Система управления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВМДЕТЕЛЬСТВУ

<1 697974

Союз Советских

Сой,ийлистииесиих

Республик (61} Дополиителькое к asr. свид-ву (22} Заявлено 300 5 7 8(21 } 26 2 195 7/1 8-2 4 (51)М. Кл.

G 05 В 17/02 с присоедииеиыем заявки Но

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДК 62 50 (088. 8) Опубликовано 15,11,79, Бюллетень Hо 42

Дата опубликовании описания 151179

Ю. А. Борцов, С. В, Демидов, Н, д. Поляхов и В.В.Путон (72) Авторы изобретения

Особое конструкторское бюро станкостроения и Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И,Ульянова (Ленина) (71) Заявители (54 ) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для управления электромеханическим объектом, в том числе с упругой связ ью и зазором, например н станкостроении в сис-.5 темах управления механизмами металлорежущих станков.

Известна система упранления электромеханическими объектами, содержащая последовательно соединенные регулятор, силовой преобразователь, исполнительный двигатель, механическую передачу и механ из м, Для о гран ичен ия колебаний в упругой снязи механизма она снабжена дополнительным контуром, состоящим из датчика тока, подключенного через диодный мост, интегрирующее звено и потенциометр к блоку регулируемого токоограничения, воздей- 2Q от нующ его н а о бр ат ную сн яз ь р е гул ятора. Кроме того, с целью ограничения динамических нагрузок, возникающих из-за зазора, организован второй дополнительный контур, воздействующий 25 на регулируемое токоограничение и образованный датчиком обратной связи, присоединенным к выходу механизма, дифференцирующим блоком и последовательным мостом (1) .

Однако в известном устройстве дополн ител ьные контуры ограничивают колебания в упругой связи посредством умен ьшен ия усиления и токоогран ичения, что снижает ускорения механизма в области резонансных частот. Поэтому недостатком этого устройства является принципиальная невозможность обеспечения быстродействия с полосой пропускания, достигающей области резонансных частот упругого электромеханического объекта, Другим недостатком устройства является то, что включенный в контур управления дифференцирующий блок приводит к . нежелательному усилению в области резонансных частот объекта и снижает в целом его устойчивость в этой области.

Наиболее близкой к предлагаемой является система управления, содержащая датчик скорости, последовательно соединенные регулятор и эталонную модель и последовательно соединенные усилитель мощности, двигатель и редуктор, подключенный ко входу объекта управления, к выходу которого через последовательно соединенные датчик обратной связи и блок сравнения подсоединен вход дифференциатора (2), 697974

Однако эта система управления имеет малую устойчивость и низкое бы стродей ст в ие. . Цель изобретения — повышен ие устойчивости и быстродействия при управлении электромеханическим объектом с упругой связью путем подавления его упругих колебаний при расширении полосы пропускания за границу области резонансных частот.

Указанная цель достигается тем, что известная система содержит блок масштабных коэффициентов, последовательно соединенные блок определения модуля сигнала ошибки и блок формирования сигнала управления и последовательно соединенные идентификатор состоян ия, блок формирования корректирующего сигнала и сумматор, первый выход которого соединен со входом усилителя мощности, второй выход с первым входом идентификатора состояния, первый вход — co вторым выходом регулятора, а второй вход— с выходом блока формирования корректирующего сигнала, второй вход которого соединен с выходом эталонной модели, выход дифференциатора через последовательно соединенные блок масштабных коэффициентов и блок формирования сигнала управления соединен со входом регулятора, второй выход измерителя ошибки соединен, со вторым входом блока масштабных коэффициентов, кроме того, между регулятором и силовым преобразователем введен сумматор, а выход датчика с«о- 35 рости исполн ительного двигателя через вновь вводимые последовательно включенные идентификатор состояния и блок формирования корректирующего сигнала соединен со вторым входом сумматора, образуя внутренний контур управления упругим объектом, и второй выход сумматора соединен со вторым входом идентификатора состояния.

Так же введена эталонная модель, соединяющая второй выход регулятора со вторым входом блока формирования .корректирующего сигн ал а.

В такой системе движение исполнительного двигателя подчиняется оэталонной модели, а весь нелинейный упругий эффект локализуется на стороне механизма во внешнем контуре управления. В свою очередь, внешний контур настраивается на максимально возможное с учетом энергетических ограничений исполнительного двигателя быстродействие, а возникающие в нем на частоте упругих резонансов коле бания принудительно подавляются без потери быстродействия посредством 60 блока формирования сигнала управления объектом.

На фиг,1 приведена функциональная схема предлагаемой системы управления электромеханическим объектом с упру-, f 5 гой связью и зазором; на фиг,2 а,б,в осциллограммы переходных процессов в предлагаемой системе.

Система управления содержит после 1цовательно соединенные измеритель ошибки — блок сравнения 1, блок вычисления модуля сигнала ошибки 2, блок формирования сигнала управления 3, регулятор 4, сумматор 5, усилитель мощности 6,.исполнительный двигатель

7, механическую передачу — редуктор

8, объект управления — механизм 9, выход которого соединен через датчик обратной связи 10 с входом блока сравн ения 1. Второй выход блока сравнен ия 1 через дифферен циатор 11 и блок масштабных коэффициентов 12 соединен со вторым входом блока формирования сигнала управления 3, а третий выход блока сравнения 1 соединен со вторым входом блока масштабных коэффициентов 12, Выход исполнительного двигателя 7 через датчик скорости 13, идентификатор состояния 14 и блок формирования корр ект ирующего сигнала 15 соедин ен со вторым входом сумматора 5. Второй выход регулятора 4 через эталонную модель 16 соединен со вторым входом блока формирования корректирующего сигнала 15, а второй выход сумматора 5 подается на второй вход идентификатора состояния 14.

Система работает следующим образом.

Для обеспечения устойчивости при возникновении колебаний сигнал ошибки с выхода блока сравнения 1 пода-. ется на вход дифференциатора 11, который вырабатывает ее первую, вторую и третью производные. Затем в блоке масштабных коэффициентов 12 формируется линейная комбинация с заданными весовыми коэффициентами самой ошибки и ее первой, второй и третьей производных. В блоке 3 формируется сигнал управления, равный значению модуля ошибки с присвоением этому значению знака полученной линейной комбинации в блоке масштабных коэффициентов 12, Тем самым на выходе формирования сигнала управления блока 3 формируется сигн ал управлен ия, имеющий регулируемое посредством выбора весовых коэффициентов блока масштабных коэффициентов 12-фазовое опережение по отношению к сигналу ошибки. в пределах от

0 до 3t, тогда как его амплитуда имеет величину, равную входной. Это устран яет нежелательный эффект повышения усиления в области высоких частот дифференциатором и обеспечивает работоспособность системы в области резонансных свойств электромеханического объекта, Сформированный блоком формирования сигнала управления 3 сигнал управления преобразуется пропорционально-интегрирующим регулято6 97974 ром 4 с целью достижения необходимого усиления внешнего контура управления и придания выходной координате, измеряемой датчиком обратной связи, астатических свойств и затем суммируется в сумматоре 5 с дополнительным каррек- 5 тирующим сигналом, который формируется следующим образом. Выход регулятора 4 подается на эталонную модель 16, которая вырабатывает сигнал эталонной выходной координаты (скорости) испол- 10 нительного двигателя 7 и сигналы (n-1)-ой эталонных фазовых координат, где n - общий порядок дифференциальных управлений усилителя мощности 6 и исполнительного двигателя 7. Одновременно с этим реальная скорость исполнительного двигателя, измеряемая блоком 13, и выход сумматора 5 подаются в (n-1)-мерный идентификатор состояния 14, который осуществляет вычисление сигналов (и-1) реальных фазовых координат, Затем в блоке формирования корректирующего сигнала 15 происходит вычисление разностей между си гн ал ами соотв етствующих реальных и эталонных фаз овых координат, формируется линейная комбинация сигналов вычисленных разностей с соответствующими весовыми коэффициентами и из постоянного по уровню сигнала присвоением ему знака этой лин ейной комбин ации формируетс я корректирующий сигнал, сум ыруемый в сумматоре 5 с основным сигналом управления, усиленным регулятором 4 .

В результате устраняется обратное 35 влияние упругих колебаний механизма на вал исполнительного. двигателя при любых сочетаниях параметров электрической и механической частей системы и подавляется влияние на устой- 40 чиво ст ь и быстродействие ин ерцион ных, нелинейных и нестационарных свойств тиристорного преобразователя, Быстродействие исполнительного двигателя 7 при этом определяется только эталонной моделью 16, которая обеспечивает устойчивость и предельную по энергетическим возможностям полосу пропу скан ия .

Так как предельное быстродействие

50 предлагаемой системы ограничивается исполнительным двигателем 7, эталонная модель 16 обеспечивает его полосу пропускания заведомо выше желаемой, Сформированный блоком формирования сигнала управления 3 и усиленный регулятором 4 основной сигнал управления, воздействующий на объект 9, передается усилителем мощности 6 и исполнительным двигателем 7 без иска- 60 жений в этой области. частот. Затем сформированный. таким образом общий сигнал управления с выхода сумматора

5 посредством усилителя мощности 6 и исполнительного двигателя 7 управ- 65 ляет через механическую передачу (редуктор 8) механизмом 9. При этом автоколебания, вызванные нелинейными резон анс ами объекта, принудительным образом устран яются исполнительным двигателем за счет тога, что он отрабатывает их в противофазе, своим встречным движением подавляя колебания механизма. При этом достигается полоса пропускания управления электромеханическим объектом, перекрывающая область его резонансных частот.

Таким образом, предлагаемая система обеспечивает устойчивость управления электромеханическим объектом с упругой связью и зазором в частотной области его резонансов и близкое к предельному по энергетическим вазможностям быстродействие, соответствующее полосе пропускания, пер екрыв ающей э ту обл асть.

На фиг.2 а,б приведены осциллограм) ы процессов по управлению положением электромеханического объекта с упругой связью и зазором, причем кривые 2а соответствуют процессам в исходной системе, а кривые 2б в предлагаемой системе, Кроме того, показ аны переходные процессы в пред. лагаемой системе при отключении, дополнительного корректирующего сигнала (кривые 2в) .

На фиг. 2, а„б, в сверху вниз расположены кривые сиги алов задающего воздействия (r !,- скорости исполнительного двигателя 7 (n ) и положен я злектромеханического объекта (y), Приведен ные о сцилла rp ам ы по к азывают, что в предлагаемой системе цепь изобретения достигается, что при управлении электромеханическим о бъ ектом в пр едл агае мой си ст еме (фиг. 2в) быстроцействие процессов упр авлен ия возраст ает по сравнен ию с управлением в исходной системе в 5 раз (фиг. 2а) . При этом полоса пропуск ан ил, оцен енн ая, н апример, по частоте среза из известной приближенной формулы

<" ср 1 —: 2 Р 2 t ) где „вЂ” время установления переходного процесса в 5Ъ-ной зоне;

t ы)„— частота среза, Гц (рад/сек), СP с возрастает от 5 Гц в исходной системе до 20-25 Гц в предлагаемой, т, е, расширяется в 4-5 раз .

Таким образом, достигаемая в предлагаемой си ст еме полоса пропуск ан ия перекрывает частотную область проявления резонансных свойств объекта, имеющего частоту резонанса 15 Гц.

Отключение дополнительного корректирующего сигнала от входа сумматора

5 приводит к нарушению нормального

6 97974 функционирования системы управления в сл едст в и е н едопу ст имо го и ск аже н и я основного сигнала управления исполнительным двигателем, имеющим низкую собст вен ную частоту пропускания и нелинейности.

Предв арительные техн ико-э кон омически е расчеты показ али, что испол ьзование предлагаемого технического решения для управления системой подачии копировал ьн о-фр еэ ерн oro стан к а модели 6Б444 номенклатуры ЛСПО им.Я.М.Свердлова позволит увеличить производительность станка не менее чем на 15Ъ, что даст годовой экономический эффект около 5, 5 тыс. руб. на один станок. .Формула из обретения

Система управлен ия, содержащая датчик скорост и, последовательно соединенные регулятор и эталонную модель и последовательно соединенные усилитель мощности, двигатель и р еду ктор, подключен ный ко зходу объекта управления, к выходу которого через последовательно соединенные датчик обратной связи и блок сравнения подсоединен вход дифференциатора, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью повышения устойчивости и быстродей ст ви я си ст емы, она содержит блок масштабных коэффициентов, последовательно соединенные блок определения модуля сигнала ошибки и блок формирования сигнала управления и последовательно соеди5 ненные идентификатор состочния, блок формирования корректирующего

"игн ала и сумматор, первый выход которого соедин ен со входом усилител я мощности, второй выход — с первым входом идентификатора состояния, первый вход — со вторым выходом регулятора, а второй вход — c выходом блока формирования корректирующего сигнала, второй вход которого соединен с выходом эталонной модели, выход дифференциатора через последовательно соединенные блок масштабных коэффициентов и блок формирования сигнала управления соединен со входом регулятора, второй выход блока сравнэ20 ния - co вторым входом блока масштабных коэффициентов, а третий выход - co входом блока определения модуля сигнала ошибки, выход датчика скорости соединен со вторым входом

25 ицентификатора состояния. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 . Авторское свйдетельство СССР

9 585583, кл. Н 02 Р 5/06, 31.05. 72.

30 2. Козлов Ю.М. и др. Беспоисковые самонастраивающиеся системы, М,, Наука . 1969, с ° 338 (прототип). б 97974

Сост ави тел ь А. Л аще в

Техред М. Келемеш Корректор Н.Задерновская

Pедактор А.Кравченко

Эаказ 6552/12 Тираж 1 О 15 Подпи сное

ЦНИИ ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4