СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ НАВЕДЕНИЕМ ИНЕРЦИОННОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2004 года по МПК G05B13/02 G05B11/01 

Изобретение относится к области систем автоматического управления, в частности к системам управления положением инерционных объектов, установленных на самоходном шасси, и может быть использовано в системах наведения радиолокаторов, мобильных робототехнических комплексов, орудий и башен самоходных артиллерийских установок (САУ).

Известны системы [1], [2]. Их недостатками являются низкое качество переходного процесса и, вследствие этого, недостаточное быстродействие. Это объясняется тем, что в известных устройствах при разгоне и торможении двигателя в процессе отработки рассогласования возникают рывки, которые при большой массе объекта управления приводят к раскачке шасси и, как следствие, к ухудшению качества и увеличению продолжительности переходного процесса.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является система управления инерционным объектом [3], принятая за прототип. Она содержит последовательно соединенные задатчик, измеритель рассогласования, нелинейное корректирующее звено с переменной крутизной, первый сумматор, блок усиления с переменным коэффициентом передачи, интегратор, второй сумматор, усилитель мощности, двигатель, механически связанный с входом датчика скорости и входом объекта управления, механически связанного с входом датчика положения, подключенного выходом к второму входу измерителя рассогласования, логический блок, предназначенный для управления изменением коэффициента передачи блока усиления с переменным коэффициентом передачи в зависимости от величины и знака сигналов рассогласования и датчика скорости, и масштабный усилитель, вход которого подключен к выходу первого сумматора, а выход - к второму входу второго сумматора, причем второй вход первого сумматора соединен с выходом датчика скорости.

Недостатком этого устройства является недостаточное быстродействие системы при больших моменте инерции и моменте неуравновешенности объекта управления.

Изобретение направлено на повышение быстродействия
Сущность технического решения заключается в следующем. Наведение инерционных объектов, например орудия САУ, осуществляется приводами, замкнутыми по положению объекта в инерциальной системе координат. При проектировании приводов наведения таких объектов необходимо учитывать следующие присущие им особенности: большой момент инерции объекта, низкую жесткость механических передач, наличие большого люфта в механической передаче (порядка 2-3 мрад). Большой момент инерции объекта в совокупности с низкой жесткостью механической передачи обуславливает малую резонансную частоту системы механическая передача - объект управления. Малая резонансная частота наряду с большим люфтом механической передачи вынуждает добиваться сокращения времени наведения за счет монотонного характера переходного процесса. При этом обеспечивается перемещение объекта к заданному положению без раскрытия люфта в механической передаче, что позволяет устранить колебания объекта в окончательной фазе переходного процесса в пределах люфта и соответственно уменьшить время наведения.

Для коррекции динамических характеристик в схему управления приводом вводится сигнал обратной связи по скорости исполнительного элемента. Высокая точность наведения при действии момента неуравновешенности обеспечивается включением в схему управления интегратора. Интегратор может быть включен в цепь суммарного сигнала сигналов ошибки и скорости исполнительного элемента или непосредственно в цепь ошибки (до сложения сигнала ошибки с сигналом обратной связи по скорости исполнительного элемента).

В первом случае включение интегратора уменьшает запасы устойчивости контура цепи обратной связи по скорости исполнительного элемента, что ухудшает качество переходного процесса и, как следствие, не позволяет получить высокое быстродействие основного позиционного контура. Для увеличения запасов устойчивости необходимо включать в цепь обратной связи дополнительные корректирующие звенья.

Во втором случае контур цепи обратной связи по скорости исполнительного элемента имеет большие запасы устойчивости без включения дополнительных корректирующих звеньев. При наведении объекта управления в направлении, противоположном действию момента неуравновешенности, на выходе интегратора создается сигнал, совпадающий по знаку с отрабатываемым рассогласованием. По этому сигналу исполнительный элемент создает на валу объекта управления момент, достаточный для преодоления момента неуравновешенности и приведения объекта управления в заданное положение с высокой точностью. Наведение объекта управления в направлении, противоположном действию момента неуравновешенности, производится с переходным процессом без перерегулирования.

При наведении объекта управления в направлении, совпадающем с действием момента неуравновешенности, на выходе интегратора также создается сигнал, совпадающий по знаку с отрабатываемым рассогласованием. Однако в этом случае момент, создаваемый исполнительным элементом по выходному сигналу интегратора, складывается с моментом неуравновешенности. В результате объект управления приближается к заданному положению с большой скоростью, вследствие чего возникает перерегулирование. Величина перерегулирования зависит от момента инерции объекта: чем больше момент инерции, тем больше величина перерегулирования. Для возвращения объекта управления к заданному положению исполнительный элемент по сигналу рассогласования сначала выбирает полный люфт механической передачи и лишь затем перемещает объект в требуемое положение. В результате время наведения существенно увеличивается.

Повышение быстродействия при включении интегратора непосредственно в цепь ошибки может быть достигнуто за счет введения цепей управления режимами работы интегратора (интегрирование и обнуление) по сигналам скорости исполнительного элемента и рассогласования.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в систему управления наведением инерционного объекта, содержащую последовательно соединенные задатчик, измеритель рассогласования, сумматор, усилитель мощности, исполнительный элемент, выход которого механически связан с объектом управления, датчик скорости, вход которого механически связан с исполнительным элементом, а выход - с вторым входом сумматора, датчик положения, вход которого механически связан с объектом управления, а выход - с вторым входом измерителя рассогласования, интегратор, включены нуль-орган, вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования, пороговое устройство, вход которого соединен с выходом датчика скорости, элемент ИЛИ, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом нуль-органа и выходом порогового устройства, блок коммутации, первый вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования, второй вход соединен с выходом интегратора, третий управляющий вход соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход - с входом интегратора, причем третий вход сумматора соединен с выходом интегратора.

В заявленном устройстве повышение быстродействия обеспечивается схемой управления режимами работы интегратора, включающей нуль-орган, пороговое устройство, элемент ИЛИ и блок коммутации.

Пороговое устройство формирует сигнал обнуления интегратора при больших скоростях движения исполнительного элемента. Сигнал обнуления поступает на элемент ИЛИ и далее на управляющий вход блока коммутации. Блок коммутации отключает интегратор от измерителя рассогласования и соединяет вход и выход интегратора, что приводит к его обнулению. Обнуление интегратора при больших скоростях движения исполнительного элемента препятствует накоплению сигнала на его выходе на протяжении всей отработки входного воздействия, что способствует получению переходного процесса без перерегулирования.

При подходе к заданному положению скорость исполнительного элемента уменьшается, и при уменьшении сигнала, вырабатываемого датчиком скорости, ниже уровня срабатывания порогового устройства, сигнал обнуления интегратора снимается. Блок коммутации разъединяет вход и выход интегратора и соединяет вход интегратора с выходом измерителя рассогласования. На выходе интегратора начинает вырабатываться сигнал, пропорциональный интегралу сигнала рассогласования.

При наведении объекта управления в направлении, противоположном действию момента неуравновешенности, выходной сигнал интегратора, усиленный усилителем мощности, создает сигнал управления исполнительным элементом, необходимый для преодоления момента неуравновешенности и доведения объекта управления в заданное положение с высокой точностью. Поскольку момент, создаваемый исполнительным элементом по сигналу интегратора, преодолевает момент неуравновешенности объекта, скорость подхода к заданному положению невелика.

При наведении объекта управления в направлении, совпадающем с действием момента неуравновешенности, момент, создаваемый исполнительным элементом по сигналу интегратора, совпадает с моментом неуравновешенности, вследствие чего включение интегратора приводит к увеличению скорости исполнительного элемента и соответственно скорости перемещения объекта управления. Увеличение скорости исполнительного элемента приводит к срабатыванию порогового устройства, по сигналу с которого интегратор обнуляется. Скорость исполнительного элемента вновь уменьшается до величины порога срабатывания порогового элемента. Интегратор через блок коммутации снова подключается к измерителю рассогласования, что приводит к увеличению скорости исполнительного элемента до порога срабатывания порогового устройства и повторному обнулению интегратора. Таким образом, при наведении объекта в направлении, совпадающем с направлением действия момента неуравновешенности, при подходе к заданному положению скорость исполнительного элемента поддерживается вблизи порога срабатывания порогового устройства, что позволяет ограничить скорость движения объекта управления малым значением.

Следовательно, схема управления режимами работы интегратора обеспечивает подход объекта управления к заданному положению с малой скоростью как при движении в направлении, противоположном действию момента неуравновешенности, так и при движении попутно с ним.

При уменьшении сигнала рассогласования до уровня допустимой ошибки нуль-орган вырабатывает сигнал обнуления интегратора, который подается на управляющий вход блока коммутации через элемент ИЛИ. Поскольку скорость движения при подходе к согласованному положению невелика, то обнуление интегратора приводит к остановке объекта управления в заданном положении с ошибкой, не превышающей допустимой величины. Следовательно, наведение инерционного объекта производится с переходным процессом без перерегулирования, что обеспечивает уменьшение его продолжительности.

Таким образом, совокупность перечисленных элементов, соединенных описанным выше способом, позволяет повысить быстродействие.

На чертеже изображена схема заявляемого устройства.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата, заключаются в следующем.

Система управления наведением инерционного объекта содержит последовательно соединенные задатчик 1, измеритель рассогласования 2, нуль-орган 3, а также блок коммутации 4, элемент ИЛИ 5, интегратор 6, сумматор 7, пороговое устройство 8, усилитель мощности 9, датчик скорости 10, датчик положения 11, исполнительный элемент 12, механически связанный с объектом управления 13. Датчик положения 11 механически связан с объектом управления 13 и соединен выходом с вторым входом измерителя рассогласования 2. Первый и второй входы блока коммутации 4 подключены соответственно к выходу измерителя рассогласования 2 и выходу интегратора 6. Третий управляющий вход блока коммутации 4 соединен с выходом элемента ИЛИ 5. Выход блока коммутации 4 соединен с входом интегратора 6. Первый и второй входы элемента ИЛИ 5 подключены соответственно к выходу нуль-органа 3 и выходу порогового устройства 8. Первый, второй и третий входы сумматора 7 соединены соответственно с выходом измерителя рассогласования 2, выходом датчика скорости 10 и выходом интегратора 6. Выход сумматора 7 соединен с входом усилителя мощности 9, выход которого соединен с входом исполнительного элемента 12. Датчик скорости 10 механически связан с исполнительным элементом 12 и соединен выходом с входом порогового устройства 8.

Система управления наведением инерционного объекта работает следующим образом.

Задатчик 1 формирует ступенчатое входное воздействие. Измеритель рассогласования 2 по сигналу входного воздействия и сигналу датчика положения 11 вырабатывает сигнал рассогласования, который поступает на входы нуль-органа 3, блока коммутации 4 и сумматора 7. На сумматоре 7 сигнал рассогласования суммируется с выходными сигналами интегратора 6 и датчика скорости 10. Суммарный сигнал подается на усилитель мощности 9. Усилитель мощности 9 воздействует на исполнительный элемент 12, который отрабатывает имеющееся рассогласование.

При большом рассогласовании исполнительный элемент 12 движется с высокой скоростью, измеряемой датчиком скорости 10. От сигнала с датчика скорости 10 срабатывает пороговое устройство 8. При срабатывании порогового устройства 8 на его выходе вырабатывается сигнал, который через элемент ИЛИ 5 поступает на управляющий вход блока коммутации 4. По этому сигналу блок коммутации 4 отключает интегратор 6 от измерителя рассогласования 2 и соединяет вход и выход интегратора 6. Выходной сигнал интегратора 6 при этом обнуляется.

По мере уменьшения величины рассогласования уменьшается скорость движения исполнительного элемента 12 и соответственно уменьшается сигнал на выходе датчика скорости 10. Уменьшение сигнала на выходе датчика скорости 10 до величины ниже порога срабатывания порогового устройства 8 приводит к исчезновению на его выходе сигнала управления блоком коммутации 4. Блок коммутации 4 разъединяет вход и выход интегратора 6 и соединяет вход интегратора 6 с выходом измерителя рассогласования 2. На выходе интегратора 6 вырабатывается сигнал, пропорциональный интегралу сигнала рассогласования. Включение интегратора 6 при подходе к согласованному положению обеспечивает высокую точность наведения.

При уменьшении рассогласования до величины допустимой статической ошибки на выходе нуль-органа 3 вырабатывается сигнал, который через элемент ИЛИ 5 поступает на управляющий вход блока коммутации 4. Блок коммутации 4 отключает вход интегратора 6 от измерителя рассогласования 2 и соединяет вход и выход интегратора 6. Интегратор 6 обнуляется, и объект управления 13 останавливается в заданном положении.

В предлагаемом изобретении при практической реализации могут быть использованы известные схемные реализации нуль-органа, элемента ИЛИ, порогового устройства.

В качестве исполнительного элемента могут быть использованы электродвигатели постоянного и переменного тока, гидромоторы, поворотные гидравлические секторы, гидроцилиндры, комбинированные подъемно-уравновешивающие механизмы.

В качестве усилителя мощности могут быть использованы электромашинные, полупроводниковые усилители, генераторы, регулируемые насосы.

В качестве датчика положения могут быть использованы индуктивные, индукционные, емкостные, потенциометрические, цифровые датчики, а также гироскопические системы.

В качестве блока коммутации могут быть использованы реле, аналоговые ключи и коммутаторы, а также другие известные схемные реализации.

В качестве датчика скорости могут быть использованы тахогенераторы постоянного и переменного тока, импульсные датчики скорости, гиротахометры.

В качестве задатчика могут быть использованы механические (шкальные) задатчики, приборы ввода-вывода информации, устройства ввода информации в ЭВМ, а также другие известные схемные реализации.

В качестве измерителя рассогласования могут быть использованы счетно-решающие приборы, ЭВМ, блоки обработки, содержащие ЭВМ, а также другие известные схемные реализации.

Источники информации
1. Патент РФ 2071164 от 22.06.92, МПК⁶ Н 02 Р 5/06, G 05 В 11/16, БИ 36, 1996.

2. Заявка на патент РФ 95114272/07 от 08.08.95, МПК⁶ Н 02 Р 5/06, БИ 31, 1997.

3. Патент РФ 2169938 от 23.08.1999, МПК⁶ G 05 В 13/02, БИ 18, 2001.

Изобретение относится к системам автоматического управления, в частности к системам управления положением инерционных объектов. Технический результат заключается в повышении быстродействия. Система содержит задатчик, измеритель рассогласования, сумматор, усилитель мощности, исполнительный элемент, объект управления, датчик скорости, датчик положения, интегратор, нуль-орган, пороговое устройство, элемент ИЛИ, блок коммутации. 1 ил.

Система управления наведением инерционного объекта, содержащая последовательно соединенные задатчик, измеритель рассогласования, сумматор, усилитель мощности, исполнительный элемент, выход которого механически связан с объектом управления, датчик скорости, вход которого механически связан с исполнительным элементом, а выход - с вторым входом сумматора, датчик положения, вход которого механически связан с объектом управления, а выход - с вторым входом измерителя рассогласования, интегратор, отличающаяся тем, что в нее введены нуль-орган, вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования, пороговое устройство, вход которого соединен с выходом датчика скорости, элемент ИЛИ, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом нуль-органа и выходом порогового устройства, блок коммутации, первый вход которого соединен с выходом измерителя рассогласования, второй вход соединен с выходом интегратора, третий управляющий вход соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход - с входом интегратора, причем третий вход сумматора соединен с выходом интегратора.