Система идентификации колебаний присоединенного к объекту упругого элемента с дискретно изменяемой жесткостью

Система идентификации колебаний присоединенного к объекту упругого элемента с дискретно изменяемой жесткостью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к технике идентификации параметров механических колебаний, а именно колебаний объектов с управляемыми динамическими характеристиками. Целью изобретения является повышение динамической точности системы при релейно-импульсном характере управляемого изменения жесткостного параметра упругого элемента. Система идентификации колебаний присоединенного к объекту упругого элемента с дискретно изменяемой жесткостью включает в себя блок запуска 1, объект наблюдения 2, блок идентификации 3, элемент задержки 4, сумматор 5, блок расчета коэффициентов модели объекта наблюдения 6, блок запоминающих элементов 7, блок формирования оценки параметров колебаний упругого элемента 8, блок расчета параметров идентификатора 9, источник задающего воздействия 10, источник постоянного напряжения 11, блок управления коррекцией параметров идентификатора 12. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН и9>Яани 1 54 (51)5 G 05 В 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4391364/24-24 (22) 10.03.88 (46) 15.02.90. Бюл. ¹ 6 (72) 10.Г.Корзников, Ю.С.Мануйлов и С.В.Смирнов (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1432457, кл. G 05 В 13/00, 1986.

Кузовков Н.Т. Модельное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение, 1976, с.67, 68, 74-78. (54) СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ КОЛЕБАНИЙ

ПРИСОЕДИНЕННОГО К ОБЪЕКТУ УПРУГОГО

ЭЛЕМЕНТА С ДИСКРЕТНО ИЗМЕНЯЕМОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ (57) Изобретение относится к технике идентификации параметров механических колебаний, а именно колебаний. объектов с управляемыми динамическими характеристиками. Целью изобретеI

2 ния является повышение динамической точности системы при релейно импульсном характере управляемого изменения жесткостного параметра упругого элемента. Система идентификации колебаний присоединенного к объекту упругого элемента с дискретно изменяемой жесткостью включает блок запуска 1, объект наблюдения 2, блок идентификации 3, элемент задержки 4, сумматор

5, блок расчета коэффициентов модели объекта наблюдения 6, блок запоминающих элементов 7, блок формирдвания оценки параметров колебаний упругого элемента 8, блок расчета параметров идентификатора 9, источник задающего д

<Я воздействия 10, источник постоянного напряжения 11 блок управления коррекцией параметров идентификатора 12.

I з.п.h-лы, 2 ил.

1543384

Изобретение относится к идентификации параметров механических колеба-, ний, а именно колебаний объектов с управляемыми динамическими характе5 ристиками.

Целью изобретения является повышение динамической точности системы при релейно импульсном характере управляемого изменения жесткости упругого элемента.

На фиг.1 представлена структурная схема системы идентификации колебаний присоединенного к объекту упругого элемента с дискретно изменяемой жесткостью; на фиг.2 — структурная схема объекта управления.

Система содержит (фиг.17 блок 1 запуска, объект 2 наблюдения, блок 3 идентификации, элемент 4 задержки, сумматор 5, блок 6 расчета коэффициентов модели объекта наблюдения, блок

7 запоминающих элементов, блок 8 формирования оценки параметров колебаний упругого элемента, блок 9 расчета па- 25 раметров идентификатора, источник 10 задающего воздействия, источник 11 постоянного напряжения и блок 12 управления коррекцией параметров идентификатора, содержащий элемент ИЛИ 13, ключ 14, запоминающий элемент 15, нуль-индикатор 16, элемент 17 задержки и одновибратор 18.

Блок 7 запоминающих элементов состоит из четырех запоминающих элеМентов, входы и выходы которых соедиНены с соответствующими информационными входами и выходами блока запомиНающих элементов, управляющий вход которого соединен с управляющими вхо- 40 дами запоминающих элементов.

Объект 2 наблюдения (фиг.2) содержит объект (как жесткое тело ) 19, присоединенный упругий элемент 20, датчик 21 угла, датчик 22 угловой д5 скорости., исполнительный орган 23 управления объектом, исполнительный ор" ган 24 управления упругим элементом, регулятор 25 и вентиль 26.

Блок 8 формирования оценки, блок

9 расчета параметров идентификатора, блок 6 расчета коэффициентов модели объекта наблюдения и блок 3 идентификации могуг быть реализованы аналогично прототипу.

Снабжение системы идентификации колебаний дополнительно блоком управления коррекцией параметров идентификатора и блоком запоминающих эле ментов позволяет до минимума сократить длительность переходного процесса при коррекции параметров идентификатора при релейно импульсном ха рактере изменения жесткостных пара-. метров упругого элемента и тем самым улучшить динамические характеристики системы в том режиме работы.

Принцип работы предлагаемой системы следующий.

Pассмотрим объект, состоящий из твердого тела с присоединенным упруro деформируемым элементом (УДЭ) переменной жесткости, у которого измерению поддаются лишь параметры твердого тела (угол поворота и угловая скорость поворота твердого тела), а доопределению подлежат параметры УДЭ (величина отклонения и скорость отклонения УДЭ от положения равновесия).

Движение данного объекта можно описать векторным линейным дифференциальным уравнением четвертого порядка:

X = A(t)X + B(t)U(t); к(с) = cx(t), 1 где X< > = х„,х,х,,х 1 — вектор состояния объекта, х х -- соответственно угол и угло М ° у вая скорость движения твердого тела; х х - отклонение и скорость откло3 нения УДЭ от положения равновесия;

71,, = у,у ) = (x,,õÄ вЂ” вектор sbtходных (измеряемых) параметров объекта;

)1000) 1 1 О 0

О

44Р

О, v, О, 0 1 0 0

О О a(t) b(t)

О 0 0 1

О О c(t) d(t) Appal t)

Е А /(1-,1 Ц са (/(1- 1Р)3м У /Г (2)

Г1 + 4Р/(1-,4ъ)Зи 2 ° (1 + аР I (1- И) /Г, а()

b(t)

c(t)

d. (t) собственная частота упругих колебаний; где Ы

3384

Собстве связана с объекта со отношением

ы (t) = 8 (t) m (7) А«Аи

Аг

О l

О О У (5) (6) Н ТВ, 5 l54 логарифмический декремент затухания; известные параметры, определяемые конструктивными особенностями объекта; параметры, определяющие максимальные величины абсолютных значений ускорения, сообщаемых твердому телу и

УДЭ в процессе управления. иная частота колебаний 4и жесткостью 9 и массой ш т,е. изменение жесткости влечет за собой изменение собственной частоты колебаний и, следовательно, измене— ние параметров a(t), b(e), c(t), d(t) .

Для эффективного управления объектом необходимо знать текущие значения всех компонент вектора состояния X(t) объекта. Если все компоненты этого вектора измерить невозможно, то неизмеримую часть компонент этого вектора можно оценить с помощью, например, асимптотического идентификатора состояния — наблюдающего устройства.Уравнение такого идентификатора состояния для линейного неста ционарного объекта имеет вид

Х = Е(t)Z +G(t) (t)+11(t) (t}, (3) где Е = j Z, Z — вектор состояния идентификатора, связанный с вектором состояния объекта преобразованием

Z(t) = T(t) X(t) . (4) Идентификатор обеспечивает для полностью наблюдаемого объекта получение оценок неизмеряемых компонент вектора состояния с ошибкой, стремящейся к нулю, если матрицы А,В,С, Г,О,Н,Т вЂ” постоянные (объект стационарный), и удовлетворяет соотношениям.

Т FT — ТА + GCдолжна иметь отрицательные вещественные части собственных значений и обеспечивать существование единственного нетривиального решения системы (5)-(6).

При релейно импульсном характере изменения жесткостного параметра 8.. можно говорить о стационарности объекта на промежутках С, < С < где t;, t„.„, i=1,2 — моменты изменения значения жесткостного параметра °

Нестационарность проявляется лишь в моменты изменения параметра 8„ т.е. в моменты времени t,, i 1,2.

Уравнение (5) описывает процесс изменения параметра Т, обусловленный нестационарностью объекта идентификации. Однако на участках стационар20 ности объекта, когда переходный процесс в системе (5)-(6) можно считать установившимся, справедливо равенство Т= О, при котором дифференциальное уравнение (5) может быть заменено

25 алгебраическим:

PT- TA+GC=0. (5а)

Оценка искомых компонент определяется в виде

Из выражения (7) видно, что для получения требуемых оценок можно оп35 ределять либо элементы матрицы Т и потом обращать составную матрицу

С либо искать сразу элементы матрицы W.

Для рассматриваемого объекта идентификатор состояния имеет второй порядок, а матрицы F,G,Н,Т,W имеют pasмерность соответственно 4 4, 4 2, 4к1, 2х4, 4 4.

4 Разобъем матрицы А, С, W Т на блоки: ! полученным на основании анализа выра- 55 жения Е = 4/dt CT(t) X(t)j,ÿâëÿþùåão— ся результатом почленного дифференцирования соотношения (4). Матрица F

О О

A b о

Аи ОСг,г3 Ага =

1543384 с - с,, с, ! 0

С

0г2,2 J

Т - га,г2, Т Сац)) (-1) ; 1*1,2, 1 1,2. (9) 1 Г2,g "И C,П

"- ч м .гс 2,й) I сйlk,2.3

1 "Е 2Д <

F z,z I

0 (13) « е (Г) ема обладает W (t) ным, то че е1 Т

- () (")1 (14)

- „(.) „()11 Г..„(-)"„(-.Ч

1 у t,„() (t) в

zl Т2 () 1 (i)+t» ()1 yz ti()+t„() j +z t24() zztiv(1

<е<Т (t)

У Etz3() tî ()3+yzftzз()+t,з (С) К ем(i)+Z2tö (Л

3 (15) л х4

Из условия стремления ошибки оцеh ннванию к нулю lim (X(t)-X(t))0 и

11 . при учете конкретного вида блоков рассматриваемых матриц вытекает,что где Š— единичная матрица.

Эададим матрицу F в виде, удовлетворяющем наложенным на нее ограничениям: где rl 1 — действительные отрицательные числа, выбираемые из соотношений требуемой скорости сходимости получаемых оценок.

В этом случае система (5a)-(6) в развернутом виде записывается как система 16-ти уравнений с 20-ю неизвестными (16 неизвеетных T(,,"1, четыре неизвестных Г г;,к), i,k l, 2;

j1,4).

Поскольку данная сист избыточностью по перемен

ГДе 2.() " З () 2 ()

t23() и()э а матРица Т2 (t) изменяется скачкообразно в моменты времени t;(i 1,2...) в соответствии с изменением в эти моменты матриц А Z (t) и Azz(t). тыре неизвестных надо доопределить, сохранив при этом в силе условие нетривиальной разрешимости системы

5 (5а)-(6) . Этому требованию удовлетворяют, например, значения матрицы Тг.

В установившемся режиме (на интервалах между переключениями жесткости упругого элемента) с учетом конкретного вида матриц А, F и Т иэ (5а) (6), обозначив предварительно элемен15 . ты матрицы Т2 через t l3 Й» Й з получим

ГЯ+1

g= i 1.1 (10)

-Л <Я -1

2. !

FT - (Т A(,z + ТаА 221 0 (11) илн в развернутом виде гЬ+а) /(Л2 — Я2 d-c);

25 Е23 (+ с )/Д21 (12)

2 . » (Й < Ь- Я -tz3 +а) / (с-Я, + Л,й);

Йа (Я1 а) t« tz4 + ь

Подставив в уравнение (3) иденти30 фикатора выражение (10) с учетом вычисленных t (i=I 2, j=3 4), получим:

Е В Е -Z<+(11 <+I)y -y +(t«g-ъ)Ц

35 = 2 а- " У, +(ла-I)yZ+(tz4 g+v)U.

Выражение (8) с учетом конкретного вида подматриц Т< и Т: получим в виде:

Окончательное выражение для оценок неизмеряемых компонент вектора состоя, ния объекта с учетом выражений (7) и (14) получим в виде

9 154

Начальное условие для интегрирова" ния выражения (13} можно брать нулевым или выбирать из условия Z(0)

=TX(0} откуда следует, что

Z (0) — x((0) х (0). (16)

Z (О) = -х (О) + х (О)

2. 2

Управление объектом 19 происходит по управляющему сигналу U, вырабатываемому регулятором 25 на основании информации об угле и угловой скорости жесткого тела, снимаемой с датчика

21 угла и датчика 22 угловой скорости, а также об отклонении и скорости отклонения упругого элемента от положения равновесия, снимаемой с блока идентификации.

Управляющий сигнал может формироваться регулятором, например, по линейному закону

U=Kó +Ку +К7. +К К

В этом случае регулятор можно реализовать в виде четырех усилителей и сумматора.

Третий вход объекта наблюдения соединен через элемент 4» задержки с блоком 1, запускающим систему в работу, а четвертый вход — с источником

10 задающего воздействия. На первый, второй и третий входы объекта наблюдения подводится информация соответственно об угле и угловой скорости жесткого тела и величине управляющего параметра U.

Для демпфирования колебаний упругого элемента может быть применено управление его жесткостным параметром, для чего предназначен источник

10 задающего воздействия, который вы— дает сигнал, пропорциональный требуемому приращению жесткости LI, на четвертый вход объекта 2 наблюдения.

Значение требуемого приращения жесткости поступает также на вход сумматора 5, где складывается с поcToHHHblM значением жесткости 8 поступающим на второй вход сумматора с источника 11 постоянного напряжения.

На выходе сумматора формируется требуемое значение жесткости Вгр = 8 +

+ d8, которое поступает на вход блока

6 расчета коэффициентов модели объекта наблюдения, реализующего соотношения (2). Определение параметров идентификатора согласно уравнениям

3384 10 (12) производится в блоке 9 расчета параметров идентификатора.

Значения Е и Z состояния иденти5 фикатора формируются согласно уравнениям (13) с начальными условиями (16) в блоке 3 идентификации.

Оценка неизмеряемых компонент вектора состояния объекта 2 наблюдения производится в блоке 8, реализующем уравнения (15).

Блок 7 памяти предназначен для хранения значений параметров идентификатора й,, С,, С з и t, рас15 считанных в блоке 9, которые поступают на его информационные входы, запоминаются в нем в момент прихода на управляющий вход разрешающего сигнала с блока 12 управления коррекцией и

20 гостоянно выдаются на пятый — восьмой входы блоКа 8 формирования оценки. В блоке 12 формируются сигналы управления для блока 7 запоминающих элементов в момент поступления разрешающего сиг25 нала с блока 1 запуска, а также каждый раз при смене сигнала Л ь поступающего с выхода источника 10.

Блок 12 управления коррекцией работаег следующим образом.

30 > На первый вход блока 12 поступает сигнал запуска с блока 1 запуска, который через элемент ИЛ1 13 и элемент

17 задержки поступает на одновибратор 18, где формируется выходной сиг35 нал управления коррекцией. Сигнал уп равления формируется также при изменении значения 4 О, которое с блока

10 поступает через второй вход блока на второй вход нуль-пндикатора 16, 4Q где сравнивается со старым значением

6 9,снимаемым с выхода запоминающего элемента 15 и поступающим на первый вход нуль-индикатора 16„ При изменении д Ы сигнал нуль-индикатора 16 по45 ступает на инверсный вход элемента

ИЛИ 13, откуда через элемент 17 задержки подается на одновибратор 18, формирующий разрешающий (ненулевой) выходной сигнал. Сигнал с элемента

50 ИЛИ 13 поступает также на управляющий вход ключа 14, через который с второго входа блока 12 в запоминающий элемент 15 записывается новое значение a G .

1 функционирование схемы начинается по разрешающему сигналу с блока 1 запуска, который поступает через элемент 4 задержки на объект 2 наблюдеll

154 ния, на первый вход блока 12 управления коррекцией, параметров идентификатора и на шестой вход блока 3 идентификации, Элемент 4 задержки рассчитан так, чтобы задержать сигнал запуска на время Л, необходимое для проведения всех вычислений по формирова ию на выходах блока 8 сигналов и оценки х и х, . Элемент задержки блока 3 идентификации задерживает сигнал запуска на время h < --з, необходимое для проведения вычислений в блоках 5, 6, 7 и 9, а элемент 17 задержки блока 12 — на время л 7, необходимое для проведения вычислений в блоках 6 и 9. л

Через время и после начала pa0nòû рассчитанные значения параметров идентификатора с выходов блока 9

Йо управляющему сигналу блока 12 управления коррекцией параметров идентификатора записываются в блок 7 запоминающих элементов, с выходов которого они поступают на соответствующие входы блока 8 формирования оценки.

Через время 6 з начинается формирование значений Z и Z в блоке 3 идентификации, с выходов которого значепия 7., и Z< поступают на первый и,в,орой входы блока 8 формирования оценки,на выходах которого через время Й, формируются значения оцениваел мых компонент вектора состояния хз и и х . Далее в стационарном режиме система рабо àåò. аналогично прототипу.

При скачкообразном изменении значения д 8 на выходе источника 10 изменяется значение 8-, на выходе сумматора 5. В блоке 6 рассчитываются новые значения коэффициентов модели обьекта наблюдения, а в блоке 9новые значения параметров идентификатора t >, с, t>> и 1. .

Изменившийся сигнал а 8 поступает на второй вход блока 12 управления коррекцией параметров идентификатора, на выходе которого через время д сg формируется сигнал, поступающий на управляющий вход блока 7 запоминающих элементов. По этому сигналу в блоке 7 происходит смена старых значений параметров идентификатора на новые. !

Процесс изменения динамических параметров идентификатора происходит практически синхронно с действительным управляемым изменением жесткостного параметра упругого элемента. Та3384 12

10 рактеристики системы при релейно импульсном характере изменения жест20

55 кои вариант коррекции параметров идентифика тора позволяет практически без переходного процесса перестраивать его всякий раз на новый режим работы, что способствует повышению динамической точности системы в целом.

Таким образом снабжение системы идентификации дополнительно блоком управления коррекцией параметров идентификатора и блоком запоминающих элементов улучшает динамические хакостного параметра упругого элемента.

Ф о р и у л а и з о б р е т е н и я

1, Система идентификации колебаний присоединенного к объекту упругого элемента с дискретно изменяемой жесткостью, содержащая блок расчета коэффициентов модели объекта наблюдения, соединенный четырьмя выходами с соответствующими входами блока расчета параметров идентификатора, объект наблюдения, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первым трем входам блока идентификации, первый и второй выходы блока идентификации соединены с первым и вторым входами блока формирования оценки параметров колебаний упругого элемента, первый и второй выходы которого подключены к первым двум входам объекта идентификации и,кроме того, к третьему и четвертому входам блока формирования оценки параметров колебаний упругого элемента, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с четвертым и пятым входами блока идентификации, блок запуска, выход которого соединен с шестым входом блока идентификацйи и через элемент задержки с третьим входом объекта наблюдения, четвертый вход которого соединен с выходом источника задающего воздействия, соединенным также с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного напряжения, а выход соединен с входом блока расчета коэффициентов модели объекта наблюдения, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью повышения динамической точности системы при релейно импульсном характере управляемого изСоставитель В,Хромов

Техред М.Ходанич Корректор Э.Лончакова

Редактор Т.Лазоренко

Заказ 400 Тираж 660 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101

13 15 менения жесткости упругого элемента, она дополнительно снабжена блоком запоминающих элементов и блоком управления коррекцией параметров идентификатора, первый вход которого соединен с выходом блока запуска, второй вход — с выходом блока задающего воздействия, а выход — с управляющим входом блока запоминающих элементов, четыре информационных входа которого соединены с соответствующими выходами блока расчета параметров ицентификатора, а выходы — соответственно с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами блока формирования оценки параметров колебаний упругого элемента.

2., Система по п.l, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что блок управления

43384 14 коррекцией параметров идентификатора состоит из ключа, запоминающего элемента, нуль-индикатора, элемента ИЛИ, 5 элемента задержки и одновибратора, причем первый вход блока управления коррекцией параметров идентификатора соединен с первым входом элемента

ИЛИ, а второй вход — с информационным входом ключа и первым входом нуль-индикатора, выход нуль-индикатора связан с вторым входом элемента

ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа и входу элемента задержки, выход ключа через запоминающий элемент соединен с вторым входом нуль-индикатора выход элемента задержки через одновибратор подключен к выходу блока управления

20 коррекцией параметров идентификатора.