Устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости Советский патент 1989 года по МПК G05B11/01 

Изобретение относится к области демпфирования колебаний упругих элементов конструкции объектов, может быть использовано преимущественно при проектировании и создании перспективных систем управления объектами нежесткой конструкции и является усовершенствованием изобретения по авт.сво 1129585.

Целью изобретения является повьше- ние быстродействия устройства а

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - схема блока формирования оценки; на фиг. 3 - схема блока осреднения; на фиг. 4 - характеристика нелинейного элемента.

Система содержит объект 1 управления (упругий элемент), датчик 2

отклонения, дифференцирующий блок 3, инвертор 4, первый 5 и второй 6 делители напряжения, сумматор 7,первый 8 и второй 9 релейные элементы,элемент И 10, элемент ИЛИ-НЕ 11, эле- . мент ИЛИ 12, ислолнительный орган 13, блок 14 оценки частоты колебаний, генератор 15 тактовых импульсов, квадратор 16, первый блок 17 деления, второй квадратор 18, функцго- нальный преобразователь 19 зависимости оптимального угла поворота от частоты, синусный 20 и косинусный 21 функциональные преобразователи и второй блок 22 делгния.

Блок 14 оценки частоты колебаний содержит блок 23 формирования оценки и блок 24 осреднения о

СП

СО

со о

NJ

(1), (2) обеспечивает оптимальное быстродействие.

Зависимость от Ае Ф W

Блок 23 формирования оценки (фиго2) содержит первый, второй,третий, четвертьш и пятый ключи 25 - 29, первый, второй, третий и четвертый- запоминающие элементы 30 - 33, первый, второй, третий и четвертый квадраторы ЗА - 37, первый 38 и второй 39 сумматоры, первый целитель 40, формирователь 41 модуля,нелиней- ю тотой и)ф ,„, некоторым

представ- 5 лена на фиГс4о

Процесс успокоения упругого элемента посредством изменения жесткости при некотором может быть представлен как колебательный с часэффективным коэффициентом демпфирова

ния

Ф

ный элемент 42, двухразрядный сдвиговый регистр 43,

Блок 24 осреднения (фиг.З) содержит первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ключи 44 - 49, первый, второй, третий и четвертый сумматоры 50 - 53, первый, второй, третий и четвертый запоминающие элементы 54 - 57, первьй 58 и второй 59

,-,, , WUH -

делители, элемент 60 задержки,инвер- 20 (предварительно) точно опреде- тор 61, триггер 62, первый 63 и вто- лить параметр ее„ для конкретного уп- рой 64 счетчики, элемент И 65с ругого элемента невозможно. Ошибка

Физическая сущность работы предлагаемого устройства заключается в следующемо25

Оптимальное управление TJ,успокаивающее объект за минимально короткое

Функциональная зависимость (q, q) (с постоянными коэффициентами 5 передачи), используемая при построении системы по известному техническому решению, обеспечивает оптимальное функционирование липт для $ 0,06 что соответствует W.anc ,„и 0другого элемента невозможно. в определении люв.е может достига- ь в некоторых случаях 100% и более Это может привести к существенному ухудшению быстродействия устройства. Чтобы избежать таких нежелательных последствий, предпагается в процессе функционирования реального упругого элемента на основе информации о его движении осуществлять корректирование параметра 36,, , а затем корректировать коэффициенты передачи в цепи контура управления на 35 кавдом интервале управления,, Для корректирования параметра 99у необходимо оценивать действительные значения ./, и u ..,J максимальной и минивремя, имеет следующую структуру:

.c. sisn f sign q; . У I UwHH.sign 2 sign q, (1)

где U,Qnc MqKcj MWH ,

макс

- соответственно мак- с 1мальная и минимальная частоты из возможного диапазона частот коле6а НИИ упругого элемента, которые соответствуют максимальной н минимальной жесткости объекта управления; q - обобщенная координата отклонения упругого элемента от положения равновесия; it j - вторая сопряженная переменная.

Известно также, что

(2)

U q sin f- q. cos ф/tOл,aкc .

(2)

Ч ..

где угол ф характеризует взаимное расположение осей систем координат (q, (Ф,У).

Лпя характеристики диапазона возможных частот упругого элемента,который может быть получен за счет изменения erq жесткости, введен параметр S , определяемый как отношение квадратов минимальной и максимальной часто.т этого диапазона.. Экс- перименты показали, что каждому знат чению 951 соответствует свое значв ние °f, при котором управление

0990

(1), (2) обеспечивает оптимальное быстродействие.

Зависимость от Ае Ф W

ю тотой и)ф ,„, некоторым

представ- 5 лена на фиГс4о

Процесс успокоения упругого элемента посредством изменения жесткости при некотором может быть представлен как колебательный с частотой и)ф ,„, некоторым

эффективным коэффициентом демпфирования

Ф

, WUH -

(предварительно) точно опреде- лить параметр ее„ для конкретного уп- ругого элемента невозможно. Ошибка

Функциональная зависимость (q, q) (с постоянными коэффициентами передачи), используемая при построении системы по известному техническому решению, обеспечивает оптимальное функционирование липт для $ 0,063, что соответствует W.anc ,„и 0д20 (предварительно) точно опреде- лить параметр ее„ для конкретного уп- ругого элемента невозможно. Ошибка

25

30

ругого элемента невозможно. в определении люв.е может достига- ь в некоторых случаях 100% и более Это может привести к существенному ухудшению быстродействия устройства. Чтобы избежать таких нежелательных последствий, предпагается в процессе функционирования реального упругого элемента на основе информации о его движении осуществлять корректирование параметра 36,, , а затем корректировать коэффициенты передачи в цепи контура управления на 35 кавдом интервале управления,, Для корректирования параметра 99у необходимо оценивать действительные значения ./, и u ..,J максимальной и миниMt О l4vгЛ W И

50

мальной частот колебаний упругого элемента на i+1-м интервале управления. Сделать это можно следующим образом

Пусть упругий элемент свободно колеблется с некоторой частотой сО о 45 Его фазовая траектория па фазовой

плоскости (q, q/w) будет представлять окружность с центром в начале коор- Динат и радиусом R qZ + q.2.) где (q , 4 /w) - начальные фазовые коордннатыс Пусть известны два последовательных измере1шя фазовых координат объекта (q,., ) и (q,- 4- /U)). Из условия .принадлежности этих точек фазовой траектории нетрудно получить

1

со

q f - q

f2l

q2 - qi,

«41 1

(3)

Формула (З)

515

позволяет оценивать

как со ; , так и coV на

+ С1ИС + WMH

интервале управления по последовательным измерениям обобщенных координат и скорости объекта

Поскольку полученные значения

(д)

О)

(tO ) и значения пре мокс (мин дьщущих оценок равноправны, то в качестве величин ( ). используемых в дальнейшем для формирования коэффициентов передачи на k-M интервале управления, целесообразно принимать среднее значение по

лученных ранее оценок:

1 макс- ™ГГ .дс.кс

Либо

14

t

ммн

(5)

Для каждого интервала управления имеет силу лишь одно уравнение - (4) или,(5), позволяющее корректировать лишь один параметр, в то время как второй считается константой,Поэтому шараметр эе на k-M интервале уп- равле1Гия формируется из соотношения i

( miu

se,,

«к.

.. JHJ-M-) либо .кГ

5е (lLmv.11 Tw,(6)

ЗмакР

,Где 10ц и текущие скоррек тированные величины,сО; , W;.л.г

минJWCIKC

const.

По полученному значению для k-ro интервала управления из зависимости (ЗЕу) (смофиго4) определяется %, 3. которого формируются скорректированные коэффициенты передачи и f первого и второго делителей напряжения соответственно в полном соответствии с (2):

; ,(

f; со8(р,(ге„,)/б),„,,.

Устройство работает следующим образом

Пусть предварительная оценка диапазона частот возможных колебаний ; упругого элемента определяет и ,{,с , которые в исходном состоянии записаны в запоминающие элементы 54 и 56 соответственно блока 24 осреднения.

(7)

После воздействия внешнего возму щаняцего момента упругий элемент начинает колебаться с максимальной

5 частотой оДонс поскольку- в состоянии покоя жесткость упругого элемента максимальна (из условия снижения амплитуды колебаний, возникающих от действия внешнего возмущающе10 го импульса). Датчик 2 отклонений начинает вьодавать текущее значение величины обобщенной координаты отклонения упругого элемента 9, которое поступает на входы дифференцирующе 5 го блока 3, первого дешителя 5 напряжения и блока 23 формирования оценки. Текущее значение скорости обобщенной координаты отклонения упругого элемента q вьздается с выхода диф ференцирующего блока 3 на второй вход блока 23 формирования оценки, а также через инвертор 4 поступает на вход второго делителя 6 напряже0

25

мин

и

ниЯо На основе информации ш формируются коэффициенты передачи первого и второго делителей напряжения и управляющий сигнал U по логике (1).

30

Поскольку,

«) J. ..о

СО.

и

МИи ААИН

макс , необходимо оценивать

35

40

45

действительные максимальную и минимальную частоты колебаний упругого элемента Такая оценка проводится для каждого интервала управления в блоке 23 формирования оценки согласно (3)о Период следования импульсов с генератора 15 подбирается таким, чтобы он бьш равен времени прохождения сигнала через ключ и записи в запоминающий элемент, а ключ 29 открыт непрерывно на все время функционирования блока 23, начиная с второго тактового импульса. Благодаря этому оценка частоты осуществляется по каждому так овому импульсу,начиная с второго, и исключается возможность ложного скачка сигнала на пер вом входе блока 23 после первого так тового импульса.

Сигнал с первого выхода блока 2Я оценки поступает на первый вход блока 24 осреднения и информационные входы ключей 44 и 45 Управляющий

сформированный на основе

: -(.

.поступает на второй вход блока 24 осреднения (фиг,З) и через элемент 60 задержки, необходимьй для компен50

сигнал и,,,

исходного значения

сации премеиного рассогласовпния между моментами формирования управляющего сигнала и отработки его объектом управления, на управляюипте входы ключей А4 - А7с, В соответствии с логикой управления открывается только два ключа. Например, если UQ О, .то открываются ключи 45 и 47 и сигнал с первого входа блока 24 будет использоватг.ся для коррекции , ; если U 1 , то открываются ключи 46 и 44, осуществляется коррекция а) о Имеем, таким образом, два совершенно одинаковых канала. I

Рассмотрим функционирование одного из них, например для коррекции

Итак, управляющий сигнал открывает ключи 44 и 46о Начиная с второго такта сигнал с первого входа блока 23 складьгоается в сумматоре 50 с си налом, записанным в запоминающем элементе 54, и эта сумма, через элемент

54поступает на вход делителя 58о Синхронно с поступлением информации на первый вход блока 24 с второго такта элемент И 65 открывается для тактовых импульсов, которые проходят через ключ 46, накапливаются в счетчике 64, имеющем единичное начальное состояние, и поступают на второй йхо делителя 58, на выходе которого по каждому тактовому импульсу формируется сигнал согласно (4)о. Этот сигнал записывается в запоминающем элементе

55и образует первьй выход- блока 24, одновременно поступая на информационный вход ключа 49 о Поскольку U

1, то на первом выходе триггера 62 устанавливается логическая единица, а на tтором - логический нуль; благодаря этому счетчик 63 находится в единичном состоянии, ключ 49 закрыт, а ключ 48 открыт Значит, пока управляющий сигнал не изменится,на первом выходе блока 24 будем иметь

СО

I«-JMUH

, а на втором - С(. const Если управляющий сигнал изменяет знак, то триггер 62 перебрасывается в противоположное состояние, счетчик 64 устанавливается в единичное состояние,, ключ 49 открывается, сигнал последнего приближения и через сумматор 52 записывается в запоминающем элементе 54, ключи 44, 46, 48 закрываются, ключи 45, 47 открываютсЯг Аналогично предыдущему случаю начинают функционировать канал коррекции мацс с, Следовательно,пока управляющий сигнал не изменит знак, на первом выходе блока 24 будем

КАЛИИ

const, а на втором В дальнейшем осушествляетиметь (О

«Чумаке

ся поочередная коррекция граничных

Q частот диапазона возможных колебаний упругого элемента в соответствии с логикой упр;авленияо

Сформированные по каждому тактовому импульсу выходные сигналы блока

5 24 с помощью квадраторов 16 и 18 и блока 17 деления преобразуются в у , который в, функциональном преобразователе 19, имеющем характеристику изображенную на фиго4,фор0 мируется в (,.) Этот сигнал с помощью функциональных преобразователей 20, 21 и блока 22 деления преобразуется в сигналы, пропорциональные коэффициентам передачи и )f. согласно (7), которые

« 4- 1 1

поступают на вторые входы соответствующих делителей о

Q Формула изобретени.я

5

0

5

0

5

1 о Устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости по автосв № 1129585, отличающееся тем, что, с цепью повьш1ения быстродействия устройства, введены блок оценки частоты колебаний, генератор тактовых импульсов, два квадратора,последовательно соединенные первый блок деления, функциональный преобразователь зависимости оптимального угла поворота от частоты и синусный функциональный преобразователь, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь и второй блок деления, второй вход которого подключен к входу второго квадратора и второму выходу блока оценки частоты колебаний, первый выход которого соединен через первый квадратор с первым входом первого блока деления, второй вход которого подключен к выходу второго квадратора,выход функционального преобразователя зависимости оптимального угла поворота от частоты соединен с входом косинусного функционального преобразователя, выход второго блока деления

соединен с управляюишм входом второго делителя напряжения, управляющий вход первого делителя напряжения соединен с выходом синусного функцио- нального преобразователя, выходы датчика отклонения, диф(1)еренцирующего блока, элементаШТИ и генератора тактовых импульсов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока оценки частоты колебаний, пятый и шестой входы которого соедине11Ы с первым и вторым входами задания параметров устройства, а управляюрхий вход генератора тактовых импульсов соединен с входом Пуск устройства.

2. Устройство по По1, отличающееся тем, что блок оценки частоты колебаний состоит из бло- ка формирования оценки и блока осреднения, причем первый выход блока формирования оценки соединен с первьт входом блока осреднения, второй вход которого соединен с третьим входом блока оценки частоты колебаний,пер- вьш и второй входы которого подключены к первому и второму входам блока формирования оценки, третий вход которого соединен с третьим входом блока осреднения и четвертым входом блока оценки частоты колебаний, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с четвертым и пятым входами блока -осреднения,шестой вход которого подключен к второму выходу блока формирования оценки,первый и второй выходы блока оценки частоты колебаний соединены соответственно с nepisbiM и вторым выходами бло- ка осреднения

Зо Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок формирования оценки содержит последовательно соединенные первый ключ,первый запоминающий элемент, второй ключ, второй запоминающий элемент,квадратор, первый сумматор, делитель,формирователь модуля, нелинейньш элемент и пятый ключ, последовательно соединенные третий ключ, третий запоминающий элемент, четвертый ключ, четвертый запоминающий элемент,третий квадратор н второй сумматор,двухразрядный сдвигающий регистр,второй и четвертый квадраторы,выход первого запоминающего элемента через второй квадратор подключен к второму входу первого сумматора, выход третьего

запоминающего элемента подклк чри через четвертый квгщратор к вторг му входу второго cy мaтopa, выход которого соединен с вторым входом делителя, первый вход блока Лормирова- ния оценки соединен с входом первого ключа, второй вход - с входом третьего ключа, третий вход - с управляющими входами с первого по четвертый ключей и информационными входами двухразрядиого сдвигающего регистра,, первый выход блока формирования оценки соединен с выходом пятого ключа, управляющий вход которого подключен к выходу двухразрядного сдвигающего регистра и второму выходу блока формирования оценки.,

I

4, Устройство по п.-, отличающееся тем, что блок осреднения содержит последовательно соединенные первый ключ, первый тор, первый запоминающий эгемент и первый делитель, с второго по шестой ключи, второй, третий и четвертый сумматоры, второй, третий и четвертый запоминающий элементы, первый и второй счетчики, инвертор, триггер элемент И, элемент задержки и второй делитель, выход которого подключен через четвертый запоминающий элемент к информационному входу пятого ключа и второму выходу блока осреднения, выход второго ключа через последовательно соединенные второй сумматор третий запоминающий элемент и второй делитель подключен к входу четвертого запоминающего элемента, выход третьего запоминающего элемента соединен с вторым вх t второго сумматора, выход первого запоминающего элемента - с вторым входом первого сумматора, выход первого делителя через второй запоминающий элемент подключен к информационному входу шестого ключа и первому выходу блока осреднения, первый вход которого соединен с информационными входами первого и второго ключей, второй вход - с входом элемента задержки, третий вход - с первым входом элемента И, четвертый в::од - с первым входом третьего сумматора, пятый вход - с первым входом четвёп того сумматора, шестой вход - с вторым входом элемента И, выход которого подключен к информационным входам третьего и четвертого ключей, выходы которых

подключены соответственно к входам второго и первого счетчиков, управляющие входы которых соединены соответственно с прямым и инвертирующими выходами триггера, выход элемента задержки подключен к управляющим входам с первого по четвертый ключей прямому входу триггера и через инвертор - к сбросовому входу тригге- ра, прямой выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа.

инвертирующий выход триггера соединен с управляющим входом шестого ключа, выход .которого подключен к второму входу третьего сумматора,выход которого соединен с управляющим входом первого запоминающего элемента, выход пятого ключа соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к управляющему входу третьего запоминающего элемента.

Изобретение относится к демпфированию колебаний упругих элементов конструкции объектов и может быть преимущественно использовано при проектировании и создании перспективных систем управления объектами нежесткой конструкции. Целью изобретения является повышение быстродействия устройства. С этой целью устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости по авт. св.N1129585 дополнительно снабжено блоком оценки частоты колебаний, генератором тактовых импульсов, двумя квадраторами, двумя блоками деления и тремя функциональными преобразователями. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

fsk-

- , Пуск

ник

9и,г1

(

0 0,1 0,1 0,J Я 0,5 O.B 0,7 0,5 0,9 f,0 ЗР

ФагЛ