СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИНЕРЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ Российский патент 1997 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и управления и может быть использовано для управления инерционной нагрузкой предпочтительно в условиях, когда требования по сокращению затрат мощности и энергопотребления являются наиболее важными, например в автономных системах или в системах с ограниченными энергетическими ресурсами, в системах специального базирования. В предлагаемой системе автоматического управления режим отработки управляющего воздействия оптимизируется в смысле энергетических затрат.

Известны системы автоматического управления, в которых с целью улучшения эксплуатационных и других параметров, а также с целью оптимизации параметров в систему вводят арифметические, логические, нелинейные и другие звенья.

Наиболее близким по своей сути к предлагаемому изобретению является устройство управления, оптимальное по быстродействию, работа которого основана на принципе максимума акад. Л.С. Понтрягина. При оптимальном по быстродейcтвию управлении нагрузкой (объектом второго порядка) устройство (прототип) обеспечивает заданное ее перемещение за минимальный временной интервал цикл. Объект второго порядка, представляющий собой двойное интегрирующее звено, эквивалентен инерционной нагрузке. В прототипе реализуются симметричные разгон и торможение с максимальными по модулю ускорениями и достигается максимальная скорость в середине цикла.

Прототип не обеспечивает минимума затрачиваемой мощности или снижения энергопотребления. Это является недостатком.

Поставлена задача снижения затрачиваемой мощности или энергопотребления.

Поставленная задача решается тем, что в систему автоматического управления инерционной нагрузкой, содержащую последовательно соединенные усилитель, моментный двигатель, инерционную нагрузку, датчик положения, датчик скорости, блок формирования модуля, перемножитель, первый сумматор и релейный элемент, причем выход датчика положения соединен с другим инвертирующим входом первого сумматора, а выход датчика скорости соединен с другим входом перемножителя, введены два ключа, блок фиксации скорости, блок фиксации начальной разности координат, два канала управления с элементом ИЛИ на их выходах, один из которых выполнен в виде последовательно соединенных первого масштабирующего элемента с коэффициентом α, второго сумматора, первого нуль-органа, первого элемента НЕ и первого элемента И, а второй канал из последовательно соединенных второго масштабирующего элемента с коэффициентом 1-α, третьего сумматора, второго нуль-органа, второго элемента НЕ и второго элемента И, а также введены третий элемент НЕ и четвертый и пятый сумматоры, при этом выход элемента ИЛИ подключен ко входу блока фиксации скорости, входу второго ключа и через третий элемент НЕ ко входу первого ключа, выход датчика скорости через блок фиксации скорости подключен к первому неинвертирующему входу пятого сумматора, а через второй ключ к инвертирующему входу пятого сумматора, выход релейного элемента через первый ключ подсоединен ко второму неинвертирующему входу пятого сумматора, выход которого связан с усилителем, выход второго нуль-органа соединен со вторым входом первого элемента И, выход первого нуль-органа соединен с другим входом второго элемента И, вторые входы второго и третьего сумматоров, а также вход блока фиксации начальной разности координат подключены к выходу четвертого сумматора, выход блока фиксации начальной разности координат соединен со входами масштабирующих элементов, инвертирующий вход четвертого сумматора подключен к выходу датчика положения, неинвертирующие входы четвертого и первого сумматоров подключены к клемме, на которую поступает управляющая координата, другие входы масштабирующих элементов подключены к клемме, на которую поступает коэффициент a.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - зависимости мгновенной мощности (верхняя кривая) и средней мощности и энергопотребления (нижняя кривая) в зависимости от интервала t.

Для сопоставления прототипа и предлагаемого устройства и выявления преимуществ последнего по мощности и энергозатратам необходимо принять для них одинаковые сопоставимые параметры величину отрабатываемой координаты v_o и время отработки цикл Т либо координату Φ_o и ускорение . В предлагаемом устройстве ускорения действуют в течение начального интервала t (разгон) и заключительного t (торможение) а в середине отсутствуют.

Учитывая характер изменения скоростей и ускорений, можно вывести соотношения для затрачиваемых мощностей и энергопотреблений. Мощность Р для прототипа равна:
,
а для предлагаемого устройства -

Отношение мощностей представляется так:
P₁/P_м2=8(T-τ)²•τ/T³ (1)
Решением задачи на экстремум определяется оптимальное значение τ₁=T/3, соответствующее максимальному значению выражения (1). При этом мгновенная мощность Р_м2 составляет 0,845 от мощности прототипа. Более правильным будет сравнивать среднюю мощность Р₂ с мощностью Р₁, которая является тоже средней мощностью:
P_2-1 2P_м2/3 0,563 P₁.

Таким образом, в случае введения интервала τ₁ мгновенная мощность достигает минимума, а средняя затрачиваемая мощность составит 56% от такой же мощности прототипа, что является существенным преимуществом. Это преимущество достигается за счет образования интервалов τ и увеличения управляющего ускорения в интервалах t₁ только на 12,5% что находится в пределах запасов, закладываемых при проектировании. При указанном значении τ₁ между интервалами образуется временной интервал, тоже равный τ₁, внутри которого ускорение отсутствует и скорость остается постоянной. Отсутствие ускорения между интервалами τ₁ и обеспечивает сокращение мощности и энергопотребления, как указано выше. При равенстве трех интервалов τ, составляющих цикл Т, соответствующие им участки по перемещению (Φ) не будут равны начальный и конечный участки отрабатываемой координаты составят половину среднего участка, поскольку скорость на начальном и конечном участках равномерно изменяется, а на среднем участке остается максимальной. Несмотря на наличие на фазовых траекториях таких участков, заявляемое устройство не относится к системам с ограничением по скорости, поскольку эта постоянная скорость может быть разной и зависит от начальных значений отрабатываемой координаты.

Энергопотребление за цикл прототипа А₁ и предлагаемого устройства А₂ пропорционально средним затрачиваемым мощностям, а их отношение
A₁/A₂ [2(T-)/T]² (2)
Это выражение не имеет экстремума внутри интервала Т, а энергопотребление А₂ уменьшается с уменьшением τ. Для значения t=τ₁ энергопотребление А₂ 0,563 A1, то есть снижается почти в два раза по сравнению с прототипом. Сказанное выше иллюстрируют кривые на фиг. 2, вычисленные для конкретного примера управления антенной радиотелескопа при следующих параметрах: момент инерции антенны по оси управления I ≃ 20•10³ кгм², быстрый переброс антенны на 90^o за 2 с. В этом случае оптимальному значению τ=2/3 С будет соответствовать минимальная мгновенная мощность кВт, средняя мощность Р_ср 45,4 кВт, работа А Р_м(2/3)T 45•10³ Дж. В случае прототипа при тех же параметрах потребуется мгновенная и равная ей средняя за цикл мощность P=8IΦ2м

Процесс управления с интервалами t можно сформировать не только за счет увеличения ускорения, а также за счет увеличения продолжительности цикла.

Можно сформировать процесс управления с комбинацией указанных способов формирования интервалов t. В этом случае за счет увеличения ускорения на 12,5% и продолжительности цикла на 6% по отношению к прототипу получим t=T₁/6, средний интервал с постоянной скоростью станет равным 4 T₁/6, средняя затрачиваемая мощность Р_2-2 составит P_2-3=P₂₁•P₂₂/P₁ ≃ 0,25 P₁, то есть средняя затрачиваемая мощность и энергопотребление за цикл Т₁ составит четверть мощности и энергопотребления прототипа. Дальнейшее сокращение интервалов τ менее эффективно снижает мощность и энергопотребление, но требует значительно большего увеличения ускорения или продолжительности цикла.

Блок-схема предлагаемого устройства, представленного на фиг. 4, содержит следующие элементы: усилитель 1, моментный двигатель 2, инерционную нагрузку 3, датчик положения 4, датчик скорости 5, блок формирования модуля 6, перемножитель 7, первый сумматор 8, релейный элемент 9, первый ключ 10, второй ключ 11, блок фиксации скорости 12, блок фиксации начальной разности координат 13, элемент ИЛИ 14, масштабирующий элемент с коэффициентом a 15, масштабирующий элемент с коэффициентом 1-α-16, второй сумматор 17, третий сумматор 18, первый нуль-орган 19, первый элемент НЕ 20, первый элемент И 21, второй нуль-орган 22, второй элемент НЕ 23, второй элемент И 24, третий элемент НЕ 25, четвертый сумматор 26, пятый сумматор 27.

В основной контур системы входят последовательно соединенные элементы 1-10 и сумматор 27, причем внутренние связи соединяют элементы 4 и 8, а также 5 и 7. Два управляющих канала, имеющих на выходе элемент 14, включают в себя элементы 15, 17, 19, 20 и 21 (первый канал) и элементы 16, 18, 22, 23, 24 (второй канал). К каналам на входе подключены элементы 13 и 26. Выход элемента 14 подключен к управляющим входам элементов 11 и 12, а также к элементу 10 через элемент 25. Сигнал с выхода элемента 5 подается на входы элемента 27 через элементы 11 и 12. Управляющая координата Φ_o поступает на элементы 8 и 26, клемма α соединена со входами элементов 15 и 16.

Устройство работает следующим образом. При поступлении входной управляющей координаты v_o на сумматоры 8 и 26, на которые подается и выходная координата Φ, начинается обработка системой воздействия по цепи звеньев 9, 10, 7, 1, 2 и т.д. На фазовой плоскости этому соответствует движение изображающей точки на начальном параболическом участке траектории. В то же время разность входной и выходной величин поступает с сумматора 26 на сумматоры 17 и 18 и звено 13, на котором начальная разность фиксируется и сохраняется в течение всего цикла отработки воздействия. Выходная величина звена 13 через масштабные звенья 15 и 16 также поступает на сумматоры 17 и 18, где вычитается из текущей разности. Поскольку текущее значение разности по мере отработки уменьшается по абсолютному значению и коэффициент a меньше единицы (α≅0,25), то в течение начального интервала τ выходные величины этих сумматоров будут одного знака, а входные сигналы ячеек 21 и 24 (ячеек И) - разные из-за звеньев 20 и 23, меняющих знак (ячеек НЕ). По этой причине на выходе ячеек 21 и 24, а следовательно, и на выходе ячейки 14 будут нулевые сигналы. В этом случае ячейки 11 и 12 будут закрыты, а из-за наличия ячейки 25 ключ 10 будет открыт, и в этой ситуации реализуется исходная структура привода (структура прототипа, и на фазовой плоскости на этом участке будет выполняться движение по параболе).

После того, как текущая разность уменьшится до величины и будет уменьшаться дальше, выходные величины звена 22 и 23 изменят знак, и на входе звена 21 станут нулевые сигналы, а на входе звена 24 положительные, благодаря чему изменится сигнал на входе звена 14. При этом ключ К₁ (звено 10) закроется, а звенья 11 и 12 откроются, причем со звена 12 на вход усилителя через сумматор 27 начнет подаваться постоянная скорость, зафиксированная на момент переключения, а через звено 11 на вход усилителя через инвертирующий вход сумматора 27 будет подаваться текущее значение скорости. С этого момента размыкается исходный контур и замыкается новая структура системы, обеспечивающая управление по скорости. Задатчиком постоянной скорости будет звено 12. Эту скорость будет отрабатывать контур, включающий звенья прямой цепи исходной структуры, причем на фазовой плоскости этой отработке входного воздействия будет соответствовать средний участок траектории, имеющий постоянную скорость. Движение с постоянной скоростью закончится в момент, когда уменьшающаяся разность станет равной величине . С этого момента выходная величина сумматора 17 ячеек 19 и 20 изменяет знак, на входах звеньев 21 и 24 станут разными сигналы, благодаря чему на выходе ячейки 14 опять станет нулевой сигнал, который откроет ключ К₁ (ячейка 10) и закроет ключ К₂ (ячейка 11) и звено 1. При этом восстановится исходная структура системы, а движение на фазовой плоскости перейдет на заключительный параболический участок траектории.

Участок с постоянной скоростью на фазовой траектории можно изменить по длине, изменяя коэффициент α на звеньях 15 и 16.

Если управляющая координата v_o не изменяет знак, то блок-схему системы управления можно упростить. В этом случае существенно сокращается логическая часть, и все логические ячейки можно реализовать на одной микросхеме с набором трех схем типа И-НЕ. Остальные электронные звенья для полной и упрощенной блок-схем можно реализовать на стандартных аналоговых микросхемах. Для настройки принципиальной электрической схемы устройства можно смакетировать силовую часть привода на операционных усилителях. Настроенная электрическая схема пригодна для любого реального привода на моментных двигателях.

Система предназначена для управления инерционной нагрузкой, например антенной радиотелескопа в режиме, обеспечивающем сокращение средней мощности и затрат энергопотребления, что особенно важно в условиях ограниченных энергоресурсов (в автономных системах). Эффект достигается введением в цикл управления дополнительного интервала управления, в котором производится перемещение нагрузки с постоянной максимальной скоростью. Реализуется эффект введением дополнительного контура управления. По сравнению с прототипом (системой оптимальной по быстродействию) введение указанного интервала за счет увеличения ускорения только на 12% снижает энергопотребление и среднюю мощность почти в 2 раза, за счет удлинения цикла управления только на 6% достигается снижение этих же параметров еще в два раза. 2 ил.

Система автоматического управления инерционной нагрузкой, содержащая последовательно соединенные усилитель, моментный двигатель, инерционную нагрузку, датчик положения, датчик скорости, блок формирования модуля, перемножитель, первый сумматор и релейный элемент, причем выход датчика положения соединен с другим инвертирующим входом первого сумматора, а выход датчика скорости соединен с другим входом перемножителя, отличающаяся тем, что в нее введены два ключа, блок фиксации скорости, блок фиксации начальной разности координат, два канала управления с элементом ИЛИ на их выходах, один из которых выполнен в виде последовательно соединенных первого масштабирующего элемента с коэффициентом α, второго сумматора, первого нуль-органа, первого элемента НЕ и первого элемента И, а второй канал из последовательно соединенных второго масштабирующего элемента с коэффициентом 1-α, третьего сумматора, второго нуль-органа, второго элемента НЕ и второго элемента И, а также введены третий элемент НЕ и четвертый и пятый сумматоры, при этом выход элемента ИЛИ подключен к входу блока фиксации скорости, входу второго ключа и через третий элемент НЕ к входу первого ключа, выход датчика скорости через блок фиксации скорости подключен к первому неинвертирующему входу пятого сумматора, а через второй ключ к инвертирующему входу пятого сумматора, выход релейного элемента через первый ключ подсоединен к второму неинвертирующему входу пятого сумматора, выход которого связан с усилителем, выход второго нуль-органа соединен с вторым входом первого элемента И, выход первого нуль-органа соединен с другим входом второго элемента И, вторые входы второго и третьего сумматоров, а также вход блока фиксации начальной разности координат подключены к выходу четвертого сумматора, выход блока фиксации начальной разности координат соединен с входами масштабирующих элементов, инвертирующий вход четвертого сумматора подключен к выходу датчика положения, неинвертирующие входы четвертого и первого сумматоров подключены к клемме, на которую поступает управляющая координата, другие входы масштабирующих элементов подключены к клемме, на которую поступает коэффициент α.н