Устройство для управления резонансным объектом Советский патент 1980 года по МПК G05D19/02 

Изобретение относится к автоматическому управлению резонансными объектами (вибрационными машинами различного назнйчения, RLC-контурами и т.д.) и предназначено для стабилизации амплитуды колебаний объекта. Известно устройство для управлеюм резонансным объектом, в котором узел учета фазы силы основан на использовании эффекта Зоммерфельда П1. Недостаток этого устройства - трудность в использовании для объектов, у которых зффект Зоммерфельда не проявляется (например, для широко применяемых электромагнит ных вибровозбудителей). Известно также устройство для управления резонансным объектом, позволяющее стабилизировать амплитуду колебаюш управляемой величины объекта и содержащее дат шк задатчйк амплитуды и блок отклонения.управляем величины; триггер с раздельными входами, блок учета фазы силы, блок реверса, выход которого через интегратор и исполнительный механизм соединен со входом объекта, ншояь зование которых обусловлено характерной особенностью резонансных объектов - наличием неоднозначной зависимости между частотой и амплитудой колебаний управляемой величины. Неоднозначность связана с экстремальным характером амплитудао-частотной характеристики объекта. Поэтому при управлении резонансным объектом требуется задание не только амплитуды колебаний,, но и области (ветви) амплитудно-частотной характеристики (дерезонаисиой или зарезонансной). В процессе функционирования устройства необходимо выявлять не только отклонение амплитуды колебаний утфавляемой величины от заданного значения, но и ветвь амплитудно-частотной характеристики, на которой возникло зто отклонение (рабочую ветвь). В известном устройстве для стабилизации амплитуды Колебаний управляемой величины и выявления рабочей ветви амплитудно-частотной характеристики используется соответс вие мея(ду амплитущю-частотиой и фазо-частотной характеристиками объекта, что требует при-, менения двух датчиков амплитуды и фазы кояебаний управляемой величины. 37 Известное устройство путем использования фазовых характеристик объекта выявляет и поддерживает заданное значение амплитуды колебаний на заданной ветви амплитудно-частотной характеристики (дорезонансной или зарезонансной) таких резонансных объектов, в которых при резонансе угол фазового сдвига меж ду регулирующим воздействием и управляемой величиной (например, между возмущающей силой и амплитудой колебаний в вибрационной Машине, между напряжением на входе RLC-кон тура и напряжениек на конденсаторе зтого кон тура) равен 1Г/2. Объекты с указанным свойством характеризугокя высокой добротностью и pacnj)octpaTtetfti в технике, однако не охватывают всего разнообра;зия резонансных объектов 2. Недостатком известного устройства является т рудность в применении для управления резонансными объектами с низкой добротностью, в которых фазовый угол между регулирующим воздействием и управляемой величиной при резонансе не равен 7Г/2, что существенно ограничивает область примёйения изобретения. Цель изобретения - расщирение области при менения устройстйа. Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления резонансным объектом, содержащее, датчик и задатчик амплитуды, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, триггер, блок реверса, выход которого через интегратор подключен к исполнительному механизму, введены дополнительно последовательно соединенные сидаронизатор, элемент И, первый преобразователь напряжения формирователь импульсов, анализатор режима рабрть и логический блок, последовательно соединенные формирователь команд и блок переключения, а также второй преобразователь напряжения и задатчик режима работы, выходы которого соединены со вторыми входами анали затора режима раббтьг, третий вход koTopoi-o подключен ко второму входу блока сртвнения и к первому выходу синхронизатора, четвертый вход - ко второму выходу синхронизатора, вход - к первому выходу блока сравнения и ко второму входу злекйнта И, июстой вход -КО вторьму входу Яотического блока, ко второму входу блока е|)екяючеш я, к первому выходу триггера и к первому входу блока реверса, а седьмой вход - к третьему входу логического блока, к фетгьёму входу блшапер Шчёшя, Ко б б;рдму вьйсоду триггера и ко второму входу блока реверса, третий вход Которого соединен с выходом фор мирователя команд, первые входаг которого подключены ко вторым выходам блока сравнения и к четвертым входам логического бло1са,а вторые Bx:oflii - к перВ1Ым входам логи ческого блока, выход котор9го соединен с четвертым входом блока переключения, выход датчика амплитуды соединен со входом синхронизатора, с первым входом второго преобразователя напряжения - и со вторым входом первого преобразователя напряжения, второй вход второго преобразователя напряжения соединен с третьим Выходом синхронизатора, а выход с третьим входом блока сравнения, выходы блока переключения подключены к соответствующим входам триггера. На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для управления резонансным объектом; на фиг. 2 - амплитудно-частотные характеристики резонйнсного объекта; на фиг. 3 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства. Устройство содержит резонансный объект 1, задатчик 2 амплитуды, блок 3 сравнения, датчик 4 амплитуды, первый преобразователь 5 напряжения, первый диод 6, первьш конденсатор 7, первый ключ 8, синхронизатор 9, задатчик 10 режима работы, анализатор 11 режима работы, триггер 12 с раздельными входами, блок 13 переключения, блок 14 реверса, интегратор 15, исполнительный механизм 16, логический блок 17, второй преобразователь 18 напряжения, второй диод 19, второй конденсатор 20, второй ключ 21, элемент И 22, формирователь 23АИМпульсов заданной длительности, формирователь команд 24, резистор 25. На фиг. 2 обозначены А - амплитуда колебаний управляемой величины резонансного объекта; со - частота колебаний управляемой величины резонансного объекта; А данное значение амплитуды колебаний. На фиг. 3 обозначены Ui - напряжение на выходах датчика 4 амплитуды; Uj - напряжение на первом конденсаторе 7; Uj - напряжение на выходе задатчика 2 амплитуды; U4 - напряжение на третьем выходе синхронизатора 9; и 5 - напряжение на втором выходе синхронизатора; U - напряжение на третьем выходе синхронизатора; U7 - напряжете на первом конденсаторе 7; Uj - напряжение на резисторе 25; U9 - напряжение на выходе формирователя 23 импульсов заданной длитель ности. Устройство работает следующим образом. Резонансный объект 1 с аМплитудно-частотной характеристикой (фиг, 2, кривая I) соверщает непрерьтные колебания с некоторой амплитудой А и частотой (о, причем амплитуда колебаний А при наличии возмущений должна оставаться постоянной и равной заданной амплитуде Аздд« Для повьпиениягвхннко-зкономических показателей работы объекта (например, производительности ) задается также ветвь амшштудно- стотной характеристики (дорезоиансная или зарезонансная), на которой и стабилизируется амплитуда колебаний. Из-за влияния возмущающих факторов (например, из-за изменейия параметров резонансного объекта в процессе его функционирования) амплитудно-частотная характеристика объекта дрейфует, что приводит к отклонению амплитуды колебаний от заданного значения. Из-за статистического характера возмущений дрейф ампл тудно-частотной характеристики может происхо,дить в различных направлениях относительно ис ходной амплитудно-частотной характеристики, Пусть из-за влияния возмущений амплитудно частотная характеристика смещается относительно исходной либо вправо (фиг. 2, кривая 2), либо влево (фиг. 2, кривая 3). Если до поступ ления возмущений заданной амплитуде со ответствует точка MI на кривой 1, то после по ступления возмущений работа объекта характеризуется либо точкой Mj на кривой 2, либо точкой Мз на кривой 3 (происходит отклонение амплитуды колебаний управляемой величины от заданной). Это отклонение может произойти на рабочей ветви амплитудно-частотной характеристики, как совпадающей с заданной ветвью (фиг. 2, кривая 2), так и не совпадающей (фиг. 2, кривая 3). Управление резонансным объектом должно обеспечивать стабилизацию амплитуды колебаний на заданной ветви амплитудно-частотной характеристики. Поэтому задачей управления является такое изменение частоты со, которое позволяет перевести объект из состояний, характеризуемых точками М или Мз в состояния, характеризуемые точками М4 на кривой 2 или MS на кривой 3. -Алгоритм решения этой задачи включает в себя определение наличия отклонения амплитуды колебаний и его знак, определение рабочей ветви и соответствие ее заданной. В случае совпадения указанных ветвей необходимо устранить отклонения амплитуды колебаний путем изменения частоты регулирующего воздействия в функции знака отклонения. В случае несовпадения рабочей ветви с заданной , необходимо вначале обеспечить переход на заданную ветвь, а затем устранить отклонения амплитуды колебаний. В устройстве указанный алгоритм реализуется следующим образом. Заданное значение амплитуды колебаний управляемой величины резонансного объекта 1 (фиг. 1) устанавливается задатчиком 2 амплитуды колебаний. С выхода задатчика 2 амшштуйы сигнал задания поступает на первый вход блока 3 сравнения. Выходные колебания объекта 1 воспринимаются датчиком 4 амплитуды управляемой величины, с выхода которого сигнал Ui (фиг. 3 а, б), пропорциональный колебаниям объекта 1, чеоез преобразователь 18, выполненный на диоде 19 и конденсаторе 2,0 защунтированным ключом 21, поступает на вход блока 3 сравнения и на вход синхронизатора 9, третий выход которого подключен ко входу преобразователя 18, первый выход - ко второму входу блока 3 сравнения. Сигнал Uj через диод 19 заряжает конденсатор 20 до амплитудного значения этого сигнала (фиг. 3 а, б,, кривая 1)2). Сигнал U2 в блоке 3 сравнивается с сигналом УЗ (фиг. 3 а, б) задания по амплитуде. Характерной особенностью функционирования блока 3 является то, что сравнение сигналов Uj и УЗ осуществляется не в каждый момент времени, а только в моменты, определяемые работой синхронизатора 9, на выходах которого формируются импульсы фиксированной длительности. На втором выходе синхронизатора 9 импульсы U4 (фиг. 3 а, б) появляются вначале интервала положительности сигнала Uj, на втором выходе синхронизатора 9 импульсы Us (фиг. 3 а, б) появляются в конце интервала положительности сигнала U|, а на третьем выходе синхронизатора 9 импульсы и (фиг. 3 а, б) появляются в моменты окончания импульсов Uj, В моменты действия импульсов Us в блоке 3 происходит определение и запоминание наличия и знака отклонения сигнала Uj от сигнала из. На выходах блока 3 сигналы появляются в зависимости от наличия и знака отклонения в конце интервала положительности сигнала и,. На первом выходе блока 3 сигнал логической 1 появляется при отсутствии отклонения сигнала U2 от сигнала УЗ, на вторых выходах сигнал логической 1 появляется при положительном отклонении (U2 из) и при отрицательном отклонений (Uj 63). Для обеспечения измерения амплитуду сигнала Ui на каждом интервале его. положительности импульсы Us включают ключ 21, щунтирующий конденсатор 20, обеспечивая тем самым готовность преобразователя 18 к новому циклу измерения. Функционирование остальных блоков устройства зависит от того, на какой ветви амплитудно-частотной характеристики резонансного объекта (дорезонансной или зарезопансной) необходимо стабилизировать амплитуду колебаний управляемой величины. Задание ветви амплитудно-частотной характеристики осуществляется задатчиком 10 режима работы, на одном выходе которого появляется сигнал логической 1 при задании дорезонансной ветви, и сигнал логической 1 на другом выходе - при задании зарезонансной ветви. Функциональное назначение анализатора 11 состоит в выявлении рабочей ветви амплитудно-частотной характеристики, т.е. определение той области амплитудно-частотной характеристкки (дЬрезонансной или зарезонансной), где про изошло отклонение амплитудь колебаний управляемой величины от эадшшрй и соответствие ее заданной ветви. В основу фушсционировання анализатора 11 положен признак, характеризующий ту или иную ветвь амплитудно-частотной характеристики резонансного объекта, а именно, на дорезонансной вёТвй ампййтудаб-тастотной характеристики увеличению частбты сор тветству р Ж ёМё амплитуды колёВанййГ а на зарезонансной ветви - уменьшение амплитуды колебаний. ;

Для уп{)авления частотой резонансного объекта 1 в устройстве установлен триггер 12 с раздельнь1ми входами, управляемый блоком 13, блок 14 реверса и интегратор 15, причем появление сигнала на выходе блока 14 реверса возможно лишь при появлении на его третьем входе сигнала, возникающего при отклонении амплитуды колебаний от заданной.

Сигнал с одного выхода блока 13 устанавливает на втором выходе триггера 12 логическую 1,котораявь1зьшает на вькоде блока 14 реверса сигнал такой полярности, что напряжение на выходе интегратора 15 еличивается, приводя к увеличению частот регулирующего воздействия на втыходе исполнительного механизма 16. Сигнал с другого выхода второго блока 13 устанавливает на первом выходе триггера 12 логическую 1, которая изменяет полярность сигнала на выходе блока 14 реверса на обратную, что вызывают уменьшение напряжения на ВЁгходе интегратора 15, приводя к уменьшению частоты регулирующего воздействия на вь1Хбдё исполнительного механизма 16. Этим обеспечивается изменение частоты колебаний резонансного объекта 1, и а1Лш1Итуды его колебаний, а увеличение или уменьшение частоты регулирующего воздействия определяется состоянием триггера 12.

Изменение амплитуды колебаний резонансного объекта 1 при изменений частоты осуществляется следующим образом.

С выхода датчика 4, воспринимающего колебания объекта 1, сигнал Ui поступает На вход преобразователя 5, выполненного на диоде 6, резисторе 25 и конденсаторе 7, зашунтированном ключом 8. На второй вход преЬб разователя 5 пШ;тупает сйгтал с Bbixoflia элёмёнта И 22, а выходной сигнал преобразователя 5 поступает через формирователь 23 импульсов заданной длйтелшости на первый вход анализатора И.

Функциональное назначение преобразовате Ж 5 - ШрейейёШе йЗйравлёшя иэШйения ам- плитуды колебаний (в сторону телйчейия или уменьшения ее на каждом интервале положительности сигнала Ui). Пусть изменение (например, увеличение) частоты колебаний резонан еяЬго объекта Г увелйтаШтйШлйтуяУ коле781780

бания сигнала Ui (фиг. 3 а) на вьосоде датчика 4, при зтом на каждом интервале положительности сигнала Uj происходит подзаряд конденсатора 7 (фиг. 3 а, отклонеш1е положительное, кривая U7), т.е. протекание импульсов ток через последовательно соединенные диод 6, резистор 25 и конденсатор 7 и появление импульсов напряжения на резисторе 25 (фиг. 3 а, отклонение положительное, кривая Ug).

Если же при изменении (например, уменьшении) частоты колебаний резонансного объекта 1 амплитуда на каждом последующем интервале Положительности меньше амплитуды на предьздущем интервале (фиг. 3 б, кривая Ui), то подзаряд конденсатора 7 не происходит и импульсы Ug (фиг. 3 б, отклонение отрицательное) на всех последующих интервалах отсутствуют.,

После устранение; отклонения амплитуды колебаний управляемой величины от заданной с первого выхода блока 3 сигналлогической .1 поступает на вход анализатора 11 и на вхбд элемента И 22, на другой вход которого Поступают импульсы Us с первого выхода синхронизатора 9. На выходе элемента И 22 появляется сигнал логической 1, периодически включающий ключ 8, что вызьшает периодический зарЖ И р1азряд конденсатора 7, т.е. появление импульсов Ug Jra каждом интервале положительности сигнала U, (фиг. За, б, отклонение нулевое), подготавливая его к новому циклу работы, связанному с появлением отклонения амплитуды колебаний управляемой величины. .

Таким образом, при отклонении амплитуды колебаний от заданной наличие импульсов Ug характеризует увеличение амплитуды колебаний, а их отсутствие - уменьшение амплитуды колебаний от одного интервала положительности сигнала Ui к другому. При отсутствии отклонения амплитуды колебаний наличие импульсов Ug является лишь результатом периодической работы конденсатора 7, необходимой для поддержания его заряда в конце каждого интервала положительности сигнала Uj на уровне достигнутой амплитуды колебаний.

Формирователь 24 импульсов заданной длительности формирует из последовательности импульсов и 8 последовательность импульсов U (фиг. 3 а, б), причем фронт импульсов U9 совпаДает с окончанием импульсов Ug.

Появление сигнала логической 1 на одном или другом выходах анализатора 11 обусловлеЙ6 ссзвпадением рабочей ветви, на которой произошло отклонение амплитуды колебаний , и заданной ветви амплитудно-частотной характеристики. Для выявления рабочей ветви амплитудно-частотной характеристики используются сигналы направления изменения частоты колеба9НИИ (логическая I на седьмом или шестом входах анализатора 11) и амплитуды (наличие или отсутствие импульсов U на первом входе) причем выявле(ше рабочей ветви происходит на каждом интервале положительности сигнала ill, определяемом импульсами U4 - (начало интервала положительности) на четвертом входе и импульсами Us - (конец интервала положительности) на третьем входе. Для выявления совпадения рабочей ветви с заданной используются также сигналы задания ветви - дорезонан ной (логическая 1 на одном втором входе) или зарезонансной (логическая 1 на другом втором входе). Если амплитуда колебаний управляемой величины возрастает, то на интервале положительности сигнала Uj последовательно появляются импульсы U4, U9, Us (фиг. 3 а). Если при этом частота колебаний возрастает и задана дорезонансная ветвь, то на одном выходе анализатора 11 появляется сигнал логической 1. Если амплитуда колебаний управляемой величины уменьшается, то на интервале положи тельности сигнала U, последовательно появляют ся только импульсы U4 и Uj (фиг. 3 б). ЕСЛИ при этом частота колебаний уменьшается и задана дорезонансная вйтвь, то на этом выходе анализатора 11 также появляется сигнал логической 1. Если амплитуда колебаний управляемой величины возрастает, а частота умеиьшается и задана зарезонансная ветвь, то на другом выходе анализатора 11 появляется логическая 1

Если амплитуда колебаний управляемой величины уменьшается, а частота увеличивается и задана зарезонансная ветвь, то на этом же выходе анализатора 11 также появляется логическая 1.

Указанные последовательности импульсов (U4, Ug, Us или , Us) изменяют состояния на выходах анализатора 11 определения ветви только при наличии отклонения амплитуды колебаний управляемой величины (сигнал логического О на пятом входе анализатора И), После устранения отклонения сигнал логической 1 на пятом входе анализатора 11 запреВхода 1

нала, устанавливающего такое направление изменения Частоты (увеличения или«уменьшения), которое устраняет имеющееся отклонение амплитуды, причем сигнал логической 1 на выходе блока 17 означает, что либо при данном направлении изменения частоты регулирующего воздействия отклонение алшлитуды колебаний не может быть устранено на рабочей ветви амплитудно-частотной характеристики, совпфщющей с заданной ветвью, либо рабочая ветвь не соответствует заданной ветви амплитудночастотной характеристики, либо отклонение амплитуды колебаний равно нулю.

В таблице представлены комбинации снгналов на входах блока 17, обуславливающие логический сигнал на его выходах.

/

Выход 80 тает изменение состояния на выходах анализатора П,с6храняя состояние; соответствующее предыдущему циклу работы. При совпадении заданной и рабочей ветви амплитудно-частотной характеристики сигнал логической 1 появляется на первом или втором вькодах анализатора 11, а при несовпадении - на обоих вьаодах анализатора 11 будет сигнал логического О. Сигналы с выхода анализатора Ни ранее сформированные сигналы отклонения амплитуды с выхода блока 3, а также сигналы увеличения или уменьшения частоты регулирующего воздейСТ9ИЯ с выходов триггера 12 поступают на входы логического блока 17, причем на третий и второй входы поступают соответственно сигналы увеличения или уменьшения частоты, на четвертые входы - сигналы положительного или отрицательного отклонений амплитуды, на первые входы - сигнал соответствия заданной и рабочей ветви амплитудно-частотной характеристики в дорезонансном режиме, и сигнал соответствия заданной и рабочей ветви в зарезонансном режиме. Функциональное назначение логического блока 17 - анализ знака отклонения амплитуды колебаний управляемой величины от заданной с учетом ветви амплитудно-частотной характеристики и увеличением или уменьшением частоты регулирующего воздействия и выработке сигПродолжение табл.

Переключение направления изменения частоты регулирующего воздействия, т.е. переключение триггера 12, обусловленоне только появлением логической 1 на выходе блока 17, но и работой формирователя 24 и блока 13. Функциональное назначение формирователя команд 24 состоит в формировании сигйала разрешения переключения триггера 12 и включения блока 14 реверса (логическая 1 на выходе формирователя: 24) либо при наличии отклонения амплитуды колебаний от заданной, либо при несоответствии рабочей ветви амплитудно-частотной характеристики заданной, поскольку только в этих случаях необходимо изменять частоту регулирующего воздействия. Функциональное назначение блока 13 переключения - определение существующего состояния триггера 12 и при наличии сигналов с вы ходов блока 17 и формирователя 24 переключение триггера 12. Сигнал логической 1, устанавливающий логическую 1 на втором выходе триггера 12 (увеличение частоты регулирующего воздействия), появляется на первом выходе блока 13, если сигналы логической 1 появляются на его втором, четвертом и пятом входах, Сигнал логической 1, устанавливающи логическую 1 на первом выходе триггера 12 (уменьщение частоты регулирующего воздействия), появляется на втором выходе блока 13 если сигналы логической 1 появляются на его IpefbeM, четвертом и первом входах. Увеличение или уменьшение частоты регулирующего воздействия происходит до тех пор. пока отклонение амплитуды колебаний управляемой величины не станет равным нулю. За счет использования предлагаемого устройства для автоматиза1У1и резонансных объектов с низкой добротностью и на резонансных объектах, содержащих любые известные типы вибровозбудителей, область применения устройства управления на технологических объектах расширяется ориентировочно в два раза. Формула изобретения Устройство для управления резонансным объектом, содержащее датчик и задатчик амплитуды, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, триггер, блок реверса, выход которого через интегратор подключен к исполнительному механизму, отличающееся тем, что, с целью расщирения области применения устройства, оно содерукнт последовательно соединенные синхронизатор, злемент И, первый преобразователь напряжения, формирователь импульсов, анализатор режима работы и логический блок, последовательно соединенные формирователь команд и блок переключения, а также второй преобразователь напряжения и задатчик режима работы, выходы которого соединены со вторыми входами анализатора режима работы, третий вход которого подключен ко второму входу блока Чзавнения и к первому вь1Ходу синхронизатора, четвертый вход - ко второму выходу отнхро137низатора, пятый вход - к первому выходу блока сравнения и ко второму входу элемента И, шестой вход - ко второму входу логнчеокого блока, ко второму входу блока переключения, к первому вьаоду триггера и к первому входу блока реверса, а седьмой вход к третьему входу логического блока, к третьему входу блока переключения, ко второму выходу триггера и ко второму входу блока реверса, третий вход которого соединен с выходом формирователя команд, первые входы которого подключены ко вторым выходам блока сравнения и к четвертым входам логического блока, а вторые входы - к первым входам логического блока, выход которого соединен с четвертым входом блока переключения, выход датчика амплитуды соединен со входом синхронизатора с первым входом второго пре образователя напряжения - и со вторым входом первого преобразователя напряжения, второй вход второго преобразователя напряжения соединен с третьим выходом синхронизатора, а выход - с третьим входом блока сравнения, выходы блока переключеЬия подключены к соответствующим входам триггера. Источшкн информации, iqwHHTbie во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР N 366461, кл. G 05 D 19/02, 1973. 2.Бьковский И. И., Попов С. И. Автоматизация резонансных вибромашин. Обзор, ЦНИИТ строймаш, 1972, с. 12-16 (прототип). Отклонение fc Отмонение ну. f Отклонение 1/тк/1Онение /teffoe