Система автоматического регулирования Советский патент 1984 года по МПК G05B17/00 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может найти применение, когда регулирование ведется в циклическом режиме с повторяющимся характером возмущений. Примерами таких систем могут служить системы управления прокатными станами или системы число,вого программного управления (СЧПУ) металлорежущими станками.

Известна система автоматического регулирования с циклически повторя 0б1имися управляющими воз):(ействиям1г, которые перед каждым циклом отработки, начиная со второго, корректируются посредством накопления информации об ошибк 1Х управления в пре дьадущнх циклах С13.

В этой системе регулирования сигнал коррекции, равный сумме ошибок предыдущих циклов отработки исходной управляющей программы, подается одновременно с нею на вход следящего привода. Исследования динамики процессов а таких системах показывают, что для обеспечения устойчивости процесса необходимо -выполнение условия

(l-K(ja)

(1)

в полосе частот 0 и;,где K(jw) частотная характеристика замкнутого следящего.-привода, являющегося основным контуром регулирования. Условие (1) вуказанной системе выполняется лишь в низкочастотной области спектра ошибок, что приводит к уменьшению ошибок управлени при первых циклах коррекции управля щей программы и увеличению ошибок при дальнейших циклах. Таким образом, система регулирования сохраняет работоспособность при ограниченном числе циклов коррекции (обычно 3-4 цикла).

Известна также система регулиров.НИН, в которой процесс сходится в неограниченной полосе частот, что дает возможность повышать точность управления при неограниченном увеличении числа циклов коррекции 2J.

Недостатком указанной системы является то, что для корректировки управляющей программы в промежутке между циклами необходимо время, равное длительности ее воспроизведения .в реальном масштабе времени. Это приводит к существенной потере производительности автоматизированного объекта.

Кроме того, указанные способы коррекции обладают общим недостатком. Они могут быть реализованы только в системах ;1ислоного программного управления, использующих в качестве программоносителя магнитную ленту. Поскольку последняя как программоноситель устарела и в новых разработках не используется, способы коррекции потеряли перспективу.

Наиболее близкой к предлагаемой является система автоматического 5 регулирования, в состав которой входят основной контур регулирования, содержащий последовательно соединенные программное устройство, измеритель рассогласования с под10 ключейным к программному устройству первым входом, сглаживакмций фильтр, усилитель, сумматор аналоговых сигналов, у которого к усилителю подключен первый вход, исполнительное 15 устройство, объект регулирования и датчик обратной связи, выход которого соединен с вторым входом измерителя рассогласования, и дополнительный ко-нтур регулирования, - содержащий два блока записи-воспроизведения информации и таймерное устройство, первый выход которого соединен с входом управления режимом работы первого блока записивоспроизведения, а второй выход - с первым каналом ввода тактовых импульсов блока записи-воспроизведения З.

Известная система автоматического регулирования может быть реализова0 на на средствах вычислительной техники без использования в качестве программоносителя магнитной ленты. Однако условие устойчивости (1) выполняется лишь в низкочастотной 5 области спектра ошибок, так как и здесь корректирующий сигнал вводится в ОСНОВНОЙ контур регулирования однов еменно с исходной управляющей программой. Наличие в основном 0 контуре регулирования сглаживающего фильтра создает дополнительные трудности в обеспечении выполнения условия устойчивости (1) из-за вносимого фазового запаздалвания. Пци с работе известной системы ошибка управления сначала уменьшается от цик. ла к циклу коррекции управляющей программы, а затем начинает увеличиваться после каждого цикла коргрекции. Это делает систему управле Iния малоэффективной и препятствует ее применению при автоматизации производственных процессов с объектами управления, описываемыми уравнениями выше первого порядка. 5 Цель изобретения - обеспечение устойчивости процесса регулирования в неограниченной полосе частот спектра ошибок.

Поставленная цель достигается 0 тем, что в систему автоматического регулирования, содержащую последова- тельно соединенные программное устройство, измеритель рассогласования, сглаживающий фильтр, усилитель, 5 сумматор аналоговых сигналов и исполнительное устройство, датчик обратной связи, входом подключенный к выходу объекта, регулирования, а выходом соединенный с вторым входом измерителя рассогласования, два бло ка записи-воспроизведения информации и таймерное устройство, первый ВЫХОД которого соединен с входом управления режимом работы первого блока записи-воспроизведения, а второй выход - с первыми входами ввода тактовых импульсов первого и второго блоков записи-воспроизведения, дополнительно введены элемент временной задержки, аналогоцифровой и цифроаналоговый Преобразователи, буферное запоминающее уст ройство, сумматор дискретных сигналов и инвертор, причем вход аналого цифрового преобразователя подключен к выходу усилителя, вход элемента временной задержки подключён к второму выходу таймерного устройства, а выход соединен с вторыми каналами ввода тактовых импульсов первого и второго блоков записи-воспроизведения и с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройств.а входы сумматора дис|сретных сигналов подключены к выходам буферного запоминаиощего устройства и аналогоцифрового преобразователя, а выход соединен с информационными входами блоков записи-воспроизведения, выходы блоков записи-воспроизведения соединены между собой и с входами цифроаналогового преобразователя и буферного запоминающего устройства выход цифроаналогового преобразователя соединен с вторым входом сумматора аналоговых сигналов, выход инвертора срединен с выходом таймерного устройства, а выход - с вхо дом управления режимом работы второго блока записи-воспроизведения. Кроме того, блок записи-воспроизведения информации содержит блок записи, блок считывания, инвертор, схему совпадения, причем информацио ный вход блока записи-воспроизведе ния подключен к сигнальному входу блока записи, вход .управления режи мом работы соединен с разрешающим входом блока записи и с входом инвертора, первый канал ввода тактовы импульсов подключен к тактовому вх ду блока считывания, второй канал ввода тактовых импульсов подключай к тактовому входу .блока записи, пе вый и второй входы схемы совпадения соединены соответственно с выходами инвертора и выходом блока считывания, а выход подключен к вы ходу блока записи-воспроизведенияJ - На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемой системы автоматическо регулирования; на фиг.2 - блок-схе ма блока записи-воспроизведения информации, используемого в системе автоматического регулирования. Система автоматического регулирования содержит программное устройство 1, измеритель 2 рассогласования, сглсокивающий фильтр 3, усилитель 4, сумматор 5 аналоговых сигналов, исполнительное устройство б, датчик 7 обратной связи, объект 8 регулирования, первый и второй блоки 9 и 10 записи-воспроизведения цифровой информации, таймерное устройство 11, элемент 12 временной згшержки, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, буферное запоминающее устройство 15, сумматор 16 дискретных сигналов, инвертор 17; 18 (18 )-22(22 ) - входы и выходы блоков 9 и 10 записи-воспроизведения (18,18 - информационные входы, 19,19 - выходы, 20,20 - входы управления режимом работы, 21, 21 - второй канал ввода тактовых импульсов, 22,22 - первый канал ввода тактовых импульсов. Изображенные на чертеже пунктиром связи означают следующее: программное устройство 1 и таймерное устройство 11 в своей работе жестко . связаны по времени, каждый цикл выдачи управляющей программы с выхода устройства 1 начинается в момент появления первого импульса на выходе элемента 12 временной задержки. Система автоматического регулирования функционирует следующим образом. Узлы системы с 1 по 8 включительно образуют основной контур регулирования, представляющий собой замкнутую следящую систему, С выхода программного устройства 1 поступает циклически повторяющаяся управляющая программа. Сигнал на выходе усилителя 4 является аналоговым и представляет собой ошибку управления, умноженную на суммарный коэффициент передачи сглаживающего фильтра 3 и усилителя 4, Остальные узлы системы регулирова ния (9-17) образуют дополнительный контур регулирования, который связан с основиым контуром через АЦП 13 и ЦАП 14. Задачей вспомогательного контура является формирование корректирующего сигнала при кгждом цикле обработки управляющей программы. Подача корректирующего сигнала на второй вход сумматора 5 приводит к уменьшению снимаемого с выхода усилителя 4 сигнала ошибки со стремлением его к нулю при увеличении числа циклов коррекции. Хранение формируемого корректирующего оигнала

осуществляется блоками 9 и 10 записи-воспроизведения.

Узлы дополнителЁного контура функционируют следующим образом.

При помощи инициативного сигнала, снимаемого с первого выхода таймера 11 в промежутках между циклами обработки управляющей программ блоки 9 и 10 записи-воспроизведения поочередно переводятся из режима записи в режим считывания. Если инициативный сигнал равен единице, блок 9 находится в режиме записи, а блок 10 благодаря действию инвертора 17 находится в режиме считы вания. На вход блока 9 поступает выходной сигнал сумматора 16, выход блока отключен, а запись производится в моменты поступления тактовых импульсов по входу 21. В это врмя поступающая на вход блока 10 информация не записывается, а с выхода его на входы ЦАП 14 и буферного запоминающего устройства 15 снимается информация, считываемая в моменты поступления тактовых импульсных сигналов -на вход 22 . Тактовые импульсные сигналы снимаются с второго выхода таймерного устройства 11. Они проходят через элемент задержки с временным сдвигом, не превышающим периода их следования. Перед следующим циклом отработки управляющей программы инициативный сигнал на первом выходе таймерного устройства 11 становится равным нулю, вследствие чего блок 10 переводится в режим записи, а блок 9 Б режим считывания информации, записанной в предыдущем цикле одновременно с отработкой управляющей программы. Благодаря временному сдвигу между последовательностями тактовых импульсов, используемлх для записи и считывания, считывание производится с упреждением Относительно управляющей программы на величину временной задержки элемента 12.

Блок 9(10) записи-воспроизведения содержит блок 23 записи, блок 2 считывания, инвертор 25, схему 26 совпадения (схема И), носитель 27 записываемой (и считываемой) информации . .

Для обеспечения нормального функционирования дополнительного контура регулирования блок 9(10) записи-воспроизведения функционирует следующим образом.

На усилитель 23 записи, поступает по входу 18(18 ) входная информация, по входу 21 (21 ) - тактовые импульсы, совпадающие по времени с управляющей пррграммой;по входу 2d(20) - сигнал;управления режимом работы блрка 9 (10),.. наличие которого (т.е. равенство единице) является разрешением для записи входной информации. Если поступающий па входу 20(20 ) сигнал равен нулю, запись устройством 23 не производится. По входу 22(22) на устройство 24 считывания поступают тактовые импульсы с опережением относительно тактовых импульсов, поступающих по входу 21(21). Схема 26 совпадения пропускает считываемые .сигналы на выход 19(19) при равном единице выходном ригнале инвертора 25, что имеет место при равном нулю сигнале на входе 20(20). Наоборот, при равном единице сигнале на входе 20(20) считываемые устройством 24 сигналы на выход 19(19) не проходят.

Ра змотрим процесс формирования дополн ельным контуром корректирующего сигнала.,

Пусть основным контуром осуществляется первый цикл отработки управляющей программы. В блоках 9 и 10 записи-воспроизведения информация еще не записана, поэтому на второй вход сумматора 5 через ЦАП 14 сигнал еще не поступает. Сигнал ошибки управления с выхода усилителя 4 через АЦП 13 и сумматор 16 подается на запись одним из.блоков 9 или 10. АЦП 13 осуществляет квантование регистрируемого сигнала по времени в соответствии с тактовыми импульсами на выходе элемента 12 задержки. В следующем цикле записанная информация считывается уже с упреждением по отношению к управляющей программе и через ЦАП 14 подается на сумматор 5 как корректирующий сигнал текущей отработки управляющей nporpaNHvttJo Ошибка второго цикла снова через устройства 13 и 16 поступает на запись. В сумматоре 16 она складывается с корректирующим сигналом, считываемым в блоке записивоспроизведения и пропускаемым через буферное запоминающее устройство 15. В связи с тем, что информация в устройство 15 поступает в моменты действия тактовых импульсов на в-тором выходе таймера 11, а выводится в моменты действия выходных импульсов элемента 12 задержки, прохождение информации через устройство 15 происходит с запаздыванием, равным опережению при считывании корректирующего сигнала. В результате этого сигналы ошибок данного и предыдущего циклов, поступающие на входы сумматора 16, уже не имеют временного сдвига между собой. Таким образом, сигнал коррекции каждого, цикла оказывается равным сумме ошибок всех предыдущих циклов и поДает:;ся в основной контур управления с упреждением по отношению к управляю.щей программе, равным временной за,держки элемента 12.

Благодаря квантованию по времени регистрируемых ошибок управления, осуществляемому аналого-цифро,вым преобразователем 13, и вводу суммы ошибок предыдущих циклов с упреждением процесс регулирования в предлагаемой системе устойчив в неограниченной полосе частот при произвольных динамических параметрах реального объекта регулирования, если период следования тактовых ttt iпульсов и величина временной задержки элемента 1 приближенно равны между собой и в грубом приближении равны постоянной времени основного контура регулирования. Это подтверждается теоретическими исследованиями с экспериментальной проверкой результатов.

Моделирование процессов в предлагаемом объекте и в прототипе показывает эффективность, функционирования предлагаемой систеиф регулирования с параметрами объекта регулирования, при которых известная система теряет устойчивость и оказывается неработоспособной,

в предлагаемой системе регулиования, помимо обеспечения устойчивости, вспомогательный контур полностью реализуется на стандартных узлах вычислительной техники.

Экономический эффект достигается, в частности, при внедрении на станках с ЧПУ за счет повышения производительности оборудования и уменьшения брака, а на прокатных станах в. экономии металла.

1. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащая последовательно соединенные программное устройство, измеритель рассогласо- ; вания, сглаживающий фильтр, усилитель,, сумматор аналоговых сигна- . лов и исполнительное устройство, датчик обратной связи, входог подключенный к выходу объекта регулирования, а выходом соединенный с вторым входом измерителя рассогласования, два блока записи-воспроизведения информации и таймернЬе устройство, первый выход которого соединен с входом управления режимом работы первого блока записивоспроизведения, а второй выход с первыми входами ввода тактовых . импульсов первого и второго блоков, записи-воспроизведения, о т л и ч а ювд а яся тем, что, с целью обеспечения устойчивости процесса регулирования, в нее дополнительно введены элемент временной задержки/ аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, буферное запоминающее устройство, сумматор дискрет- ных сигналов и инвертор, причем : аход аналого-цифрового преобразовав теля подключен к выходу усилителя, вход элемента временной задерЖ1 и подключен к второму вь1ходу таймерного устройства, а выход соединен с вторыми каналами ввода тактовых импульсов первого н второго блоков записи-воспроизведения н с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройства, входы сумматора дискретных сигналов подключены к выходам буферного запоминающего устройства и аналого-цифрового преобразователя, а выход соединен с информационными входами блоков зайисивЬспроизведения, выходы блоков-записи-воспроизведения соединены между собой и с входами цифроганалогового преобразователя и буферного запоминающего устройства, выход (Л цифроаналогового преобразователя соединен с вторым входом сумматора с аналоговых сигналов, вход инвертора , соединен с выходом таймерного устройства, а выход - с входом управления режимом работы второго блока записи-воспроизведения. 2. Система по п.1,,о т л и ч а -. ю щ а я -с я тем, что блок--записи00 W воспроизведения информации содерж11т блок записи, блок считывания, ин-. вертор, схему совпадения, причем информационный вход блока записи-восСП произведения подключен к сигнальному входу блока записи, вход управ06 ления режимом работы, соединен с разрешающим входом блока записи и р входом инвертора, первый канал вво да тактовых импульсов подключен к тактовому входу блока считывания, второй канал ввода тактовых, импульсов подключен к тактовому входу блока записи, первый и второй входы схемы совпадения соединены соответственно с выходом инвертора и выходом блока считывания, а выход подключен к выходу блока записи-воспроизведения.

20(20)

.К

Фuг.f

9(10)

/