оптимальная система позиционирования

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.

Описание изобретения к патенту

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.