Система автоматического сопровождения телескопа Советский патент 1992 года по МПК G05B11/01 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и управления и может быть использовано при создании систем управления двухзеркальными радио- и оптическими телескопами.

Известна следящая система, содержащая последовательно соединенные измери- тельный элемент, сумматор, промежуточный усилитель, усилитель мощности, исполнительный двигатель, редуктор и объект управления, выход которого связан с измерительным элементом, к второму выходу которого последовательно подсоединены корректирующий блок, усилитель с ограничением, регулятор тока и вспомогательный двигатель с редуктором, причем система содержит пропорционально-интегральный блок, вход которого соединен с выходом регулятора тока, а выход - с выходом сумматора, при этом редуктор вспомогатель- ного двигателя связан с объектом управления.

Недостаток системы в том, что объект управления в этой системе является достаточно инерционной многомассовой систе- мой с низкими частотами собственных механических колебаний, что ограничивает реально достижимую точность системы.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобре- тению является система автоматического сопровождения телескопа, содержащая последовательно соединенные программный задатчик, первый сумматор, первый привод, выход которого подключен к первому зерка- лу и через первый датчик угла поворота к второму входу первого сумматора, последовательно соединенные приемное устройство, коммутатор, второй привод, выход которого подключен к второму зеркалу и через второй датчик угла поворота к первому входу первого регулятора и к первому входу второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого сумматора, а выход - к второму входу коммутатора, управляющий вход которого через анализирующее устройство подключен к выходу приемного устройства, второй вход первого регулятора подключен к первому выходу коммутатора, а выход - к второму входу первого привода, причем в системе установ- лен второй регулятор, вход которого соединен с вторым выходом коммутатора, а выход - с управляющим входом программного за- датчика, выход первого регулятора соединен с третьим входом коммутатора.

Недостатком известной системы является сравнительно низкая точность при обработке случайных входных сигналов, измеряемых со случайными помехами, и

компенсации случайных возмущающих воздействий, обусловленных действием, например, ветровых нагрузок. Имеющиеся в приводах регуляторы обычно реализуют настройку по модульному или симметричному критерию что не позволяет эффективно снижать дисперсии ошибки следящей системы от случайных входных полезного сигнала и возмущающих воздействий.

Целью изобретения является повышение точности системы в режиме слежения за случайными входными сигналами при измерении их со случайными помехами и компенсации случайных возмущающих воздействий, порождаемых, например, ветровой нагрузкой.

В систему автоматического сопровождения телескопа, содержащую последовательно соединенные первый регулятор, первую коммутирующую группу коммутатора, второй регулятор, программный задатчик и первый сумматор, выход датчика положения первого зеркала подключен к вычитающему входу первого сумматора, выход которого подключен к суммирующему входу второго сумматора, выход которого подключен к первому входу второй коммутирующей группы коммутатора, управляющий вход которого через анализирующее устройство подключен к выходу приемного устройства, первый вход первого регулятора подключен к выходу второй коммутирующей группы коммутатора, второй вход которой подключен к выходу приемного устройства, первый привод кинематически соединен с первым зеркалом и с датчиком положения первого зеркала, второй привод кинематически соединен с вторым зеркалом, дополнительно введены третий регулятор, последовательно соединенные третий, четвертый, пятый сумматоры, первый интегратор, шестой сумматор, второй интегратор, третий привод и опорно-поворотное устройство, последовательно соединенные седьмой сумматор, третий интегратор, восьмой сумматор и четвертый интегратор, последовательно соединенные девятый сумматор, пятый интегратор, десятый сумматор и шестой интегратор, причем выход первого сумматора подключен к первому входу третьего сумматора, второй вход которого подключен к входу второго регулятора, а выход - к суммирующему входу седьмого сумматора и к второму суммирующему входу восьмого сумматора, выход первого привода подключен через третий регулятор к второму суммирующему входу четвертого сумматора, выход которого подключен к второму суммирующему входу ше- того сумматора, выход первого

интегратора подключен к вычитающему входу пятого сумматора и к второму входу третьего привода, опорно-поворотное устройство кинематически соединено с первым зеркалом, выход третьего интегратора подключен к первому вычитающему входу седьмого сумматора и к первому входу первого привода, выход четвертого интегратора подключен к второму вычитающему входу седьмого сумматора и к второму входу первого привода, первый вход первого регулятора подключен к суммирующему входу девятого сумматора и к второму суммирующему входу десятого сумматора, выход пятого интегратора подключен к первому вычитающему входу девятого сумматора и к первому входу второго привода, выход шестого интегратора подключен к второму вычитающему входу девятого сумматора и к второму входу второго привода, выход которого подключен к второму входу первого регулятора и к вычитающему входу второго сумматора.

Таким образом, обеспечивается повышение точности системы автоматического сопровождения телескопа за случайными входными сигналами при их измерении со случайными помехами и действии случайных возмущений.

На фиг.1 приведена структурная схема системы автоматического сопровождения телескопа; на фиг.2 -эпюры выходных углов приводов; на фиг.З - алгоритмическая схема системы управления в режиме автосопровождения; на фиг.4 - графики переходных процессов; на фиг.5 - графики дисперсий ошибки и управления.

Система содержит программный задат- чик 1, первый 2, второй 3 и третий 4 регуляторы, первый 5, второй 6 и третий 7 приводы, опорно-поворотное устройство, первое 8 и второе 9 зеркала, датчик 11 положения первого зеркала, приемное устройство 12, анализирующее устройство 13, первую 14 и вторую 15 коммутирующие группы коммутатора 16, первый 17, второй 18, третий 19, четвертый 20, пятый 21, шестой 22, седьмой 23, восьмой 24, девятый 25 и десятый 26 сумматоры, первый 27, второй 28, третий 29, четвертый 30, пятый 31 и шестой 32 интеграторы, усилитель 33 мощности, исполнительный двигатель 34, суммирующий усилитель 35, датчик 36 тока, датчик 37 скорости, источник 38 напряжения, суммирующий усилитель 39, усилитель 40 мощности, исполнительный двигатель 41, датчик 42 тока, датчик 43 скорости, датчик 44 положения, суммирующий усилитель 45, усилитель 46 мощности, исполнительный двигатель 47, датчик 48 тока, датчик 49

скорости и датчик 50 положения. Кроме того, на фиг.2-5 YI - составляющая угла поворота большого зеркала 9, вызванная третьим приводом 7; Y2 - составляющая угла поворота большого зеркала 9, вызванная первым приводом 5; Уз - угол поворота малого зеркала 10, определяемый вторым приводом 6; Ri(P), R2(P), Rs(P) - эквивалентные разомкнутые операторы третьего, первого и

0 второго каналов регулирования; К| - значение наблюдателя; FI - значение регулятора; t - время; f(t) - возмущение; X(t) - сигнал управления; D - дисперсия; Rat - весовой множитель.

5 Сопровождение объекта наблюдения в системе осуществляется следующим образом. Априорно составляется программа движения объекта наблюдения, с программного задатчика 1 поступает на первый сум0 матор 17, где сравнивается с величиной угла поворота датчика 11 положения, установленного на валу первого зеркала 9. Полученная разность через третий 19, четвертый 20 и пятый 21 сумматоры, первый интегратор

5 27, шестой сумматор 22 и второй интегратор 28 подается на вход третьего грубого привода 7, который через опорно-поворотное устройство 8 разворачивает первое (большое) зеркало 9 и датчик 11 таким образом, чтобы

0 уменьшить эту разность.

В случае появления динамических ошибок при отработке реальных задающих воздействий и действия широкополосных возмущающих воздействий,, порождаемых,

5 например, ветровой нагрузкой, сигнал с выхода третьего сумматора 19 через седьмой сумматор 23, третий интегратор 29, восьмой сумматор 24 и четвертый интегратор 30 поступает на вход первого привода 5, который,

0 действуя на силовую шестерню, доворачи- вает большое зеркало 9 в пределах упругих деформаций редуктора третьего привода 7 и опорно-поворотного устройства 8 с целью уменьшения величины динамической ошиб5 ки всей системы.

Перекрестная связь с выхода первого привода 5 через третий регулятор 4 перераспределяет все статические и низкочастотные нагрузки с вспомогательного

0 первого привода 5 на основной третий привод 7. С помощью вспомогательного первого привода 5 можно также демпфировать собственные механические колебания и компенсировать люфты системы исполни5 тельный двигатель и редуктор основного привода 7, опорно-поворотное устройство 8 и большое зеркало 9 введением дополнительных связей по скорости и моменту.

Одновременно полученная в первом сумматоре 17 разность подается на вход

второго сумматора 18, где она сравнивается с углом поворота выходного вала второго привода 6 (привода точного наведения), второго малого зеркала 10. Выходной сигнал второго сумматора 18 через вторую комму- тирующую группу 15 коммутатора 16 поступает на вход второго привода 6, который поворачивает второе малое зеркало 10 на величину ошибки поворота первого большого зеркала.

Сигнал, снимаемый с выхода второго привода б, пропорциональный углу поворота малого зеркала 10, и сигнал ошибки разворота большого зеркала 9, снимаемый с выхода второй коммутирующей группы 15 коммутатора 16, поступают на входы первого регулятора 2, в качестве которого используется пропорционально-интегральный регулятор. На выходе регулятора 2 формируется сигнал, который подается на вход третьего сумматора 19, где он суммируется с сигналом ошибки, снимаемый с выхода первого сумматора 17.

При попадании наблюдаемого объекта в пределы диаграммы приемного устройст- ва 12 вторая коммутирующая группа 15 коммутатора 16 подключает вход второго привода 6 и связанного с ним вход третьего привода 8 через первый регулятор 2 к выходу приемного устройства 12, а первая ком- мутирующая группа 14 - вход второго регулятора 3, в качестве которого используется интегрирующий регулятор, к выходу первого регулятора 2. При этом на входы второго привода 6 и первого регулятора 2 поступает сигнал, пропорциональный отклонению линии визирования от направления на наблюдаемый объект, под действием которого второй привод 6 поворачивает малое зеркало 10 таким образом, чтобы умень- шить это отклонение. Положение большого зеркала 9 корректируется с помощью третьего привода 7 по сигналу, снимаемому с первого регулятора 2. Выходной сигнал с первого регулятора 2 через второй регуля- тор 3 подается на вход программного задат- чика 1 для коррекции программы.

Рассмотрим отработку в режиме автосопровождения скачкообразного изменения направления электрической оси телескопа относительно направления на объект исследования, вызванного изменением положения объекта исследования или моментом нагрузки, вызванным, например, ветровым воздействием. При появлении на выходе приемного устройства 12 сигнала рассогласования, пропорционального отклонению направлений электрической оси телескопа и объекта исследования, второй привод 6, соединенный через вторую коммутирующую группу 15 коммутатора 16 с выходом приемного устройства 12, начинает отрабатывать это рассогласование, поворачивая малое зеркало 10 на некоторый угол Уз (фиг.2). Одновременно сигнал с выхода приемного устройства 10 через вторую коммутирующую группу 15 и первый регулятор 2 подается на входы третьего привода 7 и первого привода 5.

Третий привод 7 через опорно-поворотное устройство 8 начинает разворачивать большое зеркало 9 на угол YI, а первый привод 5 также доворачивает большое зеркало 9 на некоторый угол Y2, воздействуя на силовую шестерню в пределах упругой деформации редуктора третьего привода 7 и опорно-поворотного устройства 8.

В силу различной динамики приводов скорости изменения углов YI, Y2, Уз различны. Наиболее быстродействующий маломощный второй привод 6 разворачивает малое зеркало 10 на угол Уз, при этом сигнал на выходе приемного устройства 12 становится равным нулю, однако за счет того, что с выхода второго привода 6 угла поворота Уз малого зеркала 10 сигнал подается на второй вход первого регулятора 2, на его выходе сигнал не равен нулю и первый и третий приводы продолжают разворачивать большое зеркало 9.

Вследствие того, что первый привод 5 обладает большим быстродействием по сравнению с третьим основным силовым приводом 7, первый привод доворачивает большое зеркало 9 на некоторый угол Y2. При этом второй привод 6 возвращает малое зеркало 10 в исходное положение Уз-0, при этом на оба входа первого регулятора 12 подаются нулевые сигналы с выходов приемного устройства 12 и второго привода 6. Следовательно, на вход третьего сумматора 19 также подается нулевое напряжение с выхода первого регулятора 2. Однако за счет пропорционально-интегрального третьего регулятора 4 через четвертый сумматор 20 подается напряжение и третий привод 7 доворачивает свой редуктор и опорно-поворотное устройство до тех пор, пока первый привод 5 не вернется в исходное положение .

Таким образом, быстродействие всей системы в переходном режиме в значительной мере определяется быстродействием второго маломощного привода 6 управления малым зеркалом 10, первый привод 5 существенно парирует ошибки третьего силового привода 7, а после окончания переходного процесса всю статическую нагрузку берет на себя основной третий привод 7, а первый 5 и второй 6 приводы возвращаются

в исходное состояние, за счет чего обеспечивается нормальная неперегруженная работа первого 5 и второго 6 маломощных приводов.

Рассмотрим алгоритмическую схему системы управления в режиме автосопровождения (фиг.З), когда система работает по сигналу с приемного устройства 12, подаваемого через вторую коммутирующую группу 15 коммутатора 16 на вход второго привода 6 и через первый регулятор 2, первую коммутирующую группу 14 коммутатора 16 через третий 19 и четвертый 20 сумматоры на входы первого 5 и третьего 7 приводов. Причем с выхода второго привода 6 сигнал подается на вход первого 5 и третьего 7 приводов через первый регулятор 2, а с выхода первого привода 5 на вход третьего привода 7 - через третий регулятор 4.

На фиг.З обозначены Ri(p), R2(p), Ra(p) - эквивалентные разомкнутые операторы третьего, первого и второго каналов регулирования. Каждый канал регулирования представляет последовательное соединение оптимального фильтра Калмана-Бьюси и собственно привода системы. Причем согласно теории оптимального управления регулятор представляет собой обратные связи по всем переменным состояния системы.

Таким образом, в третьем канале с помощью пятого сумматора 21, первого интегратора 27, шестого сумматора 22 и второго интегратора 28 реализуется модель формирующего фильтра эквивалентного задающего воздействия третьего канала согласно теории оптимальной фильтрации Калмана- Бьюси.

В первом канале с помощью седьмого сумматора 23, третьего интегратора 29, восьмого сумматора 24 и четвертого интегратора 30 реализуется модель формирующего фильтра эквивалентного задающего воздействия первого канала в форме оптимального фильтра Калмана-Бьюси. Во втором канале с помощью девятого сумматора 25, пятого интегратора 31, десятого сумматора 26 и шестого интегратора 32 реализована модель эквивалентного задающего воздействия второго канала.

Рассмотрим методику синтеза оптимальных операторов каналов. В каждом канале имеется неизменяемая часть - объект управления, обусловленный принятыми усилительными, исполнительными устройствами и элементами трансмиссии и собственно регулятора, параметры и структура которых в известной степени могут быть выбраны произвольными.

В связи с тем, что третий основной силовой канал работает независимо от первого канала, а маломощный быстродействующий первый канал компенсирует ошибки грубого канала, при синтезе системы в начале может быть определен оптимальный опе- ратор третьего, а затем - первого каналов. Предположим, что третий канал может быть описан в переменных состояниях уравнением

U(t)Ai(t)Ui(t)+Bi(t)Ui(t); (1)

Yi(t)Ci(t)l(t),. (2)

а случайное задающее воздействие в() может быть сформулировано с помощью системы

3b(t)Ab(t) $b(t) + Wbi(t); (3)

20

6(t)Cb(t)Xb(J),

(4)

возбуждаемый белым шумом Wb рицей дисперсий V(t). Введем вектор Xi(t) {XiT(t), XBT(I)}T расширенного пространст- ва состояния, в котором первый канал и задающее воздействие описывается уравнением

Xl(t)Mt)Xi(t)+li(t) Ul(t) + Wl(t), где согласно (1) -v(4J

Al(t) AB(t)

Bi(t)

(5)

Ai(t) Bi(t)

(6)

40

Wi(t)

Wbi(t)

45

Тогда ошибка е .(t) 6(t) - Yi(t) однока- нальной системы равна

ei(thCi(tjxTi(t),(7)

rAeC1(t)ll-Ci(t)Cb(t)ll. Для одноканальной системы (5)-(7) критерий качества может быть записан в виде

У J(t)Rs(t)zT(t)+R2i(t) U(t)lft}, (8)

to

где компонентами вектора Zi(t) Di(t)X,(t) являются ошибка одноканальной системы Јi(t), а также комдрненты вектора состояния первого канала Xi(t), которые необходимо ограничивать при оптимизации, Ra(t) - весовая матрица, a Raft) - весовой множитель.

Минимум критерию (8) доставляет линейный регулятор 1

Ui(t)-Fi(t)Xi(t),

(9)

где Fi(t)(t) Eh(t) Pi(t);(10)

Pi(t) - решение уравнения Риккати

Pi(t)DiT(t)R3i(t)Di(t)-Pi(t)Bi(t)R2r (th

-Pi(t)+AiT(t) Pi(t)+Pi(tJAi(t)

(11)

с нулевым конечным условием.

Для реализации оптимального регулятора (д) необходимы переменные состояния

Оптимальный регулятор первого канала может быть синтезирован аналогично третьему, причем эквивалентное задающее возXi(t) расширенной системы первого канала, 20 действие Q2(t) для первого канала которые могут быть восстановлены с по- формируется с помощью оптимальной одно- мощью наблюдателяЗД по сигналам измере- канальной системы третьего канала

ния e(i)r Јi(t)+fi(t) ошибки одно канальной системы Јi(t) с помехой f i(t) типа белого шума интенсивности V2i(t)

Xi(t) Ai(t)Xi(t)f Bi(t)Ui(t)fKi(tXe(t)-ai(t)Xi(t),

02) где Ki(t)Qi(t)CiT(t)V2i 1 (t).(13)

Матрица дисперсий Qi(t) является ре- шением уравнения Риккати

QW-Vii(t)-Qi(t)Q iT(t)V,2r1(t)Ci(t)Qi(t)+ + A)Ch(t)+Qi(t)AiT(t)(14)

с нулевым начальным условием.

Оптимальный регулятор первого канала может быть синтезирован аналогично третьему, причем эквивалентное задающее воз

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и управления и может быть использовано при создании систем управления двухзеркальными радио и оптическими телескопами в условиях случайных возмущающих воздействий и помех измерения. В системе используются оптимальные настройки регуляторов каналов управления, что позволяет минимизировать дисперсию ошибки системы при учете ограничений на управление и переменные состояния исполнительных двигателейканалов управления. Система содержит программный задатчик 1, первый 2, второй 3 и третий 4 регуляторы, первый 5, второй 6 и третий 7 приводы, опорно-поворотное устройство 8, первое 8 и второе 9 зеркала, датчик 11 положения первого зеркала, приемное устройство 12, анализирующее устройство 13, первую 14 и вторую 15 коммутирующие группы коммутатора 16, первый 17, второй 18, третий 19. четвертый 20, пятый 21, шестой 22, седьмой 23, восьмой 24, девятый 25 и десятый 26 сумматоры, первый 27, второй 28, третий 29, четвертый 30, пятый 31 и шестой 32 интеграторы, усилитель 33 мощности, исполнительный двигатель 34, суммирующий усилитель 35, датчик 36 тока, датчик 37 скорости, источник 38 напряжения, суммирующий усилитель 39, усилитель 40 мощности, исполнительный двигатель 41, датчик 42 тока, датчик 43 скорости, датчик 44 положения, суммирующий усилитель 45, усилитель 46 мощности, исполнительный двигатель 47, датчик 48 тока, датчик 49 скорости и датчик 50 положения. 5 ил. k IhO ел со

вивалентного задающего воздействия (%(t) для первого канала, сформулированного с помощью модели (17) и системы (15), были близкими.

Тогда, полагая что первый канал может быть описан в переменных состояниях X2(t) уравнениями

X2(t)A2(t)X2(t)+B2(t)U2(t); Y2(t)C2(t)X2(t)

(19)

(20)

- - т

и вводя вектор X2(tHx2T(t), Xb2T (t)}T расширенного пространства состояний первого канала, получают уравнения состояния расширенной системы первого канала

X2(t)A2(t)X2(t)+B2(t)U2(t)+Wl2(t) (21)

i-ч / Wi(t) Klf2(t)

(15)

Ошибка двухканальной Ј2 (t) &(t)-Y2(t) равна

ЈS(t)C2(t)X2(t),

где согласно (18) и (20) C2(t) 11 -C2(t)Cb2(t) II. (23)

Критерий качества функционирования первого канала в двухканальнрй системе может быть записан в виде

/ Z2T(t)R32(t)Z(t)+ °

R22(t)U22(t) c( t},(24

где компонентами вектора Z2(t) D2(t)X2(t) являются ошибка двухканальной

некие оптимальных регуляторов позволяет уменьшить дисперсию одноканальной системы в 15,5 раза, дисперсию двухканальной системы в 1,7 раза, дисперсию трехканаль- ной системы в 2,1 раза по сравнению с из- вестной системой, у которой каналы настроены по принципу подчиненного регулирования на модульный оптимум с оптимальной полосой пропускания и, следовательно, более полно использовать динамические возможности исполнительных устройств для получения высокой точности управления.

Формула изобретения

Система автоматического сопровождения телескопа, содержащая последовательно соединенные первый регулятор, первую коммутирующую группу коммутатора, второй регулятор, программный задатчик и первый сумматор, выход датчика положения первого зеркала подключен к вычитающему входу первого сумматора, выход которого подключен к суммирующему входу второго сумматора, выход которого под к л ю- чен к первому входу второй коммутирующей группы коммутатора, управляющий вход которого через анализирующее устройство подключен к выходу приемного устройства, первый вход первого регулятора подключен к выходу второй коммутирующей группы коммутатора, второй вход которой подключен к выходу приемного устройства, первый привод кинематически соединен с первым зеркалом и с датчиком положения первого зеркала, второй привод кинематически соединен с вторым зеркалом, отличающая- с я тем, что, с целью повышения точности в нее введены третий регулятор, последовательно соединенные третий, четвертый, пя- тый сумматоры, первый интегратор, шестой

сумматор, второй интегратор, третий привод и опорно-поворотное устройство, последовательно соединенные седьмой сумматор, третий интегратор, восьмой сумматор и четвертый интегратор, последовательно соединенные девятый сумматор, пятый интегратор, десятый сумматор и шестой интегратор, причем выход первого сумматора подключен к первому входу третьего сумматора, второй вход которого подключен к входу второго регулятора, а выход - к суммирующему входу седьмого сумматора и к второму суммирующему входу восьмого сумматора, выход первого привода подключен через третий регулятор к второму суммирующему входу четвертого сумматора, выход которого подключен к второму суммирующему входу шестого сумматора, выход первого интегратора подключен к вычитающему входу пятого сумматора и к второму входу третьего привода, опорно-поворотное устройство кинематически соединено с первым зеркалом, выход третьего интегратора подключен к первому вычитающему входу седьмого сумматора и к первому входу первого привода, выход четвертого интегратора подключен к второму вычитающему входу седьмого сумматора и к второму входу первого привода, первый вход первого регулятора подключен к суммирующему входу девятого сумматора и к второму суммирующему входу десятого сумматора, выход пятого интегратора подключен к первому вычитающему входу девятого сумматора и к первому входу второго привода, выход шестого интегратора подключен к второму вычитающему входу девятого сумматора и к второму входу второго привода, выход которого подключен к второму входу первого регулятора и к вычитающему входу второго сумматора.

.J

30

Ю 15 20 25 5 Фиг.5

30 К3