Самонастраивающаяся система управления Советский патент 1986 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к металлургической и металлообрабатывающей техника и может найти применение в электроприводах роботов-манипуляторов и металлообрабатывающих станков, которые имеют неупругую связь между электродвигателем и исполнительным меха-, низмом и к которым предъявляются высокие требования к стабильности их динамических характеристик при наличии больших параметрических возмущений ,

Цель изобретения - расширение диапазона регулирования и точности системы .

На .чертеже представлена блок-схема системы.

Система содержит задатчик , первый сумматор 2, регулирующее устройство 3, блок 4 с постоянными параметрами, блок 5 с переменными параметрами, усилитель 6 мощности, электродвигатель 7, датчик 8 скорости, датчик 9 тока, устройство 10 идентификации, второй сумматор 11, первый умножитель 12, третий сумматор 13, первый интегратор 14, четвертый сумматор 15, второй 16 и третий 17 умножители, второй интегратор 18, третий 19 и первый 20 регистры, четвертый умножитель 21, второй регистр 22 пятый умножитель 23, третий интегратор 24, блок 25 сигнальной самонастройки, эталонная модель 26, блок 27 масштабных коэффициентов, блок 28 формирования сигнала самонастройки, анализатор 29 знака, пятый регистр 30, широтно-импульсный преобразова- Tejjb 31, цифроаналоговый преобразователь 32, шестой регистр 33, делитель 34, четвертый регистр 35, шестой умножитель 36 и пятый сумматор 37

Регулирующее устройство 3 содержит блок 4 с постоянными параметрами и блок 5 с переменными параметрами, состойщий из широтно-импульсного преобразователя 31, цифроаналогового преобразователя 32, регистра 33 и делителя 34,

Устройство 10 идентификации содер жит второй сумматор 1I, первый умножитель 12, третий сумматор 13, первый интегратор 14, четвертый сумматор 15, второй 16 и третий 17 умножители, второй интегратор 18, третий 19 и первый 20 регистр, четвертый умножитель 21, второй регистр 22, пятый умножитель 23, третий интег

5

0

5

0

0

5

0

5

5

ратор 24, четвертый регистр 35, шестой умножитель 36 и пятый сумма-- тор 37.

Блок 25 сигнальной самонастройки содержит эталонную модель 26, блок

27масштабных коэффициентов и блок

28формирования сигнала самонастройки, состоящий из анализатора 29 знака и регистра 30.

Основной контур управления (скоростью двигателя) в системе образован задатчиком 1, первым сумматором 2, р.егулир тощим устройством 3, усилителем 6 мощности и электродвигателем 7 с датчиком 8 скорости.

Устройство 10 идентификации предназначено для оценивания коэффициента передачи ток - скорость двигателя 7 . В устройстве 10 идентификации третий интегратор 24 совместно с вторым регистром 22 и пятым умножителем 23 осуществляют формирование сигнала, пропорционального току нагрузки (т.е. отношению момента наг-- рузки к потоку возбуждения двигателя 7). Первый умножитель 12 и первый интегратор 14, соединенные последовательно через третий сумматор 13, образуют настраиваемую модель двигателя 7. Поскольку на второй вход сумматора 1I подаются как сигнал, пропорциональный току двигателя, снимаемый с датчика 9 тока, так и сигнал, пропорциональный току нагрузки, то на вход настраиваемой модели поступает в виде оценки та же величина , что и реально действующая на входе двигателя 7 (динамический ток). Это позволяет использовать получаемый на выходе четвертого сумматора 15 сигнал ошибки для настройки коэффициента передачи модели (так как эта ошибка обусловлена только различием коэффициентов передачи двигателя 7 и модели) и, следовательно, для идентификации коэффициента передачи двигателя 7. Оценка этого коэффициента, вырабатьтаемая вторым интегратором 18, подается на управляющий вход блока 5 с переменными паг раметрами регулирующего блока 3j настраивая его коэффициент передачи (параметрическая самонастройка).

Блок 25 сигнальной самонастройки обеспечивает сигнальную самонастройку системы.

Усилитель 6 мощности и электродвигатель 7 являются аналоговыми блока

3

ми, датчик 8 скорости и датчик 9 тока - аналого-цифровыми блоками, ши- ротно-импульсный преобразователь 31 и цифроаналоговый преобразователь 32 цифроаналоговыми блоками, а остальны блоки системы выполнены в цифровом виде. Регистры 19, 20, 22, 29, 33 и 35 весовых коэффициентов позволяют задавать параметры системы (алгоритма управления) путем занесения в эти регистры соответствующих кодосигна- лов,

Блок 27 масштабных .коэффипиентов схемно может быть реализован например, с помощью шестого сумматора, первый и второй входы которого являются соответственно первым и третьим входами блока 27 масштабных коэффициентов, седьмого сумматора, первый и второй входы которого являются соответственно вторым и четвертым входами блока 27 масштабных коэффициентов, восьмого сумматора, выход которого служит выходом блока 27 масштабных коэффицентов, последовательно со единенных седьмого регистра и седьмого умножителя и последовательно соединенных восьмого регистра и восьмого умножителя, причем вторые входы седьмого и восьмого умножителей под- ключены к выходам соответственно шестого и седьмого сумматоров, а выходы - соответственно к первому и второму входам восьмого сумматора (не показан),

Цифровая часть самонастраивающейся системы управления может быть выполнена на цифровых интегральных микросхемах серий 1802, 1804, 133, 530, 533,572. Например, эталлоная модель 26 может быть реализована в виде цифрового фильтра на микросхемах 133ИП4, 133ТМ5, 133ТМ7 и 133ИМЗ; первый 14, второй 18 и третий 24 интеграторы - на микросхемах 133;:Ш4, 133ТМ5;первый 2, второй 11, третий 13, четвертый 15 и пятый 37 сумматоры - на микросхемах 133ИП4, 133ИМЗ; третий 19, первый 20, второй 22, пятый 30, тестой 33 и четвертый регистры 35 - на микросхемах 133ТМ5, 133ТМ7; первый 12, второй 16, третий 17, четвертый 21, пятый 23 и шестой 36 у шожители и делитель 34 - на

Предположим, что коэффициент передачи двигателя 7 между током и скоростью изменяется, например умень шается вследствие уменьшения потока возбуждения или увеличения приведенного момента инерции. В этом случае во время переходного процесса, вызванного, например, увеличением цифрового задающего сигнала, выходной цифровой сигнал датчика 9 тока, проходя через второй сумматор 11, первый умножитель 12, третий сумматор 13, первьй интегратор 14, вызывает изменение выходного сигнала первого интегратора 14, который вычитается в четвертом сумматоре 15 из цифроарифметическом расширителе (умножите-55 вого сигнала датчика 8 скорости. На

лё ) серии 1802, на микропроцессоре 1804ВС1; блок 4 с постоянными параметрами регулирующего устройства 3

выходе четвертого сумматора 15.появляется отрицательный сигнал ошибки. Этот сигнал, будучи умножен во вто10

5

20

253049478 . 4

может быть реализован как цифровой П, ПИ- или njiU- регулирующий блок на элементах серий 1802, 1804, 133 и др.

Самонастраивающаяся система управления (скорость вращения электродвигателя с переменным приведенным моментом инерции и регулируемым потоком возбуждения) работает следующим образом,

Задатчик 1 вырабатьшает последовательность цифровых выборок задающего аналогового сигнала (цифровых задающих сигналов). Этот сигнал через первый сумматор 2 и блок 4 с посто янными параметрами регулирующего устройства 3 поступает на ши- ротно-импульсный преобразователь 31 и после преобразования в аналоговую величину передается через усилитель 6 мощности на электродвигатель 7, который благодаря совместному дей-- ствию регулирующего устройства 3 и отрицательной обратной свяаи с выхода датчика 8 скорости на второй вход второго с нматора 2 развивает скорость вращения, соответствующую данному задающему сигналу. Настроечные параметры регулирующего устройства 3 выбраны таким образом, что при номинальном приведенном моменте инерции двигателя 7 и номанальном потоке возбуждения динамические свойства системы {быстродействие и динамические ошибки .lO управлению и возмущению ) удовлетворяют техническим требованиям и считаются оптимальными.

Предположим, что коэффициент передачи двигателя 7 между током и скоростью изменяется, например уменьшается вследствие уменьшения потока возбуждения или увеличения приведенного момента инерции. В этом случае во время переходного процесса, вызванного, например, увеличением цифрового задающего сигнала, выходной цифровой сигнал датчика 9 тока, проходя через второй сумматор 11, первый умножитель 12, третий сумматор 13, первьй интегратор 14, вызывает изменение выходного сигнала первого интегратора 14, который вычитается в четвертом сумматоре 15 из цифро35

40

45

50

55 вого сигнала датчика 8 скорости. На

выходе четвертого сумматора 15.появляется отрицательный сигнал ошибки. Этот сигнал, будучи умножен во втором умножителе I6 на положительный выходной сигнал второго сумматора 1I и пройдя через третий умножитель 7, вызывает уменьшение выходного сигнала 5 второго интегратора 18, который сум- мируется в пятом сумматоре 37 с входным сигналом второго интегратора 18, прошедшим через шестой умножитель 26, Вследствие этого коэффициент передачи Ю первого умножителя 12 по первому входу уменьшается до тех пор, пока ошибка на выходе четвертого сумматора 15 не становится равной нулю, а 2 оэффициент передачи по первому вхо- 15 ду первого умножителя 12,т.е. выходной 1сигнал второго интегратора 18, не стано- вится равным коэффициенту передачи двигателя 7, чем и обеспечивается его идентификация. Контур, образо- 20 ванный третьим сумматором 13, первым интегратором 14, четвертым сумматором 21 и первым регистром 20, обеспечивает затухание начальной ошибки, . возникающей на выходе четвертого матора 15. Если переходный процесс в основном контуре системы характеризуется гораздо большими значениями тока, чем те, для которых рассчитаны параметры устройства 10 идентифи- 30 кации, то в случае отсутствия четвертого регистра 35, шестого умножителя 36 и пятого сумматора 37 переходный процесс в устройстве 10 идентификации приобретает ярко выраженный ко- 35 лебательный характер вследствие сильного увеличения коэффициента контура, образованного первым умножителем

12,третьим сумматором 13, первым интегратором 14, четвертью суммато- 40 ром 15, вторым 16 и третьим 17 умножителями и вторым интегратором 18 (сигнал, пропорциональный току двигателя 7, подводится к этому контуру через датчик 9 тока и второй сум- 5 матор 11 мультипликативно в двух точках - в первом и во втором умножителях 12 и 16). Напротив, введение указанных блоков стабилизирует скорость протекания и качество переходных про-50 цессов в устройстве 10 идентификации. Вьпсодной сигнал датчика 9 тока, проходя через второй сумматор 11, первый умножитель 12, третий сумматор

13,первый интегратор 14, четвертый 55 сумматор 15, второй 16 и третий 17 умножители и второй интегратор 18, стремится сильно увеличить выходной

сигнал второго интегратора 18, вырабатывающего оценку коэффициента передачи двигателя 7. Однако входной сигнал второго интегратора 18, проходя через шестой умножитель 36, который в отличие от второго интегратора 18 является безынерционным, и. далее через пятьш сумматор 37, первый умножитель 12, третий сумматор 13 и первый интегратор 14, резко увеличивает выходной сигнал первого интегратора 14, который, вычитаясь в четвертом сумматоре 15 из сигнала датчика 8 скорости, вызывает уменьшение выходного сигнала второго интегратора 18, обеспечивая, таким образом, стабилизацию системы.

Цифровой сигнал с выхода второго интегратора 18 поступает на управляющий вход блока 5 с переменными параметрами регулирующего устройства 3, увеличивая (благодаря наличию делителя 34) коэффициент передачи регулирующего устройства 3 и компенсируя, таким образом, уменьшение коэффициента передачи двигателя 7, чем и достигается эффект параметрической самонастройки. Перестройка коэффициента передачи регулирующего устройства 3. осуществляется с помощью циф- роаналогового преобразователя 32, изменяющего, в соответствии со значением выходного сигнала делителя 34, напряжение питания широтно-импульсного преобразователя 31,

Точная идентификация коэффициента передачи двигателя 7 оказывается возможной благодаря тому, что на входе настраиваемой модели двигателя, образованной вторым умножителем 12 и первым интегратором 14, формируется сигнал, пропорциональный динамическому току. Третий интегратор 24 осуществляет идентификацию составляющей тока, пропорциональной отношению момента нагрузки к потоку возбуждения двигателя 7. В случае увеличения момента нагрузки двигателя 7, скорость двигателя 7 начинает уменьщаться, а ток возрастать. Поскольку сигнал на выходе третьего интегратора 24 соответствует прежнему значению момента нагрузки, то выходной сигнал первого сумматора 11 перестаёт соответствовать динамическому току, воздействующему на двигатель 7, Выходной сигнал первого интегратора 14 увеличивается

а сигнал с выхода датчика 8 скорости уменьшается. Под действием возникающего на выходе ;четвертого сумматора 15 отрицательного сигнала ошибки вы- ходной сигнал третьего интегратора 24 (его знак отрицателен) начинает возрастать до тех пор, пока не придет в соответствие с новым значением момента нагрузки двигателя 7,

Блок 25 сигнальной самонастройки обеспечивает согласование динамики системы с динамикой эталонной модели 26 путем подачи на вход первого сумматора 2 дополнительного сигнала самонастройки. .Эталонная модель 26 настраивается, исходя из желаемого вида реакции системы на выходной, сигнал задатчика 1. При параметрических возмущениях контур параметрической самонастройки вследствие своей инерционности вступает в действие не сразу, Напротив, блок 25 сигнальной самонастройки начинает немедленно ликвидировать ошибку межд у скоростью двигателя 7 и выходными сигналами эталонной модели 26.

Блок 27 масштабных коэффициентов формирует сигналы ошибок по скорости и ее производной (предполагается, что система с жесткой связью между двигателем 7 и исполнительным механизмом всегда может быть представлена эквивалентной системой второго порядка, в связи с чем для обеспече- ния устойчивости процесса адаптации необходима информация только о производной регулируемой координаты), для чего из сигнала с первого выхода эталонной модели 26 вычитается выходной сигнал датчика 8 скорости, а из сигнала второго выхода эталонной модели 26 вычитается сигнал с выхода третьего сумматора 13.

Сигналы разности усиливаются в со ответствии с масштабными коэффициентами, а затем суммируются. -Выходной сигнал блока 27 масштабных коэффициентов подается на вход блока 28 формирования сигнала самонастройки. Он реализует знаковую функцию (для чего входной сигнал в нем происходит, через анализатор 29 знака и регистр 30) и вырабатывает сигнал самонастройки, поступающий на первый вход первого сумматора 2. Построенная таким образом система ликвидирует отклнения текущего значения скорости дви5

5 О

5 0

0

гателя 7 от эталонного значения, сформированного эталонной моделью 26 вне зависимости от того, какими причинами эти отклонения вызваны: изменением параметров объекта (не -показан), действием внешних возмущений или исходными различиями динамических свойств объекта и эталонной модели 26. Блок 25 сигнальной самонастройки компенсирует изменение па- раметров объекта в сравнительно узком диапазоне (до трех раз в обе стороны) , в то время как основной контур самонастройки(параметрической) обеспечивает отработку параметрических возмущений в широком диапазоне (десятки раз) .

Благодаря включению в основной контур системы широтно-импульсного преобразователя 31 резко повышается точность системы при малых значениях задающего сигнала и расширяется диапазон регулирования скорости (в десятки раз и более). Разрядность выпускаемых цифроаналоговых преобразователей в, лучшем случае 8-16, а обычно 8-12, что обеспечивает в случае, например, 12-разрядного цифро- аналогового преобразователя 2 4000 уровней-квантования выходного сигнала регулирующего устройства 3 в известной системе. При включении в основной контур регулирования широтно-импульсного преобразователя 31 появляется возможность увеличить число уровней квантования (во времени ) в десятки сотни раз. Например, при значении шага дискретизации во времени 10 не и максимальной длительности импульса 100 мс широтно-импульсного преобразователя 31 получается IО млн значений управляющего сигнала, т.е. на три порядка больше, чем в известной системе. В этом случае при требуемом диапазоне регулирования скорости, например,10000: 1 погрешность поддержания заданного значения скорости не превьщ1ает 0,1%.

Введение в устройство 10 идентификации новых блоков с соответствующими связями позволяет стабилизировать процесс идентификации коэффициента передачи двигателя 7, исключив влияние на этот процесс среднего значения тока двигателя 7, и тем самым повысить точность настройки коэффициента регулирующего блока 3.

Благодаря этому в предлагаемой сие- теме повьппается динамическая точность регулирования скорости.

Таким образом, введение указанн-ой совокупности отличительных признаков позволяет повысить точность системы и расширить диапазон регулирования скорости.

Формула изобретения

1, Самонастраивающаяся система управления, содержащая последовательно соединенные задатчг-ж, блок сигнальной самонастройки, первый сумматор, регулирующее устройство, усилитель мощности, электродвигатель, датчик тока, второй сумматор, первый умножитель, третий сумматор, лервьш интегратор, четвертый сумматор, второй и третий умножители и второй интегратор, подключенный выходом к управляющему входу регулирз щего устройства, датчик скорости, кинемати- чески связанный с валом электродви-- гателя и соединенный выходом с вторым входом блока сигнальной самонастройки, с вторым входом второго сумматора и с вторым входом четвертого сумматора, подключенного выходом к первым входам четвертого и пятого умножителей, подсоединенных вторыми входами к выходам соответственно первого и второго регистров, а выходамисоответственно с вторым входом третьего сумматора и входом третьего интегратора, подключенного выходом к второму входу вт.орого сумматора, со0

s 0 5 о

единенного выходом с рторьгм входом второго умножителя, выход третьего сумматора подключен к третьему входу блока сигнальной самонастройки, выход задатчика соединен с третьим входом первого сумматора, выход третьего регистра соединен с вторым входом третьего умножителя, отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования и точности системы, в ней дополнительно установлены пятый сумматор, четвертый регистр и шестой умножитель, соединенный первым входом с выходом третьего умножителя, вторым входом - с выходом четвертого регистра, а выходом - с первым входом пятого сумматораJ подключенного вторым входом к выходу второго интегратора, а выходом - к второму входу первого умножителя.

2. Система по п.1, о т л и ч а ю- щ а я с я тем, что регулирунрее устройство содержит последовательно соединенные блок с.постоянными параметрами, широтно-импульс«ый преобразователь и последовательно соединенные регистр, делитель и цифрозналоговьй преобразователь, подключенный выходом к управляющему входу широтно- импульсного преобразователя, причем вход блока с постоянными параметрами, второй .вход делителя и вьгход широтно- импульсного преобразователя являются информационным и управляющим входами и выходом регулирующего .устройства.

ВНИЙГШ Заказ 4323/48

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 836

Подписное

Изобретение относится к металлургической и металлообрабатьюающей технике и -может найти применение в электроприводах роботов манипуляторов и металлорежущих станков, которые имеют неупругую связь между электродвигателями и исполнительным механизмом и к которым предъявляются высокие требования к стабильности их динамических характеристик при наличии больших параметрических возмущений. В системе решается задача обеспечения устойчивой отработки ползучих скоростей и компенсации больших параметрических возмущений. Сигнал задания поступает на вход эталлоной модели,-формирующей эталонный сигнал регулируемой координаты и ее производной. Эти сигналы поступают на первый и второй входы блока масштабных коэффициентов, на третий вход которого поступает сигнал регулируемой координаты-скорости, а на четвертый - первый выходной сигнал устройства идентификации. Блок масштабных коэффициентов формирует эталонные сигналы регулируемой координаты и ее производной в предположении, что данная система может быть представлена эквивалентной системой второго порядка. Его выходной сигнал через анализатор знака и регистр поступает на первый вход первого сумматора, где суммируется с сигналом резания и регулируемой координатой. Выходной сигнал .первого сумматора через блок с постоянными параметрами регулирующего устройства (и, ПИ, ПИД-блок) поступает на сигнальный вход широтно-импульс ного преобразователя, выходной сигнал которого усиливается по мощности и воздействует на двигатель, -На двигателе установлены датчик скорости (т.е, регулируемой координаты) и датчик тока. Их выходные сигналы подаются на входы устройства идентификации, которое определяет коэффициент передачи двигателя между скоростью и то- ком, Вькодной сигнал этого устройства поступает на управлякиций вход блока с пе:ременными параметрами регулирующего устройства и в нем на вход Делитель делителя, на вход Делимое которого поступает сигнал регистра. Выходной сигнал делителя через цифроаналоговый преобразователь поступает на вход питания широтно- импульсного преобразователя, вызьшая изменения параметров блока с переменными параметрами, 1 з,п,ф-лы, I ил. с (Q (Л bSi ;о 4; СХ)