Система управления с упругой механической связью

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (и 71 77 1 7

1 (61) Дополнительное к авт. свнд-ву —. (22)Заявлено 20.06.77 (21) 2gg7695д 8 2 (51)M. Кл.

G 05 В lll00 с присоединением заявки РЙ

3Ьаудератевиимб комитет

СССР пе лелем иэобретеиий и отхрыткй (23) Приоритет

Опубликовано 25.02.80,Бюллетень Ж 7 (53) УДК 62-50 (088.8) Дата опубликования описания 28.02.80

В. А. Новиков, Г. Ф. Михальченок и Л. М. Осипов (72) Авторы изобретения

Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина) (71) Заявитель (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ С УПРУГОЙ

МЕХАНИЧЕСКОЙ СВЯЗИО

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в электромеханических системах с упругими механическими связями.

Влияние упругих свойств механических передач на динамические характеристики систем сводится к существенному умень; аь шению быстродействия и динамической точности систем. Известны различные прямые и косвенные методы устранения этого влияния. Косвенные методы сводятся к структурной организации систем управления и позволяют добиться частичной компенсации механического резонанса.

Известны также прямые методы, которые сводятся к реализации коррек тирующих звеньев, включенных в контуре регулирования последовательно с упру гим механическим звеном и производящих полную компенсацию механического ре зонанса.

Известно устройство (1), в котороь в контуре регулирования скорости элект

2 ропривода с упругой механической пере:дачей последовательно включены регуля» тор скорости (как для системы без упругих связей) и корректирующее звено, полностью компенсирующее влияние упругой связи на динамику системы. Передаточная функция корректирующего звена является обратной передаточной функцией части объекта регулирования, обусловленной наличием упругой связи и на10 стройка коррекции производится точно на частоту механического резонанса.

Известное устройство обладает возможностью увеличения динамической

r точности и быстродействия системы. Однако одним из необходимых условий работы такого устройства является абсолютная стационарность параметров кор. ректирующего звена и части объекта отображающего его упругие свойства.

Ввиду малого коэффициента демпфирования упругих колебаний ()- -О 01 - 0,1) настройки корректирующих звеньев по

717717 частоте резонанса являются крайне чувствительными к изменению параметров механического резонанса. Последнее происходит как следствие эксплуатационных изменений податливостей элементов конструкции, так и в следствии изменений масс (моментов инерции) механизма. И если при этих условиях не производится перенастройка корректирующего звень в контуре регулирования возни- 1о кают значительные по амплитуде колебания на частоте механического резонанса.

Из известных устройств наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство gg15 содержащее последовательно соединенные регулятор, корректирующее звено и объект управления, а также последовательно соединенные фазовый дискриминатор и интегратор, roe производится экстремаль- 20 ная настройка контура на резонансную частоту путем измерения косинуса угла рассогласования сигналов на вхоце и выходе блока и его последующего интегрирования цля выработки управляющего сигнала, настраивающего контур в резонанс.

Недостатком известного устройства,сле. дует считать то, что оно неудовлетворительно работает прк наличии упругих связей.

Целью настоящего изобретения являет ся повышение точности работы устройства коррекции и исключение автоколебаний на частоте механического резонанса

35 прк изменении параметров механического

) резонанса. .Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит широтно-импульсный модулятор и два цолосовьпг фильтра, входы которых соединены соответственно со входом и выходом корректирующего звена, а выходы соединены со входами фазового дискриминатора; выход интегратора соединен со входом широтно-импульсного модулятора, вьгхоц которого соединен с управляющим входом корректирующего звена. Блок-схема устройства приведена на фиг. 1, где приняты следую щие обозначения. регулятор 1, корректирующее звено 2, объект 3 управления с упругой механической связью, полосовые фильтры 4, 5, фазовый дискриминатор 6„ интегратор 7, широтно-импульсный модулятор 8.

На фиг. 2 приведены схемы 6поков 2, h 8. Контур регулирования, функционирующий в реальных условиях, подвергается воздействию возмущений и помех. и при отсутствии однозначного согласования корректирующего звена и упругого механического объекта на частоте механического резонанса возникают колебания или автоколебания, приводящие к значительным динамическим ошибкам системы. Механические объекты с упругими связями могут в первом приближении представляться цвухмассовыми системами и описываться уравнениями колебательного звена. Передаточная функция такого звена 1

Т со

Т Р 2 Т Р 1 где cu„- частота резонанса упругого механического звена; y - коэффициент демпфирования.

В большинстве случаев упругие механические связи и характеризуются малыми коэффициентами демпфирования. Значения „ находятся в пределах 0,01 -: 0,1.

Настройка корректирующего звена с передаточной Функцией .с р +2P„x р -1 а я производится из условия -к - tY

Коэффициенты демпфирования E„и в общем случае могут не совпадать.

Значение E устанавливается близким из условий нормальной работы устройства коррекции и требуемого качества системы. Особенностью такого корректирующего звена является резко выраженная зависимость фазового сдвига л „ гаромонических, сигналов на входе и выходе звена в области частоты резонанса. Это свойство и использовано для автомат и ческой настройки корректирующего звена в соответствии с параметрами объекта по частоте резонанса ж „

При нормальной настройке (с - Т„ ) сдвиг по фазе на частоте резонанса между выходным и вхоцным сигналами корректирующего звена равен нулю. При изменении частоты резонанса резко изменяется сдвиг по фазе a< . При увеличении частоты он положителен, при уменьшении - отрицателен. В соответствии со знаком и величиной фазового сдвига а Ч (4)ч ) происходит автоматическая перенастройка параметров корректирующего звена так, что всегда выполняется условие 1/Тм = wyi где Lv и 1/г„; — текущие значения частоты механического резонанса и частоты компенсации корректирующего звена. С этой целью в функционипующей системе из спектров выходного

71771 и входного сигналов корректирующего звена полосовыми фильтрами выделяются составляющие на частоте механического резонанса и подаются на два входа фазового дискриминатора. HQ выходе фазо-. вого дискриминатора формируют сигнал пропорциональной равности фаз входных сигналов, который через интегратор, ши-. ротно-импульсный модулятор и ключи так воздействуют на параметры корректирую- 10 щего звена, чтобы сдвиг по фазе на частоте резонанса был равен О.

Схема работает следующим образом.

Сигнал с выхода интегратора поступает на широтно-импульсный модулятор

15 (ШИМ), состоящий из генератора пилообразного напряжения (ГПН) и компаратора на операционном усилителе А4, и подключенный к управляющим входам ключевых схем,9. Изменением скважности ,20

ШИМ производится регулировка эквива-. лентной проводимости каждого из 3-х варьируемых параметров схемы корректи- . рующего звена 2.

Корректирующее звено имеет три перенастраиваемых параметра (фиг. 2). Схема звена реализует передаточную функцию (1). Перенастройка, активных проводимостей в схеме звена соответствует пе30 ре настройке постоянного в ремени .с „передаточной функции.

Варьируемые параметры связаны co . скважностью работы ключей линейно. Необходимость перенастройки трех параметров на схеме фиг. 2 и мх функциональная

35 связь с постоянной времени .с следует из уравнения

U =0 + 1 Г I О -о +2 О -2л) вых. вх, ч: р с р вх. вых? «к вх.- вы 40 к к 1 полученного на основании передаточной функции корректирующего звена.

Начальное значение амплитуды сигнала при абсолютной настройке корректиру1 45 ющего звена по частоте механического резонанса устанавливается путем первоначальных наладочных настроек коэффициента демпфирования звена Р относительно объекта. Амплитудно-частотные (АЧХ) и фаэо-частотные (ФЧХ) характеристики, 50 поясняющие работу устройства, приведены на фиг. 3, где приняты следующие обозначения: -„„, L 0g АЧХ части объекта, отражающей его упругие свойства при двух значениях частот механического резонанса -,,„и < о Ly — А ЧХ корректирующего звена при частоте М„„„ .1

- АЧХ разомкнутого контура регу7

6 лировация при u), è (у, Ч вЂ” ФЧХ корректирующего звена; лч „ сдвиг по фазе в корректирующем звене на частоте

1" П.

На графиках показан случай, когда изменяется частота механического резонанcs объекта от Ж„, до Ю„, а параметры корректирующего звена остаются неизменными и соответствуют частоте и)„1.

Большой положительный сдвиг по фазе

64 Д будет в этом случае сопровождаться и большим увеличением амплитуды . сигналов в системе на частоте резонанса. Последнее иллюстрируется амплитудно-частотной характеристикой (. разомкнутого контура регулирования. Положительный сдвиг по фазе приводит к появлению положительного напряжения на выходы фазового дискриминатора и на вхоI де широтно-импульсного модулятора. Это

"в свою очередь приводит к изменению скважности работы ключей и к изменению варьируемых параметров корректирующего звена. Перенастройка корректируюшего звена будет соответствовать частоте 1.о„ и вид перенастроенной

АЧХ разомкнутого контура регулирования при этой частоте будет примерно соответствовать виду L 1 . Сдвиг по фазе вновь будет равен нулю. Аналогичные процессы произойдут, если частота резо-" нанса уменьшится. Приращения параметров в этом случае будут отрицательными. Следует отметить, что уменьшение частоты ю. также сопровождается начальным увеличением амплитуды сигналов в системе, как и при увеличении ш,, Это является положительной особенностью, т. к. еше больше повышает чувствительность самонастройки к изменению параметров резонанса и делает ее еше более эффективной.

Использование корректирующего звена оснащенного контуром самонастройки параметров по частоте механического резонанса в системах с нестационарны.ми механическими объектами дает воэможность в 3-4 раза увеличить быстродействие .систем и тем самым соответственно увеличить динамическую точность систем. При отсутствии самонастройки в корректирующем звене коэффициент отношения частоты упругих колебаний к частоте среза контура, в состав которого входит объект со слабо лемпфированной упругой механической связью, достигает значений 6 -, 1 О. При наличии самонастройки корректирующего звена этот

717717 коэффициент может быть снижен до значений 2+3. В системе обеспечивается с стабильность работы при изменении часготы резонанса в 2-3 раза.

Устройство может быть испольэова- 5 ио в любых высокоточных електромеханических системах, где основньщ факт : ром ограничения быстродействия и динамической точности выступают явления упругих механических резонансов, например, в системах наведения радиотелескопов и астрономических инструментов; в следящих системах металлообрабатывающих станков; в различного. pea механиз-.!

)5 мах, связанных с перемоткой материала (где в процессе перемотки значительно .изменяются моменты инерции), например, в лентопротяжных механизмах видеомагнитофонов и в других аналогичных случаях.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Шестаков Б, М., Иншаков КХ М. ,Синтез последовательной коррекции в системах подчиненного регулирования электроприводов с упругими механическими передачами..Известия ВУЗов, сер. Энергетика

ИЗ, 1974.

2. Растригин Л. A.,ÑHñòåìû экстремального управления, М., "Наука", 1974, стр. 73-77 (прототип).

Формула изобретения

Система управления, содержащая последовательно соединенные регулятор, I корректирующее звено и объект управления и последовательно соединенные фа« зовый дискриминатор и интегратор, о тличающаяся тем,что,сцелью повышения точности системы она содержит широтно-импульсный модулятор и два полосовых фильтра, входы которых, соединены соответственно со входом и " выходом корректирующего звена, а выходы - со входами фазового дискриминатора, а выход интегратора соединен со Вхо» дом широтно«импульсного модулятора, выход которого соединен с управляющим входом корректирующего звена.

717717

I

Ь,И

©радСоставитель С. Нефедова

Редактор М. Минаев Техред Н. Ковалева Корректор И. Муска

Закаэ 9845/64 Тираж 956 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, ?К-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4