УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСПОКОЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G05D19/02 

Изобретение относится к области демпфирования колебаний упругих элементов конструкции объектов и может быть преимущественно использовано при проектировании и создании перспективных систем управления объектами нежесткой конструкции.

Известно устройство [1] (аналог), предназначенное для гашения колебаний упругого элемента, когда пассивным демпфированием в системе возможно пренебречь. Это устройство реализует закон управления жесткостью упругого элемента в координатно-временной форме:

где q - фазовая координата упругого элемента; ω_max, ω_min - максимальная и минимальная частоты колебаний упругого элемента из диапазона возможных изменений; t - текущее время; t₀ - наиболее поздний момент времени, в который отклонение упругого элемента обращалось в ноль;

- длительность режима движения с максимальной жесткостью в течение характерного полупериода колебаний Т₀=T₂+Т₃;

- соответственно длительность режима движения с минимальной жесткостью в течение характерного полупериода колебаний; ϕ - постоянный параметр (угол логики) при фиксированном значении параметра

Функциональная схема устройства [1] представлена на фиг.1. Устройство содержит объект 1 управления (упругий элемент), датчик 2 отклонения упругого элемента, блок 3 управления, регулятор 4 жесткости. Блок 3 управления содержит индикатор нуля 5, ключ 6, триггер 7, первый и второй элементы задержки 8 и 9.

Эффект от функционирования устройства [1] (быстродействие) варьируется через значения параметров Т₂, и T₃, которые зависят от ω_max, х и ϕ (см. (2) и (3)). Учитывая, что последний из этих параметров в свою очередь зависит от х, можно сделать вывод о том, что эффект от применения устройства [1] определяется частотными характеристиками ω_min и ω_max управляемого упругого элемента.

Использование устройства [1] предполагает точное знание частот ω_min и ω_max, через которые вычисляются х, ϕ(х), а также T₃ и Т₂. Значения последних двух параметров позволяют обоснованно выбрать характеристики элементов задержки 8 и 9 соответственно.

Однако (предварительно) точно определить параметры ω_min и ω_max для конкретного упругого элемента зачастую невозможно. Ошибка в определении этих частот может достигать в некоторых случаях 100% и более. Особенно актуальна эта проблема для упругих систем, конструктивные параметры и характеристики которых способны изменяться в течение цикла их применения.

В таких условиях целесообразно использовать устройство [2] (прототип), в котором в процессе колебаний реального упругого элемента на основе информации о его движении осуществляется корректирование частотных параметров на каждом интервале управления. Это устройство обеспечивает реализацию оптимального закона управления в форме обратной связи [3, 4]:

где - фазовая скорость упругого элемента, ϕ=ϕ(x) - известная функция.

Функциональная схема устройства [2] представлена на фиг.2. Устройство содержит объект 1 управления (упругий элемент), датчик 2 отклонения упругого элемента, дифференцирующий блок 3, инвертор 4, два делителя 5 и 6, сумматор 7, два релейных элемента 8 и 9, элемент И 10, элемент ИЛИ-НЕ 11, элемент ИЛИ 12, регулятор 13 жесткости, блок 14 оценки частоты, генератор 15 тактовых импульсов, два квадратора 16 и 18, два блока деления 17 и 22, функциональный преобразователь 19 зависимости оптимального угла от частоты, синусный 20 и косинусный 21 функциональные преобразователи. Блок 14 оценки частоты содержит блок 23 формирования оценки и блок 24 осреднения.

Как показано в [1, 4, 5], законы (1) и (5) применительно к свободно колеблющимся упругим системам формально эквивалентны. В этой связи представляется целесообразным, используя преимущества устройства [2], реализовать на его основе управление в координатно-временной форме (1), не требующее в отличие от (5) информации о скорости упругого элемента. При этом достигается упрощение устройства [2].

На фиг.3 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.4 - структурная схема блока расчета временных параметров, на фиг.5 - то же, блока управления, на фиг.6 - то же, блока оценки частоты.

Устройство для успокоений колебаний упругого элемента переменной жесткости (фиг.3) содержит объект 1 управления (упругий элемент), датчик 2 отклонения упругого элемента, дифференцирующий блок 3, блок 4 оценки частоты, блок 5 расчета временных параметров, блок 6 управления, регулятор 7 жесткости, генератор 8 тактовых импульсов.

Блок 5 расчета временных параметров (фиг.4) содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый делители 9-13, первый и второй сумматоры 14 и 15, квадратор 16, нелинейный элемент 17, источник постоянного напряжения 18, вычислитель квадратного корня 19, вычислитель тангенса 20, вычислитель арктангенса 21.

Блок 6 управления (фиг.5) содержит индикатор нуля 22, ключ 23, триггер 24, первую и вторую управляемые линии задержки 25 и 26.

Блок 4 оценки частоты (фиг.6) содержит блок 27 формирования оценки и блок 28 осреднения.

Блок 27 формирования оценки содержит пять ключей 29-33, четыре запоминающих элемента 34-37, четыре квадратора 38-41, два сумматора 42 и 43, делитель 44, формирователь 45 модуля, нелинейный элемент 46, двухразрядный сдвиговый регистр 47.

Блок 28 осреднения содержит шесть ключей 48-53, четыре сумматора 54-57, четыре запоминающих элемента 58-61, два делителя 62 и 63, элемент 64 задержки, инвертор 65, триггер 66, два счетчика 67 и 68, элемент И 69.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

После воздействия внешнего возмущающего момента упругий элемент начинает колебаться с максимальной частотой ω_max, поскольку в состоянии покоя жесткость упругого элемента максимальна (из условия снижения амплитуды колебаний, возникающих от действия внешнего возмущающего импульса).

Датчик 2 отклонения начинает выдавать текущее значение величины обобщенной координаты отклонения упругого элемента, которое поступает на вход дифференцирующего блока 3, первый вход блока 4 оценки частоты и первый вход блока 6 управления. При этом на выходе блока 6 управления сформирован сигнал и=0, который поступает на вход регулятора 7 жесткости, обеспечивая максимальную жесткость упругого элемента, а также на шестой вход блока 4 оценки частоты. Текущее значение скорости обобщенной координаты отклонения упругого элемента выдается с выхода дифференцирующего блока 3 на второй вход блока 4 оценки частоты.

По этой информации в блоке 4 оценки частоты на каждом такте генератора 8 тактовых импульсов, начиная со второго, формируются оценки максимальной и минимальной частот системы, которые поступают соответственно на второй и первый входы блока 5 расчета временных параметров (см. фиг.4). На первом такте генератора 8 тактовых импульсов в качестве оценок частоты выступают значения и . Сигналы и образуют входы первого делителя 9, выходной сигнал с которого, пройдя через квадратор 16, представляет собой оценку параметра х_i по формуле (4). Также сигнал поступает на вторые входы четвертого и пятого делителей 12 и 13 соответственно. Сигнал х_i с выхода квадратора 16 нелинейным элементом 17 преобразуется в значение оптимального угла логики ϕ=ϕ(х_i) (аналогично функциональному преобразователю 19 в устройстве-прототипе [2]). Одновременно сигнал х_i преобразуется вычислителем квадратного корня 19 и поступает на первый вход второго делителя 10 и второй вход третьего делителя 11. Значение угла логики ϕ с выхода нелинейного элемента 17 преобразуется вычислителем тангенса 20 и образует второй вход второго делителя 10. На выходе второго делителя 10 формируется сигнал который проходит через вычислитель арктангенса 21 и поступает на первый вход второго сумматора 15, на втором входе которого - сигнал π/2, вырабатываемый источником постоянного напряжения 18. На выходе второго сумматора 15 формируется сигнал и поступает на первый вход третьего делителя 11. С выхода третьего делителя 11 сигнал поступает на первый вход пятого делителя 13. Выход пятого делителя 13 образует второй выход блока 5 расчета временных параметров, на котором сформирован сигнал T₂ согласно формуле (3). Формируемый источником постоянного напряжения 18 сигнал π/2 поступает также на второй вход первого сумматора 14, на первый вход которого приходит сигнал ϕ с выхода нелинейного элемента 17. На выходе первого сумматора 14 формируется сигнал π/2-ϕ, который четвертым делителем 12 преобразуется в сигнал T₃ согласно формуле (2). Выход четвертого делителя 12 образует первый выход блока 5 расчета временных параметров.

Сформированные сигналы T₂ и T₃, дискретно пересчитываемые с частотой следования импульсов с генератора 8 тактовых импульсов, соответственно со второго и первого выходов блока 5 расчета временных параметров поступают на третий и второй входы блока 6 управления и далее на управляющие входы линий задержки 26 и 25 соответственно для настройки их параметров (см. фиг.5). Когда жесткость упругого элемента установлена максимальной, на выходе блока 6 управления (соответственно на выходе триггера 24) сформирован сигнал и=0, который через инверсный управляющий вход открывает ключ 23. При первой же смене знака отклонения упругого элемента на первом входе блока 6 управления индикатор нуля 22 выдает импульс, который через открытый ключ 23 поступает на вход первой линии задержки 25, в которой обеспечивается задержка сигнала на период T₃ (см. (2)). В течение интервала времени длительностью T₃ на выходе триггера 24 гарантирован сигнал и=0, что отвечает установлению максимальной жесткости упругого элемента в соответствии с законом управления (1).

В силу того, что в течение режима движения упругого элемента с максимальной жесткостью осуществляется многократная перенастройка линий задержки 25 и 26 под текущие частотные характеристики упругого элемента, обеспечивается адаптивность алгоритма (1) управления жесткостью к изменению частот упругого элемента. Как только текущая оценка параметра T₃ окажется меньше задержки, уже реализованной линией задержки 25, импульс с выхода первой линии задержки 25 переключает триггер 24 в единичное состояние, благодаря чему устанавливается минимальная жесткость системы. При этом ключ 23 закрывается и блокирует входной информационный канал. Этот же импульс, проходя через вторую линию задержки 26, по истечении интервала времени T₂ (см. (3)) переводит триггер 24 в нулевое состояние, благодаря чему в системе устанавливается максимальная жесткость, и ключ 23 открывается. Система вновь готова реагировать на смену знака отклонения упругого элемента аналогично описанному выше. Существенно, что в режиме движения с минимальной жесткостью, аналогично режиму движения с максимальной жесткостью также обеспечивается адаптивность алгоритма (1) к изменению частот упругого элемента.

Необходимо, однако, отметить, что для повышения устойчивости и регулярности переключения на максимальную жесткость целесообразно обеспечивать задержку сигнала во второй линии задержки 26 несколько меньше, чем Т₂, с таким расчетом, чтобы импульс с индикатора нуля 22 успевал пройти через ключ 23, вновь открывающийся сигналом с триггера 24.

В то же время в силу разнотемповости формирования сигналов T₂ и T₃ в блоке 5 расчета временных параметров при изменениях оценок частот системы и настройка второй линии задержки 26 в блоке 6 управления запаздывает по отношению к настройке первой линии задержки 25 на некоторое время τ₀. Фактически это означает, что адаптивные свойства предлагаемого устройства реализуются в худшем случае с запаздыванием по времени τ₀. Однако, поскольку характерный полупериод колебаний упругого элемента переменной жесткости T₂+Т₃>>τ₀, влияние запаздывания не сказывается существенно на качестве управления.

Источники информации

1. Патент 2192036 РФ, G 05 D 19/02, F 16 F 15/00, 2002 (п.1, аналог).

2. А.С. 1500990 СССР, G 05 В 11/01,1987 (прототип).

3. Шалымов С.В., Мануйлов Ю.С. Оптимальное повышение диссипации в упругой системе за счет управления ее жесткостными свойствами // Методы и алгоритмы исследования автоматических систем управления. Вып. 6. - Л.: МО СССР, 1988. - С.26-31.

4. Шалымов С.В. Оптимальное гашение колебаний простых упругих систем с управляемой жесткостью. - МО РФ, 2001. - 101 с.

5. Шалымов С.В. Координатно-временное управление гашением колебаний упругой системы переменной жесткости // Изв. вузов. Приборостроение. Т.46, №12, 2003, С.54-59.

Изобретение относится к демпфированию колебаний упругих элементов конструкций объектов и может быть использовано преимущественно при создании перспективных систем управления объектами нежесткой конструкции. Устройство содержит датчик отклонения упругого элемента, дифференцирующий блок, блок оценки частоты, блок расчета временных параметров, блок управления, регулятор жесткости упругого элемента и генератор тактовых импульсов. Текущее значение скорости изменения обобщенной координаты отклонения упругого элемента выдается с выхода дифференцирующего блока на вход блока оценки частоты. В блоке оценки частоты на каждом такте генератора тактовых импульсов формируются оценки максимальной и минимальной частот линейно-демпфированной упругой системы, которые поступают на входы блока расчета временных параметров. С выхода блока расчета временных параметров значения длительностей режимов движения с максимальной и минимальной жесткостью упругого элемента поступают на входы блока управления. Устройство не требует информации о скорости упругого элемента, что приводит к упрощению устройства. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости, содержащее подключенный к выходу упругого элемента датчик отклонения упругого элемента, а к входу - регулятор жесткости упругого элемента, выход датчика отклонения упругого элемента соединен с входом дифференцирующего блока и первым входом блока оценки частоты, выход дифференцирующего блока связан со вторым входом блока оценки частоты, третий, четвертый и пятый входы блока оценки частоты подключены соответственно к первому и второму источникам постоянного напряжения и генератору тактовых импульсов, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком управления и блоком расчета временных параметров, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока оценки частоты, первый вход блока управления связан с выходом датчика отклонений упругого элемента, второй и третий входы блока управления подключены соответственно к первому и второму выходам блока расчета временных параметров, выход блока управления соединен с шестым входом блока оценки частоты и входом регулятора жесткости упругого элемента.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок расчета временных параметров содержит пять делителей, первый и второй сумматоры, квадратор, нелинейный элемент, источник постоянного напряжения, вычислитель квадратного корня, вычислитель тангенса, вычислитель арктангенса, причем первый вход блока расчета временных параметров через последовательно соединенные первый делитель, квадратор, нелинейный элемент, первый сумматор и четвертый делитель связан с первым выходом блока расчета временных параметров, выход квадратора через последовательно соединенные вычислитель квадратного корня, второй делитель, вычислитель арктангенса, второй сумматор, третий делитель и пятый делитель соединен со вторым выходом блока расчета временных параметров, второй вход которого подключен ко вторым входам первого, четвертого и пятого делителей, выход нелинейного элемента через вычислитель тангенса связан со вторым входом второго делителя, выход вычислителя квадратного корня соединен со вторым входом третьего делителя, источник постоянного напряжения подключен ко вторым входам первого и второго сумматоров.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит индикатор нуля, ключ, первую и вторую управляемые линии задержки и триггер, причем первый вход блока управления через последовательно соединенные индикатор нуля, ключ и первую линию задержки связан с первым входом триггера, выход которого подключен к управляющему входу ключа и к выходу блока управления, выход первой линии задержки через вторую линию задержки соединен со вторым входом триггера, второй и третий входы блока управления подключены к управляющим входам первой и второй линий задержки соответственно.