СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТРИКЦИОННЫМ МЕХАНИЗМОМ Российский патент 1996 года по МПК G05B11/01 

Изобретение относится к электротехнике, автоматике, металлообработке, робототехнике и может быть использовано в силовых преобразователях линейных и угловых перемещений, электронных приборах и в других устройствах, работающих с замкнутой обратной связью.

Известен способ управления /1/, обеспечивающий монотонность протекания переходного процесса при заданном быстродействии в системе с инерционным слабодеформированным объектом управления. При этом форма управляющего воздействия представляет собой сочетание ступенчатого воздействия и импульса противоположного знака, сдвинутого на значение времени нарастания или времени спада. На выходе объекта управления суммируются реакции на ступенчатое воздействие переходная характеристика колебательного звена и импульсная характеристика противоположного знака. Данный способ не обладает высокой эффективностью демпфирования переходного процесса позиционирования. Так, магнитострикционные устройства обладают большой индуктивностью, достигающей десятых долей Генри, поэтому коммутировать ток в его обмотке управления, формируя корректирующий импульс, представляется сложной задачей, поскольку требуется источник большой мощности. При этом коммутация тока может привести к межвитковому пробою изоляции. В составных пьезокерамических устройствах, где пьезошайбы механически соединены последовательно, а электрически параллельно, емкость пьезостолба достигает десятков микроФарад, при этом такое управление также будет приводить к затягиванию по времени процесса коррекции.

Наиболее близким к заявляемому способу, выбранном за прототип, является способ управления пьезодвигателем /2/, в котором измеряют текущее положение выходной координаты механизма, определяют рассогласование между заданным и измеренным значениями и в зависимости от рассогласования формируют основное управляющее воздействие на механизм, создающее основную деформацию продольного направлениях.

Данный способ не позволяет уменьшить время регулирования менее чем за период свободных колебаний.

Цель изобретения повышение эффективности коррекции за время регулирования, равное 1/4 периода свободных колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно формируют в дискретные моменты времени корректирующее воздействие обратной связи, создающее деформацию, противоположную основной, вида переходной характеристики колебательного звена стрикционного механизма, с коэффициентом передачи пропорциональным значению перерегулирования, момент подачи t_o которого должен удовлетворять следующим условиям:
если t_x≥t_р-t_н,с, то t_o≅t_н,с-[t_x-(t_р-t_н,с)]
если t_x<t_р-t_н,с, то t_o>t_н,с,
а момент снятия t_сн t_р,
где t_x время задержки корректирующего воздействия, обусловленное гистерезисом стрикционного механизма;
t_р момент равенства выходной координаты заданному значению;
t_н,с время нарастания или спада выходной координаты.

При этом корректирующая деформация формируется по дополнительному каналу продольного или поперечного направления стрикционного механизма.

Связь между основным и корректирующим каналами управления должна быть взаимной отрицательной. Например, отрицательной взаимомагнитной для ферромагнетиков и отрицательной взаимоемкостной (взаимополяризационной) для пьезоэлектриков или же отрицательной взаимомеханической.

На фиг. 1 изображен магнитострикционный исполнительный механизм (МСИМ). Он состоит из активного элемента 1, основной обмотки управления 2, дополнительной продольной обмотки управления 3, включенных встречно, и зеркала 4. На фиг.2 изображена экстремальная замкнутая по корректирующему каналу управления система регулирования двусвязного МСИМ. На фиг.3 представлены управляющие сигналы ступени I_пр1(t) и обратной связи I_пр2(t). На фиг.4 изображены частные циклы магнитомеханических петель гистерезисов продольного направления Δ_пр1(I_пр1), Δ_пр2(I_пр2) ОАО процесса позиционирования: ОМNO, OBFCO процессов коррекции сигналом обратной связи. На фиг.5 представлены совмещенные диаграммы переходных функций ступени (5, 6), корректирующих сигналов (7, 8), а также скорректированных переходных функций (9, 10) процесса позиционирования и возвращения в исходное положение двусвязного МСИМ.

Система регулирования (фиг. 2) настраивается на получение минимальных значений перерегулирований при отрицательной взаимной связи (взаимомагнитной или взаимомеханической) между корректирующим и основным каналами управления по двум параметрам: величине сигнала обратной связи и моменте подачи этого сигнала. На фиг.2 У1, У2 усилители токов, КЛ ключ, Д датчик положения, ζ сигнал на изменение коэффициента усиления У2, t_o сигнал ЭВМ на подключение сигнала обратной связи. В моменте времени подачи сигнала t_o должна быть учтена задержка корректирующего сигнала по корректирующему каналу управления. При этом момент подачи корректирующего сигнала обратной связи может быть меньше или больше времени нарастания и спада ступени выходной координаты.

Способ коррекции по фиг.1 5 заключается в следующем.

Сигнал z и момент подачи t_o предварительно определяют, например, экспериментально, подавая пробный ступенчатый задающий сигнал.

Пусть известен момент подачи t_o корректирующего сигнала обратной связи и сигнал z, пропорциональный сигналу максимума перерегулирования нескорректированного МСИМ (отрезок перерегулирования КЕ на фиг.5). ЭВМ выставляет выбранный коэффициент усиления ζ на усилители У2 (соответствующий равенству отрезков перерегулирований КЕ и КD на фиг.5), формирует ступенчатый задающий сигнал, который через У1 поступает на МСИМ, а в момент времени t_o подключает сигнал обратной связи к корректирующему продольному каналу управления. При этом на выходе МСИМ суммируются нечетная переходная функция от подачи ступени (позиция 5) и нечетная переходная функция корректирующего сигнала обратной связи (позиция 7) противоположного знака из-за наличия отрицательной взаимомагнитной связи между каналами, которая инвертирует входной сигнал обратной связи. В результате позиционирования время регулирования переходной функции скорректированного двусвязного МСИМ (позиция 9 на фиг.5, ломаная линия ОРКА -Δ_Σ(t)) уменьшится до 1/4 периода свободных колебаний. Ключ КЛ отключается автоматически по достижении заданного положения t_сн t_р.

Переходная функция от снятия ступени (позиция 6) будет четной из-за четности магнитомеханической характеристики МСИМ, а за счет отрицательной взаимомагнитной связи между каналами управления формируется такая же (равенство отрезков перерегулирований ХS и SZ на фиг.5) четная переходная функция (позиция 8) корректирующего сигнала обратной связи, но противоположного знака в момент времени t₂ ≈t_o cнятия выходного сигнала. В результате чего время регулирования при возвращении в исходное положение двусвязного МСИМ уменьшится до 1/4 периода свободных колебаний (позиция 10, ломаная линия А'RSO' -Δ_Σ(t) на фиг.5).

МСИМ по фиг.1 5 работает следующим образом.

В обмотку управления 2 основного канала управления подается ток заданной величины. В момент времени t₁≈t_o в обмотку 3 подается корректирующий ток обратной связи. Вследствие отрицательной взаимомагнитной связи между обмотками 2 и 3 возникают встречные потоки Ф_пр1 и Ф_пр2, которые приводят к появлению встречнонаправленных перерегулирований выходных координат D_пр1 и Δ_пр2. В результате чего происходит взаимоуничтожение перерегулирования внутри МСИМ, а зеркало 4 переместится в заданное положение за 1/4 периода свободных колебаний с высокой динамической точностью. На фиг.3 фиг.5 Т^* и Т периоды свободных колебаний процесса позиционирования и процесса возвращения в исходное положение, а Т_им длительность ступени управляющего воздействия.

Таким образом, представленный способ управления позволяет эффективно уменьшить время регулирования до 1/4 периода свободных колебаний подключением к корректирующему каналу продольного или поперечного направления сигнала обратной связи с коэффициентом усиления ζ в момент времени t_o, при этом связь между основным и корректирующим каналами управления должна быть взаимоотрицательной.

Изобретение относится к электротехнике, автоматике, металлообработке, робототехнике и может быть использовано в силовых преобразователях линейных и угловых перемещений, электронных приборах и в других устройствах, работающих с замкнутой обратной связью. Сущность способа заключается в использовании сигнала обратной связи для создания корректирующей деформации продольного направления за счет отрицательной взаимомагнитной или отрицательной взаимоемкостной связи между каналами управления в определенные моменты нарастания /или спада выходного сигнала. Способ коррекции позволяет повысить динамическую точность процесса позиционирования стрикционного механизма и возвращения в исходное положение за время регулирования, равное 1/4 периода свободных колебаний. 5 ил.

Способ управления стрикционным механизмом, при котором измеряют текущее положение выходной координаты механизма, определяют рассогласование между заданным и измеренным значениями и в зависимости от рассогласования формируют основное управляющее воздействие на механизм, создающее основную деформацию продольного направления, отличающийся тем, что дополнительно формируют в дискретные моменты времени корректирующее воздействие обратной связи, создающее деформацию, противоположную основной, вида переходной характеристики колебательного звена стрикционного механизма, с коэффициентом передачи, пропорциональным значению перерегулирования, момент подачи t_o которого должен удовлетворять следующим условиям: если t_x ≥ t_p - t_{н . с .}, то t_o ≅t_{н . с .} - [t_х-(t_р-t_{н . с .})] если t_х < t_р t_{н . с .}, то t_о > t_{н . с .}, а момент снятия t_сн t_р, где t_х время задержки корректирующего воздействия, обусловленное гистерезисом стрикционного механизма, t_р момент равенства выходной координаты заданному, t_{н . с .} время нарастания / спада выходной координаты.