Устройство управления трехстепенным карданным подвесом Советский патент 1991 года по МПК G05B11/01 

(Л С

Изобретение относится к управлению положением физических тел в пространстве и может быть использовано в гироскопических устройствах, авиационных пилотажных приборах, планетариях, звездных глобусах, моделях звездной сферы, наглядных учебных пособиях и т.п. Цель изобретения - по- вышение точности управления. Цель достигается за счет того, что в устройство дополнительно введены блок управления знаками, задатчик постоянного сигнала и три коммутатора с соответствующими связями. 2 з.п.ф-лы. 6 ил, 6 табл.

Изобретение относится к области управления положением физических тел в пространстве и может быть использовано в гироскопических устройствах, авиационных пилотажных приборах, планетариях, звездных глобусах, моделях звездной сферы, наглядных учебных пособиях и т.п.

Цель изобретения - повышение точности управления.

На фиг. 1 представлена общая блок-схема устройства управления; на фиг. 2, 3 - схемы блоков устройства; на фиг. 4 - временные диаграммы (эпюры) работы устройства; на фиг. 5 - графики процессов управления; на фиг. 6-точностныедиаграммы устройства.

Устройство содержит блок 1 задания синусов и косинусов углов поворота рамок подвеса, первый 2, второй 3 и третий 4 коммутаторы, первый 5, второй 6 и третий 7 блоки преобразования в механический поворот, внешнюю 8, среднюю 9 и внутреннюю 10 рамки карданного подвеса 11. первый 12, второй 13 и третий 14 датчики синуса и косинуса угла поворота рамки, блок 15 управления знаками и задатчик 16 постоянного сигнала.

Коммутатор 2 (3, 4) содержит первый 17 и второй 18 инверторы, релейный элемент 19.

Блок 15 управления знаками содержит блок 20 формирования абсолютного значения, компаратор 21, блок 22 дифференцирования, диодный элемент 23 и триггер 24.

Устройство после включения работает следующим образом.

Для управления физическим телом в пространстве используются синусы и косинусы углов a ,fl , у поворота рамок карданного подвеса, которые определяются по известным направляющим косинусам aij, I, J 1,2,3, положения тепа в отсчетной, например инерциальной, системе координат с помощью уравнений вида

о.

vj СЛ 00 U

sin / ai2 :

cos/J- vT-ala : sin a--ai3/cos/ ;

cos « an/cos Д- sin y -аз2/cos cos y -322/cos/ ;

(1)

(2) (3) (4) (5) (6)

Данные уравнения решаются в блоке 1 задания синусов и косинусов углов поворота рамок подвеса.

Управление положением каждой рамки подвеса осуществляется в соответствии с законом управления, например, по каналу внешней рамки

А sin a cos «п-cos a sin ап . (7) где А- сигнал рассогласования (управляющий сигнал);

sin a, cos a - заданные синус и косинус угла поворота рамки;

sin an, cos an - измеренные синус и косинус угла поворота рамки.

Поворот рамок подвеса производится до достижения нулевого значения рассогласования А, т.е. до совпадения заданных и измеренных функциональных сигналов, например sin an - sin a, cos «n - cos a , в результате обеспечивается положение каждой рамки подвеса, однозначно соответствующего заданному, в неограниченном диапазоне углов поворота.

Закон управления (7) реализуется в блоке 5 (6, 7) преобразования в механический поворот рамки 8 (9, 10), на которой установлен датчик 12 (13, 14) синуса и косинуса угла поворота рамки, выходные сигналы sin On cos On которого в виде обратной связи поступают в блок 5 (6, 7).

Как видно из уравнений (3)-(6), может возникать особенность типа деления на нуль при достижении функции cos/ малых значений

I cos ft I «5 ,(8)

т.е. при подходе угла поворота средней рамки к значению

I ft I 90°

требуются бесконечно большие скорости поворота внешней и внутренней рамок.

Суть этого известного явления складывания рамок подвеса заключается в том, что знак функции cos/ в уравнении 2 принят всегда постоянным (например, положительным), при прохождении особой области происходит поворот средней рамки на угол ft до точки 90° (или - 90°) и зятем возвращение ее в обратном направлении (I / I - 0) с одновременным весьма быстрым поворотом внешней и внутренней рамок (угла а и у) на угол 180°. При реальных ограниченных скоростях поворота рамок реального подвеса имеют M.IQ весьма

существенные погрешности управления движением физического тела в виде отклонений движения подвешенного тела от заданного, расчетного.

5Матричное уравнение связи направляющих косинусов aij и углов а , fl , у справедливо при двух равноправных комбинациях А и В знаков тригонометрических функций, указанных в табл. 1. Следовательно, без

10 ущерба для правильности математического описания движения рассматриваемой системы подвеса и тела можно допустить изменение знака функции cos/, тем самым бесконечно расширить пределы изменения

15 угла/3(сверх традиционных пределов ± 90°) и не требовать резкого изменения углов а и у на 180° в особой области, обеспечив регуляризацию движения рамок подвеса и устранение разрыва управляющих функций.

20 При этом система управления как бы переходит из одной области однозначности (лист А) в другую область однозначности (лист В), обеспечивается многолистное управление. Одновременное изменение зна25 ков пяти тригонометрических функций в соответствии с табл. 1, в какой бы момент оно не происходило, не влияет на движение подвешенного тела. Использование этого дополнительно выявленного качества сис30 темы позволяет получить определенный выигрыш, например, в точности управления, избавившись от резких поворотов внешней и внутренней рамок.

При вхождении системы в особую об35 ласть (8), т.е. всякий раз при пересечении извне вовнутрь границы особой области, производится одновременное изменение на противоположные знаков заданных синусов и косинусов углов поворота внешней

40 и внутренней рамок подвеса и косинуса угла поворота средней рамки, т.е. знаков пяти функций:

sin a, cos о., cos /, sin у. cos у. Данное изменение знаков на противо45 положные подразумевает, что возвращение к старым знакам осуществляется при следующем очередном вхождении в область (8). В результате изменения знака переменной cos Д которая в этот момент имеет до50 статочно малое значение, средняя рамка подвеса плавно переходит в область положений / 90°. Внешняя и внутренняя рамки продолжают двигаться также плавно. Больше изменений знаков не требуется до следующего приближения к особой области. Переключение знаков функций осуществляется с помощью коммутаторов 2-4 по команде, поступающей из блока 15 управления знаками, реализующего неравенство

(8). Величина 6 области изменения знаков выбирается исходя из минимума максимальной погрешности управления и задается задатчиком 16.

Логика переключения знаков иллюстри- руется временными диаграммами (фиг. 4) траектории прохождения наблюдаемой точки тела через особую область, при этом Um обозначает выходной сигнал т-го блока. На фиг. 4а представлен график изменения из- меренного сигнала с датчика 13, поступающего на вход блока 15 и затем блока 20, на выходе которого формируется абсолютное значение I cos /in I (выпрямленный сигнал) (фиг. 46). На выходе компаратора 21 формируются прямоугольные сигналы, соответствующие условию (4) (фиг, 4в). На выходе блока 22 дифференцирования формируются импульсы переднего и заднего фронтов сигнала нахождения в особой обла- сти, т.е. сигналы входа и выхода из особой области (фиг. 4г). С помощью диодного элемента 23 выделяются импульсы вхождения в особую область извне внутрь (фиг. 4д). Триггер 24 суммирует (считает) входные им- пульсы по модулю два и переключает свои состояния из 0 в 1 и обратно (фиг. 4е), в результате в момент t2 формируется так называемый старый знак, который был на интервале to...ti. Выходной сигнал с тригге- ра 24 (и блока 15 управления знаками) поступает на управляющий вход коммутатора 3 и далее на обмотку управления релейного элемента 19, который своими перекидными контактами коммутирует прямой и инверти- рованный сигналы тригонометрических функций. На выходе коммутатора 3 формируется коммутированный сигнал cos/JK, при этом в моменты ti, т.2,... образуются небольшие скачки, зависящие от величины зоны д и определяющие погрешность предложенного устройства управления.

Точность управления подвесом оценивается погрешностью Дт. равной расстоянию между заданной (ЗТ) и фактической (ФТ) траекториями движения наблюдаемой характерной точки подвешенного тела Дт ИЗТ, .

Величина погрешности А т управления зависит от соотношения угловой скорости (У вращения подвешенного тела и максимально возможнбй скорости сомакс поворота рамок, а также от углового расстояния Д/ положения системы до особой точки

ДЈ 90Р-1/31.

На фиг. 5 приведены траектории движения характерной точки подвешенного тела при конкретных значения Гш 2°/с, (Омыс - 15°/с: ТО, Т1, Т2, ТЗ, Т5 - траектории,

0 5 0 5 0 5 0

5

0

5

полученные в предложенном устройстве управления, соответствующие параметрам Д/9 0° , 1°. 2°, 3°, 5°: ТО , Т1. Т2/ТЗ. Т5- - траектории, полученные в устройстве без переключения знаков функций и при тех же Д/3. т.е. траектории ТЗ и Т5 совпадают для обоих случаев, а для критических параметров погрешности в предложенном устройстве меньше.

В табл. 2 и 3 приведены значения погрешностей для подвесов, имеющих максимально возможную скорость поворота рамок 5°/с и 15°/с, при условиях движения а 2°/с, Д/8 var, без переключения знаков функций. Погрешности Дт управления оказываются наибольшими при прохождении строго через особую точку (Д/3 0) и составляют соответственно 35.3° и 12.1°.

Значения погрешностей предложенного устройства управления при идентичных условиях движения приведены в табл. А и 5, оказываются наибольшими при прохождении вблизи границы области изменения знаков и составляют соответственно 13,4° и 3,8° при оптимальных значениях величины зоны, равных соответственно 7° и 3°

Диаграмма зависимости погрешности Дт от углового расстояния Д/ приведена на фиг. 6а, где I - кривая зависимости Дт (Д/3) без переключения знаков; И - кривые зависимости Дт (Д/3) для предложенного устройства внутри области изменения знаков, для различных д; Дп - максимальная погрешность, соответствующая устройству без

переключения знаков функций; Д - погрешность, соответствующая недостаточной ве;/

личине области (б ); Д - погрешность, соответствующая чрезмерно большой величине области (б ); Д0пт погрешность, соответствующая оптимальной величине области ((50пт).

Погрешность Допт - наименьшая для

всех вариантов управления: Допт Д ,

/ г

,.

Рекомендуемые, оптимальные величины д области изменения знаков (области нулевых значений cos/) в зависимости от максимальной скорости Шмакс поворота рамок подвеса приведены в табл. бив виде графика на фиг. 66. Величину 5 погрешности управления рекомендуется задавать обратно пропорционально максимальной скорости («макс .

Формула изобретения 1. Устройство управления трехстепенным карданным подвесом, содержащее

блок задания синусов и косинусов углов поворота рамок подвеса, первый, второй и третий блоки преобразования в механический поворот, первый, второй и третий датчики синуса и косинуса угла поворота рамки, причем выходы первого, второго и третьего блоков преобразования в механический поворот связаны механически соответственно с внешней, средней и внутренней рамками карданного подвеса, которые механически связаны соответственно с первым, вторым и третьим датчиками синуса и косинуса угла поворота рамки, первый и второй выходы каждого из которых соединены с первым и вторым инфор- мационными входами соответствующего блока преобразования в механический поворот, отличающееся тем, что, с целью повышения точности управления, в него дополнительно введены блок управления зна- ками, задатчик постоянного сигнала, первый, второй и третий коммутаторы, причем первый и второй выходы блока задания синусов и косинусов углов поворота рамок соединены с первым и вторым информаци- онными входами первого коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым информационными входами первого блока преобразования в механический поворот, третий и четвертый выходы блока задания синусов и косинусов углов поворота рамок соединены с первым и вторым информационными входами второго коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым информационными входами второго блока преобразования в механический поворот, пятый и шестой выходы блока задания синусов и косинусов углов поворота рамок соеО) 2°/С (Умакс 5°/С

Ш 2°/С ОЬюкс 15°/С

Р 12,1°

40 I

р оп

(,

динены с первым и вторым информационными входами третьего коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым информационными входами третьего блока преобразования в механический поворот, второй выход второго датчика синуса и косинуса угла поворота рамки соединен с первым входом блока управления знаками, второй вход которого соединен с выходом задатчика постоянного сигнала, а выход-суправляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

ft) 2°/с ovwtc - 5°/с D 7е

ш 2°/с шма« 15°/с 0 3°

Таблица 4

Таблица 5

Таблица б

D f ( Г/)макс)

фиг.1

i, (

Фиг. 2

Фиг.з

L

-4 О

д х, град