СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 1995 года по МПК B25J13/00 

Изобретение относится к системам автоматического управления, а именно к системам управления с переменной структурой и предназначено для управления объектами при существенном изменении момента инерции, приведенного к валу исполнительного электродвигателя, в частности для управления манипуляционными роботами.

Известны системы управления с переменной структурой, содержащие измеритель рассогласования, предварительный усилитель, исполнительный элемент, редуктор и блок изменения структуры, состоящий из выпрямителя, блока умножения, фазоопережающего фильтра и релейного элемента (а.с. СССР N 470783).

Известна также система с переменной структурой, содержащая последовательно соединенные измеритель рассогласования, предварительный усилитель, выпрямитель, широтно-импульсный модулятор, бесконтактный двигатель постоянного тока, выход которого через редуктор соединен со входом измерителя рассогласования, а также релейный элемент, выход которого подключен ко входу бесконтактного двигателя постоянного тока, на валу которого установлен тахогенератор, связанный через корректирующее устройство с первым входом элемента сравнения, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, а выход со входом релейного элемента (а.с. СССР N 463097).

В указанных системах параметры настройки блока изменения структуры (БИС) являются постоянными. Результатом этого является или срыв скользящего процесса и возникновение перерегулирования при увеличении параметров нагрузки, или затягивание переходных процессов при уменьшении этой нагрузки (приведенных моментов инерции исполнительных двигателей).

Известна также система управления с переменной структурой, содержащая первый измеритель рассогласования, первый усилитель, выпрямитель, второй усилитель, первый блок умножения, ко второму входу которого через элемент сравнения и первый релейный элемент подключен выход первого усилителя, двигатель постоянного тока, выходной вал которого связан с датчиком скорости и датчиком положения, выход которого подключен ко второму входу первого измерителя рассогласования, а выход датчика скорости подключен ко входу третьего усилителя, а также содержащая последовательно соединенные датчик тока двигателя, второй измеритель рассогласования, интегратор, блок деления, ко второму входу которого подключен выход датчика скорости, четвертый усилитель и второй блок умножения, выход которого подключен ко второму входу элемента сравнения, а второй вход второго блока умножения подключен к выходу третьего усилителя, причем ко второму входу второго измерителя рассогласования подключен выход сумматора, к первому входу которого подключен выход измерителя внешнего моментного возмущения, ко второму входу сумматора через пятый усилитель подключен выход датчика скорости, а к третьему входу сумматора через второй релейный элемент подключен выход датчика скорости.

Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому.

Основным недостатком системы-прототипа является снижение качества переходных процессов при срыве скользящего режима работы, происходящего как результат неточности выполнения операции деления. Это объясняется тем, что из-за погрешностей в настройке параметров системы, а также из-за влияния помех при приближении системы к установившемуся состоянию (стремлении скорости к нулю) может возникнуть ситуация типа "деление на ноль" и, как следствие, непредсказуемый по величине и знаку коэффициент обратной связи по скорости.

Задачей, которая решается в предлагаемом изобретении, является предотвращение срыва рабочего скользящего режима и повышение качества переходных процессов. Технический результат достигается тем, что система управления с переменной структурой, содержащая последовательно соединенные измеритель рассогласования, первый блок модуля, первый блок умножения, ко второму входу которого через последовательно включенный второй блок умножения, первый сумматор и первый релейный элемент подключен выход измерителя рассогласования, усилитель, электродвигатель постоянного тока, редуктор, выходной вал которого механически связан с объектом управления и датчиком положения, выход которого связан со вторым входом измерителя рассогласования, а также последовательно соединенные датчик скорости, вход которого связан с валом электродвигателя постоянного тока, второй релейный элемент, второй сумматор, ко второму и третьему входам которого подключен соответственно датчик тока электродвигателя и выход датчика скорости, и интегратор, а также третий блок умножения, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, дополнительно выход датчика скорости через последовательно соединенные второй блок модуля, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, ко второму входу которого через третий релейный элемент подключен выход датчика скорости, соединен с первым входом третьего блока умножения, ко второму входу которого через третий блок модуля подключен выход интегратора, а также выход третьего блока модуля через последовательно соединенные третий сумматор, ко второму входу которого подключен выход второго блока модуля, второй функциональный преобразователь, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого функционального преобразователя, и третий функциональный преобразователь соединен со вторым входом второго блока умножения.

В предлагаемой системе в отличие от прототипа введены дополнительные блоки и связи, реализующие нелинейную подстраиваемую обратную связь по скорости. Кроме того, введены блоки и связи для подстройки коэффициента передачи сигнала рассогласования, чего не было в прототипе. В связи с этим можно считать, что предлагаемая система соответствует критерию "новизна".

Известны системы управления, в которых выполняется подстройка (в том числе и нелинейная) коэффициентов передачи в каналах прямых и обратных связей (см. например, главу 3 монографии Борцова Ю.А. Поляхова Н.Д. Путова В.В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением. Л. Энергоатомиздат, 1984). Однако скользящий режим, положительные свойства которого используются в предлагаемом решении, не является для них рабочим режимом. Известны системы с переменной структурой, в которых применяются нелинейные подстройки коэффициентов передачи при формировании сигнала переключения структуры (см. например, заявку на изобретение N 4331114/24-160419). В них, как и в прототипе, для оценки момента инерции используются блоки деления. Однако по отмеченным выше причинам, это ведет к значительному искажению или утере информации, необходимой для управления при подходе системы к состоянию равновесия (и соответственно к ухудшению качества процессов).

Авторам в настоящее время не известны системы с переменной структурой, кроме предлагаемого решения, в которых при оценивании изменяемого момента инерции и дальнейшем выполнении нелинейной настройки не используются блоки деления. Введение подстройки значительно повышает быстродействие системы.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемой системы управления с переменной структурой.

Система управления с переменной структурой содержит последовательно соединенные измеритель рассогласования 1, первый блок модуля 2, первый блок умножения 3, ко второму входу которого через последовательно включенные второй блок умножения 4, первый сумматор 5 и первый релейный элемент 6 подключен выход измерителя рассогласования 1, усилитель 7, электродвигатель постоянного тока 8, редуктор 9. Выходной вал редуктора 9 механически связан с объектом управления 10 и датчиком положения 11, выход которого связан со вторым входом измерителя рассогласования 1, первый вход которого является входом системы. Система содержит также последовательно соединенные датчик скорости 12, вход которого связан с валом электродвигателя постоянного тока 8, второй релейный элемент 13, второй сумматор 14, ко второму и третьему входам которого подключены соответственно датчик тока 15 электродвигателя 8 и выход датчика скорости 12, и интегратор 16, а также третий блок умножения 17. Выход последнего соединен со вторым входом первого сумматора 5. В системе дополнительно выход датчика скорости 12 через последовательно соединенные второй блок модуля 18, первый функциональный преобразователь 19, четвертый блок умножения 20, ко второму входу которого через третий релейный элемент 21 подключен выход датчика скорости 12, соединен с первым входом третьего блока умножения 17. Ко второму входу третьего блока умножения 17 через третий блок модуля 22 подключен выход интегратора 16. Кроме того, выход третьего блока модуля 22 через последовательно соединенные третий сумматор 23, ко второму вход которого подключен выход второго блока модуля 18, второй функциональный преобразователь 24, четвертый сумматор 25, второй вход которого соединен с выходом первого функционального преобразователя 19, и третий функциональный преобразователь 26 соединен со вторым входом второго блока умножения 4.

Система работает следующим образом. После подачи на ее вход задающего сигнала выходной сигнал с первого измерителя рассогласования 1 после преобразования в блоках 2, 3, 4, 5 и 6 усиливается усилителем 7 и поступает на вход электродвигателя постоянного тока 8. Выходной вал электродвигателя 7 и, соответственно, вал редуктора 9 начинают разгоняться, в результате объект управления 10 поворачивается, отрабатывая возникшее рассогласование.

Одновременно с датчика скорости (ДС) 12 сигнал скорости вращения вала электродвигателя 8 через второй релейный элемент (РЭ2) 13, реализующий функцию sign X, поступает на вход второго cумматора 14. Ко второму входу последнего подключен датчик тока 15 электродвигателя 8. К третьему входу второго сумматора 14 подключен выход ДС 12. При надлежащем выборе коэффициентов передачи по входам второго сумматора 14 на его выходе формируется сигнал K_мi_д-M_стsign-Kгде i_д ток электродвигателя 8, М_ст момент сухого трения, K_вт- коэффициент вязкого трения, К_м моментный коэффициент двигателя, - скорость вращения вала двигателя. Известно, что в значительном числе случаев для электродвигателя постоянного тока справедливо соотношение
I= K_мi_д-M_стsign-K
(1) где I момент инерции, приведенный к валу двигателя. Считаем, что I является кусочно-постоянной или медленно-изменяющейся величиной. Такое допущение справедливо, например, для простейших роботов, манипулирующих объектами различной массы, неизменной во время рабочего цикла. Тогда интегрирование (1) дает
I= (K_мi_д-M_стsign-K_втα_д)dt
(2)
В связи с этим на выходе интегратора 16 формируется сигнал I, поскольку на его вход подается сигнал с выхода второго сумматора 14, соответствующий подынтегральной функции в (2). Выходной сигнал интегратора 16 через третий блок модуля (БМЗ) 22 подается на вход третьего блока умножения (БУЗ) 17. На другой вход БУЗ 17 поступает сигнал ДС 12, преобразованный в БМ2 18, первом функциональном преобразователе (ФП1) 19, реализующем извлечение квадратного корня, и БУ4 20. Ко второму входу БУ4 20 подключен РЭЗ 21, реализующий функцию sign X. Поэтому на выходу БУЗ 17 сигнал имеет вид
Isign
Cигнал I суммируясь в третьем сумматоре 23 с сигналом через ФП2 24, также вычисляющем функцию квадратный корень, подается на четвертый сумматор 25, где складывается с сигналом , поступающим с ФП1 19. В результате при соответствующей настройке коэффициентов на выходе четвертого сумматора 25 формируется сигнал + (где К₃ коэффициент передачи третьего сумматора 23 по первому входу), который через ФПЗ 26 подается на вход БУ2 4. ФПЗ 26 реализует функцию
F(x) при xx

>≅ΔΔ
(3) где Δ- малая положительная константа. Из (3) видно, что ФПЗ 26 отличается от линейного усилителя тем, что при близком к нулю входном сигнале на его выходе формируется сигнал малой, но ненулевой величины Δ. Это требуется лишь для того, чтобы обеспечить прохождение сигнала рассогласования ε через БУ2 4 на первый сумматор 5. В связи с отмеченным, выходной сигнал четвертого сумматора 25 мало искажается в ФПЗ 26 и через БУ2 4 подается на вход первого сумматора 5, ко второму входу которого подключен выход БУ3 17. На выходе первого сумматора 5 формируется сигнал
S + -KIsign
(4) где K₁ коэффициент передачи по второму входу первого сумматора 5. Изменение структуры системы происходит при изменении знака сигнала S, т.е. при условии
+ -KIsign= 0
(5)
Покажем, что при надлежащем выборе параметров K₁ и K₃ в системе возникает скользящий режим, описываемый (4) и (5), и следовательно, обеспечивается монотонный переходной процесс.

Уравнение (5) можно переписать в другом виде, предварительно поделив его величину которая не равна нулю при движении изображающей точки системы вплоть до попадания в начало координат
(1+ ε-KIsign= 0
(6)
При отработке скачкообразного задающего воздействия или ненулевых начальных условий выполняются соотношения ε -α_д/K_p -/K_p, где K_p коэффициент передачи редуктора 9. Поэтому (6) можно переписать так
(1+ ε+K₁KI 0
(7) или, с учетом того, что I > 0,
ε + 0
(8)
Предположим, что электрической постоянной времени двигателя 8 можно пренебречь и его передаточная функция по скорости имеет вид W(P) K_д/(T_дP+1), где T_д RI/K_MK_ω (R и K_ω- соответственно сопротивление якорной цепи и коэффициент противоЭДС двигателя). Для возникновения и существования скользящего режима требуется, чтобы линия переключения (8) располагалась на фазовой плоскости в секторе между осью абсцисс и вырожденной устойчивой траекторией (см. монографию Теория систем с переменной структурой (Под ред. С.В. Емельянова. М. Наука, 1970). Для этого нужно настроить коэффициенты K₁ и K₃ согласно соотношениям
K₃ 4KK_дK_pR/K_мK_ω (9)
K₁≥2R/K_pK_мK_ω (10) где "К" коэффициент передачи усилителя 7. Коэффициент K₁ не следует выбирать значительно больше правой части (10), так как это ведет к затягиванию переходных процессов.

Таким образом, в предлагаемой системе за счет организации скользящего режима работы обеспечивается монотонный характер переходных процессов (это следует из решения дифференциального уравнения (8)). Наиболее существенное преимущество системы в отличие от прототипа заключается в том, что сигнал переключения структуры формируется в виде (4) и поэтому не требует применения блоков деления, таким образом, исключая указанные выше недостатки прототипа.

Использование: машиностроение, для управления манипуляторными роботами. Сушность изобретения: для идентификации варьируемого параметра и настройки блока изменеия структуры в систему управления дополнительно введены второй блок модуля 18, первый функциональный преобразователь 19, четвертый блок умножения 20, третий релейный элемент 21, второй функциональный преобразователь 24, четвертый сумматор 25, третий функциональный преобразователь 26. 1 ил.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ, содержащая последовательно соединенные измеритель рассогласования, первый блок модуля, первый блок умножения, к второму входу которого через последовательно включенные второй блок умножения, первый сумматор и первый релейный элемент подключен выход измерителя рассогласования, усилитель, электродвигатель постоянного тока, редуктор, выходной вал которого механически связан с объектом управления и датчиком положения, выход которого связан с вторым входом измерителя рассогласования, а также последовательно соединенные датчик скорости, вход которого связан с валом электродвигателя постоянного тока, второй релейный элемент, второй сумматор, к второму и третьему входам которого подключены соответственно датчик тока электродвигателя и выход датчика скорости и интегратор, а также третий блок умножения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, отличающаяся тем, что дополнительно выход датчика скорости через последовательно соединенные второй блок модуля, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, к второму входу которого через третий релейный элемент подключен выход датчика скорости, соединен с первым входом третьего блока умножения, к второму входу которого через третий блок модуля подключен выход интегратора, а также выход третьего блока модуля через последовательно соединенные третий сумматор, к второму входу которого подключен выход второго блока модуля, второй функциональный преобразователь, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого функционального преобразователя, и третий функциональный преобразователь соединен с вторым входом второго блока умножения.