RU2783736C1 - Automatic control device for electromechanical system with gap in kinematic transmission (options) - Google Patents
Automatic control device for electromechanical system with gap in kinematic transmission (options) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2783736C1 RU2783736C1 RU2022108207A RU2022108207A RU2783736C1 RU 2783736 C1 RU2783736 C1 RU 2783736C1 RU 2022108207 A RU2022108207 A RU 2022108207A RU 2022108207 A RU2022108207 A RU 2022108207A RU 2783736 C1 RU2783736 C1 RU 2783736C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- comparison element
- gap
- inverting input
- Prior art date
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 12
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001052 transient Effects 0.000 description 22
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 13
- 230000003068 static Effects 0.000 description 11
- 230000037250 Clearance Effects 0.000 description 10
- 230000035512 clearance Effects 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000087 stabilizing Effects 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 230000000368 destabilizing Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 230000004301 light adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory Effects 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000004805 robotic Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к разделу управления и может быть использовано при регулировании параметров сложных электромеханических систем, в составе которых присутствуют механизмы с зазорами между элементами механических передач, требующие компенсации.The invention relates to the section of control and can be used to regulate the parameters of complex electromechanical systems, which include mechanisms with gaps between the elements of mechanical gears that require compensation.
Такие системы характерны для станков в металлообработке и роботов. Появление зазоров в них значительно снижает точность перемещения механизмов, ухудшает качество выпускаемой продукции, снижает эффективность производства.Such systems are typical for machine tools in metalworking and robots. The appearance of gaps in them significantly reduces the accuracy of moving mechanisms, worsens the quality of products, and reduces production efficiency.
Известно «Устройство управления движением режущего инструмента при обработке деталей на станке» (патент на изобретение RU №2432233, МПК В23В 25/06, 2011 г.). Объектом управления устройства является исполнительный двигатель с нагрузкой на валу, в том числе с упругими связями и зазором, к которым предъявляются повышенные требования к точности, быстродействию и стабильности динамических характеристик. Устройство содержит последовательно соединенные устройство ЧПУ, сумматор, регулятор, усилитель мощности, соединенный с исполнительным двигателем станка, выход которого соединен с входом сумматора, отличающееся тем, что оно снабжено определителем отклонения расчетной траектории движения режущего инструмента от заданной, вход которого соединен с выходом устройства ЧПУ, а выход через усилитель - с входом сумматора.Known "Device for controlling the movement of the cutting tool when processing parts on the machine" (patent for invention RU No. 2432233, IPC
Устройство выполняет свои основные функции, но обладает недостатком, присущим всем системам с определителем отклонения расчетной траектории движения режущего инструмента от заданной - низкой параметрической робастностью. Для достижения поставленной авторами цели в изобретении используется математическая модель автоматического устройства управления обработкой деталей, представляющая полный аналог реальной системы. Даже незначительная вариация параметров объекта управления, входящих в математическую модель, являющуюся основой определителя отклонения расчетной траектории движения режущего инструмента от заданной, приводит к резкому снижению качественных показателей системы управления, поскольку система не замкнута по основному параметру.The device performs its main functions, but has a disadvantage inherent in all systems with a determinant of the deviation of the calculated trajectory of the cutting tool from the given one - low parametric robustness. To achieve the goal set by the authors, the invention uses a mathematical model of an automatic control device for processing parts, which is a complete analogue of a real system. Even a slight variation in the parameters of the control object included in the mathematical model, which is the basis for the determinant of the deviation of the calculated trajectory of the cutting tool from the given one, leads to a sharp decrease in the quality indicators of the control system, since the system is not closed in terms of the main parameter.
Известно устройство для управления двухдвигательным электроприводом (авторское свидетельство СССР №1577054, МПК Н02Р 5/46, Н02Р 7/68, 1990 г.), содержащее общий регулятор скорости, выход которого подключен к первым входам регуляторов тока, предназначенных для подключения к якорным обмоткам двигателей, датчики тока, подключенные соответственно к вторым входам регуляторов тока, блок формирования распора, сумматор, пороговый элемент, включающий блок выделения модуля, и ключевой элемент, при этом первый и второй входы сумматора соединены с выходами датчиков тока, выход сумматора подключен к входу порогового элемента, выход которого соединен с управляющим входом ключевого элемента, а первый и второй выходы блока формирования распора через ключевой элемент подключены к соответствующим третьим входам регуляторов тока, причем блок формирования распора выполнен в виде двух регулируемых разнополярных источников напряжения.A device for controlling a two-motor electric drive is known (USSR author's certificate No. 1577054, IPC
Работа устройства основана на управлении движением общей массы (рабочий орган) по принципу электромеханического распора. Его применение возможно только для многодвигательного привода, так как электромеханический распор осуществим при работе с разными моментами нескольких приводных двигателей, работающих на один зубчатый венец или зубчатую рейку. То есть, один из двигателей работает в двигательном, а другой - в тормозном режимах. В момент изменения направления движения общего рабочего органа, функции двигателей меняются, благодаря чему движение происходит без перехода через люфт. Постоянный электромеханический распор исключает возникновение люфта, но работа одного из двигателей в тормозном режиме вызывает дополнительные потери электроэнергии и увеличивает нагрузки, приводящие к большему износу. Поэтому система управления должна обеспечивать распор только тогда, когда повышается вероятность перехода через зазор, а именно -при режимах пуска, реверса и торможения. Формирование распора происходит при условии, если момент нагрузки на валу ведущего двигателя меньше суммарного момента трения, приведенного к нему. Если же это значение момента нагрузки превысит значение момента трения, то второй тормозной двигатель пройдет через зазор и примет на себя часть нагрузки.The operation of the device is based on the control of the movement of the total mass (working body) according to the principle of electromechanical thrust. Its use is possible only for a multi-motor drive, since the electromechanical thrust is feasible when working with different torques of several drive motors operating on one gear ring or rack. That is, one of the engines operates in the motor mode, and the other in the braking mode. At the moment of changing the direction of movement of the common working body, the functions of the engines change, due to which the movement occurs without going through the backlash. Constant electromechanical thrust eliminates the occurrence of backlash, but the operation of one of the engines in the braking mode causes additional energy losses and increases loads, leading to greater wear. Therefore, the control system should provide thrust only when the probability of crossing the gap increases, namely, during start-up, reverse and braking modes. The thrust is formed under the condition that the load torque on the drive motor shaft is less than the total friction torque reduced to it. If this value of the load torque exceeds the value of the friction torque, then the second brake motor will pass through the gap and take on part of the load.
Недостатками указанного технического решения являются:The disadvantages of this technical solution are:
Во-первых, высокая стоимость и сложность, что связано с использованием двух электродвигателей, параметры которых могут различаться. Хотя они могут иметь одинаковые технические характеристики, но при их производстве может иметь место, так называемый, технологический разброс параметров. Из-за этого возможно возникновение неравномерного распределения нагрузки между двумя двигателями.Firstly, high cost and complexity, which is associated with the use of two electric motors, the parameters of which may differ. Although they may have the same technical characteristics, the so-called technological variation of parameters may occur during their production. Because of this, an uneven load distribution between the two motors may occur.
Во-вторых, при выходе значений скорости и нагрузочного момента общей массы за пределы установленного диапазона, происходит раскрытие зазоров передач, возникают колебательные процессы в электрической и механической частях электропривода, что приводит к повышенному износу, снижению надежности системы и ухудшению качества управления движением рабочего органа.Secondly, when the values of the speed and load moment of the total mass go beyond the established range, the gear gaps open, oscillatory processes occur in the electrical and mechanical parts of the electric drive, which leads to increased wear, a decrease in the reliability of the system and a deterioration in the quality of the motion control of the working body.
В-третьих, при наличии упругих звеньев в кинематических передачах ухудшение показателей качества и надежности становится более значительным.Thirdly, in the presence of elastic links in kinematic transmissions, the deterioration of quality and reliability indicators becomes more significant.
Известно устройство следящего привода (источник книга С.Г. Воронин. Электропривод летательных аппаратов: Учебно-методический комплекс. Offline версия 1.0 - Челябинск, 1995-2011, Глава 9. Следящие электроприводы, функциональная схема следящего электропривода, рис. 9.1), принятое за прототип, содержащее первый элемент сравнения, первый неинвертирующий вход которого соединен с источником задающего напряжения, а выход через регулятор положения соединен с первым неинвертирующим входом второго элемента сравнения, выход которого через регулятор скорости подключен к первому неинвертирующему входу третьего элемента сравнения, выход третьего элемента сравнения через регулятор тока соединен с входом силового преобразователя, выход которого подключен к электродвигателю постоянного тока снабженному датчиком тока соединенным со вторым инвертирующим входом третьего элемента сравнения, датчик скорости, размещенный на валу электродвигателя постоянного тока, соединенный со вторым инвертирующим входом второго элемента сравнения, датчик положения размещенный на выходном валу рабочего органа (объекта регулирования) соединенный со вторым инвертирующим входом первого элемента сравнения.A servo drive device is known (source book by S.G. Voronin. Aircraft electric drive: Educational and methodological complex. Offline version 1.0 - Chelyabinsk, 1995-2011,
Указанное устройство работает как традиционная трехконтурная система управления на основе электродвигателя постоянного тока, замкнутая по следующим координатам: ток электродвигателя постоянного тока (через датчик тока), скорость электродвигателя постоянного тока (через датчик скорости) и положение вала рабочего органа (через датчик положения). Результатом функционирования прототипа является обеспечение монотонности переходного процесса, т.е. отсутствие перерегулирования. Такая задача ставится, например, перед приводами промышленных манипуляторов. Во многих случаях выдвигаются жесткие требования к точности поддержания рабочего органа в заданном положении при наличии внешних возмущений.The specified device operates as a traditional three-loop control system based on a DC motor, closed in the following coordinates: DC motor current (via a current sensor), DC motor speed (via a speed sensor) and position of the shaft of the working body (via a position sensor). The result of the functioning of the prototype is to ensure the monotonicity of the transition process, i.e. no overshoot. Such a task is posed, for example, before the drives of industrial manipulators. In many cases, stringent requirements are put forward for the accuracy of maintaining the working body in a given position in the presence of external disturbances.
Как известно, в моменты раскрытия зазора электродвигатель теряет контакт с рабочим органом и, как следствие, возможность управления им. Контуры управления положением рабочего органа следящих систем автоуправления при этом размыкаются, а входящие в их структуру интегрирующие элементы начинают интенсивно накапливать паразитную информацию, безуспешно пытаясь устранить нарастающие ошибки управления. После завершения выборки зазора большие объемы накопленной информации направляются в восстановленные контуры управления, вызывая значительные перерегулирования, колебания и порождая повторные раскрытия зазоров. Особенно неблагоприятными становятся указанные процессы в быстродействующих астатических системах контурно-позиционного и следящего управления электроприводами.As you know, at the moments of opening the gap, the electric motor loses contact with the working body and, as a result, the ability to control it. At the same time, the control loops for the position of the working body of the servo control systems open, and the integrating elements included in their structure begin to intensively accumulate parasitic information, unsuccessfully trying to eliminate the growing control errors. After the gap sampling is completed, large amounts of accumulated information are sent to the restored control loops, causing significant overshoots, fluctuations, and generating gap re-openings. These processes become especially unfavorable in high-speed astatic systems of contour-positional and servo control of electric drives.
Для оценки влияния зазора на работу прототипа проведем его исследования, воспользовавшись возможностями компьютерного моделирования. Для этого составим подробную структурную схему прототипа, при этом некоторые элементы представим в виде узлов и блоков, общепринятую структуру которых можно взять из доступной технической литературы по данной тематике, например, воспользовавшись описанием системы для автоматического регулирования положения по отклонению (источник книга Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с. (стр. 629, рис. 9.4)). Для анализа работы устройства представим рабочий орган структурой, известной из книги Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с. (стр. 87, рис. 1.28)). В конструкции рабочего органа учтены механический зазор, упругость, инерционность и трение. Полученная структурная схема прототипа приведена на фиг. 1.To assess the impact of the gap on the operation of the prototype, we will conduct its research using the capabilities of computer simulation. To do this, we will draw up a detailed structural diagram of the prototype, while presenting some elements in the form of nodes and blocks, the generally accepted structure of which can be taken from the available technical literature on this topic, for example, using the description of the system for automatic position control by deviation (source book Klyuchev V.I. Theory of Electric Drive: Textbook for High Schools - 2nd ed. revised and additional - M.: Energoatomizdat, 2001. - 704 pp. (p. 629, Fig. 9.4)). To analyze the operation of the device, let's imagine the working body as a structure known from the book by Klyuchev V.I. Theory of the electric drive: Proc. for universities. - 2nd ed. revised and additional - M.: Energoatomizdat, 2001. - 704 p. (p. 87, fig. 1.28)). The design of the working body takes into account the mechanical clearance, elasticity, inertia and friction. The resulting block diagram of the prototype is shown in Fig. one.
Структурная схема прототипа содержит первый элемент сравнения 1, к неинвертирующему входу которого подключено задающее напряжение Uзад.ϕ2, выход первого элемента сравнения 1 через регулятор положения 2 соединен с неинвертирующим входом второго элемента сравнения 3. Выход второго элемента сравнения 3 через регулятор скорости 4 подключен к неинвертирующему входу третьего элемента сравнения 5, а выход третьего элемента сравнения 5 через регулятор тока 6 соединен со входом силового преобразователя 7, подающего питающее напряжение на электродвигатель постоянного тока 8. Датчик тока 9 соединен с первым инвертирующим входом третьего элемента сравнения 5, датчик скорости 10 подключен к инвертирующему входу второго элемента сравнения 3, датчик положения 11 соединен с инвертирующим входом первого элемента сравнения 1. Для организации подобной структуры методами подчиненного регулирования можно синтезировать передаточные функции регуляторов положения 2, скорости 4 и тока 6. Так, для регулятора положения 2 структура, изображенная на фиг. 1, представляет собой ПИ-регулятор и содержит пропорциональное звено 12, выход которого подключен к первому неинвертирующему входу четвертого элемента сравнения 13, а через интегрирующее звено 14 - ко второму неинвертирующему входу четвертого элемента сравнения 13. Вал электродвигателя постоянного тока 8 механически жестко соединен с входным валом рабочего органа 15, датчик положения 11 размещенный на выходном валу рабочего органа соединен с вторым инвертирующим входом первого элемента сравнения 1. В электромеханической системе вал электродвигателя постоянного тока 8 механически соединен с входным валом рабочего органа 15 с обратной связью по моменту М12. В схеме рабочего органа 15 учтены механический зазор (в виде нелинейного элемента), упругость (в виде пропорционального звена С12), момент статического сопротивления Мс на валу рабочего органа, инерционность (в виде момента инерции J2), трение (в виде пропорционального звена Кт).The block diagram of the prototype contains the first element of
На структурной схеме прототипа, приведенной на фиг. 1, так же использованы обозначения:In the block diagram of the prototype shown in Fig. 1, the notation is also used:
Uзад.ϕ2 - напряжение, определяющее заданное значение положения выходного вала рабочего органа 15;U zad.ϕ2 - voltage that determines the set value of the position of the output shaft of the working
Uϕ2 - напряжение на выходе датчика положения 11;U ϕ2 - voltage at the output of the
ΔUϕ2 - напряжение ошибки по положению вала рабочего органа 15;ΔU ϕ2 - error voltage on the position of the shaft of the working
Uβq - напряжение пропорциональной составляющей регулятора положения 2;U βq - voltage of the proportional component of the
Uзад.ϕ1 - напряжение, определяющее заданное значение скорости вращения вала электродвигателя постоянного тока 8;U zad.ϕ1 - voltage that determines the set value of the speed of rotation of the shaft of the
Uω1 - напряжение на выходе датчика скорости 10;U ω1 - voltage at the output of the
ΔUω1 - напряжение ошибки по скорости вращения вала электродвигателя постоянного тока 8;ΔU ω1 - voltage errors on the speed of rotation of the shaft of the
Uзад Iя - напряжение, определяющее заданное значение тока якоря электродвигателя постоянного тока 8;U ass Iya - voltage that determines the set value of the armature current of the
UIя - напряжение на выходе датчика тока 9;U Iya - voltage at the output of the
ΔUIя - напряжение ошибки по току электродвигателя постоянного тока 8;ΔU Iya - current error voltage of the
Uy, U - управляющее и выходное напряжение силового преобразователя 7;U y , U - control and output voltage of the
Ея - напряжение противоЭДС якорной цепи электродвигателя постоянного тока 8;E I - back EMF voltage of the anchor circuit of the
ΔU - напряжение на якорной цепи электродвигателя постоянного тока 8;ΔU - voltage on the anchor circuit of the
Iя - ток якоря электродвигателя постоянного тока 8;I I - the armature current of the
М - момент электродвигателя постоянного тока 8;M - the moment of the
М12 - момент статического сопротивления на валу электродвигателя постоянного тока 8 от воздействия на его вал рабочего органа 15;M 12 - the moment of static resistance on the shaft of the
ΔM - разность моментов на валу электродвигателя постоянного тока 8;ΔM - torque difference on the shaft of the
ω1 - скорость вращения вала электродвигателя постоянного тока 8;ω 1 - the speed of rotation of the shaft of the
ϕ1 - угол поворота вала электродвигателя постоянного тока 8;ϕ1 - angle of rotation of the shaft of the
ϕ2 - угол поворота выходного вала рабочего органа 15;ϕ2 - angle of rotation of the output shaft of the working
Δϕ - разность углов поворота вала электродвигателя ϕ1 и выходного вала ϕ2;Δϕ - the difference in the angles of rotation of the motor shaft ϕ1 and the output shaft ϕ2;
Мт - момент трения в механизмах рабочего органа 15;M t - the moment of friction in the mechanisms of the working
ΔМ12 - разность моментов на валу рабочего органа 15;ΔM 12 - the difference in moments on the shaft of the working
ω2 - скорость вращения вала рабочего органа 15.ω2 - speed of rotation of the shaft of the working
Мс - момент статического сопротивления на валу рабочего органа 15.M s - moment of static resistance on the shaft of the working
Элементы структурной схемы фиг. 1 характеризуются следующими параметрами:Elements of the block diagram of Fig. 1 are characterized by the following parameters:
Wрп - передаточная функция регулятора положения 2;W rp - transfer function of the
Wpc - передаточная функция регулятора скорости 4;W pc - transfer function of the
Wpт - передаточная функция регулятора тока 6;W pt - transfer function of the
βϕ - коэффициент усиления пропорционального звена 12 регулятора положения 2;β ϕ - gain of the
Тϕ - постоянная времени интегрирующего звена 14 регулятора положения 2;T ϕ - time constant of the integrating
Ксп - коэффициент усиления силового преобразователя 7;To cn - the gain of the
Тсп- постоянная времени силового преобразователя 7;T cn - time constant of the
RяΣ- суммарное активное сопротивление якорной цепи электродвигателя постоянного тока 8;R IΣ - the total active resistance of the anchor circuit of the
Тя - электромагнитная постоянная времени электродвигателя постоянного тока 8;T I - electromagnetic time constant of the
С - конструктивная постоянная электродвигателя постоянного тока 8;C - constructive constant of the
J1 - момент инерции ротора электродвигателя постоянного тока 8;J 1 - moment of inertia of the rotor of the
Кот - коэффициент усиления датчика тока 9;To from - amplification factor of the
Кос - коэффициент усиления датчика скорости 10;K OS - gain of the
Коп - коэффициент усиления датчика положения 11;K op - gain of the
НЭ - нелинейный элемент типа «зона нечувствительности», характеризующий влияние зазора на работоспособность рабочего органа 15;NO - non-linear element of the "dead zone" type, characterizing the effect of the gap on the performance of the working
С12 - коэффициент упругости рабочего органа 15;C 12 - coefficient of elasticity of the working
J2 - момент инерции механизма рабочего органа 15;J 2 - moment of inertia of the mechanism of the working
Кт - коэффициент трения механизма рабочего органа 15;Kt - coefficient of friction of the mechanism of the working
S - оператор Лапласа.S is the Laplace operator.
Работу прототипа будем оценивать с точки зрения его влияния на точность слежения угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15 за изменением задающего напряжения Uзад.ϕ2.The work of the prototype will be evaluated in terms of its impact on the accuracy of tracking the angle of rotation of the output shaft ϕ2 of the working
Оценим динамические свойства устройства - прототипа, проведя исследования переходных характеристик в режимах отработки изменения задающего напряжения Uзад.ϕ2. Особое внимание уделим оценке влияния зазора на регулируемый параметр - угол поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15.Let's evaluate the dynamic properties of the prototype device by conducting a study of the transient characteristics in the modes of testing the change in the setting voltage U zad.ϕ2 . We will pay special attention to assessing the influence of the gap on the adjustable parameter - the angle of rotation of the output shaft ϕ2 of the working
Для конкретности приняты следующие значения параметров объекта: Ксп=15.7; Тсп=0.001 с; RяΣ=2.08 Ом; Тя=0.016 с; С=1 Вб; J1=0.04 кг⋅м2; Кот=1 В/А; Кос=1 Вс/рад; Коп=1 В/рад; С12=10000 Нм/рад; J2=0.06 кг⋅м2; Кт=0.4 кг⋅м2/с; Мс=0,5 Нм.For concreteness, the following values of the object parameters are taken: K cn =15.7; T cn =0.001 s; R iΣ \u003d 2.08 Ohm; T i \u003d 0.016 s; C=1 Wb; J 1 \u003d 0.04 kg⋅m 2 ; K from \u003d 1 V / A;
Передаточные функции регуляторов положения, скорости и тока синтезированы методами подчиненного регулирования и учтены в процессе исследования следующими выражениями:The transfer functions of the position, speed and current controllers are synthesized by the methods of subordinate regulation and taken into account in the research process by the following expressions:
В качестве нелинейного элемента, моделирующего зазор в механизмах рабочего органа 15 будем использовать однозначную статическую симметричную нелинейность вида «зона нечувствительности» с размерами [α, +α] по угловым перемещениям, характеристика «вход-выход» которого представлена на фиг. 2. На этой фигуре входным сигналом нелинейного элемента принят сигнал о разности углов поворота валов электродвигателя и выходного вала рабочего органа Δϕ=(ϕ1-ϕ2 (ошибка по углу поворота выходного вала рабочего органа). Выходным сигналом нелинейного элемента является нелинейная разность углов поворота вала электродвигателя и выходного вала рабочего органа Δϕ'. Угол наклона характеристики «вход-выход» нелинейного элемента равен 45°, что соответствует его коэффициенту усиления на линейных участках характеристики равному единице. Кроме этого на фиг. 2 указаны следующие значения:As a non-linear element that simulates the gap in the mechanisms of the working
α - угловой зазор между положением валов электродвигателя постоянного тока 8 и выходного вала рабочего органа 15;α - angular gap between the position of the shafts of the
β - величина, равная половине углового зазора между положением валов электродвигателя постоянного тока 8 и выходного вала рабочего органа 15;β - a value equal to half the angular gap between the position of the shafts of the
Δϕ0 - величина смещения входного сигнала.Δϕ 0 - the value of the offset of the input signal.
Нелинейный элемент позволяет учесть наличие в механизме рабочего органа 15 углового зазора между положением вала электродвигателя постоянного тока 8 и выходного вала рабочего органа 15, характерного для таких широко распространенных объектов, как металлообрабатывающие станки, роботы-манипуляторы и других. Характеристика показывает, что в диапазоне изменения разности углов поворота Δϕ от -b до +b поворота вала рабочего органа 15 не происходит. И только после превышения текущим значением Δϕ указанных пределов начинается вращение выходного вала рабочего органа 15, причем в этом случае нелинейная разность углов поворота Δϕ' равна величине Δϕ.The non-linear element makes it possible to take into account the presence in the mechanism of the working
Для оценки влияния нелинейного элемента, моделирующего зазор в механизмах рабочего органа 15, на характер переходных процессов использована следующая математическая формула:To assess the influence of a non-linear element, simulating the gap in the mechanisms of the working
где q - коэффициент гармонической линеаризации;where q is the harmonic linearization coefficient;
k=tg(45°)=1 - тангенс угла наклона линейной части характеристики нелинейного элемента;k=tg(45°)=1 - tangent of the slope of the linear part of the characteristic of the non-linear element;
b=0.2 рад - величина, равная половине углового зазора между положением валов электродвигателя постоянного тока 8 и выходного вала рабочего органа 15;b=0.2 rad - a value equal to half the angular gap between the position of the shafts of the
Δϕ=b+Δϕ0+Δ - амплитуда входного сигнала;Δϕ=b+Δϕ 0 +Δ - input signal amplitude;
Δϕ0=Mc/C12 - величина смещения входного сигнала;Δϕ 0 =M c /C 12 - the value of the offset of the input signal;
Результаты компьютерного моделирования устройства-прототипа при α=0,2 рад в виде переходных характеристик задающего сигнала Uзад.ϕ2 (t) приведены на графике а (фиг. 3) и напряжения на выходе датчика положения 11 Uϕ2 (t) выходного вала рабочего органа 15 (пропорционального величине угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15) приведены на графике б (фиг. 3). Здесь входной задающий сигнал линейно нарастает от нуля до 10 вольт (с нулевого момента времени до 1 с), затем так же линейно снижается от 10 до 5 вольт (на временном интервале от 1 с до 2 с) и увеличивается от 5 до 10 вольт линейно на временном интервале от 2 с до 3,5 с. Анализ графика 6 (фиг. 3) указывает на наличие периодических колебаний регулируемой координаты - угла поворота выходного вала ϕ2 (t) рабочего органа 15, обусловленных периодическим раскрытием зазора, что приводит к появлению существенной динамической ошибки в процессе регулирования. Это подтверждается пересечением на амплитудно-фазовой плоскости амплитудно-фазовой частотной характеристики линейной части системы автоматического управления и обратной амплитудно-фазовой характеристики нелинейного элемента, что показано на фиг. 4. На фиг. 4 цифрой I обозначена амплитудно-фазовая частотная характеристика линейной части устройства, а цифрой II - обратная амплитудно-фазовая характеристика нелинейного элемента, которая представлена зависимостью 
Как видим, эти характеристики пересекаются, что объясняет возникновение автоколебаний. Возникновение колебаний приводит к появлению динамической ошибки и как следствие - к ухудшению точности слежения углом поворота выходного вала рабочего органа 15 за задающим воздействием, а значит и к снижению потребительских свойств продукта, в производстве которого применяется система автоматического управления.As we can see, these characteristics intersect, which explains the occurrence of self-oscillations. The occurrence of oscillations leads to the appearance of a dynamic error and, as a result, to a deterioration in the accuracy of tracking the angle of rotation of the output shaft of the working
Попытаться минимизировать последствия колебаний угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15 можно, заменив на структурной схеме (фиг. 1) ПИ-регулятор положения 2, выполненный в виде ПИ-регулятора, на П-регулятор, исключив из схемы регулятора положения 2 интегрирующее звено 14.It is possible to try to minimize the consequences of fluctuations in the angle of rotation of the output shaft ϕ2 of the working
Результаты компьютерного моделирования влияния данной замены на работоспособность устройства в виде переходных характеристик Uзад.ϕ2 (t) приведены на графике в (фиг. 5) и напряжения на выходе датчика положения 11 Uϕ2 (t) выходного вала рабочего органа 15 (пропорционального величине угла поворота выходного вала ϕ2) приведены на графике г (фиг. 5). Здесь входной задающий сигнал, как и в предыдущем исследовании, линейно нарастает от нуля до 10 вольт (с нулевого момента времени до первой секунды), так же линейно снижается от 10 до 5 вольт (на временном интервале от 1 с до 2 с) и увеличивается от 5 до 10 вольт линейно на временном интервале от 2 с до 3,5 с. Величина α=0,2 рад как и в предыдущем случае. Анализ графика г (фиг. 5) указывает на отсутствие существенных колебаний угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15. Это объясняется отсутствием пересечения амплитудно-фазовой частотной характеристики линейной части устройства и обратной амплитудно-фазовой характеристики нелинейного элемента, как указано на фиг. 6, на которой цифрой III обозначена амплитудно-фазовая частотная характеристика линейной части устройства, а цифрой IV обозначена обратная амплитудно-фазовая характеристика нелинейного элемента. Однако на всем протяжении процесса регулирования при отсутствии интегральной составляющей в контуре управления наблюдается наличие значительной статической ошибки, приводящей к существенному снижению точности регулирования, а значит, ухудшает качество выпускаемой продукции, снижает эффективность производства. Итак, прототип не обеспечивает высокой точности поддержания вала рабочего органа в заданном положении.The results of computer simulation of the effect of this replacement on the performance of the device in the form of transient characteristics U set.ϕ2 (t) are shown in the graph in (Fig. 5) and the voltage at the output of the position sensor 11 U ϕ2 (t) of the output shaft of the working body 15 (proportional to the angle rotation of the output shaft ϕ2) are shown in graph d (Fig. 5). Here, the input setting signal, as in the previous study, linearly increases from zero to 10 volts (from zero time to the first second), also linearly decreases from 10 to 5 volts (over a time interval from 1 s to 2 s) and increases 5 to 10 volts linear over a time interval of 2 s to 3.5 s. The value of α=0.2 is glad as in the previous case. Analysis of the graph d (Fig. 5) indicates the absence of significant fluctuations in the angle of rotation of the output shaft ϕ2 of the working
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности регулирования положения.The technical result of the invention is to improve the accuracy of position control.
Технический результат достигается тем, что устройство автоматического управления электромеханической системой с зазором в кинематической передаче, содержащее первый элемент сравнения, первый неинвертирующий вход которого соединен с источником задающего напряжения, а выход через регулятор положения соединен с первым неинвертирующим входом второго элемента сравнения, выход которого через регулятор скорости подключен к первому неинвертирующему входу третьего элемента сравнения, выход третьего элемента сравнения через регулятор тока соединен с входом силового преобразователя, выход которого подключен к электродвигателю постоянного тока снабженному датчиком тока соединенным со вторым инвертирующим входом третьего элемента сравнения, датчик скорости, размещенный на валу электродвигателя постоянного тока, соединенный со вторым инвертирующим входом второго элемента сравнения, датчик положения размещенный на выходном валу рабочего органа соединенный с вторым инвертирующим входом первого элемента сравнения, при этом регулятор положения содержит пропорциональное звено и интегратор, подключенные к входам четвертого элемента сравнения, выход которого является выходом регулятора положения, дополнительно содержит датчик угла поворота, размещенный на валу электродвигателя постоянного тока, пятый элемент сравнения, блок оценки состояния зазора, коммутатор, блок формирования нулевого сигнала, блок обратной связи по разности углов и блок корректировки параметров зазора, при этом датчик угла поворота, подключен к первому неинвертирующему входу пятого элемента сравнения, выход датчика положения соединен со вторым инвертирующим входом пятого элемента сравнения и через блок корректировки параметров зазора соединен с управляющим входом блока оценки состояния зазора, выход пятого элемента сравнения подключен к информационному входу блока оценки состояния зазора и через блок обратной связи по разности углов подключен к третьему инвертирующему входу третьего элемента сравнения, выход блока оценки состояния зазора соединен с управляющим входом коммутатора, нормально открытый контакт коммутатора подключен к выходу пропорционального звена, являющемуся вторым выходом регулятора положения, нормально закрытый контакт коммутатора соединен с выходом блока формирования нулевого сигнала, а переключающий контакт коммутатора подключен к входу интегратора, являющемуся вторым входом регулятора положения.The technical result is achieved by the fact that the automatic control device for an electromechanical system with a gap in the kinematic transmission, containing the first comparison element, the first non-inverting input of which is connected to the source of the setting voltage, and the output through the position controller is connected to the first non-inverting input of the second comparison element, the output of which is through the regulator speed is connected to the first non-inverting input of the third comparison element, the output of the third comparison element is connected through the current regulator to the input of the power converter, the output of which is connected to a DC motor equipped with a current sensor connected to the second inverting input of the third comparison element, the speed sensor located on the shaft of the DC motor current, connected to the second inverting input of the second element of comparison, the position sensor placed on the output shaft of the working body connected to the second inverting input of the first element and comparison, while the position controller contains a proportional link and an integrator connected to the inputs of the fourth comparison element, the output of which is the output of the position controller, additionally contains a rotation angle sensor located on the shaft of the DC motor, the fifth comparison element, a clearance state evaluation unit, a switch , a zero signal generation unit, an angle difference feedback unit, and a gap parameter adjustment unit, wherein the rotation angle sensor is connected to the first non-inverting input of the fifth comparison element, the position sensor output is connected to the second inverting input of the fifth comparison element and through the gap adjustment unit connected to the control input of the block for evaluating the gap state, the output of the fifth comparison element is connected to the information input of the block for evaluating the state of the gap and, through the angle difference feedback block, is connected to the third inverting input of the third comparison element, the output of the block ots The gap status value is connected to the control input of the switch, the normally open contact of the switch is connected to the output of the proportional circuit, which is the second output of the position controller, the normally closed contact of the switch is connected to the output of the zero signal conditioning unit, and the switching contact of the switch is connected to the input of the integrator, which is the second input of the regulator provisions.
Технический результат достигается тем, что устройство автоматического управления электромеханической системой с зазором в кинематической передаче содержащее первый элемент сравнения, первый неинвертирующий вход которого соединен с источником задающего напряжения, а выход через регулятор положения соединен с первым неинвертирующим входом второго элемента сравнения, выход которого через регулятор скорости подключен к первому неинвертирующему входу третьего элемента сравнения, выход третьего элемента сравнения через регулятор тока соединен с входом силового преобразователя, выход которого подключен к электродвигателю постоянного тока, который соединен через датчик тока со вторым инвертирующим входом третьего элемента сравнения и через датчик скорости со вторым инвертирующим входом второго элемента сравнения, вал электродвигателя постоянного тока механически соединен со входным валом рабочего органа, выходной вал рабочего органа через датчик положения соединен с вторым инвертирующим входом первого элемента сравнения, при этом регулятор положения содержит пропорциональное звено и интегратор, подключенные к входам четвертого элемента сравнения, выход которого является выходом регулятора положения, дополнительно содержит датчик угла поворота, размещенный на валу электродвигателя постоянного тока, пятый элемент сравнения, блок оценки состояния зазора, два коммутатора, блок формирования нулевого сигнала, блок обратной связи по разности углов, блок корректировки параметров зазора, блок дифференцирования, блок определения модуля, фильтр нижних частот, компаратор и источник опорного напряжения, при этом при этом датчик угла поворота, подключен к первому неинвертирующему входу пятого элемента сравнения, выход датчика положения соединен со вторым инвертирующим входом пятого элемента сравнения и через блок корректировки параметров зазора соединен с управляющим входом блока оценки состояния зазора, выход пятого элемента сравнения подключен к информационному входу блока оценки состояния зазора и через блок обратной связи по разности углов подключен к третьему инвертирующему входу третьего элемента сравнения, выход блока оценки состояния зазора соединен с управляющим входом первого коммутатора, нормально открытый контакт первого коммутатора подключен к выходу пропорционального звена, являющегося вторым выходом регулятора положения, и к нормально открытому контакту второго коммутатора, нормально закрытый контакт первого коммутатора соединен с выходом блока формирования нулевого сигнала, переключающий контакт первого коммутатора подключен к нормально закрытому контакту второго коммутатора, переключающий контакт второго коммутатора подключен к входу интегратора, являющегося вторым входом регулятора положения, вход блока дифференцирования соединен с неинвертирующим входом первого элемента сравнения, выход блока дифференцирования через последовательно соединенные блок определения модуля и фильтр нижних частот подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход компаратора подключен к входу второго коммутатора.The technical result is achieved by the fact that the device for automatic control of an electromechanical system with a gap in the kinematic transmission, containing the first comparison element, the first non-inverting input of which is connected to the source of the setting voltage, and the output through the position controller is connected to the first non-inverting input of the second comparison element, the output of which is through the speed controller connected to the first non-inverting input of the third comparison element, the output of the third comparison element is connected through a current regulator to the input of a power converter, the output of which is connected to a DC motor, which is connected through a current sensor to the second inverting input of the third comparison element and through a speed sensor to the second inverting input of the second comparison element, the shaft of the DC motor is mechanically connected to the input shaft of the working element, the output shaft of the working element is connected to the second inverting input through the position sensor the first comparison element, while the position controller contains a proportional link and an integrator connected to the inputs of the fourth comparison element, the output of which is the output of the position controller, additionally contains a rotation angle sensor located on the shaft of the DC motor, the fifth comparison element, a block for assessing the state of the gap, two switches, a zero signal generation unit, an angle difference feedback unit, a gap parameter correction unit, a differentiation unit, a module determination unit, a low-pass filter, a comparator and a reference voltage source, while the rotation angle sensor is connected to the first non-inverting input of the fifth comparison element, the output of the position sensor is connected to the second inverting input of the fifth comparison element and is connected through the block for adjusting the gap parameters to the control input of the gap state assessment block, the output of the fifth comparison element is connected to the information input of the status assessment block gap and through the angle difference feedback unit is connected to the third inverting input of the third comparison element, the output of the gap state evaluation unit is connected to the control input of the first switch, the normally open contact of the first switch is connected to the output of the proportional link, which is the second output of the position controller, and to normally open contact of the second switch, the normally closed contact of the first switch is connected to the output of the zero signal generation unit, the switching contact of the first switch is connected to the normally closed contact of the second switch, the switching contact of the second switch is connected to the input of the integrator, which is the second input of the position controller, the input of the differentiation unit is connected with a non-inverting input of the first comparison element, the output of the differentiation unit through a series-connected module definition unit and a low-pass filter is connected to the first input of the comparator, the second input of which connected to the output of the reference voltage source, and the output of the comparator is connected to the input of the second switch.
Сущность изобретения поясняют графические материалы.The essence of the invention is illustrated by graphic materials.
на фиг. 7 изображена структурная схема предлагаемого устройства по первому варианту;in fig. 7 shows a block diagram of the proposed device according to the first variant;
на фиг. 8 приведена переходная характеристика «вход-выход» блока оценки состояния зазора;in fig. 8 shows the input-output transient response of the clearance state evaluation unit;
на фиг. 9 приведены результаты компьютерного моделирования работы заявляемого устройства по первому варианту при тех же условиях и тех же режимах, которые выбраны для прототипа.in fig. 9 shows the results of computer simulation of the operation of the proposed device according to the first variant under the same conditions and the same modes that were selected for the prototype.
на фиг. 10 представлены результаты компьютерного моделирования работы устройства по первому варианту при увеличении величины зазора а выше критического при отсутствии обратной связи по разнице углов поворота валов рабочего органа и электродвигателя постоянного тока;in fig. 10 shows the results of computer simulation of the operation of the device according to the first variant with an increase in the gap a above the critical one in the absence of feedback on the difference in the angles of rotation of the shafts of the working body and the DC motor;
на фиг. 11 приведены амплитудно-фазовые частотные характеристики устройства по первому варианту при увеличении величины зазора а выше критического и отсутствии обратной связи по разнице углов поворота валов рабочего органа и электродвигателя постоянного тока;in fig. 11 shows the amplitude-phase frequency characteristics of the device according to the first variant with an increase in the gap a above the critical one and the absence of feedback on the difference in the angles of rotation of the shafts of the working body and the DC motor;
на фиг. 12 представлены результаты компьютерного моделирования работы устройства по первому варианту при увеличении величины зазора а выше критического при наличии обратной связи по разнице углов поворота валов рабочего органа и электродвигателя постоянного тока;in fig. 12 shows the results of computer simulation of the operation of the device according to the first variant with an increase in the gap a above the critical one in the presence of feedback on the difference in the angles of rotation of the shafts of the working body and the DC motor;
на фиг. 13 приведены амплитудно-фазовые частотные характеристики устройства по первому варианту при увеличении величины зазора α выше критического при наличии обратной связи по разнице углов поворота валов рабочего органа и электродвигателя постоянного тока;in fig. 13 shows the amplitude-phase frequency characteristics of the device according to the first variant with an increase in the gap α above the critical value in the presence of feedback on the difference in the angles of rotation of the shafts of the working body and the DC motor;
на фиг. 14.а приведено изображение расположения ведущего зубчатого колеса и зубчатой линейки, иллюстрирующее неравномерность распределения зазора по длине;in fig. 14.a shows an image of the location of the drive gear and the gear ruler, illustrating the uneven distribution of the gap along the length;
на фиг. 14.б приведено изображение расположения ведущего зубчатого колеса и зубчатой линейки, иллюстрирующее неравномерность распределения зазора по длине в случае механической выработки элементов передачи;in fig. 14.b shows an image of the location of the drive gear and the gear ruler, illustrating the uneven distribution of the gap along the length in the case of mechanical development of transmission elements;
на фиг. 15 представлена структурная схема заявляемого устройства по второму варианту;in fig. 15 shows a block diagram of the proposed device according to the second variant;
на фиг. 16 приведены результаты компьютерного моделирования работы устройства по первому варианту в режиме слежения и последующего позиционирования при наличии только пропорционального звена в составе регулятора положения;in fig. 16 shows the results of computer simulation of the operation of the device according to the first variant in the tracking mode and subsequent positioning in the presence of only a proportional link in the position controller;
на фиг. 17 приведены результаты компьютерного моделирования работы устройства по второму варианту в режиме слежения и последующего позиционирования.in fig. 17 shows the results of computer simulation of the operation of the device according to the second variant in the tracking mode and subsequent positioning.
Устройство автоматического управления электромеханической системой с зазором в кинематической передаче по первому варианту (фиг. 7) содержит первый элемент сравнения 1, первый неинвертирующий вход которого соединен с источником задающего напряжения Uзад.ϕ2. Выход первого элемента сравнения 1 соединен с первым входом регулятора положения 2. Регулятор положения 2 содержит пропорциональное звено 12 и интегратор 14, подключенные к входам четвертого элемента сравнения 13, выход которого является первым выходом регулятора положения 2. Первый выход регулятора положения 2 соединен с первым неинвертирующим входом второго элемента сравнения 3. Выход второго элемента сравнения 3 через регулятор скорости 4 подключен к первому неинвертирующему входу третьего элемента сравнения 5. Выход третьего элемента сравнения 5 через регулятор тока 6 соединен с входом силового преобразователя 7. Выход силового преобразователя 7 подключен к электродвигателю постоянного тока 8, снабженному датчиком тока 9 соединенным со вторым инвертирующим входом третьего элемента сравнения 5. Датчик скорости 10, размещенный на валу электродвигателя постоянного тока 8, соединен со вторым инвертирующим входом второго элемента сравнения 3. Датчик положения 11, размещенный на выходном валу рабочего органа, соединен со вторым инвертирующим входом первого элемента сравнения 1. Датчик угла поворота 16 подключен к первому неинвертирующему входу пятого элемента сравнения 17. Выход датчика положения 11 соединен со вторым инвертирующим входом пятого элемента сравнения 17 и через блок корректировки параметров зазора 22 соединен с управляющим входом блока оценки состояния зазора 18. Выход пятого элемента сравнения 17 подключен к информационному входу блока оценки состояния зазора 18 и через блок обратной связи по разности углов 21 подключен к третьему инвертирующему входу третьего элемента сравнения 5. Выход блока оценки состояния зазора 18 соединен с управляющим входом коммутатора 19. Нормально открытый контакт коммутатора 19 подключен к выходу пропорционального звена 12, являющемуся вторым выходом регулятора положения 2. Нормально закрытый контакт коммутатора 19 соединен с выходом блока формирования нулевого сигнала 20. Переключающий контакт коммутатора 19 подключен к входу интегратора 14, являющемуся вторым входом регулятора положения 2. В электромеханической системе вал электродвигателя постоянного тока 8 механически соединен с входным валом рабочего органа 15 с обратной связью по моменту М12. В схеме рабочего органа 15 учтены механический зазор (в виде нелинейного элемента), упругость (в виде пропорционального звена С12), момент статического сопротивления Мс на валу рабочего органа, инерционность (в виде момента инерции J2), трение (в виде пропорционального звена Кт). Как и в прототипе в качестве нелинейного элемента, моделирующего зазор в механизмах рабочего органа 15, использована нелинейность вида «зона нечувствительности», характеристика «вход-выход» которой представлена на фиг. 2. Все обозначения и параметры этого нелинейного элемента, указанные для прототипа, сохранены. Вал электродвигателя постоянного тока 8 механически соединен с входным валом рабочего органа 15 и угол поворота вала электродвигателя ϕ1 является тем углом, на который за счет жесткой механической связи поворачивается и входной вал рабочего органа 15.The device for automatic control of an electromechanical system with a gap in the kinematic transmission according to the first variant (Fig. 7) contains the
В реальных условиях после длительной эксплуатации оборудования и определенной выработки механических узлов наблюдается неравномерное распределение величины зазора α в пределах возможных перемещений рабочего органа 15. Для учета указанного влияния должна быть реализована текущая корректировка параметров блока оценки состояния зазора 18, для чего в состав устройства по первому варианту введен блок корректировки параметров зазора 22. Вход блока корректировки параметров зазора 22 соединен с выходом датчика положения 11, от которого на вход блока корректировки параметров зазора 22 поступает напряжение Uϕ2. Выход блока корректировки параметров зазора 22 подключен к управляющему входу блока оценки состояния зазора 18. Блок корректировки параметров зазора 22 обладает переменным коэффициентом усиления Ккор. Назначение блока корректировки параметров зазора 22 поясняется на фиг. 14.а, где представлены зубчаток колесо 23, жестко связанное с выходным валом рабочего органа 15 и зубчатая линейка 24, перемещающаяся под воздействием зубчатого колеса 23. Фиг. 14.б. иллюстрирует неравномерность распределения зазора а в зависимости от перемещения зубчатого колеса 23 по зубчатой линейке 24. Так, в середине зубчатой линейки зазор из-за выработки максимален, при изменении расстояния от начального положения по зубчатой линейке 
Устройство автоматического управления электромеханической системой с зазором в кинематической передаче по второму варианту (фиг. 15) содержит первый элемент сравнения 1, первый неинвертирующий вход которого соединен с источником задающего напряжения Uзад.ϕ2. Выход первого элемента сравнения 1 соединен с первым входом регулятора положения 2. Регулятор положения 2 содержит пропорциональное звено 12 и интегратор 14, подключенные к входам четвертого элемента сравнения 13, выход которого является первым выходом регулятора положения 2. Первый выход регулятора положения 2 соединен с первым неинвертирующим входом второго элемента сравнения 3. Выход второго элемента сравнения 3 через регулятор скорости 4 подключен к первому неинвертирующему входу третьего элемента сравнения 5. Выход третьего элемента сравнения через регулятор тока 6 соединен с входом силового преобразователя 7. Выход силового преобразователя 7 подключен к электродвигателю постоянного тока 8 снабженному датчиком тока 9 соединенным со вторым инвертирующим входом третьего элемента сравнения 5. Датчик скорости 10, размещенный на валу электродвигателя постоянного тока 8, соединен со вторым инвертирующим входом второго элемента сравнения 3. Датчик положения 11, размещенный на выходном валу рабочего органа, соединен со вторым инвертирующим входом первого элемента сравнения 1. Датчик угла поворота 16 подключен к первому неинвертирующему входу пятого элемента сравнения 17. Выход датчика положения 11 соединен со вторым инвертирующим входом пятого элемента сравнения 17 и через блок корректировки параметров зазора 22 соединен с управляющим входом блока оценки состояния зазора 18. Выход пятого элемента сравнения 17 подключен к информационному входу блока оценки состояния зазора 18 и через блок обратной связи по разности углов 21 подключен к третьему инвертирующему входу третьего элемента сравнения 5. Выход блока оценки состояния зазора 18 соединен с управляющим входом первого коммутатора 19. Нормально открытый контакт первого коммутатора 19 подключен к выходу пропорционального звена 12, являющемуся вторым выходом регулятора положения 2 и к нормально открытому контакту второго коммутатора 30. Нормально закрытый контакт первого коммутатора 19 соединен с выходом блока формирования нулевого сигнала 20. Переключающий контакт первого коммутатора 19 подключен к нормально закрытому контакту второго коммутатора 30. Переключающий контакт второго коммутатора 30 подключен к входу интегратора 14, являющегося вторым входом регулятора положения 2. Вход блока дифференцирования 25 соединен с неинвертирующим входом первого элемента сравнения 1. Выход блока дифференцирования 25 через последовательно соединенные блок определения модуля 26 и фильтр нижних частот 27 подключен к первому входу компаратора 28. Второй вход компаратора 28 соединен с выходом источника опорного напряжения 29, а выход компаратора 28 подключен к входу второго коммутатора 30. В электромеханической системе вал электродвигателя постоянного тока 8 механически соединен с входным валом рабочего органа 15 с обратной связью по моменту M12. В схеме рабочего органа 15 учтены механический зазор (в виде нелинейного элемента), упругость (в виде пропорционального звена С12), момент статического сопротивления Мс на валу рабочего органа, инерционность (в виде момента инерции J2), трение (в виде пропорционального звена Кт). Как и в прототипе в качестве нелинейного элемента, моделирующего зазор в механизмах рабочего органа 15, использована нелинейность вида «зона нечувствительности», характеристика «вход-выход» которой представлена на фиг. 2. Все обозначения и параметры этого нелинейного элемента, указанные для прототипа, сохранены. Вал электродвигателя постоянного тока 8 механически соединен с входным валом рабочего органа 15 и угол поворота вала электродвигателя ϕ1 является тем углом, на который за счет жесткой механической связи поворачивается и входной вал рабочего органа 15.The device for automatic control of an electromechanical system with a gap in the kinematic transmission according to the second variant (Fig. 15) contains the
Устройство автоматического управления электромеханической системой с зазором в кинематической передаче по варианту (фиг. 7) работает следующим образом.The automatic control device for an electromechanical system with a gap in the kinematic transmission according to the variant (Fig. 7) operates as follows.
Перед началом работы проводят исследования состояния зазора, определяя экспериментальным путем величину углового зазора между положением вала электродвигателя постоянного тока 8 и выходного вала рабочего органа 15, обозначенную на фиг. 2 как α. По полученному значению α настраивают переходную характеристику «вход-выход» блока оценки состояния зазора 18, устанавливая значение ΔUα, соответствующее величине углового зазора а так, как показано на фиг. 8.Before starting work, research is carried out on the state of the gap, determining experimentally the value of the angular gap between the position of the shaft of the
На первом этапе рассмотрим работу устройства по первому варианту без использования блока обратной связи по разности углов 21 и блока корректировки параметров зазора 22. В этом случае в устройстве отсутствует обратная связь по разности углов (на второй инвертирующий вход третьего элемента сравнения 5 не поступает сигнал UΔϕ). Блок корректировки параметров зазора 22 не вырабатывает на своем выходе напряжения Uкор и не изменяет вид переходной характеристики «вход-выход» блока оценки состояния зазора 18.At the first stage, we will consider the operation of the device according to the first variant without using the angle
Рассмотрим работу устройства по первому варианту, исходя из допущения, что в начальный момент рабочая точка, определяющая текущее состояние нелинейного элемента, моделирующего зазор в механизмах рабочего органа 15, находится в начале координат характеристики «вход-выход», представленной на фиг. 2. При этом начальное значение Uзад.ϕ2 так же равно нулю, поскольку устройство не получило задания на отработку заданной траектории движения. Электродвигатель постоянного тока 8 и рабочий орган 15 не вращаются, ток якоря 1я электродвигателя постоянного тока 8, скорости вращения вала электродвигателя постоянного тока 8 (ωl) и выходного вала рабочего органа 15 (ω2) равны нулю. Положим углы поворота вала электродвигателя постоянного тока 8 и выходного вала рабочего органа 15 в начальный момент равными нулю (ϕl=ϕ2=0). В этом случае напряжения UIя, Uω1, Uϕ1, Uϕ2 на выходах соответственно датчика тока 9, датчика скорости 10, датчика угла поворота вала 16, и датчика положения 11 равны нулю. На выходе пятого элемента сравнения 17 образуется сигнал нулевая разности напряжений ΔUϕ, который, поступая на информационный вход блока оценки состояния зазора 18, формирует на его выходе (в соответствии с переходной характеристикой «вход-выход» блока оценки состояния зазора 18, приведенной на фиг. 8) сигнал переключения Uпер=0. Следовательно на управляющий вход коммутатора 19 поступает нулевой сигнал, первый коммутатор 19 не переключается и его нормально закрытый контакт соединяет выход блока формирования нулевого сигнала 20 со входом интегрирующего звена 14 регулятора положения 2, подавая сигнал нулевого напряжения Uк=U0=0 на вход интегратора 14. Интегрирующее звено 14 исключается из структуры регулятора положения 2, превращая его в П-регулятор с коэффициентом усиления пропорционального звена 12 регулятора положения 2, равным βϕ.Let us consider the operation of the device according to the first option, based on the assumption that at the initial moment the operating point that determines the current state of the nonlinear element that simulates the gap in the mechanisms of the working
После подачи на вход первого элемента сравнения 1 задающего напряжения Uзад.ϕ2 в виде линейно возрастающего сигнала, последовательно включаются в работу контуры управления. Сначала из-за отсутствия сигнала Uϕ2 (зазор пока не выбран и поворота выходного вала рабочего органа 15 нет) с выхода первого элемента сравнения 1 на вход регулятора положения 2 поступает сигнал максимального напряжения ΔUϕ2, включается в работу пропорциональное звено 12 регулятора положения 2. Тем самым обеспечивается высокая скорость отработки управляющего сигнала, поскольку из контура регулирования положения 2 исключается интегральная составляющая, так как интегрирующее звено 14 регулятора положения выведено из работы. На выходе регулятора положения 2 формируется сигнал Uзад.ω1 и, поскольку на инвертирующий вход второго элемента сравнения 3 пока не поступает сигнал с датчика скорости 10, напряжение Uзад.ω1=ΔUω1 максимально. Регулятор скорости 4 преобразует свое входное сигнал ΔUω1 в Uзад Iя, определяющий заданное значение тока якоря электродвигателя постоянного тока 8. В свою очередь, так как электродвигатель постоянного тока 8 пока не вращается, его ток еще равен нулю, что обуславливает отсутствие сигнала напряжения UIя на выходе датчика тока 9. Сигнал напряжения ошибки по току электродвигателя постоянного тока 8 ΔUIя на выходе третьего элемента сравнения 5 максимален. Он поступает на вход силового преобразователя 7 и преобразуется им в напряжение U, поступающее на якорную обмотку электродвигателя постоянного тока 8. Электродвигатель постоянного тока 8 начинает разгоняться. Появляются ток Iя якоря электродвигателя постоянного тока 8, скорость вращения вала электродвигателя ω1 и угол поворота вала электродвигателя ϕ1. На выходе датчика тока 9, датчика скорости 10 и датчика угла поворота вала 16 появляются сигналы напряжения соответственно UIя, Uω1 и Uϕ1. Замыкаются контуры регулятора тока и скорости. Начинается отработка управляющих и возмущающих воздействий этими контурами. Вал электродвигателя постоянного тока 8, будучи механически жестко связанным с входным валом рабочего органа 15, начинает его поворачивать. Однако, из-за существующего в механизме рабочего органа зазора, представленного на фиг. 7 в виде нелинейного элемента НЭ, обладающего переходной характеристикой по фиг. 2, пока угол поворота входного вала рабочего органа не достигнет величины b, поворота выходного вала рабочего органа 15 не будет. До этого момента сигнал напряжение Uϕ1 с выхода датчика угла поворота 16 вала электродвигателя постоянного тока 8 поступает на неинвертирующий вход пятого элемента сравнения 17 и дальше на вход управляющий блока оценки состояния зазора 18. Реализуемая этим блоком нелинейность, переходная характеристика «вход-выход» которой приведена на фиг. 8, формирует на своем выходе нулевое напряжение Uпер до тех пор, пока угол поворота ϕ1 вала электродвигателя постоянного тока 8 не достигнет величины b, то есть до того момента, когда зазор будет выбран. Из-за того, что ϕ2=0, на инвертирующий вход первого элемента сравнения 1 напряжение не поступает, ΔUϕ2 максимально, разгон электродвигателя постоянного тока 8 продолжается. Если при этом ΔUϕ на управляющем входе блока оценки состояния зазора 18 не превышает ΔUb, в составе регулятора положения 2 остается работающим только пропорциональное звено 12. Если же ΔUϕ на входе блока оценки состояния зазора 18 превысит ΔUb, на управляющем входе коммутатора 19 появляется напряжение Uпер, что заставляет его контакты переключиться. Нормально-открытый контакт коммутатора 19 замыкается, нормально-закрытый - размыкается. На вход интегратора 14 подключается напряжение Uβϕ с выхода пропорционального звена 12 регулятора положения 2 (тогда Uк=Uβϕ), структура регулятора положения 2 преобразуется в ПИ, что минимизирует ошибку регулирования.After applying to the input of the
После достижения углом поворота вала электродвигателя постоянного тока 8 величины b начинает поворачиваться выходной вал рабочего органа 15, на выходе датчика положения 11 появляется сигнал Uϕ2. Он поступает на инвертирующий вход первого элемента сравнения 1, замыкая обратную связь по положению выходного вала рабочего органа. Кроме этого появившееся на выходе датчика положения 11 сигнал Uϕ2 поступает на инвертирующий вход пятого элемента сравнения 17. Разность ΔUϕ появляется на управляющем входе блок оценки состояния зазора 18 и анализируется этим блоком так, как было представлено выше, изменяя структуру регулятора положения 2. Тем самым работа устройства сопровождается перестройкой структуры регулятора положения (П-ПИ), что повышает точность регулирования при достаточно высоком быстродействии. Если задающее напряжение Uзад.ϕ2 будет снижаться, что может потребоваться для отработки заданной траектории движения вала рабочего органа 2, логика функционирования устройства сохранится.After the angle of rotation of the shaft of the
Для безразрывного сопряжения фазовых траекторий устройства управления при ее возвращении в линейную зону работы, в режиме раскрытия зазора следует отключать от системы не выход, а вход интегрирующего звена 14, прерывая его интегрирование, но сохраняя информацию, накопленную им к моменту раскрытия зазора. При этом задача изменения структуры состоит не в замедлении переходных процессов и повышении степени демпфирования в системе во время прохождения зазора, а в прекращении функционирования или изменении свойств интегрирующих элементов в эти моменты времени для исключения режима накопления паразитной информации о неполностью управляемом состоянии системы и снижении отрицательного фазового сдвига амплитудно-фазовой частотной характеристики линейной части устройства.For seamless coupling of the phase trajectories of the control device when it returns to the linear zone of operation, in the gap opening mode, it is necessary to disconnect not the output from the system, but the input of the integrating
Результаты компьютерного моделирования работы устройства по первому варианту при отсутствии обратной связи по разности углов и блока корректировки параметров зазора в виде переходных характеристик Uзад.ϕ2 (t) приведены на графике д (фиг. 9) и напряжения на выходе датчика положения 11 Uϕ2 (t) вала рабочего органа 15 (пропорционального величине угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15) приведены на графике е (фиг.9) для заданных параметров элементов устройства. Здесь входной задающий сигнал, как и при исследовании прототипа, линейно нарастает от нуля до 10 вольт (с нулевого момента времени до 1 с), затем линейно снижается от 10 до 5 вольт (на временном интервале от 1 с до 2 с) и увеличивается от 5 до 10 вольт линейно на временном интервале от 2 с до 3,5 с. Величину α, как и при исследовании прототипа, принимаем равной 0,2 рад. Анализ графика е (фиг. 9) указывает на отсутствие существенных колебаний угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15, что подтверждает эффективность использования предлагаемого технического решения.The results of computer simulation of the operation of the device according to the first variant in the absence of feedback on the angle difference and the block for adjusting the gap parameters in the form of transient characteristics U set.ϕ2 (t) are shown in graph e (Fig. 9) and the voltage at the output of the position sensor 11 U ϕ2 ( t) shaft of the working body 15 (proportional to the angle of rotation of the output shaft ϕ2 of the working body 15) are shown in graph e (Fig.9) for the given parameters of the device elements. Here, the input setting signal, as in the study of the prototype, linearly increases from zero to 10 volts (from zero time to 1 s), then linearly decreases from 10 to 5 volts (over a time interval from 1 s to 2 s) and increases from 5 to 10 volts linear over a time interval of 2 s to 3.5 s. The value of α, as in the study of the prototype, is taken equal to 0.2 rad. Analysis of the graph e (Fig. 9) indicates the absence of significant fluctuations in the angle of rotation of the output shaft ϕ2 of the working
При увеличении величины зазора а (в случае экспериментальных исследований с указанными выше параметрами элементов, узлов и блоков граничное значение α=0,4 рад), применяемый ранее алгоритм переключения П-ПИ-регулятора положения 2 оказывается не в состоянии компенсировать влияние нелинейного элемента НЭ, что приводит к возникновению незатухающих колебаний регулируемой величины, как это проиллюстрировано на фиг. 10, где приведены результаты компьютерного моделирования в виде переходные характеристики Uзад.ϕ2 (график з) и напряжения на выходе датчика положения Uϕ2 (t) вала рабочего органа 15 (пропорционального величине угла поворота ϕ2 вала рабочего органа 15) (график ж). Здесь входной задающий сигнал, как и при исследовании прототипа, линейно нарастает от нуля до 10 вольт (с нулевого момента времени до 1 с), затем линейно снижается от 10 до 5 вольт (на временном интервале от 1 с до 2 с) и увеличивается от 5 до 10 вольт линейно на временном интервале от 2 с до 3,5 с, но по сравнению с предыдущим режимом величина α выбрана равной 0,4 рад. Видно, что качество переходных процессов ухудшается. Объяснением ухудшения работоспособности устройства в данном режиме является пересечение амплитудно-фазовой частотной характеристики линейной части системы автоматического управления и обратной амплитудно-фазовой характеристики нелинейного элемента на амплитудно-фазовой плоскости, что показано на фиг. 11. Цифрой V на фиг. 11 обозначена амплитудно-фазовая частотная характеристика линейной части устройства без дополнительной обратной связи по разности углов поворота валов электродвигателя постоянного тока 8 и выходного вала рабочего органа 15. Цифрой VI на фиг. 11 обозначена обратная амплитудно-фазовая характеристика нелинейного элемента НЭ.With an increase in the gap a (in the case of experimental studies with the above parameters of elements, nodes and blocks, the boundary value α = 0.4 rad), the previously used switching algorithm for the P-
Анализ структуры устройства по первому варианту (фиг. 7) и ее частотного «портрета» (фиг. 11), показывает, что возникновение автоколебаний объясняется сохранением значительного фазового сдвига амплитудно-фазовой частотной характеристики линейной части системы автоматического управления, во многом обусловленным влиянием естественного интегратора в составе рабочего органа 15, преобразующего угловую скорость ω1 ротора двигателя постоянного тока 8 в угловое положение ϕ1 и лишающегося стабилизирующих обратных связей по упругому моменту М12 во время раскрытия зазора. Очевидно, что возможность исключения такого интегратора из структуры фиг. 7, аналогично тому, как это было сделано для интегральной составляющей регулятора положения, в данном случае отсутствует.An analysis of the structure of the device according to the first variant (Fig. 7) and its frequency “portrait” (Fig. 11) shows that the occurrence of self-oscillations is explained by the preservation of a significant phase shift in the amplitude-phase frequency response of the linear part of the automatic control system, largely due to the influence of the natural integrator as part of the working
Раскрытие зазора приводит к размыканию контура обратной связи по положению рабочего органа 15 и значительному повышению темпа переходных процессов, ограничиваемому лишь быстродействием сохраняющегося контура обратной связи по скорости электродвигателя постоянного тока 8. При этом на выходе регулятора положения формируется значительный сигнал задания, который быстро отрабатывается внутренним контуром скорости, приводя к высокому темпу изменения углового положения вала электродвигателя постоянного тока 8 в отсутствии указанных выше стабилизирующих связей. Большое различие темпов изменения углового положения вала электродвигателя постоянного тока 8 при раскрытом и выбранном зазоре приводит к соответствующему рассогласованию фазовых траекторий нелинейной следящей системы и способствует возникновению автоколебаний.Opening the gap leads to opening the feedback loop on the position of the working
С целью разрешения проблемы присутствия естественного интегратора в составе рабочего органа 15 и улучшения частотного «портрета» устройства по первому варианту в состав его структуры введена дополнительная отрицательная обратная связь по разности углов перемещений электродвигателя постоянного тока 8 и рабочего органа 15, организованная за счет блока обратной связи по разности углов 21, подающего свое выходное напряжение, пропорциональное разности углов UΔϕ на второй инвертирующий вход третьего элемента сравнения 5, а через него на вход регулятора тока 6 (фиг. 7). Действие такой обратной связи является аналогичным влиянию упругого момента т.е. оказывает стабилизирующий эффект, приближая по свойствам интегратор к позиционному звену и, соответственно, снижая фазовый сдвиг амплитудно-фазовой частотной характеристики линейной части устройства по первому варианту в области расположения обратной характеристики нелинейного элемента.In order to solve the problem of the presence of a natural integrator in the composition of the working
На втором этапе рассмотрим работу устройства по первому варианту с использованием блока обратной связи по разности углов 21 и блока корректировки параметров зазора 22. В этом случае в устройстве присутствует обратная связь по разности углов и на второй инвертирующий вход третьего элемента сравнения 5 поступает напряжение UΔϕ. Блок корректировки параметров зазора 22 вырабатывает на своем выходе напряжения Uкор и изменяет вид переходной характеристики «вход-выход» блока оценки состояния зазора 18 в зависимости от снятой заранее характеристики неравномерного распределения зазора по длине. Как и на первом этапе перед началом работы проводят исследования состояния зазора, определяя экспериментальным путем величину углового зазора между положением вала электродвигателя постоянного тока 8 и выходного вала рабочего органа 15, обозначенную на фиг. 2 как α, но с учетом того, что данный параметр меняется в зависимости от угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15. По полученным значениям настраивают переходную характеристику «вход-выход» блока оценки состояния зазора 18, устанавливая значение ΔUa, соответствующее величине углового зазора а при нулевом угле поворота ϕ2 так, как показано на фиг.8. Кроме этого заносят информацию о зависимости а от угла поворота выходного вала ϕ2 в структуру блока корректировки параметров зазора 22. При изменении текущего значения ϕ2 этот блок изменяет настройку блока оценки состояния зазора 18 в зависимости от текущего значения ϕ2.At the second stage, we consider the operation of the device according to the first variant using the angle
Работа контура обратной связи по разности углов не изменяет порядка работы остальной части устройства, которая рассмотрена ранее. Для организации этой обратной связи в устройстве по первому варианту предусмотрен блок обратной связи по разности углов 21, на вход которого поступает напряжение ΔUϕ с выхода пятого элемента сравнения 17. Это напряжение будучи усиленным в блоке обратной связи по разности углов 21 с коэффициентом передачи КΔϕ, поступает на второй инвертирующий вход третьего элемента сравнения 5. Тем самым удается скомпенсировать негативное влияние интегратора с передаточной функцией 1/s, присутствующего в структуре электродвигателя постоянного тока 8 и преобразующего угловую скорость ω1 вала двигателя в угол его поворота ϕ1.The operation of the angle difference feedback loop does not change the operation of the rest of the device, which was discussed earlier. To organize this feedback in the device according to the first variant, a feedback block for the difference of
Указанная обратная связь не коммутируется и действует постоянно, поскольку ее коэффициент усиления устанавливается существенно ниже значения коэффициента С12 и упругости кинематической передачи и не требует перестройки системы автоматического управления в линейной зоне работы. Однако при раскрытии зазора и исчезновении упругого момента M12 такая дублирующая обратная связь оказывается достаточной для стабилизации естественного интегратора и снижения темпа изменения положения вала электродвигателя постоянного тока 8 при выборке зазора. Отсутствие в этом контуре дополнительных коммутирующих элементов обеспечивает лучшее согласование фазовых траекторий системы при переходах из линейного режима работы в нелинейный и обратно.Said feedback is not switched and operates permanently, since its gain is set significantly lower than the value of the coefficient C 12 and the elasticity of the kinematic transmission and does not require restructuring of the automatic control system in the linear area of work. However, when the gap opens and the elastic moment M 12 disappears, such a duplicate feedback is sufficient to stabilize the natural integrator and reduce the rate of change in the position of the shaft of the
Введение дополнительной обратной связи по разности углов поворота валов электродвигателя постоянного тока 8 и выходного вала рабочего органа 15 Δϕ позволяет повернуть амплитудно-фазовую частотную характеристику линейной части устройства против часовой стрелки, т.о. амплитудно-фазовая частотная характеристика линейной части системы будет «огибать» характеристику НЭ с ней не пересекаясь. Результаты компьютерного моделирования работы устройства по первому варианту при наличии обратной связи по разности углов приведены фиг. 12. Переходные характеристики Uзад.ϕ2 (t) приведены на графике и (фиг. 12) и напряжения на выходе датчика положения 11 Uϕ2 (t) вала рабочего органа 15 (пропорционального величине угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15) приведены на графике к (фиг. 12) для заданных параметров элементов устройства. В данном эксперименте величина α=0,4 рад, КΔϕ=100. Входной задающий сигнал Uзад.ϕ2, как и при исследовании прототипа, линейно нарастает от нуля до 10 вольт (с нулевого момента времени до 1 с), затем линейно снижается от 10 до 5 вольт (на временном интервале от 1 с до 2 с) и увеличивается от 5 до 10 вольт линейно на временном интервале от 2 с до 3,5 с. Анализ результатов, приведенных на фиг. 12 доказывает эффективность введения дополнительной обратной связи по разности углов поворота валов, поскольку динамическая ошибка на всем протяжении эксперимента снизилась. На фиг. 13 приведены амплитудно-фазовая частотная характеристика линейной части устройства по второму варианту (график VII) и обратная амплитудно-фазовая характеристика нелинейного элемента (график VIII), объясняющие эффект уменьшения динамической ошибки за счет того, что характеристики линейной и нелинейной частей устройства по первому варианту не пересекаются.The introduction of additional feedback on the difference in the angles of rotation of the shafts of the
Анализ частотных характеристик и соответствующих модельных расчетов, необходимая для исключения автоколебаний трансформация амплитудно-фазовой частотной характеристики линейной части устройства достигается в условиях больших зазоров только при совместном использовании перестройки структуры регулятора положения 2 и введения дополнительной обратной связи по разности углов перемещений электродвигателя постоянного тока 8 и рабочего органа 15.An analysis of the frequency characteristics and the corresponding model calculations, necessary to eliminate self-oscillations, the transformation of the amplitude-phase frequency response of the linear part of the device is achieved in conditions of large gaps only when the structure of the
Следует также уточнить, что блок оценки состояния зазора 18 оценивает разницу угловых перемещений электродвигателя постоянного тока 8 и рабочего органа 15 с использованием априорной информации о величине зазора, заранее измеренной до ввода системы в работу. Если после длительной эксплуатации оборудования и определенной выработки механических узлов будет наблюдаться неравномерное распределение величины зазора в пределах возможных перемещений рабочего органа 15, в системе может быть реализована текущая корректировка параметра блока оценки состояния зазора 18 при изменении положения рабочего органа 15 за счет блока корректировки параметров зазора 22. При медленных процессах такой адаптации они не будут оказывать дестабилизирующего влияния на динамику исходной системы, но повысят эффективность компенсации неравномерного зазора.It should also be clarified that the
Работа устройства по второму варианту происходит следующим образом. Для данного варианта реализации устройства показателен режим позиционирования, заключающийся в том, что задающее напряжение Uзад.ϕ2 после выхода в точку позиционирования поддерживается постоянным и не равным нулю, что требует от угла поворота вала рабочего органа 15 поддержания постоянной величины ϕ2, соответствующей заданному значению. Рассмотрим, как этот режим отрабатывает устройство по первому варианту (фиг. 7), предполагая, что после выхода в точку позиционирования переключающий контакт первого коммутатора 19, который перестраивал структуру регулятора положения 2 для предотвращения возникновения автоколебаний под влиянием нелинейности типа «зазор», может находиться в нижнем положении, обеспечивая пропорциональный вид передаточной функции регулятора положения 2, когда на вход интегрирующего блока 14 от блока формирования нулевого сигнала 20 поступает нулевое напряжение Uк=U0=0. На управляющий вход первого коммутатора 19 поступает нулевой сигнал, первый коммутатор не переключается и его нормально закрытый контакт соединяет выход блока формирования нулевого сигнала 20 со входом интегрирующего звена 14 регулятора положения 2, подавая нулевое напряжение Uк=U0=0 на вход интегрирующего звена 14. Интегрирующее звено 14 исключается из структуры регулятора положения 2, превращая его в П-регулятор с коэффициентом усиления пропорционального звена 12 регулятора положения 2, равным βϕ.The operation of the device according to the second variant is as follows. For this version of the implementation of the device, the positioning mode is indicative, which consists in the fact that the setting voltage Uset.ϕ2 after reaching the positioning point is maintained constant and not equal to zero, which requires the angle of rotation of the shaft of the working
Для анализа работоспособности устройства по первому варианту в режиме позиционирования было проведено компьютерное моделирование, результаты которого приведены на фиг. 16, где указаны переходные характеристики Uзад.ϕ2 (t) (график л) и напряжения на выходе датчика положения 11 Uϕ2 (t) вала рабочего органа 15 (пропорционального величине угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15) (график м) для заданных параметров элементов устройства. В данном эксперименте величина α=0,4 рад, КΔϕ=100, Мс=0.5 Н⋅м. Здесь входной задающий сигнал линейно нарастает от нуля до 10 вольт (с нулевого момента времени до 1 с), так же линейно снижается от 10 до 5 вольт (на временном интервале от 1 с до 2 с) и увеличивается от 5 до 15 вольт линейно на временном интервале от 2 с до 5 с. После выхода в режим позиционирования (временной интервал от 5 с до 8 с) задающее напряжение поддерживается постоянным на уровне 15 В.To analyze the performance of the device according to the first version in the positioning mode, computer simulation was carried out, the results of which are shown in Fig. 16, which shows the transient characteristics U set.ϕ2 (t) (graph l) and the voltage at the output of the position sensor 11 U ϕ2 (t) of the shaft of the working body 15 (proportional to the angle of rotation of the output shaft ϕ2 of the working body 15) (graph m) for the specified parameters of the device elements. In this experiment, the value α=0.4 rad, K Δϕ =100, M s =0.5 N⋅m. Here, the input setting signal increases linearly from zero to 10 volts (from zero time to 1 s), also linearly decreases from 10 to 5 volts (on a time interval from 1 s to 2 s) and increases from 5 to 15 volts linearly by time interval from 2 s to 5 s. After entering the positioning mode (time interval from 5 s to 8 s), the setting voltage is maintained constant at 15 V.
Анализ переходных характеристик, приведенных на фиг. 16 указывает на возникновение значительной статической ошибки угла поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15 в момент перехода устройства по варианту 1 от слежения к позиционированию (участок от 5 с до 8 с на фиг. 16). В этом режиме устройство по первому варианту не способно в достаточной степени скомпенсировать статическую ошибку по заданию, возникающую, в том числе, под действием тормозящего реактивного момента сопротивления Мс. Следовательно, устройство по варианту 1 не обеспечивает высокой точности в режиме позиционирования.An analysis of the transient responses shown in FIG. 16 indicates the occurrence of a significant static error in the angle of rotation of the output shaft ϕ2 of the working
Рассмотрим работу устройства по варианту 2. При изменении Uзад.ϕ2 (t) в режиме слежения (временной отрезок от нулевого момента до 5 с по фиг. 17) производная сигнала задания отлична от нуля, блок дифференцирования 25 формирует на своем выходе напряжение (Uзад.ϕ2)' не равное нулю. Модуль этого напряжения ⎢(Uзад.ϕ2)'⎢ на выходе блока определения модуля 26 будет положительным. Пройдя через фильтр нижних частот 27, необходимый для предотвращения ложного срабатывания второго коммутатора 30 из-за возможных помех в сигнале задания, сигнал в виде напряжения UФНЧ поступает на первый вход компаратора 29. Напряжение на втором входе компаратора Uоп, равное нулю, формируется на выходе источника опорного напряжения 29. Сравнивая два напряжения на своих входах, компаратор 28 вырабатывает на своем выходе напряжение Uк, подключаемое к управляющему входу второго коммутатора 30 по следующему принципу:Consider the operation of the device according to
Если задающее напряжение Uзад.ϕ2 (t) изменяется (режим слежения), UФНЧ>Uоп=0, тогда Uк=0 и второй коммутатор 30 не переключается, а его нормально-закрытый контакт остается замкнутым. В этом случае второй коммутатор 30 не влияет на работу устройства и не препятствует переключению структуры, как это было рассмотрено для устройства по варианту 1. Тем самым удается добиться предотвращения возникновения автоколебаний под влиянием нелинейности типа «зазор».If the setting voltage U zad.ϕ2 (t) changes (tracking mode), U LPF >U op =0, then U to =0 and the
Если изменений Uзад.ϕ2 (t) нет (режим позиционирования) UФНЧ=Uоп=0, тогда Uк>0 и второй коммутатор 30 переключается таким образом, что замыкается его нормально-открытый контакт, подключая напряжение с выхода пропорционального звена 12 на вход интегрирующего звена 14. Тем самым исключается возможность влияния первого коммутатора 19 на работу устройства, используемое в режиме слежения, и иногда приводящее к появлению для устройства по первому варианту большой статической ошибки в режиме позиционирования.If there are no changes in U set.ϕ2 (t) (positioning mode) U LPF =U op =0, then U to >0 and the
Блок дифференцирования 25, блок определения модуля 26, фильтр низких частот 27, компаратор 28, источник опорного напряжения 29 позволяют выявить переход от режима слежения к режиму позиционирования и с помощью второго коммутатора 30 настроить структуру к эффективной и точной работе с учетом того, в каком режиме (слежения или позиционирования) находится устройство по второму варианту.The
Оценим эффективность работы устройства по второму варианту, анализируя результаты компьютерного его моделирования при тех же параметрах и временных интервалах, что применялись для моделирования устройства по первому варианту. Вид переходных характеристик в режиме слежения и последующего позиционирования для устройства по второму варианту приведен на фиг. 17. На нем указаны переходные характеристики Uзад.ϕ2 (t) (график н) и напряжения на выходе датчика положения 11 Uϕ2 (t) вала рабочего органа 15 (пропорционального величине угла поворота ϕ2 вала рабочего органа 15) (график о) для заданных параметров элементов устройства. В данном эксперименте величина α=0,4 рад, КΔϕ=100, Мс=0.5 Н⋅м. Здесь входной задающий сигнал линейно нарастает от нуля до 10 вольт (с нулевого момента времени до 1 с), так же линейно снижается от 10 до 5 вольт (на временном интервале от 1 с до 2 с) и увеличивается от 5 до 15 вольт линейно на временном интервале от 2 с до 5 с. После выхода в режим позиционирования (временной интервал от 5 с до 8 с) задающее напряжение поддерживается постоянным на уровне 15 В.Let us evaluate the efficiency of the device according to the second variant by analyzing the results of its computer simulation with the same parameters and time intervals that were used to simulate the device according to the first variant. The view of the transient characteristics in the tracking mode and subsequent positioning for the device according to the second version is shown in Fig. 17. It shows the transient characteristics U set.ϕ2 (t) (graph n) and the voltage at the output of the position sensor 11 U ϕ2 (t) of the shaft of the working body 15 (proportional to the angle of rotation ϕ2 of the shaft of the working body 15) (graphic o) for the specified parameters of the device elements. In this experiment, the value α=0.4 rad, K Δϕ =100, M s =0.5 N⋅m. Here, the input setting signal increases linearly from zero to 10 volts (from zero time to 1 s), also linearly decreases from 10 to 5 volts (on a time interval from 1 s to 2 s) and increases from 5 to 15 volts linearly by time interval from 2 s to 5 s. After entering the positioning mode (time interval from 5 s to 8 s), the setting voltage is maintained constant at 15 V.
До момента выхода устройства из режима слежения (участок 0-5 с на фиг. 17) устройство по второму варианту работает аналогично устройству по первому варианту. В момент прекращения изменения Uзад.ϕ2 (t) (момент 5 с на фиг. 17) устройство перестраивается с учетом выхода в режим позиционирования, снижая величину статической ошибки по углу поворота выходного вала ϕ2 рабочего органа 15.Until the device exits the tracking mode (section 0-5 s in Fig. 17), the device according to the second variant operates similarly to the device according to the first variant. At the moment when Uset ϕ2 (t) stops changing (time 5 s in Fig. 17), the device is rebuilt taking into account entering the positioning mode, reducing the value of the static error in the angle of rotation of the output shaft ϕ2 of the working
Итак, реализация предложенных технических решений обеспечивает повышение точности регулирования положения.So, the implementation of the proposed technical solutions provides an increase in the accuracy of position control.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2783736C1 true RU2783736C1 (en) | 2022-11-16 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811332C1 (en) * | 2023-10-09 | 2024-01-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Method for compensating influence of mechanical clearance on operation of following electric drive |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1577054A1 (en) * | 1988-04-18 | 1990-07-07 | Предприятие П/Я Р-6896 | Device for controlling two-motor electric drive |
| WO1999022904A2 (en) * | 1997-10-31 | 1999-05-14 | Jiawei Hong | Method and system for computer assisted manual machine tool control |
| RU43837U1 (en) * | 2004-09-13 | 2005-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "МИГ-Автокомпоненты" | ELECTROMECHANICAL POWER STEERING CONTROL SYSTEM |
| RU2432233C2 (en) * | 2010-01-11 | 2011-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет" | Cutting tool control device in machining |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1577054A1 (en) * | 1988-04-18 | 1990-07-07 | Предприятие П/Я Р-6896 | Device for controlling two-motor electric drive |
| WO1999022904A2 (en) * | 1997-10-31 | 1999-05-14 | Jiawei Hong | Method and system for computer assisted manual machine tool control |
| RU43837U1 (en) * | 2004-09-13 | 2005-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "МИГ-Автокомпоненты" | ELECTROMECHANICAL POWER STEERING CONTROL SYSTEM |
| RU2432233C2 (en) * | 2010-01-11 | 2011-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет" | Cutting tool control device in machining |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811332C1 (en) * | 2023-10-09 | 2024-01-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Method for compensating influence of mechanical clearance on operation of following electric drive |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lorenz et al. | Synchronized motion control for process automation | |
| CN109664297B (en) | Vibration suppression method, system and device for robot and computer readable memory | |
| Iskandar et al. | Dynamic friction model with thermal and load dependency: modeling, compensation, and external force estimation | |
| JP6214948B2 (en) | Friction compensation device, friction compensation method, and servo control device | |
| CN105790668B (en) | One kind can overcome the nonlinear bicyclic automatic disturbance rejection controller of drive gap | |
| US8901871B2 (en) | Robust controller for electro-mechanical actuators employing sliding and second control modes | |
| JPWO2015083417A1 (en) | Friction identification method and friction identification apparatus | |
| US6650078B1 (en) | Method and system for controlling mechanical systems exhibiting discontinuity in inertial loading | |
| CN110649845B (en) | Photoelectric turntable position tracking control method based on robust generalized predictive control | |
| Mahajan et al. | Study of nonlinear behavior of dc motor using modeling and simulation | |
| RU2783736C1 (en) | Automatic control device for electromechanical system with gap in kinematic transmission (options) | |
| RU2784456C1 (en) | Device for compensating the influence of mechanical gap on the operation of the following electric drive | |
| Chan et al. | Positioning control of an antagonistic pneumatic muscle actuated system using feedforward compensation with cascaded control scheme | |
| Yordanov et al. | Comparative analysis of control quality between PI and FUZZY controller of experimental electrohydraulic servosystem | |
| Li et al. | Research on Linear Active Disturbance Rejection Control of Linear Motor XY Motion Platform | |
| Dai et al. | Switching control with time optimal sliding mode control strategy for electric load simulator with backlash | |
| Ramirez-Neria et al. | Linear robust generalized proportional integral control of a ball and beam system for trajectory tracking tasks | |
| JP2002258922A (en) | Numeric control system | |
| Cai et al. | Fourier series based learning control and application to positioning table | |
| EP4175575A1 (en) | Joint control in a mechanical system | |
| Li et al. | Identification and compensation of nonlinearity for airborne electromechanical actuator based on Matlab/dSPACE | |
| US20230405814A1 (en) | Current limiting device, robot system, and current limiting method | |
| Komada et al. | Motion control of linear synchronous motors based on disturbance observer | |
| Popović et al. | Accurate positioning of devices with nonlinear friction using fuzzy logic pulse controller | |
| Bao et al. | Extended State Observer Based Sliding Mode Control for Ball-Beam System |