SU1767477A1 - Устройство управлени динамическим объектом с присоединенным упругим элементом - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к управлению динамическими объектами, а именно к управлению объектами с присоединенными упругими элементами. Целью изобретени   вл етс  сокращение длительности переходных процессов переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементом. С этой целью устройство, содержащее объект управлени  с присоединенным упругим элементом, блок исполнительных органов , датчики углового положени  и скорости , формирователь знака управл ющего момента и вычислитель интервалов управлени , дополнительно снабжен двум  вычислител ми временных интервалов, крэтных периоду упругих колебаний, задатчиком периода упругих колебаний, формирователем уровней управл ющего момента и блоком переключени  управл ющего момента. 1 ил. СО с

Description

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

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

Известна  система ориентации и стабилизации , выбранна  в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные блок исполнительных органов, объект управлени , датчик угловой скорости, усилитель-преобразователь , первый сумматор, первый релейный элемент, выход которого соединен с входами двух систем совпадени , вторые входы которых соединены с выходом второго релейного элемента, второй выход объекта управлени  соединен с входом датчика угла, выход которого соединен с входами двух сумматоров, второй вход второго сумматора соединен через усилитель с выходом усилител  -преобразовател , а выход - с входом второго релейного элемента, выходы схем совпадени  соединены с входами блока исполнительных органов .

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

Целью изобретени   вл етс  сокращение длительности переходных процессов

IV

О v|

4 vl

vl

переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементом.

Цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее блок исполнительных органов, соединенный выходом с входом объекта управлени  с присоединенным упругим элементом , датчик углового отклонени  и датчик скорости, входы которых соответственно соединены с перовым и вторым выхо- д амй объекта управлени  с присоединенным упругим элементом, а их выходы подключены соответственно к информационным входам первого и второго ключей, управл ющие входы которых св заны с выходом блока пуска, выходы первого и второго ключей св заны соответственно с первым и вторым входами формировател  знака управл ющего момента и первым и вторым входами вычислител  интервалов управлени , третий вход и первый выход которого подключены соответственно к первому выходу и третьему входу формировате- л  знака управл ющего момента, дополнительно введены первый и второй вычислители временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, задатчик периода упругих колебаний, формирователь уровней управл ющего момента и блок переключени  управл ющего момента, причем второй и третий выходы вычислител  интервалов управлени  подключены соответственно к первым входам первого и второго вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, вторые входы которых подключены к первому выходу задатчика периода упругих колебаний , выход первого вычислител  временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний , подключен к первым входам блока переключени  управл ющего момента и формировател  уровней управл ющего мо- . мента, выход второго вычислител  интервалов управлени , кратных периоду упругих колебаний, подключен к вторым входам блока переключени  управл ющего момента и формировател  уровней управл ющего момента, первый и второй входы формировател  знака управл ющего момента св заны соответственно с третьим и четвертым входами формировател  уровней управл ющего момента, первый выход задатчика периода упругих колебаний св зан с третьим входом блока переключени  управл ющего момента и с п тым входом формировател  уровней управл ющего момента, первый и второй выходы которого св заны соответственно с четвертым и п тым входами блока переключени  управл ющего момента, второй выход задатчика периода упругих коле- баний соединен с шестым входом

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

формировател  уровней управл ющего момента , шестой и седьмой входы блока пере- ключени  управл ющего момента соединены соответственно с вторым и третьим выходами формировател  знака управл ющего моменты, выход блока пуска св зан с третьими входами вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, и восьмым входом блока переключени  управл ющего момента, первый , второй, третий и четвертый выходы блока переключени  управл ющего момента соединены соответственно с первым, вторым , третьим и четвертым входами блока исполнительных органов.

Предлагаемое устройство обеспечивает сокращение длительности переходных процессов переориентации динамического объекта с присоединенным упругим элементом и тем самым достижение цели изобретени .

Сравнение за вл емого технического решени  с прототипом позволило установить соответствие его критерию новизна. При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие изобретение от прототипа , не были вы влены и поэтому они обеспечивают за вл емому техническому решению соответствие критерию существенные отличи .

В основу изобретени  положено следующее . Динамика объекта с присоединенным упругим элементом может быть описана системой уравнений

-I у bs + и;

m s + m v a) i/  + m or2 s - by , где I - массово-инерционный параметр объекта управлени ;

b - коэффициент взаимовли ни  корпуса объекта и упругого элемента;

m - приведенна  масса упругого элемента;

ш- частота колебаний упругого элемента;

v - логарифмический декремент затухани ;

у- координата корпуса объекта управлени ;

s - обобщенна  координата упругого элемента.

Иде  управлени  таким объектом основываетс  на независимости от величины управлени  периода колебаний упругого элемента, который равен

Tk 2  Т, где Т 1 / ш.

Если управл ющее воздействие поддерживать равным и на интервале времени, кратном периоду колебаний Tic- то в конце этого

интервала координаты упругого элемента будут находитс  в той же точке, что и в момент начала управлени  (s 0, s 0).

Дл  оптимального по быстродействию разворота объекта управлени  как твердого (без учета упругого элемента) необходимо приложить к нему управл ющее воздействие релейного вида, имеющее два интервала посто нства, длительности которых определ ютс  выражени ми

:Ю

«-TR

где ti, t2 - длительности первого и второго интервалов;

у(0),у(0) - начальное значение фазовых координат;

и - максимальный управл ющий момент;

I - момент инерции объекта управлени .

Длительности ц, ta могут быть не кратными периоду колебаний упругого элемента (случай кратности  вл етс  частным и мало- веро тным).т.е.

M Mk + Ati;

t2 t2k + At2,

где tr ti/2  Т, t2k 12/2 nJ, - часть числа;

Дм 2 Т, . Это может привести к возбуждению значительных по амплитуде колебаний упругого элемента при переключени х управл юще- го воздействи . Однако, если Ati, At2 раст нуть до величины, равной Tk, то в конце интервалов управлени  фазовые координаты упругого элемента окажутс  и в этом случае в точке (s 0, s 0), но тогда координаты твердого тела не попадут в цель управлени . Совмещение этих двух моментов можно осуществить уменьшением величины управл ющего воздействи  на раст нутых до Tk интервалах Дм, At2. Величины щ , U2 на этих интервалах легко определить из выражений

U1

-Т Г О-тлТ - Х ®

U2 {I У (0) + I У (ОХ ЯТ + t1k) + U( Я Т ( + t2k) + ( + t2k2))}/(-2 л Т(2 Л Т + T2k), (4)

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

Дм At2 .

10

15

20

25

3Q

gg о  

5С

55

Знак управл ющего момента на первом интервале определ ют в соответствии с выражением

и - lulsign

). (5)

В результате в конце управлени  все фазовые координаты будут удовлетвор ть конечным услови м ( у 0, у 0, s 0, s 0). Длительность же разворота будет больше оптимальной не более чем на два периода колебаний упругого элемента.

Дл  оценки преимуществ предлагаемого способа был проведен р д математических экспериментов. Осуществл лс  разворот объекта управлени  с параметрами:

Момент инерции объекта I 1400 кг-м-с2;

Максимальный управл ющий момент - 48,57 кг-м;

Приведенна  масса упругого элемента m 3,5 кгс2/м:

Коэффициент взаимовли ни  упругого элемента и корпуса объекта b 10 кгс ;

Собственна  частота колебаний упругого элемента ш 51/с;

Дтина упругого элемента h 2м;

Логарифмический декремент затухани  ,05;

на 10 градусов при нулевых значени х остальных фазовых координат. Длительности интервалов управлени  объекта как твердого тела равны м Т2 2,2657 с,

при этом их кратные периоду колебаний упругого элемента части равны tik t2k 1,2551 с. Уровни управл ющего момента

иГ U2 41,68 кг-м.

В конце управлени  все фазовые координаты оказались в нуле, что соответствует цели управлени . При этом длительность управлени  составила tynp 5,0205 с, в то врем  как длительность управлени , оптимального по быстродействию, объектом как твердым телом равна tonr 4,5314 с, однако к ней необходимо добавить врем , затрачиваемое на затухание (или стабилизацию) остаточных колебаний упругого элемента.

Иа чертеже представлена структурна  схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из объекта 1 управлени  с присоединенным упругим элементом 2, блока исполнительных органов 3, способного создавать управл ющее воздействие разных знаков, регулируемое по величине, датчиков угла 4 и угловой скорости 5, двух ключей 6 и 7, блока пуска 8, вычислител  интервалов управлени  9, формировател  знака управл ющего момента 10, двух вычислителей временных интервалов , кратных периоду упругих колебаний, 1 и 12, задатчика периода упругих колебаний 13, на первом выходе которого сигнал про- порционален Tk, а на втором Tk/2, формировател  уровней управл ющего момента 14, блока переключени  управл ющего момента 15.

Устройство работает следующим обра- зом.

Текущие значени  угла и угловой скорости снимаютс  с датчика угла 4 и датчика угловой скорости 5. При необходимости совершени  разворота объектом 1 с присоеди- ненным упругим элементом 2 включают блок пуска 8 (это может быть просто нажатие кнопки Пуск). Разрешающий сигнал поступает на логические входы ключей 6 и 7, в вычислители временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, 11 и 12 и в блок переключени  управл ющего момента 15. Начальные значени  угла и угловой скорости объекта поступают на входы вычислител  интервалов управлени  9, на выходах которого формируютс  сигналы, пропорциональные длительност м интервалов управлени  объектом как твердым телом ti и ta, вычисленные в соответствии с выражени ми (1), (2), и на входы формирова- тел  знака управл ющего момента 10, с первого выхода которого управл ющий сигнал определенного в соответствии с выражением (5) знака и соответствующий максимальному управл ющему воздействию через блок переключени  управл ющего момента 16 включает блок исполнительных органов 3, который создает максимальный управл ющий момент соответствующего знака. С первого и второго выходов вычислител  ин- тервалов управлени  9 сигналы, пропорци- . ональные соответственно ti и t2,поступают на входы соответственно первого и второго вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, 11 и 12. Кроме того, на входы этих вычислителей поступает сигнал, пропорциональный рели- чине Tk с первого выхода задатчика периода упругих колебаний 13. На выходах вычислителей временных интервалов, кратных пе- риоду упругих колебаний, 11 и 12 сформируютс  сигналы, пропорциональные соответственно величинам ц и ta . На выходах формировател  уровней управл ющего момента 14 сформируютс  сигналы, пропорциональные и Г и U2 , вычисленные в соответствии с выражени ми (3) и (4). Сигналы , пропорциональные tik, t2k и Tk, поступают на входы блока переключени  управл ющего момента 15. Когда длительность управлени , соответствующа  действию максимального управл ющего момента , станет равной tik, на вход блока исполнительных органов 3 поступит через блок переключени  управл ющего момента 15 сигнал, пропорциональный и/, переключа  его на создание управл ющего момента того же знака, но величиной и/. Такой управл ющий момент создаетс  в течении времени Tk. Затем происходит переключение на создание максимального управл ющего момента противоположного знака в течение времени Т2 и момента иг в течение времени Tk. Схема возвращаетс  в исходное состо ние. Процесс управлени  заканчиваетс .

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

Описываемое устройство в конце разворота полностью гасит колебани  упругого элемента, вто врем  как прототип оставл ет упругий элемент в возбужденном состо нии . При этом создаютс  возмущающие ускорени , достигающие по величине единиц и даже дес тков процентов от ускорени , сообщаемого объекту исполнительными органами . Поэтому процесс высокоточной стабилизации может существенно зат гиватьс  и превышать по длительности в несколько раз процесс разворота (до 30- 60 с и более).

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство управлени  динамическим объектом с присоединенным упругим элементом , содержащее блок исполнительных органов, соединенный выходом с входом объекта управлени  с присоединенным упругим элементом, датчик углового отклонени  и датчик скорости, входы которых соответственно соединены с первым и вторым выходами объекта управлени  с присоединенным упругим элементом, а их выходы подключены соответственно к информационным входам первого и второго ключей, управл ющие входы которых св заны с выходом блока пуска, выходы первого и второго ключей св заны соответственно с первым и вторым входами формировател  знака управл ющего момента и вычислител  интервалов управлени , третий вход и первый выход которого подключены соответственно к первому выходу и третьему входу формировател  знака управл ющего момента, отличающеес  тем, что, с целью сокращени  длительности переходных процессов переориентации динамических объектов с присоединенным упругим элементом , в него дополнительно введены первый и второй вычислители временных интервалов , кратных периоду упругих колебаний, задатчик периода упругих колебаний, формирователь уровней управл ющего момента и блок переключени  управл ющего момента, причем второй и третий выходы вычислител  интервалов управлени  подключены соответственно к первым входам первого и второго вычислителей временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний , вторые входы которых подключены к первому выходу задатчика периода упругих колебаний, выход первого вычислител  временных интервалов, кратных периоду упругих колебаний, подключен к первым входам блока переключател  управл ющего момента и формировател  уровней управл ющего момента, выход второго вычислител  интервалов управлени , кратных периоду упругих колебаний, подключен к вторым входам блока переключени  управл ющего момента и формировател  уровней управл ющего момента , первый и второй входы формировател  знака управл ющего момента св заны

   соответственно с третьим и четвертым входами формировател  уровней управл ющего момента, первый выход задатчика периода упругих колебаний св зан с третьим входом блока переключени  управл ющего момента и с п тым входом формировател  уровней управл ющего момента , первый и второй выходы которого св заны соответственно с четвертым и п тым входами блока переключени  управл ющего момента, второй выход задатчика периода упругих колебаний соединен с шестым входом формировател  уровней управл ющего момента, шестой и седьмой входы блока переключени  управл ющего момента - соответственно с вторым и третьим выходами формировател  знака управл ющего момента, выход блока пуска св зан с третьими

   входами вычислителей временных интервалов , кратных периоду упругих колебаний , и восьмым входом блока переключени  управл ющего момента, первый - четвертый выходы блока переключени  управл ющего момента соединены с одноименными входами блока исполнительных органов.