SU761981A1 - Follow-up system - Google Patents

Description

Союз Советских Социалистических Республик

Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительнре к авт. свид-ву — (22) Заявлено 01.03.78 (21) 2586374/18-24 с присоединением заявки — (23) Приоритет— ; ·, (43) Опубликовано 07.09.80. Бюллетень № 33 (45) Дата опубликования описания 30.09.80 с,, 761981 (51)М.Кл.³ О 05 В 11/01 (53) УДК 62-50 (088.8) (72) Автор изобретения

Р. А. Орещенко (71) Заявитель Новокузнецкое отделение Государственного ордена Трудового . Красного Знамени проектного института

Тяжпромэлектропроект им. Ф. Б. Якубовского

УФУ я ч· (54) СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА

2

Предлагаемая следящая система может использоваться в системах автоматического регулирования позиционного привода.

Известны устройства управления [1], в которых для исключения перерегулирования, при ограничении производных пути по времени, параллельно основному регулятору положения включен блок определения времени начала торможения. Однако в таких устройствах блок определения времени начала торможения обеспечивает отработку перемещения без перерегулиррвания и дотягивания только в случае равенства тормозного пути половине заданного, т. е. при отсутствии установившегося участка скорости и равных темпах при' разгоне и торможении привода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство [2], содержащее систему регулирования· скорости /вала механизма и кинематически с ней связанные датчик скорости, датчик положения и датчик статического момента, а также последовательно соединенные блоки умножения, деления, нуль-орган и коммутатор, последовательно соединенные задатчик положения и первый сумматор и последовательно соединенные задатчик момента и второй сумматору второй вход которого соединен с датчи-’ ком статического момента, а выход — со вторым входом коммутатора и вторым входом блока деления, второй вход перво5 го сумматора соединен с датчиком положения, выход· датчика скорости соединен со входами блока умножения и с первым входом системы регулирования скорости вала механизма.

Известное устройство обеспечивает одинаковое качество регулирования положения как при наличии участка установившейся скорости й„, так и без него, однако обладает ограниченными функцио15 нальными возможностями — обеспечивает отработку перемещений только в одном направлении, например, «вперед». При отработке «назад» выходной сигнал первого сумматора изменяет свою полярность и 20 по знаку совпадает с выходным сигналрм блока деления, что блокирует работу второго сумматора. При отработке «назад» необходимо, чтобы выходное напряжение задатчика скорости изменяло свой знак — в ус25 тройстве этого не предусмотрено. Кроме того, точность отработки заданного перемещенйя в этом устройстве определяется точностью датчика- положения и величиной приведенных к выходу системы возмуща30 ющих воздействий (например, статическо761981 • 4 го момента) мущения при прочих рапных условиях определяется коэффициентом 'Усйдёйия регулятора положения — чем больше коэффициент'усиления, тем меньше'величина приведенного возмущения. Коэффициент усиления регулятора положения выбирается обычно' из условия «технического оптимума» и невелик, особенно для малоииериионных приводов, имеющих небольшие, приведенные к валу двигателя, маховые массы. В этом случае составляющая ошибки регулирования положения от возмущающих' воздействий является опрёдсля.' ющей и превосходит погрешность датчика ' положения. Поэтому снижение до ' нуля* 'составляющей ошибки от возмущающих воздействий позволит существенно Повыенть точность позиционирования. ' Целью Настоящего изобретения является'расширение функциональныхвозможностей устройства и . повышение ‘ точности позиционирования.

Указанная цель достигается ’тёи, ' что ' устройство дополнительно содержит формирователь сигнала управления, третий' сумматор, инвертор и блок вычисления модуля, вход которого 'Соединён' с выходом' первого сумматора й первым входом формирователя сигнала управления, выход блока вы' числёния модуля соединён со' вто'р'й'М'п'входами нуль-органа и формирователя сигнала управления, третий и четвертый входы которого соединены Соответственно' с выходами нуль-органа' и коммутатора, третий вход которого соединён с выходом третьего. сумматора,. первый вход которого соединен ' с выходом задатчика момента, а второй че’ рез'инвертор — с вйходом Датчика статического момента, выход формирователя Сигнала управления соединен со вторым Входом регулятора скорости вала' механизма, первый вход коммутатора соединен с выходом Нуль-органа. В качестве формирователя сигнала управления используется блок, который содержит задатчик ограничения уровня выходного сигнала, задатчик частоты, формирователь знака, ключ, первый источник наПр'яжснНя; я также' последовательно соединенные второй источник напряжения, функциональный преобразователь, генератор импульсов и вычислительный блок, выход которого соединен с выходом формирователя ~“сйгН'а7?а’управления, второй вход — с выходом ' зйдатчика ' огрУн!Чет^й^?Й®^^ШЬХ' ного сигнала, третий вход — с выхрдом ^кл'юча, упр а вл яющий вхо д кбтб^бЙГ^Эёд и ВёП^: с выходом генёр'атор а ' импульсов, а вход — с выходом формирователя знака, первый’'вход которого со'единеи ' с четвертым входом формирователя сигнала управления, второй вход - с третьим входом формирователя сигнала управления', а третий вход — с первым входом форм'ирова'^'’тёД'Я’ сйгнЯла управления, второй и третий * входы. функционального преобразователя соединены соответственно с выходом первого источника напряжения и вторым входом . 5 формирователя сигнала управления.

Кроме того, в качестве формирователя · сигнала управления может использоваться блок, который содержит задатчик 'ограничения уровня выходного сигнала и последо10 'вательно соединённые источник напряжения, нуль-орган, формирователь знака, сумматор-ус.илнтель, ограничитель и вычислительный блок,'второй вход которого соединён с задатчиком ограничения уровня вы¹⁵ ходкого сигнала, третий вход — с выходом нуль-органа, а выход — с выходом блока ' ‘управления; третий вход формирователя Сигнала управления соединен со вторым входом формирователя знака, первый вход— с третьим входом формирователя знака и со вторым входом сумматора-усилителя, второй вход — ёб вторым входом нуль-ор_ь гана, а четвертый вход — со вторым' входом ограничителя.

На фиг. 1 представлена блок-схема . предлагаемой Системы, соответствующая пунктам 1, 2 формулы, на фиг. 2 — блок; схема, соответствующая пунктам 1, 3 формулы. ' Г? - г ·

Система содержит регулятор 1 регулировання скорости вала механизма с датчи-. ком 2,скорости, датчиком 3 статического ' момента й датчиком 4 положения, формирователь 5 сигнала управления, блок'.б ум35 ножения, блок 7 деления, нуль-орган 8, коммутатор 9, сумматоры 10—12, инвертор 13, блок вычисления модуля 14, задатчик 15 положения, задатчик 16 момента двигателя. Формирователь 5 со40 .Держит' вычислительный блок 17, задатчик 18 ограничения уровня выходного сигнала, ключ 19, ’ формирователь знака 20, функциональный преобразователь 21, генератор импульсов 22, задатчик 23 частоты, источники напряжений......‘247 25, нуль-орган.

26, сумматор-усилитель 27 и ограничитель' 28. э.с с - э>^ ..' э... ..

Устройство работает следующим обра- , зом. Регулятор 1 скорости вала механизма, иа Входы которого поступают выходные сиг-. налы оз, V_у с датчика 2 скорости и формирователя 5 сигнала управления, обеспечивает изменение скорости вала механизма в соответствии с сигналом (у Регулятор 1 скорости вала механизма может быть вы' полнен, например, на базе вентильного.

электропривода (двигатель постоянного то- . ка; 'якорь 'которого подключен к выходу управляемого выпрямителя),.....содержащего ' контур регулирования скорости с подчиненным контуром регулирования тока якоря.

Формирователь 5 сигнала управления формирует сигнал в соответствии с сигналами Пь П₂, поступающими на .

входы блока 5 с выходов коммутатора 9, е --л~ п;;' у''· * \ .

~ .....ί* сумматора 12, блока вычисления модуля 14 . и нуль-органа 8.

Блок 7 деления, на входы которого поступают сигналы ω², И_т с выходов блока 6 умножения и сумматора 10, обеспечивает на своем выходе величину:

ответствии с критерием «модульного оптимума», то коэффициенты где υ_τ =.М_П -1- М_с; ₍ щ2)

К — коэффициент;

М„, М_с— соответственно . полный (предельный) и статический моменты элек. ' тродвигатёля системы 1 регулирования скорости. ⁷ ...

Величина 5_Г пропорциональна пути торможения при равно-замедленном движении до полной остановки электродвигателя.

Нуль-орган 8, на входы которого поступают сигналы 5_Т, Н, с выходов блока 7 деления и бцока вычисления модуля 14, обеспечивает на своем выходе логические сигналы . _ _ ! _; ί/₂= + Γ, если Н(>5_Т (3).

и₂~ 0 если Ηι<5_τ (4)

Коммутатор 9, на входы которого поступают сигналы и₂, и), Нр с выходов нульоргана 8 и сумматоров 10, И, обеспечивает на своем выходе сигнал (/ в соответствии с уравнениями:

- · ί/_ρ; если Г/₂-= 1, (5) π₂=ο; ' (6) где и_р=м_п—м,, и_т=м„+м_с.

Сигналы и _р, и_т задают соответственно темпы нарастания и спадания скорости вала механизма и датчика 4 положения.

. Вычислительный блок 17 обеспечивает преобразование выходного сигнала 17 формирователя знака 20, поступающего на его вход через ключ 19, в выходной сигнал 11 _у в соответствии с уравнением + к₂1/ + + ...4-,--где Т, — электромеханическая постоянная ⁴ электропривода;

Р — активное сопротивление якорной цепи вентильного электропривода;

к._л — коэффициент передачи скорости;

. Т — малая (некомпенсируемая) постоянная времени контура регулирования тока якоря, — обеспечат время нарастания тока , якоря, не превышающее время ’ регулирования контура тока.

Блок 17 обеспечивает ограничение сигнала ϋ_у на уровне ± I/, если выходной сигнал 17 генератора импульсов 22, поступающий на-вход блока 17, равен 1. Сигнал 11 _у ограничивается .на нулевом уровне, если (7₈ = 0, Сигнал 1/ поступает на вход блока 17 с выхода задатчика уравня 18 и определяет (задает) максимально возможную скорость вала механизма.

Формирователь знака 20, на'входы которого поступаю сигналы и₂, 8, 17 с выходов нуль-органа 8, сумматора 12 и коммутатора 9, обеспечивает на своем выходе сигнал I/, модуль которого равен величине ( а знак совпадает со знаком величины 5, если и₂=1, и противоположен знаку величины 5, если Н₂=0.

Функциональный преобразователь 21, на входы которого поступают сигналы и_ь 17, и₆ с выходов блока вычисления модуля 14 и источников напряжения 24, 25, обеспечивает. на своем выходе сигнал 1/ в соответствии с уравнениями: ----γ--’- ------ .

^: и₇--хк· и_х, если 17747/Л7, (9)

1/=0, если 1/<17, ' (10) и₇~ки₆, если и_х>и_е„ (ίί) где к — коэффициент.

В общем случае функциональная зависимость (9) между сигналами 11 _ь 11₇ может иметь более сложный закон, чем пропорциональный, например, 1]₇ = ке~'^{1 и}>, где а — коэффициент. Величина I/, несколько меньше абсолютной ошибки датчика 4 положения. Величина 17 в несколько раз превышает величину 11₅ и тем бриже к величине 17, нем стабильней система 1 регулирования скорости.

Генератор импульсов 22 обеспечивает на своем выходе сигнал Це (импульсы прямоугольной формы, единичной амплитуды).

где п, к_х, к₂, · · к„+₂ — коэффициенты, величины которых 'определяют требуемую динамику устройства управления' позиционным приводом и зависят от параметров системы 1 регулирования скорости.

Например, если регулятор скорости вала механизма выполнен .на базе вентильного электропривода, содержащего контуры регулирования, скорости и тока с последовательной коррекцией, настроенной в со

761981' , · 8

Частота импульсов задается с помощью выходного сигнала 'задатчика частоты 23. Длительность импульса пропорциональна выходному сигналу и₇ функционального преобразователя 21, причем для и₇.= к / длительность импульса равна периоду, т. е. при и₇ = к и₃ выходной сигнал Д₈ генератора становится непрерывным.

Выходной сигнал ί/₈ генератора импульсов обеспечивает управление ключом 19, который подключает выход формирователя знака 20 ко входу вычислительного блока 17 в периоды, когда Д₈=1.

Статическое состояние устройства (фиг. 1) характеризуется тем, что 15₃—5₀^ = —И// и₇=и_а=0, что обеспечивает и_у=0 и, следовательно, скорость вала механизма равна'нулю. '· '

Рассмотрим работу устройства при ступенчатом увеличении положительного выходного сигнала 5₃ задатчика 15 положения. Допустим, что увеличение 5₃ привело к неравенству ;5₃—5₀|=17,>[7₆. В этом случае Д₈=1, ключ 19 замыкается,’ обеспечивая прохождение на вход блока 17 сигнала и₃=+и_к — и_р. τ. κ./ι> ;5_Т) =о, то Ц₂=1, и коммутатор 9 пропускает на выход сигнал и_р. Поскольку и₂— 1, то на выход формирователя знака 20 проходит величина и_Р со знаком, соответствующим знаку величины 5, который в данном случае положителен.

После'поступления сигнала £/_р на вход блока 17 на выходе последнего появляется сигнал Пу, определяемый уравнением (7). Интегральная составляющая (линейно растущий сигнал) сигнала П_у определяет (задает) темп изменения скорости ω вала механизма. Пропорциональная и дифференциальная составляющие сигнала П_у обеспечивают необходимую· форсировку, компенсирующую инерционность системы 1 регулирования скорости, вала механизма. Вал двигателя разгоняется с заданным темпом, величина которого определяется сигналом Пр.

Величина 5_Т, пропорциональная тормозному пути, возрастает, а модуль величины рассогласования 5₃—5₀ уменьшается. Как только υ_γ станет по модулю меньше величины 5_Т, нуль-орган 8 срабатывает, обеспечивая Н₂=0. Коммутатор 9 обеспечивает на своем выходе П/_г=П_т. Формирователь.знака 20 обеспечивает йа своем выходе П₃=—и_к =—11_т ,\ т. к. 5>0, а П₂=0.

Сигнал— П_т, поступая на вход вычислительного блока 17, вызывает уменьшение по линейному закону 'выходного сигнала П_у. Привод тбр'мозится с заданным темпом, определяемым сигналом П_т. Скорость привода и величина рассогласования по положению 5₃—5₀ уменьшаются. Как только Πι<Π₀, выходной сигнал П₈ генератора импульсов 22 становится прерывистым (импульсным), и ключ 19 периодически подключает выход формирователя знака 20 ко входу ПИД блока 17. Темп торможения снижается пропорционально (в общем случае по закону функционального преобразователя 21) рассогласованию 5 по положению, что обеспечивает заданный характер (без перерегули- рования) согласования величин 5₃ и 5₀.

Как только и// выходной сигнал П₈ генератора импульсов 22 становится равным нулю, обеспечивая нулевое значение выходного напряжения 14_у блока 17, и устройство возвращается в статическое состояние. .

Устройство по пунктам 1, 3 формулы (см. фиг. 2) работает следующим образом.

Вычислительный блок 17 обеспечивает преобразование выходного сигнала Г7₃ ограничителя 19, поступающего на его вход, в выходной сигнал О_у в соответствии с уравнением (7).

Блок 17 обеспечивает ограничение сигнала и_у на уровне ± /. Сигнал 11\ поступает на вход блока 17 с выхода .задатчика уровня 18 и определяет (задает) максимально возможную скорость вала механизма.

Блок 77 обеспечивает изменение коэффициентов «ι, й_ь к₂, . к„₊₂ при изменении выходного сигнала и₇ нуль-органа 26, поступающего на его вход. Например, если система / регулирования скорсти вала механизма выполнена на базе вентильного электропривода, содержащего контуры регулирования скорости и тока с последовательной коррекцией, настроенной в соответствии с критерием «модульного оптимума», и подчиненным 'регулированием координат, то указанные коэффициенты определяются при и₇ = 1 зависимостями (8), а при и₇ = 0 п = 0; к_А = ~ к,„ к$

Л-128 · Т² ’

й.

й,„-йу Л-8Т (12) где кз — коэффициент передачи датчика положения;

А = — — коэффициент.

αι ω

Возможны и иные, чем (12), настройки коэффициентов.

Ограничитель 28, на входы которого поступают сигналы / и_к с выходов сумма' тора-усилителя 27 и коммутатора 9, обеспечивает на своем' выходе ограничение сигнала Г/₅ на уровне ±и_к.

Сумматор-усилитель 27, на входы которого поступают сигналы 8, £/₆ с выходов 'сумматора 12 и формирователя знака 20, обеспечивает на своем выходе сигнал £7₅ в соответствии с уравнением = βι*5 + β₂ · /, (13) где βι, β₂ — коэффициенты, причем β₂>βι. Формирователь знака 20, на входы кото65 рого поступают сигналы 8, и₂, / с выхо761981

ΙΟ дов сумматора 12 и нуль-органов 8, 26, обеспечивает на своем выходе сигнал 1/, модуль которого равен величине а знак совпадает со знаком величины 5, если и₂ = 1, и противоположен знаку величины 5, если 5 Д₂ = 0.

Нуль-орган 26, на входы которого поступают сигналы РР, и_& с выходов блока вычисления модуля 14 и .источника напряжения 24, обеспечивает на своем выходе логи- 10 ческий сигнал 11₇ = 1, если υι>41₈ и ί/₇'“== 0, если и_&.

Статическое состояние устройства (фиг.

2) характеризуется тем, что , 5₃—5о ί = .

= и_{ — 0, и₇ = и₈ — 0, выходное напряже- 15 ние и у блока 17 отличается от нуля на величину, необходимую для компенсации.действия возмущающих воздействий (статический момент и т. д.). Скорость вала механизма равна нулю. ' 20

Рассмотрим работу устройства (фиг. 2) при ступенчатом увеличении положительного выходного сигнала 5₃ задатчика 15 положения. Допустим, что увеличение 5₃ привело к неравенству' |5₃—5₀| = и_х>и_&. 25 В этом случае ί/₇ = 1. Выходной сигнал формирователя знака 20 И₆ ~ 1, т. к. 5>0, а 11₂ = 1, поскольку Д]>5_Т =0. Коэффициенты βι, β₂ подобраны так β₂>βι, что для максимально возможной величины 3₁ имею- 30 щей противоположный знак по отношению к и_е, и₅>и_А и совпадает по знаку с и₆, следовательно, пока С/₇ = 1, на выходе ограничителя 28 повторяется величина (за счет ограничения П₅>П_Л, на уровне ±£Л>) 35 со знаком, соответствующим величине и_в, т. е. величина = П_р, т. к. 11₂ = 1.

После поступления сигнала £/_р на вход блока 17 вал двигателя разгоняется с заданным темпом, величина которого опреде- 4 ляется сигналом Д_р.

Величина 5_Т, пропорциональная тормозному пути, возрастает, а модуль Щ величины рассогласования 5₃—5₀ уменьшается. Как только Д] станет по модулю меньше 4 величины 5_Т, нуль-орган 8 срабатывает,; обеспечивая 11₂ = 0. Коммутатор 9 обеспечивает на своем выходе Н,_г = П_т. Формирователь знака 20 по сигналу И₂ = 0 изменяет знак величины (7₆. В реультате на выходе Е ограничителя 28 обеспечивается сигнал П₃ = -¼. '' \

Сигнал — 11,, поступая на вход ПИД·· блока /7,.вызывает уменьшение по линейному закону выходного сигнала Д_у- Привод £ тормозится с заданным темпом, определяемым сигналом и_т. Скорость привода и величина рассогласования 5 по положению уменьшается. Как только сигналы

11₇, и₆ принимают нулевые значения, блок £ 17 перестраивается, и контур регулирования положения замыкается. Система с заданным качеством регулирования останавливается в требуемой точке 5₃, т. ©. возвращается в статическое состояние. · £

Устройство, изображенное на фиг. 2, целесообразно применять в том случае, когда абсолютная ошибка датчика 4 положения мала (точность позиционирования высока), т. к. непрерывное регулирование (в отличие от импульсного) обеспечивает в этом случае лучшую стабильность работы устройства.

Устройства, изображенные на фиг. 1, 2, решают задачу с максимальным использованием динамических возможностей двигателя регулятора 1, т. е. как при разгоне, так и при торможении, двигатель обеспечивает предельный момент, регламентированный паспортными данными двигателя. В этом случае т'емп торможения превосходит темп разгона двигателя, что снижает время отработки заданного перемещения.

Предложенное устройство, по сравнению с прототипом, обеспечивает отработку перемещения в обоих направлениях (расширение . функциональных возможностей) и повышает точность позиционирования до уровня погрешности датчика 4 положения.

Предложенное устройство легко реализуется на базе элементов аналоговой и цифровой техники.

Claims (3)

1. Формула .изобретения

   Г. Следящая система, содержащая регулятор скорости 'вала механизма, который кинематически связан с датчиком скорости, датчик положения и датчик статического момента, а также последовательно соединенные блоки умножения, деления, нуль-орган и коммутатор, пбс.ледовательно соединенные задатчик положения и первый сумматор и последовательно соединенные задатчик момента и второй сумматор, второй' вход которого соединен с датчиком статического момента, а выход — со вторым входом коммутатора и вторым входом блока деления, второй вход первого сумматора соединен с датчиком положения, выход датчика скорости, соединен со входами блока умножения и с первым входом регулятора скорости вала механизма, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности позиционирования, система дополнительно содержит'формирователь сигнала управления, третий сумматор, инвертор и блок вычисления модуля, вход которого соединен с выходом первого сумматора и первым входом формирователя сигнала управления, выход‘блока вычисления модуля соединен со вторыми .входами нуль-органа и формирователя сигнала управления, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами нуль-органа и коммутатора, третий вход которого соединен с выходом третьего сумматора, первый вход которого соединен с выходом задатчика момента, а второй — через инвертор — с выΤ:

   ' 761981

   .............. 11 · ' ’ ‘

   Κ~\ »
2. 2 ^^σ-4·»’₄ дм ·-·.- - -> - . ...

   .........ходом'датчика статического момента,' выход формирователя сигнала управления соединен со вторым входом регулятора скорости вала механизма, первый вход коммутатора соединен с выходом нуль-органа.

   г

   /.’./. . 2. Устройство по π. I, о тли ч а ю щ с е с я тем, что формирователь сигнала управ• · - тщц.ля содержит за датчик ог р аннчепия у ров йя. выходного сигнала, задатчик' частоты, ’ формирователь знака, ключ, первый источник напряжения, а также последовательно соединенные вторрй источник напряжения, функциональный преобразователь, генератор ' ггмпульсов И вычислительный блок, выход - ' которого соединен с выходом формировате‘ ля сигнала управления, второй вход — с выходом задатчика ограничения уровня выходного сигнала, третий вход —'с выходом 'ключа,; управляющий вход которого соед кпен с выходом генератора импульсов, а вход — с выходом формирователя знака,. первый вход которого соединен с четвертым в ходо м ф ормйровател я 'сиги а л а унр а в леи г г я. второй вход — с третьим входом формиро. вателя сигнала управления, а третий 'вход — с первым 'входом формирователя сигнала управления, второй и третий входы функционального преобразователя соедине-. ны. соответственно с выходом первого источ;...../ 12 ' ника напряжения и вторым входом формирователя сигнала управления.
3. 3. Устройство по π. 1, отличающеес я тем, что формирователь сигнала управ⁵ ления содержит задатчик ограничения уровня выходного сигнала и последовательно ' соединенные 'Источник напряжения, нуль-орган, формирователь знака, сумматор-усилитель, ограничитель/и вычислительный блок, 10 второй вход которого соединен с задатчиком ограничения уровня выходного сигнала, тре’тнй вход с выходам нуль-органа, а выход — с выходом формирователя сигнала управления, третий вход фррмйрователя сиг15 нала управления соединен со вторым входом ' формирователя знака, первый вход — с третьим входом формирователя знака и со вторым входом сумматора-усилителя, второй вход — со вторьгм входом нуль-орга20 на, а /четвертый'вход — со вторым входом ограничителя. - . -