Оптимальная система позиционирования

 

Изобретение относится к самонастраивающимся системам автоматического управления и может быть использовано при разработке систем позиционирования антенных устройств, систем наведения орудий, в системах управления установками промышленного назначения, подверженных внешним и параметрическим возмущениям, где объект управления аппроксимируется двойным интегратором. Цель изобретения - повышение устойчивости и точности, улучшение качества переходного процесса. Система управления содержит объект управления 1, регулятор тока 2, дифференциатор 3, на выходе которого формируется величина скорости, блок формирования модуля 4, блок умножения 5, блок адаптивной компенсации 6, первый сумматор 7, на выходе которого формируется разность текущей и заданной координат объекта управления 1, которая поступает на вход блока деления 8, на выходе которого формируется оценка величины требуемого значения тормозящего тока, пропорционального тормозящему ускорению, пороговое устройство 9, блок задания тока разгона 10, второй сумматор 12, второй блок умножения 13, коммутатор режима 14, который осуществляет переключение из режима "разгон" в режим "торможение". Пороговое устройство 9, анализируя сигналы, поступающие на его входы, включает режим "разгона", а блок задания тока разгона 10 определяет направление движения, при этом откорректированное значение тормозящего тока сравнивается с порогом, при достижении которого включается режим "торможение". Когда разность станет меньше заданной величины, режим "торможение" выключается и процесс позиционирования заканчивается. 2 ил.

Изобретение относится к самонастраивающимся системам автоматического управления и может быть использовано при разработке систем позиционирования антенных устройств, систем наведения орудий, в системах управления установками промышленного назначения, подверженных внешним и параметрическим возмущениям, где объект управления аппроксимируется двойным интегратором.

Известны системы управления объектами, моделируемыми двойным интегратором, формирующие управляющие воздействия на основе второго метода Ляпунова (авт.св. СССР N 1633376, кл. G 05 B 15/00, 16.06.89). Такая система обеспечивает апериодический переходный процесс (для функции Ляпунова), однако это не гарантирует монотонности изменения фазовых координат системы в процессе позиционирования, что ухудшает качество переходного процесса.

Также эта система не обеспечивает оптимального по времени позиционирования. Кроме того, такая система не может эффективно компенсировать внешние и параметрические возмущения, которые увеличивают ошибки позиционирования, ухудшают точность работы системы, а при значительных параметрических возмущениях возможно ухудшение качества переходных вплоть до потери устойчивости. Помимо этого, данная система достаточно сложна.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является замкнутая оптимальная по быстродействию система управления (Куропаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы. М. Высшая школа, 1980, с. 182 183), содержащая последовательно соединенные блок формирования модуля и блок умножения (произведения), первый сумматор, второй сумматор, релейный элемент, объект управления (в частном случае совокупно источника тока и электродвигатель) и дифференциатор, выход которого соединен со вторым входом блока произведения и входом блока формирования модуля, усилитель, вход которого соединен с выходом объекта управления, а выход со вторым входом первого сумматора. Заданное значение координаты, в которое необходимо переместить объект, поступает на второй вход второго сумматора. Таким образом, на входе релейного элемента формируется сигнал вида: где сигналы, соответствующие выходной координате объекта и ее производной; Х₃ заданное значение координаты; b коэффициент, зависящий от характеристик объекта (в нашем случае это масса объекта и параметры электродвигателя).

На выходе релейного элемента формируется управление: Данная система обеспечивает оптимальное по быстродействию перемещение объекта из любого начального состояния в фазовом пространстве в состояние с заданной координатой X₃ при условии (т.е. при нулевой скорости в заданной точке).

Однако на практике такой алгоритм не может быть реализован, т.к. вследствие наличия неизбежных временных задержек в системе управления и немоделируемой динамики объекта возникают колебания в окрестности линии, определяемой выражением . При этом релейный элемент периодически переключается, и управляющее воздействие попеременно принимает значения то +1, то -1, тем самым ухудшается качество переходного процесса, снижается устойчивость и точность системы, увеличиваются энергозатраты на управление. Это обусловлено тем, что при возникновении колебаний в данной системе в окрестности линии энергия расходуется попеременно то на ускорение, то на торможение объекта. Помимо этого возрастает нагрузка на электродвигатель и элементы трансмиссии.

Воздействие на систему параметрических возмущений (таких как изменение массы объекта, изменение вращающего момента электродвигателя, например при его замене) приводит к изменению динамических характеристик системы и увеличению ошибок позиционирования, снижает точность и устойчивость системы. Влияние внешних возмущений (т.е. сил трения, сил сопротивления) также приводит к увеличению ошибок позиционирования.

Предлагаемая оптимальная система позиционирования решает задачу перемещения объекта в точку с заданной координатой. При этом достигается технический эффект в виде компенсации внешних и параметрических возмущений, уменьшения возбуждения управляемого объекта и снижения погрешностей, вследствие чего повышается устойчивость и точность системы, качество переходного процесса и снижаются энергозатраты.

На фиг. 1 представлена функциональная схема оптимальной системы позиционирования; на фиг. 2 зависимость тока, протекающего через электродвигатель от времени для двух случаев.

Система содержит объект управления 1, вход которого связан с выходом регулятора тока 2, а выход с дифференциатором 3, выход которого подключен ко входам блока формирования модуля 4, первому входу первого блока умножения 5, первому входу блока адаптивной компенсации 6. Выход объекта управления 1 подключен также ко второму входу блока адаптивной компенсации 6 и ко входу сумматора 7, выход которого соединен с первым входом блока деления 8, первым входом порогового устройства 9 и входом блока задания тока разгона 10 в релейном элементе 11. Второй вход блока деления 8 связан с выходом первого блока умножения 5, а выход блока деления 8 подключен к первому входу второго сумматора 12, второй вход которого подсоединен к первому выходу блока адаптивной компенсации 6, а выход подключен ко второму входу второго блока умножения 13, первый вход которого связан со вторым выходом блока адаптивной компенсации 6, а выход соединен с третьим входом блока адаптивной компенсации 6, вторым входом порогового устройства 9 и вторым входом коммутатора режима 14, первый вход которого связан с выходом блока задания тока разгона 10, а управляющий вход подключен к выходу порогового устройства 9, выход коммутатора режима 14 связан со входом регулятора тока 2.

Предлагаемая система работает следующим образом. На вход сумматора 7 поступает заданное значение координаты Х₃, в которую требуется переместить объект. На другой вход этого сумматора поступает текущее значение координаты Х объекта 1. Разность этих величин поступает на вход блока задания тока разгона 10, который в зависимости от знака разности определяет полярность тока разгона. Кроме того, разность величин поступает на первый вход блока деления 8, на второй вход которого поступает значение, сформированное последовательно в блоках дифференциатора 3, блоке формирования модуля 4, блоке умножения 5. При этом на выходе блока умножения 5 формируется величина тока, пропорционального требуемому тормозящему ускорению , который подается на первый вход сумматора 12. Если внешние и параметрические возмущения отсутствуют, то на второй вход сумматора 12 подается 0, а на первый вход блока умножения 13 подается 1 из блока адаптивной компенсации 6. До тех пор, пока величина значения тока на выходе блока умножения 13 меньше заданного значения, пороговое устройство 9 управляет таким образом коммутатором режима 14, чтобы на вход регулятора тока 2 поступало значение тока разгона с выхода блока задания тока разгона 10, при этом происходит разгон объекта 1. Вследствие этого происходит рост величины требуемого тормозящего ускорения , а следовательно и величины силы тока на выходе блока умножения 13, и как только она достигнет заданного значения, пороговое устройство 9 переключает вход регулятора тока 2 к выходу блока умножения 13. При отсутствии внешних и параметрических возмущений величина ускорения будет определять ток торможения объекта 1, и таким образом реализуется оптимальное управление процессом позиционирования. При наличии внешних возмущений (внешних сил, действующих на объект) блок адаптивной компенсации 6 осуществляет их оценивание и компенсацию, подавая на второй вход сумматора 12 соответствующий сигнал. При наличии параметрических возмущений (например изменении массы объекта, замене электродвигателя) блок адаптивной компенсации 6 подстраивает параметр к, подаваемый на первый вход блока умножения 13 таким образом, чтобы было реализовано требуемое значение ускорения.

При окончании перемещения объекта управления в окрестности заданной координаты X₃ пороговое устройство 9 отключает вход регулятора тока 2 от выхода блока умножения 13. Процесс позиционирования заканчивается. При этом следует отметить, что переключение из режима разгона в режим торможения во время процесса позиционирования осуществляется только один раз. Тем самым исключается колебательный режим работы системы. На фиг. 2 графически изображена зависимость протекающего через электродвигатель тока от времени. Вариант а соответствует перемещению объекта на небольшое расстояние. Вариант б соответствует случаю, больших перемещений, при которых электродвигатель успевает набрать значительную скорость, и источник тока из-за ограниченной мощности не может обеспечить заданного значения тока, протекающего через электродвигатель, что приводит к спаду тока. Однако это не нарушает функционирования системы и не ухудшает ее точностных и других характеристик.

В процессе работы предлагаемая система обеспечивает управление, которое характеризуется отсутствием возбуждения паразитных колебаний, уменьшением потребляемой мощности, уменьшением нагрузки на электродвигатель, улучшением переходного процесса, компенсацией как внешних так и параметрических возмущений.

Использование предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом позволяет: повысить устойчивость работы системы и качество переходного процесса за счет компенсации параметрических возмущений и снижения возбуждения объекта управления путем формирования необходимого управления посредством дифференциатора, блоков формирования модуля, умножения и деления и однократным переключением релейного элемента на режим торможения; повысить точность системы за счет компенсации внешних возмущений путем формирования необходимого управления посредством дифференциатора, сумматоров, блоков формирования модуля, умножения, деления, блока адаптивной компенсации и однократным переключением релейного элемента на режим торможения; снизить энергозатраты за счет конструктивного выполнения релейного элемента а также путем формирования необходимого управления посредством дифференциатора, блоков формирования модуля, умножения и деления.

Формула изобретения

Оптимальная система позиционирования, содержащая объект управления, вход которого связан с выходом регулятора тока, а выход с входом дифференциатора, подключенного выходом к входу блока формирования модуля и первому входу первого блока умножения, второй вход которого связан с выходом блока формирования модуля, сумматоры, первый вход первого из которых является входом задания систем, а выход подключен к входу релейного элемента, связанного выходом с регулятором тока, отличающаяся тем, что в нее введены блок адаптивной компенсации, второй блок умножения, блок деления, а релейный элемент содержит блок задания тока разгона, пороговое устройство и коммутатор режима, причем вход блока задания тока разгона соединен с первым входом порогового устройства и является входом релейного элемента, а выход коммутатора режима является выходом релейного элемента, первый вход блока адаптивной компенсации связан с выходом дифференциатора, выход объекта управления подключен к второму входу блока адаптивной компенсации и второму входу первого сумматора, выход которого соединен с первым входом блока деления, второй вход блока деления связан с выходом первого блока умножения, а выход блока деления подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого подсоединен к первому выходу блока адаптивной компенсации, а выход подключен к второму входу второго блока умножения, первый вход которого связан с вторым выходом блока адаптивной компенсации, а выход соединен с третьим входом блока адаптивной компенсации, вторым входом порогового устройства и вторым информационным входом коммутатора режима, первый информационный вход которого связан с выходом блока задания тока разгона, а управляющий вход подключен к выходу порогового устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2