравенство (11) обеспечивает существование действительных корней характеристического уравнения (7). Известно, что для существования скользящего режима работы необходимо и достаточно выполнение условия
(12). С учетом (2), (5), (7) несложно получить
(13). Для выполнения условия (12) из (13) непосредственно вытекает
Несложно показать, что для большинства современных электродвигателей K_мK_ε является соизмеримым с K_bR, а R/L>K_b/Y, поэтому в выражении для a₃ вполне можно пренебречь вторым слагаемым, т.е. a₃R/L. Указанное пренебрежение, которое все же приводит к малому ненулевому значению первого слагаемого в (13), легко можно скомпенсировать, немного увеличив K_y в b или K_s. В этом случае неравенство (12) всегда будет несомненно соблюдаться. Таким образом выражение (2) формируется на выходе первого усилителя 6 с учетом того, что первый вход четвертого сумматора 25 имеет коэффициент усиления K_s, а его второй вход единичный. Диапазон допустимых значений C₂ ищется следующим образом. В начале определяется диапазон, при котором одновременно выполняются неравенства (10) и (11), а также уравнение (14) при любых значениях Y. Для этого вначале ищутся корни уравнения
C²₂-a₃C₂+a₂ (16),
полученного из уравнения (15) при Y=Y_max и C₁=0, а затем при Y=Y_min определяются корни уравнения
(17),
полученного из уравнения (14) после подставки в него C₁=C²₂/4.. Причем правый корень уравнения (16) определяет левую границу диапазона изменения C₂, а правый корень уравнения (17) правую границу этого диапазона. Аналитически допустимый диапазон изменения, обеспечивающий удовлетворение (10) и (11) и выполнение уравнения (14) при любых Y с учетом (16) и (17), может быть определен в виде
. Затем из неравенств (14) находят границы диапазона возможного изменения C₂, задаваясь предельно допустимым значением K_y и заменив C₁ его функциональной зависимостью от C₂ (см. уравнение (14). Область пересечения ранее и вновь полученного диапазона изменения C₂ и будет окончательным искомым диапазоном, из которого можно выбрать C₂, а затем и вычислять C₁ по уравнению (14). В этом случае скользящий режим будет всегда иметь место, хотя ввиду ограниченности K_y рассматриваемая система при малых значениях ε будет уступать в быстродействии прототипу. Однако при больших значениях e в прототипе может наступить срыв скользящего режима (при I__→ I_max) ввиду насыщения усилителя 6, уже неспособного вырабатывать требуемые управляющие сигналы. В результате возникает недопустимое перерегулирование, которое может привести к аварийным ситуациям (столкновение схвата с объектами внешней среды), и существенно затягивается время переходного процесса, ухудшая точность системы. Большое значение K_y в прототипе как известно возникает ввиду того, что помимо выполнения уравнения (14) требуется и выполнение условия C₁=C²₂/4
Таким образом, предложенная система не только является более простой по сравнению с прототипом, но и в отдельных режимах может обладать высоким качеством переходного процесса и соответственно точностью управления, кроме того, устраняет срыв скользящего режима работы привода при наличии моментов сухого трения.

Формула изобретения

Самонастраивающаяся система с переменной структурой, содержащая измеритель рассогласования, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения, подключенного выходом к первому входу первого сумматора, подключенного выходом через первый релейный элемент к первому входу второго блока умножения, выход которого соединен через усилитель с входом электродвигателя, содержащего датчики тока, ускорения и скорости, причем выход электродвигателя механически соединен через редуктор с входом объекта управления и входом датчика положения, подключенного выходом к первому входу измерителя рассогласования, второй вход которого является входом задания положения системы, выход датчика тока соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, а выход с входами первого выпрямителя и второго релейного элемента, выход второго релейного элемента подключен к управляющему входу элемента слежения хранения, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного напряжения, выход измерителя рассогласования соединен с входом второго выпрямителя, выход датчика ускорения соединен с вторым входом первого сумматора и с входом третьего выпрямителя, подключенного выходом к входу делимого блока деления, вход делителя которого подключен к выходу первого выпрямителя, а выход к информационному входу элемента слежения хранения, выход датчика скорости соединен с входом третьего нелинейного элемента, подключенного выходом к третьему входу второго сумматора, а также содержащая четвертый сумматор, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности системы, в нее дополнительно введен четвертый выпрямитель, причем вход третьего релейного элемента соединен с третьим входом первого сумматора, а выход через четвертый выпрямитель с первым входом четвертого сумматора, подключенного входом к выходу выпрямителя, а выходом к второму входу блока умножения.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 2-2002

Извещение опубликовано: 20.01.2002        

---