SU1120283A1 - Система управлени - Google Patents

Abstract

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, содержаща  последовательно соединенные за- ; датчик и суммирующий усилитель и последовательно соединенные исполнительный механизм, объект управлени , датчик обратной св зи, измеритель ошибки, формирователь сигнала коррекции , первый блок масштабных коэффициентов , рщентификатор состо ни  объекта и масштабирующий сумматор, выход которого соединен с вторым входом суммирующего усилител , соединенного выходом с вторым входом идентификатора состо ни  объекта, третий вход которого подключен к датчику обратной св зи, а второй выход соединен с вторым входом измерител  ошибки, отличающа с  тем, что, с целью повышени  устойчивости системы , в нее введены последовательно соединенные фильтр, второй блок масштабных коэффициентов, сумматор и третий блок масштабных коэффициентов, § вход которого соединен с выходом (Л фильтра, а выход - с четвертым входом идентификатора состо ни  объекта , вход фильтра соединен с выходом формировател  сигнала коррекции, выход сумматора подключен к входу исполнительного механизма, а второй вход - к выходу суммирующего усилител  .

Description

Изобретение относитс  к (1матическому управлению и может быть использовано дл  управлени  электромехпническнми объектами, в т.ч. нестационарными , многомассовыми с упругими св з ми, не все переменн 1е которо го доступны измерению с помощью датчиков , например, в системах управлени  исполннтельныпи органами механизмов роботов, металлорежущих станков , бортовых радиолокационных станций и др. Изнестны след щие системы, содержащие последовательно соединенные из меритель рассогласовани , регулирова ни , вход и выход которого соединены ;с соответствующими входами устройства дл  измерени  текущих динамичес ких характеристик нестационарного об екта (идентификатором), выход которо го соединен с вторьпи входом регул то ра 1. Известны также след щие систем, содержащие последовательно соединенные задатчик, измеритель рассогласов ни , регул тор и объект, выход которого соединен с первым входом суммат ра, второй вход которого через эталонную модель соединен с выходом задатчика , а выход через устройство уп равлени  с бесконечно большим коэффи циентом усилени  и ограничени  соеди нен с вторым входом регул тора. В та кой системе сравнивают реальные выХодньге координаты объекта с желаемыми а по их разности формируетс  дополнительньй сигнал управлени  2J . Однако в данных системах лаже при незначительных изменени х параметров объекта ухудшаетс  качество динамиче ких процессов, тем более в реальных услови х работы системы, когда параметры объектов управлени  значительно измен ютс  в функции координат и времени, нелинейные и нестационарные параметрические рассогласовани  могут привести к потере устойчивости. Наиболее близкой к предложенной  вл етс  система управлени  объектом содержаща  последовательно соединенный задатчик, гуммирующий усилитель, исполнительный механизм, объект управлени , датчик объекта, идентификатор состо ни  объекта и масштабирующий сумматор, выход которого соединен с вторым входом суммируюп1его усилител , а выход последнего соед нен с вторым входом идентификатора состо ни  оОт.екта. С цепью сохранени  работоспособности идентификатора состо ни  ,   следовательно , и всей системы автоматическогс управлени  при изменении параметров об1)екта, в нее дополнительно введены последовательно соединенные измеритель ошибки, формирователь сигнала коррекции и блок масщтабных коэффициентов , выход которого соединен с третьим входом идентификатора, а входы измерител  ошибки подключены к второму выходу идентификации и к датчику объекта з . Однако в известной системе управлени  при значительном изменении параметров объекта и/или при их изменении со скорост ми, сравнимыми с быстродействием основного контура управлени  по ошибке, а также цри существенном вли нии нелинейностей объекта область устойчивости системы .управлени  сужаетс . Кроме того, при больших параметрических рассогласовани х требуетс  значительное усиление в контуре обратной св зи объекта по оценкам идентификатора состо ни , что может привести к ухудшению и даже нарушеЕ1ию работоспособности системы управлени  в услови х всегда имеющих место помех. Целью изобретени   вл етс  повьпиеыие устойчивости системы управлени  при значительных нелинейных и нестационарных параметрических рассогласовани х объекта управлени  и действии помех. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в систему управлени , содержащую последовательью соединенные задатчик и суммирующий усилитель и последовательно соединенные исполнит ельный механизм, объект управлени , датчик обратной св зи, измеритель ошибки, формирователь сигнала коррекции, первый блок масштабных коэффициентов, идентификатор состо ни  объекта и масштабирующий сумматор, выход которого соединен с вторым входом суммирующего усилител , выходом соединенного с вторым входом идентификатора состо ни  объекта, третий вход которого подключен к датчику обратной св зи, а второй выход соединен с вторым входом измерител  ошибки, дополнительно последовательно сорпин(м)ные фильтр, вт.ро; блок мп.-Птч-тных колфГ иц.еч счр , глммлтс р 3 и третий блок масп1табных коэффициентов , вход которого соединен с выходом фильтра, а выход - с четвертым входом идентификатора состо ни  объекта , вход фильтра соединен с выходом формировани  сигнала коррекции, выход сумматора подключен к входу исполнительного механизма, а второй вход - к выходу суммирующего усилител . В системе кроме двух основных контуров управлени  - контура обратной св зи объекта управлени  по оцен кам идентификатора, состо щего из суммирующего усилител , сумматора, исполнительного механизма, объекта управлени , датчика объекта, идентификатора состо ни  объекта и масштабирующего сумматора, и контура коррекции идентификатора, состо щего из идентификатора состо ни  объекта, из мерител  ошибки, формировател  сигнала коррекции и блока масштабных коэффициентов - посредством вновь введенных блоков и св зей дополнительно организованы контур адаптации объекта, состо щий из сумматора, исполнительного механизма, объекта управлени , датчика объекта, измерит л  ошибки, формировател  сигнала кор рекции, фильтра и второго блока масштабных коэффициентов, и дополнитель на  цепь адаптации идентификатора со сто ни  объекта,состо ща  из фильтра и третьего блока масштабных коэффициентов . Цель основного контура обратной св зи объекта управлени  по оценкам идентификатора состоит в том, чтобы обеспечить устойчивую работу системы с требуемой динамикой. Назначение второго основного контура коррекции идентификатора состоит в корректиров ке поведени  переменных, вырабатываемых идентификатором, имеющим стационарную:структуру , с целью приближ ни  характера их поведени  к динамик свойственной нелинейному и нестационарному объекту. Тем самым оценки идентификатора уточн ютс  Ъ учетом параметрических рассогласований объекта . Целью вновь организованного конту ра адаптации объекта введенной допол нительной цепи адаптации идентификатора  вл етс  компенсаци  параметрических рассогласований в объекте и в щентификаторе состо ни  объекта со- 83 ответственно. При этом в контуре обратной св зи объекта по оценкам идентификатора за счет действи  контура адаптации объекта и дополнительной цепи адаптации идентификатора могут быть значительно ослаблены коэффициенты усилени . Поэтому параметры обратных св зей обоих контуров, определ емые масштабирующим сумматором в первом контуре и вторым блоком масштабных коэффициентов во втором контуре, выбираютс  исход  из устойчивости адаптивных процессов управлени  и идентификации и требуемого быстродействи  управлени  объектом. Это расшир ет область устойчивости предлагаемой системы управлени . На фиг. 1 приведена функциональна  схема предлагаемой системы управлени ; на фиг. 2 - принципиальна  схема примера конкретного исполнени  системы управлени ; на фиг.З - осциллограммы переходных процессов при управлении упругим нестационарным электромеханическим объектом в предлагаемой системе. Система управлени  содержит задатчик 1, суммирующий усилитель 2, сумматор 3, исполнительный механизм 4, объект 5 управлени , датчик 6 обратной св зи, измеритель 7 ошибки, формирователь 8 сигнала коррекции, блок. 9 масштабных коэффициентов, идентификатор 10 состо ни  объекта, масштабирующий сумматор 11, фильтр 12, второй блок 13 масштабных коэффициентов , третий блок 14 масштабных коэффициентов , усилители 15. Система управлени , например, с нестационарным резонансным упругим механическим объектом с нелинейными свойствами работает следующим образом . Задатчик 1 вырабатывает командный сигнал, который через суммирукмзцй усилитель 2, представл ющий собой усилитель с суммирующим входом, сумматор 3 и исполнительный механизм 4 воздействует на объект 5 управлени , в котором возбуждаютс  резонансные колебани . Идентификатор 10 состо ни  объекта получает сигналы от суммирующего усилител  2 и датчика 6 полностью наблюдаемой переменной объекта , например, одной из обобщенных скоростей объекта, в которой содержитс  скрыта  информаци  о движении всех остальных (2т-1) независимых переменных состо ни  объекта, недоступ ных непосредственному измерению, и на основе получаемой информации выра батывает оценки m переменных объекта где m - число степеней свободы объек та, именно га упругих моментов, соответствующих механическим реэонансам, и m обобщенных скоростей. Стационарна  часть идентификатора 10 состо ни  построена по известным алгоритмам, в соответствии с котЬрыми имеет два входа и известную структуру, содержащую 2т подблоков (Интеграторов), вырабатывающих переменные объекта. При этом его работа рассчитана на линейность и стационар нрсть характеристик объекта, и при ,Изменении параметров и отклонении от линейности объекта вырабатываемые идентификатором 10 оценки переменных огклон ютс  от их действительных зна чений, С целью согласовани  поведени  идентификатора с нелинейным и; нестационарным объектом и, таким образом, получени  точных оценок переменных объекта вводитс  контур коррекции идентификатора, подчин юще го движение идентификатора движению объекта. Коррекци  осу цествл етс  контуром, образованным измерителем 7 ошибки, формирователем 8 сигнала кор рекции и блоком 9 масштабных коэффициентов , В измерителе 7 ошибки сравниваютс  сигналы переменной, непосре ственно измеренной датчиком 6 обратной св зи, и ее оценки, вырабатываемой идентификатором 10, Их разность вырабатываема  измерителем 7 и харак теризующа  параметрические рассогласовани  , поступает на вход формировател  8 сигнала коррекции, представл ющего собой безынерционный усилитель с большим усилением и огра ничением (с релейной характеристикой Сформированньй формирователем 8 сигнал коррекции поступает в блок 9 масштабных коэффициентов, который подает этот корректирующий сигнал с соответствующими масштабными коэффициентами (весами) на входы казкдого из 2т подблоков (интеграторов) идентификатора 10, обеспечива  согласование его оценок переменных с их дей ствительными значени ми. Организуемый дополнительный контур адаптации объекта, образуемый блоками 3-8 и вновь введенными блока ми 12 и 13, обеспечивает компенсацию нелинейргых и нестационарных параметрических рассогласований объекта и приведение динамики объекта к динамике соответствующей стационарной части идентификатора. Сигнал параметрических рассогласований объекта, вырабатываемый контуром коррекции идентификатора и снимаемьш с формировател  8 сигнала коррекции , несет в себе информацию о нестационарном и нелинейном поведении объекта и поэтому может быть использован в работе контура адаптации объекта дл  компенсации его параметрических рассогласований. Этот сигнал проходит через фильтр 12 и второй блок 13 масштабных коэффициентов, который подает этот сигнал со своим масштабным коэффициентом на вход сумматора 3, Сформированный сумматором 3 сигнал через исполнительный механизм 4 воздействует на объект 5 управлени , компенсиру  его параметрические рассогласовани  , Теперь, когда объект ведет себ  как стационарный, необходимо скомпенсировать нестационарное поведение идентификатора 10 состо ни , обусловленное параметрическими рассогласовани ми объекта, С этой целью организована цепь адаптации идентификатора, использующа  сигнал параметрических рассогласований, снимаемый с формировател  8 сигнала коррекции. Этот сигнал проходит через фильтр 12 и третий блок 14 масштабных коэффициентов , которьш подает его с соответствующими масштабнь1ми коэффициентами на входы интеграторов идентификатора 10, возвраща  ему свойства стационарной модели с заданными параметрами . Вновь введЁнный фильтр 12 играет дво кую роль: роль сглаживани  и роль блока задержки. Сглаживание выхода формировател  8 сигнала коррекции необходимо дл  того, чтобы в системе исполнительный механизм объект не возник скольз щий , привод щий на практике к непри тным  влени м дрожаний и высокочастотных колебаний механических узлов объекта , а в некоторых случа х - к неустойчивой работе системы. Временна  задержка фильтра необходима дл  разнесени  во времени процессов коррекции идентификатора и адаптации объекта , которые обусловлены одним и тем же сигналом, снимаемым с формировате л  8. При этом процессы идентификации должны заканчиватьс  быстрее, чем процессы адаптации, так как в противном случае адаптивный сигнал дополнительной цепи адаптации идентификатора может компенсировать действие контура коррекции идентификатора и тем самым нарушить его работу Врем  задержки фильтра выбираетс  большим, чем врем  протекани  процессов в контуре коррекции идентификатора , но, с другой стороны, оно выбираетс  достаточно малым, чтобы не оказывать заметного вли ни  на быстродействие процесса адаптации объекта. Наконец, основной контур обратной св зи объекта по оценкам идентификатора , образованный блоками 2-6, 10 и 11, формирует желаемое по качеству и быстродействию поведение системы управлени . В этом контуре идентификатор 10 состо ни  вырабатывает (восстанавливает) оценки всех 2т независимых переменных, которые подаютс  на масштабирующий сумматор 11, формирующий из них линейную комбинацию с заданными весовыми коэффициентами . Сформированный масштабирующим сумматором 11 сигнал через последовательно соединенные блоки 2-4 поступает на объект 5, подавл   его упругие колебани  (резонансы) с помощью исполЕ1ительного механизма 4, который может представл ть собой блок усилитель мощности - двигатель либо тиристорный преобразователь двигатель и др. Теперь требуемые большие коэффициенты усилени  в контуре обратной св зи объекта по оценкам идентификатора, обеспечивающие высокое быстродействие системы управ лени , что часто приводит к потере устойчивости при воздействии помех, могут быть существенно снижены за счет дополнительного введени  адапти рующего сигнала (на первый вход сумматора 3}, тем самым расшир етс  область устойчивой работы (например, перекрываетс  область резонансных частот объекта) при требуемом быстро действии. Задатчик 1 (фиг. 2) может быть ре ализован, например, с помощью переменного сопротивлени  16. Исполнител ный механизм 4 представл ет собой блок,, состо щий из управл емого сило вого тиристорного преобразовател  17 и двигател  18 посто нного тока. Объект 5 управлени  представл ет собой механическую упругую нагрузку 19 с зазором, соединенную с инерционным ротором двигател . Датчик промежуточной переменной 6 представл ет собой тахогенератор 20, жестко св занный с ротором двигател . Остальные блоки 2, 3, 7-14 реализованы на микросхемах операционных усилителей ,-j с КС-цеп ми. Суммирующий усилитель 2 и сумматор 3 выполнены соответственно на усилител х 15 и 1Зо. Измеритель ошибки 7 выполнен на усилителе ,.. Формирователь 8 сигнала коррекции выполнен на усилителе большим коэффициентом усилени  и двусторонним ограничением по амплитуде выходного сигнала посредством стабилитронной цепи Vj, , Vg на элементах КС 156А. Идентификатор 10 состо ни  объекта выполнен на семи усилител х ISo-IS, причем подблоки идентификатора (интеграторы ) , вырабатывающие оценки переменных , выполнены на усилител х 15, 15 у, 15g с емкостными обратными св з ми; усилители 154, -Т 8 инвертирующие. Оценки переменных идентификатора подаютс  на масштабирующий сумматор 11, выполненный на усилителе 15(оС трем  резистивными входами, а блок 9 масштабных коэффициентов представл ет собой три резистивные цепи, подключающие выход формировател  8 сигнала коррекции к входам интеграторов идентификатора. , Фильтр 12 выполнен на усилителе 13 с RC-цепью в обратной св зи. Выход фильтра 12 через второй блок 13 масштабных коэффициентов и через третий блок 14 масштабных коэффициентов , которые в конкретной реализации представлены резистивными цеп ми , подключен соответственно на вход сумматора 3 и на вход усилител  15 идентификатора. IНа осциллограммах (фиг. 3) показаны кривые: 1 - задающий скачкообразный сигнал; 2 - частота вращени  исполнительного двигател ; 3 - частота вращени  объекта. Из осциллограмм (фиг. За) видно, что поведение объекта управлени  характеризуетс  слабо затухающими упругими колебани ми механизма. Из осциллограммы известной системы (.фиг. 36) видно, что упругие коле1 бани  подавл ютс , хот  между поведением нагрузки объекта (крива  3) и исполнительным механизмом (крива  2 наблюдаетс  значительное рассогласование , увеличивающеес  при изменении параметров объекта, что характеризует узкую область устойчивости. В предлагаемой системе управлени  (фиг. Зв) эффективно подавл ютс  колебани  двухмассового объекта при сохранении быстродействи  и формы перёходньпс процессов, соответствующих техническим оптимальным предписани Ц , а быстродействие системы отвечает полосе пропускани , перекрывак цей область резонансных частот. При этом поведение нагрузки (крива  3) близко к поведению исполнительного двигател  (крива  2), и указанна  картина перехйдных процессов сохран етс  при налйчии зазора, а также при изменении параметров объекта, например собственной частоты вращени  в 2-4 раза, суммарного момента инерции в 3-6 раз Таким образом, в предложенной системе расшир етс  область устойчивости. Примером использовани  предложенной системы управлени  могут служить исполнительные органы механизмов промьшшенных роботов, которые описываютс  кик нестационарные двухмассовые объекты с упругими св з ми. В качестве базового объекта выбрана типова  система управлени  след щих электроприводов исполнительных органов манипул ционных роботов. Выбранна  за базовый объект система управлени  примен етс  в новейших разработках роботов, построенных по модульному принципу, и отвечает со3 .10 временному уровню развити  робототехнической промышленности. Она обеспечивает технически оптимальное по быст родействию (программируемое) движение манипул тора при условии идеализации его конструкции как абсолютно твердо1о тела. Однако современные типы манипул торов работают в области частот, где начинают про. вл тьс  упругие свойства механической конструкции . Техническим преимуществом предлагаемой системы управлени   вл етс  введение новых блоков и св зей, подавление колебаний механической конструкции манипул тора при сохранении требуемого быстродействи , отвечающего полосе пропускани , перекрывающей область резонансных частот, а также при изменении параметров объекта, что приводит к расширению области устойчивости предлагаемой системы управлени  по сравнению с базовым объектом. В результате достигаемых технических преимуществ в предлагаемой системе управлени  повышаетс  точность, а также производительность (на 10-15%) манипул .тора за счет снижени  времени позиционировани . Ожидаемый экономический эффект от использовани  предлагаемой системы управлени  рассчитан в сравнении его с базовой системой на примере обработки детали валика ПВ8304017 на двух токарных станках УТ1683, обслуживаемых роботом-манипул тором. Годовой экономический эффект на единицу оборудовани  составл ет 26 тыс.821 руб.

V,

Ч

f-3

(t

4i

Claims (1)

1. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, содержащая последовательно соединенные за— ; датчик и суммирующий усилитель и последовательно соединенные исполнительный механизм, объект управления, датчик обратной связи, измеритель ошибки, формирователь сигнала коррек- ции, первый блок масштабных коэффициентов, идентификатор состояния объекта и масштабирующий сумматор, выход которого соединен с вторым входом суммирующего усилителя, соединенного выходом с вторым входом идентификатора состояния объекта, третий вход которого подключен к датчику обратной связи, а второй выход соединен с вторым входом измерителя ошибки, отличающаяся тем, что, с целью повышения устойчивости системы, в нее введены последовательно соединенные фильтр, второй блок масштабных коэффициентов, сумматор и третий блок масштабных коэффициентов, § вход которого соединен с выходом фильтра, а выход - с четвертым входом идентификатора состояния объекта, вход фильтра соединен с выходом формирователя сигнала коррекции, выход сумматора подключен к входу исполнительного механизма, а второй вход - к выходу суммирующего усилителя .

   ns >

   1 120283