Система стабилизации объекта с присоединенным упругим элементом переменной жесткости

Система стабилизации объекта с присоединенным упругим элементом переменной жесткости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к системам управления угловым движением динамических объектов, а именно к системам стабилизации углового положения объектов с присоединенными упругими элементами конструкции. Целью изобретения является повышение точности управления и сокращение времени переходного процесса стабилизации углового положения объекта с упругим элементом конструкции. Система стабилизации содержит блок исполнительных органов, датчики угла и угловой скорости, первый, второй и третий усилители, первый, второй и третий сумматоры, датчик отклонений упругого элемента, дифференциатор, блок выбора закона управления, блок терминального управления, блок компенсирующего управления, устройство управления жесткостью, блок формирования опорного управления жесткостью и блок коррекции управления жесткостью. 6 фиг.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 4 А1 (51) 0 05 S 13/OO

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4431890/24-24 (22) 30. 05, 88 (46) 30. 10. 90. Бюл. Р 40 (72) Ю.С.Мануйлов, С.В.Шалымов и Р.Е филимонов (53) 62-50(088 ° 8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1129585, кл. G 05 В 11/01, 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1525676, 10.03.88 (54) СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ОБЬЕКТА

С ПРИСОЕДИНЕННЫМ УПРУГИМ ЭЛЕМЕНТОМ ПЕРЕМЕННОИ ЖЕСТКОСТИ (5i) Изобретение относится к системам управления угловым движением динамических объектов, а именно к системам стабилизации углового положения объектов с присоединенными упругими

Изобретение относится к системам управления угловым движением динами ческих объектов, а именно к системам стабилизации углового положения объ" ектов с присоединенными упругими элементами конструкции.

Цель изобретения — повышение точности управления и сокращение времени переходного процесса стабилизации . углового положения объекта с упругим элементом конструкции.

На фиг.l представлена функциональная схема предлагаемой системы стабилизации объекта с присоединенным упругим элементом; на фиг.2 — структурная схема блока логики выбора управления; на фиг.3 — то же, блока тер2 элементами конструкции. Целью изобретения является повышение точности управления и сокращение времени переходного процесса стабилизации углово"

ro положения объекта с упругим элементом конструкции. Система стабилизации содержит блок исполнительных органов, датчики угла и угловой скорости, первый и третий усилители, первый, второй и третий сумматоры, датчик отклонений упругого элемента, дифференциатор, блок выбора закона управления, блок терминального управления, блок компенсирующего управления, устройство управления жесткостью, блок формирования опорного управления жесткостью и блок коррекции управления жесткостью. 6 фиг. минального управления; на фиг.4— то же, блока компенсирующего управления; на фиг.5 — то,же, блока формирования опорного управления жесткостью; на фиг.6 †. фазовая траектория движения упругого элемента.

Система стабилизации объекта с присоединенным упругим элементом содержит (фиг.l): объект 1 vnpaa= ления с присоединенным упругим элементом 2; блок 3 исполнительных органов, датчики 4 и 5 угла и угловой скорости, первый 6, второй 7 .и третий 8 усилители, первый 9, второй 10 и третий ll сумматоры; датчик 12 отклонений упругого элемента; дифференциатор 13; блок 14 выбора закона управ3 16033 ления, блок )5 терминального управления; блок 16 компенсирующего.управления; устройство 17 управления жесткостью; блок 18 формирования опорного управления жесткостью, блок 19

5 коррекции управления жесткостью; состоящий.из формирователя 20 модуля сигнала, первого 21 и второго 22 множителей, источника 23 постоянного на- 10 пряжения, компаратора 24, первого 25 и второго 26 релейных элементов, элемента И 27, первого 28 и второго 29 ключей.

Блок 14 выбора закона управления содержит (фиг.2) сумматор 30, формирователи 31 и 32 модуля сигнала, ком.паратор, 33, .три схемы 34-36 сравне.ния знаков сигналов, элементы И 37 и 38, ключи 39-41.

Блок 15 терминального управления содержит (фиг.3) два квадратора 42 и 43, два делителя 44 и 45, два множителя 46. и 47, сумматор 48.

Блок 16 компенсирующего управле- 25 ния содержит (фиг.4) два множителя 49 и 50 и сумматор 5 1.

Блок 18 формирования опорного управления жесткостью содержит (фиг.5) сумматор 52, два релейных элемента 53 и 54, элемент И 55, элемент ИЛИ-HE 56, элемент ИЛИ 57.

В основу изобретения доложено следующее.

Динамика процесса угловой одноканальной стабилизации объекта с учетом основной низкочастотной формы колебаний присоединенного к нему упругого элемента описывается следующей . системой дифференциальных уравнен:*

Ч - e(qýq) + U5++ hU%, {1).

q = =-М - q — — -(U + ) г а

I где 1, (у — текущее рассогласование по углу и угловой скорости объекта управления; с 4 — текущие отклонения,скорость и ускорение относительного движения присоединенного к объекту упругого элемента; — момент инерции. объекта по оси управления; а — коэффициент динамического взаимовлияния объекта и .. упругого элемента;

m - массовый параметр упругого элемента;

Ъе с — диссипативный и жесткостт ный параметры упругого элемента;

9() = à q + bq — возмущающее ускорение, обусловленное динамикой упругого элемента

0М К Л+ Кгg(«0 К О) — традиционное пропорциональнодифференциалькое стабилизирующее управление;

А11 — компенсирующая управляюФ щая добавка (компенсирую- а щая возмущающее влияние упругого элемента);

d = — (I — à /(Im -а))

Ъ . Ill

Э с Г г

Я = — — 1-а /(Im -. а)

Ф

Ьа

Ъ

Im - а ас а—

Im-a зирующего управления.

Самым простым очевидным решением формирования компенсирующего управления Ы3 является следующее:

6U<= — 6 (q,q) °

Однако данное решение не учитывает тот факт, что дри слабом собственном демпфировании упругого элемента потребуется достаточно долго прикладывать компенсирующее управление, которое по величине при малых координатных рассогласованиях объекта может оказаться несоизмеримо больше самого стабилизирующего управления.и, более того, противоположно ему по знаку. А следовательно, любые (даже сравнительно малые) погрешности в формировании компенсирующего управления могут привести к нарушению качества стабилизации. Чтобы этого не происходило или возможности проявления таких эффектов были сведены к минимуму, необходимо одновременно с эффек- . тивной компенсацией возмущения обеспечивать и активное демпфирование колебаний упругого элемента. Этого можно достичь за счет рационального (без ущерба основному контуру управления) целенаправленного изменения величины компенсирующего управления в зависимости от текущего состояния упругого элемента, чем определяется величина и знак создаваемого возмущающего ускорения, а также от знака, формируемого по состоянию самого объекта стабили1603340

ignU = SiðnÎ Л Б1КпП

Дц I g U J p(g)hgignhU = - S R О Л В 1 эк= — g (q, q) иначе (2) (3) Закон формирования величины ДБ

% для случая постоянной жесткости упру-! где ДБ U, ц

05у,а

+ (1 + Ч)ь т + а с =

В случае переменной жесткости упругого элемента целесообразно изменять ее таким образом, чтобы, не ухудшая характеристики движения объекта при управлении по закону (2),. внести дополнительный вклад в демпфирование колебаний упругого элемента.

Пустьсд а(Ум„„> Я м Kc J — диапазон изменения частоты колебаний присоединенного упругого элемента.

Пренебрегая собственным затуханием упругого элемента, из формулы ())

30 уравнение e ro относительного движения имеет вид

2 Ф

=-53a+cU, где U = U> +gU

На фиг.б изображена траектория движения упругого элемента при уравнении по закону (2) при Я =Ясаке-

= const u U (О.

Пусть на интервале управления

htU = const. Обозначим c"U = V =

= const, тогда из выражения (4) уравнение фазовой траектории упругого элемента, начинающейся в точке (q0, I

),имеет вид

V 0 2 V

45 (Ч - — -) + (- -) = (q — — -) + яг я о <дг

Ф

+() (5) .

В дальнейшем все траектории рассматриваем на фазовой плоскости (q,Ч/Q ).

Из формулы (5) при Q =G3 „, имеем

V 2 q г (q — - — ) + (— — ) = (Ч, — - ) + акс +94Kc (Змспсс

+ (о 2

Ммакс а при Я = СЗ ми„ получаем

Ч 2 а 2 (Ч вЂ” - — ) + (— --) /X —. мин Умакс гого элемента записывается в виде!

2 Чо (q -- — — ) + (- — --) / () 2

И мин макс

Э

1 Ж—

Я мнн (7)

И мок.к

Уравнение Ь определяет окружность

V с центром в точке (- --, О) и радиуЫ сом R = (Ч вЂ” -;-) + (q k3 ) . Уравы „,„, МОКС нение (?) описывает эллипс с центром в точке (Ч Q О), большой полуосью 0 = (q V/ÿ„„) + (q u»„) и малой полуосью x, D Из формул (6) и (7) -найдем точки пересечения этйх

psyx траектории (q; +q /я мак ) и (-Ч; + — -- — — — —, причем абсцис(к) макс сы этих точек симметричны относительно начала координат.

Это обстоятельство позволяет сделать следующие выводы: в секторе АОВ целесообразно принимать Я =Ям„кс, поскольку круговая траектория, исходящая из любой точки этого сектора, лежит к началу координат ближе, чем эллиптическая; в секторе HOC выгоднее принять Q. =(д,„„ц, в секторе СОД необхоДимо бРать Q =Ямдкс.

В секторе АОД по закону (2) осуществляется терминальное управление.

Если мощности исполнительных органов недостаточно для приведенйя упругого элемента в начало координат при максимальной жесткости, тогпа необходимо переходить к мйнимальной жесткости, что следует из анализа выражения (3) для расчета U.,-, т.е ° чем меньше Q,,тем меньшее по абсолют" ной величине терминальное управление требуется для перевода объекта из одного.и того же положения в одну и ту же требуемую конечную точку. Поэтому уменьшая Q можно обеспечить перевод в терминальную точку даже тогда, когда при большем с, ) реализация такого управления невозможна изза того, что У, .у„„к,) U«„

1603340

Следовательно, логика управления жесткостью в этом секторе следующая у„,с„,с, если (U (Бараке.

Я=

Q ду „, f (. /иткс 1 ,где U — абсолютная величина максима с мального ускорения, развиваемого исполнительными органами объекта.

В нижней части фиг.б показаны области фазовой плоскости и соответствующие им жесткости упругого элемента согласно приведенным выводам при

V ) О. В силу симметрии при изменении знака нагружения упругого элемента достаточно провести инверсию (геометрическую) логик относительно начала координат.

Таким образом, закон управления жесткостью может быть представлен !

Ug,Sign(qU) = 1 A Sign(qq) = — 1 (8)

U, иначе, (u I U макс, где Ъ,— 0 (Ц(U! 1, Sign(qq)

1 О,Sign(qq) = 1.

20.I..

Сигналы управления "1" и "0" соот; ветствуют минимальной и максимальной жесткости упругого элемента, Предлагаемый закон управления (2) и (8) реализуется системой стабилизации, функциональная схема которой представлена на фиг.1, следующим образом. ЗС

Сигнал, соответствующий U g формируется на выходе сумматора 9. На выходе блока 15 формируется UT в соответствии с выражением (3), причем исходные значения. параметров с и Я г

35 поступают на установочные входы блока 15. С выхода блока 16 снимается

% %сигнал 6 (q,q) = а q + Ь с1 причем

+ параметры а+ и Ь подаются на установочные входы этого блока. Сигнал

5,U снимается с выхода сумматора 30, т входящего в состав блока 14, на выходе ко торо ro формируется со 6ственно значение AU „. Логика закона (2) реализуется в блоке 14. Причем истинность 4 логического выражения (5U (p (g(определяет компаратор 33, логического выражения SignU+< = Sign 9 — схема сравнения знаков (ССЗ)35, логического выражения SignU+y = Signq — ССЗ 36, а логического выражения SignbU -Sign 8 — ССЗ 34. Истинность первого и второго логйческих выражений закона (2) определяется элементами И 37 и .38 соответственно, которые

55 и организуют формирование требуемой управляющей информации на выходе блока 14 с помощью ключей 39-41. Сумматор 10 служит для формирования U =

= U 1+ 6о,(, На выходе датчика 12 фор5 мируется текущее значение q а на выходе блока 10 — q соответственно °

Сигнал, соответствующий U, формируется на выходе блока 19 в соответствии с выражением (8), Причем истинI ность логического выражения Sign (qU

1 определяется последовательно сое;, диненными множителем 21 и релейным элементом 25, а выражения Sign (q.q (=

= -1 — множителем 22 и релейным элементом 26. Истинность выражения

Uz „ определяется компаратором 24, на выходе которого формируется U> .

Сигнал, пропорциональный U> формиг руется,блоком 18. Устройство управления жесткостью 17 изменяет жесткость упругого элемента, причем при наличии на входе сигнала "О" формируется максимальная жесткость, а сигнала 1 минимальная.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При наличии упругих колебаний элемента 2, по амплитуде не превосходящих зону нечувствительности датчика отклонений 12 (a точнее, при их фактическом отсутствии), ненулевое управление U g формируется лишь только на выходе сумматора 9 — основной (первый) контур стабилизации объекта. Работа устройства не отличается от работы прототипа. Если же уровень упругих колебаний элемента 2 превышает зону нечувствительности, то в работу включаются еще два контура управления: контур формирования компенсирующего управления, состоящий из блоков 14-16; контур активного демпфирования колебаний элемента 2, включающий блоки 18,19 и исполнительный орган 17. Взаимоувязка работы контуров

1603340

50 предлагаемой многоконтурной системы стабилизации осуществляется за счет использования управляющей информации первого контура при формировании управления но втором контуре, а ин5 формации о суммарном управляющем воздействии от первых двух контуров при формировании управляющей информации н третьем контуре. Второй и третий контуры согласованно решают основную задачу по максимальному снижению амплитуды колебаний упругого элемента. Кроме того, второй контур обеснечивает еще и компенсацию возмущающего 15 влияния колебаний упругого элемента 2 на корпус самого объекта. Предлагаемое устройство допускает работу и без участия второго (компенсирующего) контура, например, н режиме грубой стабилизации объекта. Этот режим осуществляется путем задания нулевых значений 63, а, Ь+ и с на управля4- М. М ющих входах 1 5 и 1 б блоков .

Система стабилизации и отличие от прототипа обеспечивает практически полную компенсацию возмущающего вли яни я динамики присоединенного упругого элемента на угловое : движение о бъ е кта управления ° При этом стратегия комп ен сир ующе го управления выбрана т ак, чтобы обеспечить фактически и активное демпфирование колебаний упругого элемента ". а счет р аци он ал ьного использования возможностей целенаправленного изменения величины к о м35 пенсирующего управления в зависимости от текущего состояния упругого элемента, что также способствует достижению высокой точности стабилизации углового положения объекта. Включение в систему третьего контура управления, обеспечивающего возможность управляемого изменения жесткости упругого элемента, позволяет еще более .интенсифицировать процесс активного демпфирования его колебаний. Стратегия управленгя жесткостью выбрана таким образом, чтобы с учетом .текущего состояния упругого элемента, а также величины и знака прикладываемого управляющего воздействия, спираль на фазовой плоскости скручивалась бы с наибольшим градиентом.

В результате действия формируемого комбинированного управления и сам

55 объект стабилизируется с требуемым качеством, а уровень колебаний упругога элемента неуклонно и достаточно быстро, убывает. Длительность этого, процесса в значительной степени зависит от инерционности используемых исполнительных органон, начальной амплитуды колебаний и требуемых точностей стабилизации объекта го углу и угловой скорости, а также частоты смены знака прикладываемого управления. ь

Формула изобретения

l . Ñèñòåìà стабилизации обьекта с присоединенным упругим элементом переменной жесткости, содержащая блок, исполнительных органов, выходом подключенным к входу объекта управления с присоединенным упругим элементом, первый выход которого соединен с входом датчика углового положения объекта, а второй выход — с входом датчика угловой скорости, выходы датчика углового положения объекта и датчика угловой скорости через первый и второй усилители подключены соответственно к первому и второму входам пер— ного сумматора, устройстно управления жесткостью, подключенное к входу упругого элемента, с выходом которого связан датчик отклонегпIH упругого элемента, выход которого непосредственно и через дифференциатор соединен соответственно с первыми и вторыин. нходалш блока терминального управле- ния, блока компенсирующего управлениЯ и блока формирования опорного управления жесткостью, выход первого сумматора подключен к первому входу второго сумматора и первому входу блока выбора закона управления, к второму входу которого подключен выход дифференциатора, к третьему входу — выход блока компенсирующего управления, а . к четвертому входу, — выход блока терминального управления, выход блока выбора закона управления соединен с вторым входом нторого сумматора, вы-. ход которого связан с входом исполнительного органа, вход устройства управления жесткостью связан через третий усилитель с первым нходом третьего сумматора, выход которого подключен к третьему входу блока терминального управления, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что, с целью повышения точности системы и сокращения времени переходного процесса, она снабжена блоком коррекции управления жесткостью, первый вход которого сое1603340

12 динен с выходом датчика отклонения упругого элемента; второй вход соединен с выходом дифференциатора,,третий вход связан с выходом второго

° сумматора, а четвертый вход — с вы5 .ходом блока опорного управления жесткостью, а выход блока коррекции управ-. лений. жесткостью подключен к входу устройства управления жесткостью.

2. Система по п.1, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что блок коррекцииуправления жесткостью содержит формирователь модуля .сигнала, первый и второй множители, первый и второй ре- 15 лейные элементы, компаратор, элемент И и источник постоянного напряження,первый вхоц блока коррекции управления жесткостью соединен с первым . входом второго множителя, второй 20 вход связан с вторым входом второго множителя и первым входом первого множителя, третий вход блока -;oppeKции управления жесткостью подключен к входу формирователя модуля сигнала и к второму входу первого множителя, а четвертый вход блока коррекции управления жесткостью соединен с сигнальным входом второго ключа, выходы первого и второго множителей соединены соответственно через первый и второй релейные элементы с первым и вторым входами элемента И, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго ключей, выходы источника постоянного напряжения и формирователя модуля сигнала соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого связан с сигнальным входом первого ключа, выходы лервогo H BTQpoI 0 ключей соединены с выходом блока коррекции управления жесткостью.

1 603340!

603340

Составитель B.Õðîèoâ

Техред Л.Серд окова Корректор O.Ципле

Редактор M.Êåëåìåø

Заказ 3384 Тираж 662 Подписное

3ЯЦЯПЯ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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