Устройство управления динамическим объектом с присоединенным упругим элементом

 

Изобретение относится к управлению динамическими объектами, а именно к управлению объектами с присоединенными упругими элементами. Целью изобретения является сокращение длительности переходных процессов переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементом. С этой целью устройство, содержащее объект управления с присоединенным упругим элементом, блок исполнительных органов , датчики углового положения и скорости , формирователь знака управляющего момента и вычислитель интервалов управления , дополнительно снабжен двумя вычислителями временных интервалов, крэтных периоду упругих колебаний, задатчиком периода упругих колебаний, формирователем уровней управляющего момента и блоком переключения управляющего момента. 1 ил. СО с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 05 В 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

l1O ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 !

1 ,«4 о с 4 фь

4 (21) 4772685/24 (22) 22.12.89 (46) 07.10.92. Бюл, М 37 (72) В.В,Карагодин и А,Н.Герасимов (56) Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей, M. Машиностроение, 1977.

Авторское свидетельство СССР

М 966669, кл. G 05 В 13/00, 1982 (прототип), Проектирование и применение операционных усилителей./Под ред, Дж.Грэма, М,: Мир, 1974. (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ С ПРИСОЕДИНЕННЫМ УПРУГИМ ЭЛЕМЕНТОМ

Изобретение относится к управлению динамическими объектами, а именно к управлению объектами с присоединенными упругими элементами.

Известно устройство, обеспечивающее управление ориентацией объекта управления за счет реализации пропорционального закона управления, Основной его недостаток — неоптимальные временные затраты на процесс управления.

Известная система ориентации и стабилизации, выбранная в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные блок исполнительных органов, объект управления, датчик угловой скорости, усилительь-п рео6 разо вател ь, первый сумматор, первый релейный элемент, выход которого соединен с входами двух систем совпадения, вторые входы которых соединены с вы Ы 1767Я1 А1 (57) Изобретение относится к управлению динамическими объектами, а именно к управлению объектами с присоединенными упругими элементами. Целью изобретения является сокращение длительности переходных процессов переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементом. С этой целью устройство, содержащее объект управления с присоединенным упругим элементом, блок исполнительных органов, датчики углового положения и скорости, формирователь знака управляющего момента и вычислитель интервалов управления, дополнительно снабжен двумя вычислителями временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, задатчиком периода упругих колебаний, формирователем уровней управляющего момента и блоком переключения управляющего момента. 1 ил, ходом второго релейного элемента, второй выход объекта управления соединен с входом датчика угла, выход которого соединен с входами двух сумматоров, второй вход второго сумматора соединен через усилитель с выходом усилителя -преобразователя, а выход — с входом второго релейного элемента, выходы схем совпадения соединены с входами блока исполнительных органов.

Недостатком известного устройства является возможность возбуждения значительных амплитуд колебаний упругого элемента. Это приводит к необходимости длительной стабилизации и демпфированию возбужденных в процессе ориентации колебаний упругого элемента.

Целью изобретения является сокращение длительности переходных процессов

1767477 переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементом.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок исполнительных органов, соединенный выходом с входом объекта управления с присоединенным упругим элементом, датчик углового отклонения и датчйк скорости, входы которых соответственно соединены с пефвым и вторым выходами объекта управления с присоединенным упругим элементом, а их выходы подключены соответственно к информационным входам первого и второго ключей, управляющие входы которых связаны с выходом блока пуска, выходы первого и второго ключей связаны соответственно с первым и вторым входами формирователя знака управляющего момента и первым и вторым входами вычислителя интервалов управления, третий вход и первый выход которого подключены соответственно к первому выходу и третьему входу формирователя знака управляющего момента, дополнительно введены первый и второй вычислители временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, задатчик периода упругих колебаний, формирователь уровней управляющего момента и блок переключения управляющего момента, причем второй и третий выходы вычислителя интервалов управления подключены соответственно к первым входам первого и BTQрого вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, вторые входы которых подключены к первому выходу задатчика периода упругих колебаний, выход первого вычислителя временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, подключен к первым входам блока переключения управляющего момента и формирователя уровней управляющего мо.мента, выход второго вычислителя интервалов управления, кратных периоду упругих колебаний, подключен к вторым входам блока переключения управляющего момента и формирователя уровней управляющего момента, первый и второй входы формирователя знака управляющего момента связаны соответственно с третьим и четвертым входами формирователя уровней управляющего момента, первый выход задатчика периода упругих колебаний связан с третьим входом блока переключения управляющего момента и с пятым входом формирователя уровней управляющего момента, первый и второй выходы которого связаны соответственно с четвертым и пятым входами блока переключения управляющего момента, второй выход задатчика периода упругих колебаний соединен с шестым входом формирователя уровней управляющего момента, шестой и седьмой входы блока переключения управляющего. момента соединены соответственно с вторым и третьим выходами формирователя знака управляющего моменты, выход блока пуска связан с третьими входами вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, и восьмым входом блока переключения управляющего момента, первый, второй, третий и четвертый выходы блока переключения управляющего момента соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока исполнительных органов, Предлагаемое устройство обеспечивает сокращение длительности переходных процессов переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементом и тем самым достижение цели изобретения, Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенныеые отличия

8 основу изобретения положено следуюшее, Динамика объекта с присоединенным упругим элементом может быть описана системой уравнений

Э5 -,;+„.

m s + m v cu s/ . + m oP s = — b y, где! — массово-инерционный параметр объекта управления;

b — коэффициент взаимовлияния корпуса объекта и упругого элемента;

m — приведенная масса упругого элемента;

N — частота колебаний упругого эле45 мента;

v — логарифмический декремент затухания, — координата корпуса объекта управления;

s — обобщенная координата упругого элемента.

Идея управления таким объектом основывается на независимости от величины управления периода колебаний упругого элемента, который равен

Т =2 лТ, где Т=1/ и.

Если управляющее воздействие поддерживать равным и на интервале времени, кратном периоду колебаний Tg. то в конце этого

1767477 интервала координаты упругого элемента будут находится в той же точке, что и в момент начала управления (s = О, s = О).

Для оптимального по быстродействию разворота объекта управления как "твердого" (без учета упругого элемента) необходимо приложить к нему управляющее воздействие релейного вида, имеющее два интервала постоянства, длительности которых определяются выражениями т1 =—

О

+ т2 (2)

ГДЕ t<, t2 — ДЛИтЕЛЬНОСтИ ПЕРВОГО И ВТОРОГО интервалов; у(0 ), y(0) — начальное значение фазовых координат; 20

u — максимальный управляющий момент; ! — момент инерции объекта управления.

Длительности 11, t2 могут быть не кратными периоду колебаний ynpyroro элемента (случай кратности является частным и маловероятнымм),т.е, 1 = 1 + At>; т2 = т2 + At2 где t i = (t>/2 л Т)2 л T, tz" = (2/2 л Т)2 л Т, (") — целая часть числа;

A t> < 2 _#_ Т, Л 12 < 2 тг Т, Зто может привести к возбуждению значительных по амплитуде колебаний упругого элемента при переключениях управляюще- 35 го воздействия. Однако, если Ат1, Лtz

"растянуть" до величины, равной Т!, то в конце интервалов управления фазовые ксординаты упругого элемента окажутся и в этом случае в точке (з = О, з = О), но тогда 40 координаты "твердого" тела не попадут в цель управления. Совмещение этих двух моментов можно осуществить уменьшением величины управляющего воздействия на растянутых до Тк интервалах Лt<, Лtz. 45

Величины u<*, uz* на этих интервалах легко определить из выражений

u1* - Uz* — у (о ) — — и (tg — 4 ) (3)

I 1

2 TT

02 =1!y (О)+ Iу (О)(йТ+tp )+ u(кТ(с +

+t2)+ — (t +tz )))/(-2лТ(2лТ+t2), (4)

1 которые получены из системы уравнений относительно длительностей интервалов 55 при учете, что

At< Atz 2 7гТ

Знак управляющего момента на первом интервале определяют в соответствии с выражением

u = luI sIg ч = -- . ЯО !- у(o ) .

В результате в конце управления все фазовые координаты будут удовлетворять конечным условиям (y-- О, y-- О, s = О, s = О).

Длительность же разворота будет больше оптимальной не более чем на два периода колебаний упругого элемента.

Для оценки преимуществ предлагаемого способа был проведен ряд математических экспериментов, Осуществлялся разворот объекта управления с параметрами.

Момент инерции объекта = 1400 кг м.с, Максимальный управляющий момент - 48,57 кг м;

Приведенная масса упругого элемента m =3,5 кгс /м;

Коэффициент взаимовлияния упругого элемента и корпуса объекта b = 10 кгс;

Собственная частота колебаний упругого элемента N = 51/с;

Длина упругого элемента h =- 2м;

Логарифмический декремент затухания

v= 0,05; на 10 градусов при нулевых. значениях остальных фазовых координат.

Длительности интервалов управления объекта как твердого тела" равны 41 = l2 =

=2,2657 с, г ри этом их кратные периоду колебаний упругого элемента части равны ц = т2

=1,2551 с.

Уровни управляющего момента и1* = uz* =- 41,68 кг м, В конце управления все фазовые координаты оказались в нуле, что соответствует цели управления, При этом длительность управления составила tymp = 5,0205 с, в то время как длительность управления, оптимального по быстрсдействию, объектом KBK "твердым телом" равна tonr = 4,5314 с, однако к ней необходимо добавить время, затрачиваемое на затухание (или стабилизацию) остаточных колебаний упругого элемента.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства, Устройство состоит из объекта 1 управления с присоединенным упругим элементом 2, блока испол нительных органов 3, способного создавать управляющее воздействие разных знаков, регулируемое по величине, датчиков угла 4 и угловой скорости 5, двух ключей 6 и 7, блока пуска 8, вычислителя интервалов управления 9, фор1767477 мирователя знака управляющего момента

10, двух вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний,11 и 12, задатчика периода упругих колебаний

13, на первом выходе которого сигнал пропорционален Tk, а на втором Т /2, формирователя уровней управляющего момента 14, блока переключения управляющего момента 15.

Устройство работает следующим образом.

Текущие значения угла и угловой скорости снимаются с датчика угла 4 и датчика угловой скорости 5. При необходимости совершения разворота объектом 1 с присоединенным упругим элементом 2 включают блок пуска 8 (это может быть просто нажатие кнопки "Пуск" ), Разрешающий сигнал поступает на логические входы ключей 6 и

7, в вычислители временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, 11 и 12 и в блок переключения управляющего момента 15. Начальные значения угла и угловой скорости объекта поступают на входы вычислителя интервалов управления 9, на выходах которого формируются сигналы. пропорциональные длительностям интервалов управления объектом как "твердым" телом t1 и, вычисленные в соответствии с выражениями (1), (2), и на входы формирователя знака управляющего момента 10, с первого выхода которого управляющий сигнал определенного в соответствии с выражением (5) знака и соответствующий максимальному управляющему воздействию через блок переключения управляющего момента

16 включает блок исполнительных органов

3, который создает максимальный управляющий момент соответствующего знака. С первого и второго выходов вычислителя интервалов управления 9 сигналы, пропорци. ональные соответственно t) и tg,ïoñòóïàþò на входы соответственно первого и второго вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, 11 и 12.

Кроме того, на входы этих вычислителей поступает сигнал. пропорциональный величине Т с первого выхода задатчика периода упругих колебаний 13. На выходах вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, 11 и 12 сформируются сигналы, пропорциональные соответственно величинам t< и tz . На выходах формирователя уровней управляющего момента 14 сформируются сигналы, пропорциональные щ* и щ, вычисленные в соответствии с выражениями (3) и (4), Сигналы, пропорциойальные t>", tz и Т, поступают на входы блока переключения управляющего момента 15. Когда длитель5

50 ность управления, соответствующая действию максимального управляющего момента, станет равной t>, на вход блока исполнительных органов 3 поступит через блок переключения управляющего момента

15 сигнал, пропорциональный и>, переключая его на создание управляющего момента того же знака, но величиной u1*. Такой управляющий момент создается в течении времени Òk. Затем происходит переключение на создание максимального управляющего момента противоположного знака в

* течение времени t2 и момента щ в течение времени Òk. Схема возвращается в исходное состояние. Процесс управления заканчивается.

Использование предлагаемого устройства управления динамическим объектом с присоединенным упругим элементом позволяет по сравнению с известными существенно сократить длительность управления, что подтверждают результаты математического эксперимента.

Описываемое устройство в конце разворота полностью гасит колебания упругого элемента, вто время как прототип оставляет упругий элемент в возбужденном состоянии. При этом создаются возмущающие ускорения. достигающие по величине единиц и даже десятков процентов от ускорения, сообщаемого объекту исполнительными органами. Поэтому процесс высокоточной стабилизации может существенно затягиваться и превышать по длительности в несколько раз процесс разворота (до 3060 с и более).

Формула изобретения

Устройство управления динамическим объектом с присоединенным упругим элементом, содержащее блок исполнительных органов, соединенный выходом с входом объекта управления с присоединенным упругим элементом, датчик углового отклонения и датчик скорости, входы которых соответственно соединены с первым и вторым выходами объекта управления с присоединенным упругим элементом, а их выходы подключены соответственно к информационным входам первого и второго ключей, управляющие входы которых связаны с выходом блока пуска, выходы первого и второго ключей связаны соответственно с первым и вторым входами формирователя знака управляющего момента и вычислителя интервалов управления, третий вход и первый выход которого подключены соответственно к первому выходу и третьему входу формирователя знака управляющего момента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения длительности переходных про10

1767477

Составитель С, Дремов

Техред М,Моргентал Корректор П, Гереши

Редактор Л. Волкова

Заказ 3548 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 цессов переориентации динамических объектов с присоединенным упругим элементом, в него дополнительно введены первый и второй вычислители временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, задатчик периода упругих колебаний, формирователь уровней управляющего момента и блок переключения управляющего момента, причем второй и третий выходы вычислителя интервалов управления подключены соответственно к первым входам первого и второго вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, вторые входы которых подключены к первому выходу задатчика периода упругих колебаний, выход первого вычислителя временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, подключен к первым входам блока переключателя управляющего момента и формирователя уровней управляющего момента, выход второго вычислителя интервалов управления, кратных периоду упругих колебаний, подключен к вторым входам блока переключения управляющего момента и формирователя уровней управляющего момента, первый и второй входы формирователя знака управляющего момента связаны соответственно с третьим и четвертым входами формирователя уровней управляющеlo момента, первый выход задатчика периода упругих колебаний связан с треть5 им входом блока переключения управляющего момента и с пятым входом формирователя уровней управляющего момента, первый и второй выходы которого связаны соответственно с четвертым и пя10 тым входами блока переключения управляющего момента, второй выход задатчика периода упругих колебаний соединен с шестым входом формирователя уровней управляющего момента, шестой и седь15 мой входы блока переключения управляющего момента — соответственно с вторым и третьим выходами формирователя знака управляющего момента, выход блока пуска связан с третьими

20 входами вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, и восьмым входом блока переключения управляющего момента, первый — четвертый выходы блока пере25 ключения управляющего момента соединены с одноименными входами блока исполнительных органов.