Следящая система Советский патент 1992 года по МПК G05B11/01 

1

(21)4853461/24 (22) 20.07.90 (46)23.09.92. Бюл, Ms 35

(71)Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова

Д.Ф.

(72)Ю.В.Загашвили, В.Ю.Никитин и С.М.Ря- бинова

(56)Авторское свидетельство СССР N 1425598, кл. G 05 В 11/01, 1988.

Авторское свидетельство СССР № 1267355, кл. G 05 В 11/01. 1986. (54) СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА

(57)Изобретение относится к системам автоматического управления. Целью изобретения является улучшение качества управления путем повышения быстродейст«

8

Л

ц.7}

1

вия с одновременным обеспечением апериодического процесса согласования при обработке больших задающих сигналов за счет переключения структуры системы и возможности регулирования величины тормозного усилия на участке торможения. Следящая система содержит два сумматора (1, 16), корректирующее звено 2, три ключа (8, 9, 11), два усилителя (3, 15), двигатель (4), объект (5), датчик положения (6). датчик скорости (7), блок выделения модуля 13, квадратор 14, два релейных элемента (17, 18), источник постоянного напряжения 19, причем блоки 13 - 18 составляют блок управления 12. 1-2-8-3-4-5-7-14-15-16-17-9-10-11-3, 19-9. 17-10, 18-8, 18-11, 1-13-16, 13-18,5-6-1. 1 ил.i-

8

Л

ел

с

311 ,

jq i -SHEHl P 1

ri -Ы--В

VJ

о -N

о GO

о

Изрбретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано для квазиоптимального по быстродействию с одновременным обеспечением апериодического процесса согласования терминального управления инерционными объектами.

Известна следящая система, при работе в зоне малых рассогласований имеющая типовую структуру, включающую задатчик входного сигнала, измеритель рассогласований, усилитель, силовой привод, выход которого является выходом системы, датчик положения. При отработке больших рассогласований силовой привод управляется релейным сигналом, обеспечивающим разгон и торможение объекта управления с максимальным ускорением. Недостатками системы является колебательный переходный процесс при отработке больших рассогласований, динамические перегрузки объекта управления из-за неучета ограничений на допустимые ускорения системы.

Известна также следящая система, имеющая переменную структуру, меняющуюся в зависимости от режима ее работы. При больших рассогласованиях система имеет традиционную структуру, включающую сумматор, выделяющий ошибку системы в, звено последовательной коррекции, усилитель, двигатель, объект управления, ЕЫХОД которого является выходом системы, датчик положения и датчик скорости ш, сигнал которого вычитается из сигнала последовательного корректирующего звена и подается на вход усилителя, Для обеспечения отработки больших рассогласований без перерегулирования следящая система имеет блок управления, анализирующий выполнение неравенства

|0| + ,(1)

где д - некоторая малая константа, служащая для надежного выполнения условия (1) в равновесном состоянии следящей системы;

О

К

2 Мт

I и или К

- конСУтах

станта;

J - момент инерции объекта; Мттах - максимально развиваемый двигателем тормозной момент;

tOmax - максимальная скорость объекта; вт путь торможения объекта при изменении СКОрОСТИ ОТ О СОтах ДО О) О

Как только неравенство (1) выполняется, что соответствует превышению накопленной объектом кинетической энергии над требуемой для его остановки работой силы (момента) торможения на оставшемся участке

рассогласования, то блок управления вырабатывает сигнал, по которому изменяется структура системы путем отключения сигнала корректирующего звена от входа усилителя, и, таким образом, начинается торможение объекта. При невыполнении неравенства (1), например, при подходе к зоне точного позиционирования с малой скоростью исходная структура следящей системы

восстанавливается.

Основным недостатком такой следящей системы является невысокое быстродействие при отработке больших рассогласований, поскольку торможение системы

осуществляется, главным образом, за счет тахометрического контура отрицательной обратной связи по скорости. Время затухания собственного движения системы зависит от величин вещественных

составляющих собственных чисел, а сам процесс торможения происходит при тормозном моменте, отличном от максимального, Другим недостатком системы является невозможность управления скоростью движения объекта к заданному положению из- за наличия обратной связи по положению при отработке больших рассогласований. Это приводит также к динамическим перегрузкам объекта управления при разгоне и

особенно при торможении, когда канал ошибки отключается от усилителя.

Целью изобретения является улучшение качества управления путем повышения быстродействия с одновременным обеспечением апериодического процесса согласования при отработке больших задающих сигналов за счет переключения структуры системы и возможности регулирования величины тормозного усилия на участке торможения.

Предлагаемая следящая система содержит первый сумматор, вход которого является входом системы, а выход соединен с последовательно включенными корректирующим звеном, первым ключом, первым усилителем, двигателем и объектом управления, выход которого является выходом системы и соединен с входами датчиков положения и скорости, выходы которых соединены соответственно с вторым входом первого сумматора и первым входом блока управления, состоящего из блока выделения модуля, вход которого является вторым входом блока управления, и последовательно соединенных квадратора, вход которого является первым входом блока управления, второго усилителя, второго сумматора и первого релейного элемента с зоной нечувствительности, выход которого является

первым выходом блока управления, выход

блока выделения модуля соединен с вычитающим входом второго сумматора, второй вход блока управления соединен с выходом первого сумматора. Для достижения указанной цели изобретения в систему допол- нительно введены последовательно соединенные источник постоянного напряжения, второй ключ, блок формирования линейно изменяющихся сигналов и третий ключ, а в блок управления - второй релейный элемент с зоной нечувствительности, вход которого соединен с выходом блока выделения модуля, выход является вторым выходом блока управления и соединен с управляющими входами первого и третьего ключей, управляющие входы второго ключа и блока формирования линейно изменяющихся сигналов соединены с вторым выходом блока управления, а выход первого сумматора через корректирующее звено соединен с информационным входом первого ключа, выход которого соединен с входом первого усилителя.

Повышение быстродействия в предлагаемой следящей системе достигается тем, что, во-первых, при отработке больших рассогласований в ней отключается обратная связь по положению, а также отсутствует отрицательная обратная связь по скорости в ее традиционном виде. Это увеличивает добротность разомкнутой следящей системы и позволяет развить приводу максимально возможную скорость при движении объекта к согласованному положению. Во- вторых, за счет введения блока формирования линейно изменяющихся сигналов удается сформировать близкую к трапецеидальной скоростную характеристику системы с предельно допустимыми параметрами разгона, движения и торможения, что также увеличивает быстродействие системы при сохранении ограничений на допустимые ускорения объекта. Кроме того, возможность регулировки с помощью этого блока тормозного момента позволяет ввести объект управления в зону малых рассогласований практически с нулевой скоростью и, таким образом, обеспечить апериодический процесс согласования.

Переключение режимов работы системы осуществляется с помощью трех ключей. Первый ключ отключает выход корректирующего звена от входа первого усилителя, второй ключ отключает опорное напряжение Umax от входа блока формирования линейно изменяющихся сигналов, третий отключает выход этого блока от входа первого усилителя. Управляются ключи сигналами блока управления. На первом релейном элементе с зоной нечувствительности, на который поступает сигнал с выхода второго сумматора, анализируется выполнение условия (1): I в + д К со 2 , где д - зона нечувствительности этого релейного

элемента. Таким образом, сигнал с его выхода определяет момент времени, когда накопленная кинетическая энергия объекта превысит работу силы (момента) требуемую для его торможения на оставшемся уча0 стке рассогласования, т.е. определяет момент начала торможения. Этот сигнал управляет вторым ключом, который при выполнении условия (1) замыкается, а блок формирования линейно изменяющихся сигналов начинает вырабатывать линейно убывающий сигнал, Вторым выходом блока управления является выход второго релейного элемента с зоной нечувствительности, на вход которого поступает сигнал модуля

0 ошибки. Зона нечувствительности устанавливается равной величине ошибки, соответствующей зоне малых рассогласований. Сигнал с этого выхода управляет первым и третьим ключами, т.е. переключает систему

5 с режима работы в зоне точного позиционирования на режим отработки больших рассогласований и наоборот.

На чертеже дана структурная схема предлагаемой следящей системы.

Следящая система солдержит первый сумматор 1, вход которого az является входом системы, а выход соединен с последовательно включенными корректирующим звеном 2, первым ключом 8, первым усили5 телем 3, двигателем 4 и объектом управления 5. Выход объекта управления GO является выходом системы, к которому подключены датчик положения 6 и датчик скорости 7. Выход датчика положения является вторым вычитающим входом первого сумматора 1, В следящую систему входят также второй ключ 9, через который подается постоянное напряжение с выхода источника постоянного напряжения 19 на блок 10 формирования линейно изменяющихся сигналов, выход которого через третий ключ 11 соединен с входом первого усилителя 3. Переключение режимов работы следящей системы осуществляется с помощью блока 12 управления, содержащего блок 13 выделения модуля и последовательно соединенные квадратор 14, второй усилитель 15, второй сумматор 16 и первый релейный элемент 17с зоной нечувствительности, на вы0

0

5

0

5

ходе которого формируется сигнал:

( 1,при в +

(2)

LO, при в + , (3) где К-коэффициент усиления усилителя 15;

5i - зона нечувствительности релейного элемента 17, выбираемая из условия надежного выполнения неравенства (3).

Ориентировочное значение К может быть рассчитано, как показано в пояснениях к выражению (1). Его величина с учетом статической нагрузки на систему может быть уточнена по формуле

К 2 Мт ± Мст (4

где Мт - развиваемый двигателем тормозной момент на участке торможения;

Мст - статический момент нагрузки (знак + соответствует случаю, когда момент направлен навстречу движению); Л - момент инерции объекта.

Оценки входящих в формулу (4) параметров, Мт, Мст, йЛпах , ft могут быть как расчетными, так и полученными из экспериментов. Окончательное значение К устанавливается экспериментально при регулировке системы.

Выход первого релейного элемента 17с зоной нечувствительности является первым выходом блока 12 управления. Этот выход управляет вторым ключом 9 и блоком 10 формирования линейно изменяющихся сигналов. В блок 12 управления входит второй релейный элемент 18 с зоной нечувствительности, соединенный входом с выходом блока 13 выделения модуля. Этот релейный элемент формирует сигнал

М.при I 0I Й2,(5)

U2

(.0, при I 0| &,(6)

где дг во - зона нечувствительности второго релейного элемента, равная малому значению ошибки в0, соответствующей работе системы в зоне точного позиционирования.

Выход второго релейного элемента 18с зоной нечувствительности является вторым выходом блока управления. Этот выход управляет первым 8 и третьим 11 ключами. Первый вход блока управления, являющийся входом блока 13 выделения модуля, соединен с выходом первого сумматора 1, а второй вход блока управления, являющийся входом квадратора 14, соединен с выходом датчика 7 скорости.

Следящая система работает следующим образом. В момент включения при подаче малого по величине входного воздействия, такого, что выполняется условие (6), на выходе второго релейного элемента образуется сигнал U2 0. При этом ключ 8 остается замкнутым, а ключ 11 - разомкнутым, следящая система имеет традиционную структуру и работает в линейной

зоне. При отработке больших рассогласований на выходе релейного элемента 18 формируется сигнал U2 1, так как выполняется условие (5). Ключ 5 размыкается, а ключ 11

замыкается. С включением системы при отработке больших рассогласований на выходе релейного элемента 17 образуется сигнал логической единицы Ui 1. По этому сигналу замыкается ключ 9, обеспечивающий подачу напряжения Umax на блок формирования линейно изменяющихся сигналов 10. Блок 10 формирует линейно нарастающий сигнал напряжения от U 0 и U Umax, соответствующий разгону системы

от а) 0 до (о Штах . При достижении максимально ДОПУСТИМОЙ СКОРОСТИ 0) СОтах НЭ

входе усилителя 3 поддерживается постоянное напряжение U Umax const, и система движется к согласованному положению с

максимальной скоростью. В момент, когда выполняется условие (3), на выходе релейного элемента 17 образуется сигнал Ui 0. По этому сигналу размыкается ключ 9, а блок 10 формирует линейно убывающий сигнал

напряжения, вызывающий соответствующее уменьшение скорости. Крутизна этого сигнала выбирается такой, чтобы обеспечить максимально допустимый момент торможения и, таким образом, уменьшить путь

торможения. Этим достигается увеличение участка движения с максимально возможной скоростью и, следовательно, повышение быстродействия системы. Величина пути торможения зависит от значения коэффициента К усиления усилителя 15, оценка которого по формуле (4) позволяет ввести систему в зону малых рассогласований I в 00 практически с нулевой скоростью, что обеспечивает апериодический

процесс согласования. При выполнении условия (5), т.е. I в I в0, на выходе релейного элемента 18 формируется сигнал U2 0, по которому размыкается ключ 11 и замыкается ключ 8. Восстанавливается традиционная структура следящей системы, отрабатывающая оставшееся малое рассогласование 00.

Для выявления эффективности предложенного технического решения проведено

экспериментальное сравнение характеристик предлагаемой и известной системы. В предлагаемой системе благодаря введению блока формирования линейно изменяющихся сигналов, сигнал которого поступает на вход усилителя и обеспечивает максимально допустимую скорость движения системы и максимально допустимые ускорения на участках разгона и торможения, что позволяет также поддерживать максимальный

тормозной момент, трех ключей, переключающих структуру системы, а также благодаря введению в блок управления второго релейного элемента с зоной нечувствительности, сигнал которого переключает систему с режима работы в линейной зоне слежения на режим отработки больших рассогласований и наоборот, повышено качество управления: увеличено быстродействие следящей системы в режиме отработки больших рассогласований при достижении апериодического процесса согласования, уменьшены динамические перегрузки следящей системы.

Формула изобретения Следящая система, содержащая первый сумматор, вход которого является входом системы, первый ключ, корректирующее звено, последовательно соединенные первый усилитель, двигатель и обьект управления, выход которого является выходом системы и соединен с входами датчиков положения и скорости, выходы которых соединены соответственно с вторым входом первого сумматора и первым входом блока управления, состоящего из блока выделения модуля, вход которого является вторым входом блока управления, и последовательно соединенных квадратора, вход которого является первым входом блока управления, второго усилителя, второго сумматора и

первого релейного элемента с зоной нечувствительности, выход которого является первым выходом блока управления, выход блока выделения модуля соединен с вычитающим входом второго сумматора, второй вход блока управления соединен с выходом первого сумматора, отличающаяся тем, что, с целью повышения быстродействия с одновременным обеспечением апериодического процесса согласования при отработке больших задающих сигналов за счет переключения структуры системы и возможности регулирования тормозного усилия на участке торможения, в систему

дополнительно введены последовательно соединенные источник постоянного напряжения, второй ключ, блок формирования линейно изменяющихся сигналов и третий ключ, а в блок управления - второй релейный элемент с зоной нечувствительности, вход которого соединен с выходом блока выделения модуля, выход является вторым выходом блока управления и соединен с управляющими входами первого и третьего

ключей, управляющие входы второго ключа и блока формирования линейно изменяющихся сигналов соединены с вторым выходом блока управления, а выход первого сумматора через корректирующее звено соединен с информационным входом первого ключа, выход которого соединен с входом первого усилителя.