Следящая система автоматического управления с компенсацией неизмеряемых скачкообразных возмущений

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ С КОМПЕНСАЦИЕЙ НЕИЗМЕРЯЕМЫХ СКАЧКООБРАЗНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ(71) Заявитель Военная академия Республики Беларусь(72) Авторы Ганэ Вадим Арведович Мацкевич Артур Николаевич(73) Патентообладатель Военная академия Республики Беларусь(57) Следящая система автоматического управления с компенсацией неизмеряемых скачкообразных возмущений, содержащая последовательно соединенные задающее устройство, первое сравнивающее устройство, второе сравнивающее устройство, усилитель, третье сравнивающее устройство, усилитель мощности, двигатель, рабочий орган, а также параллельное корректирующее устройство и датчик обратной связи, при этом выход двигателя подключен через параллельное корректирующее устройство к второму входу третьего сравнивающего устройства и через датчик обратной связи - к второму входу первого сравнивающего устройства, отличающаяся тем, что в систему введены модель номинальной системы, входы которой подключены к выходам третьего сравнивающего устройства и двигателя, и устройство предсказания возмущения, вход которого подключен к выходу модели номинальной системы, а выход - к второму входу второго сравнивающего устройства. Полезная модель относится к системам автоматического управления и может быть использована при управлении рабочими органами станков, летательных аппаратов и антенных постов. Известна следящая система автоматического управления (ССАУ) рабочим органом(исполнительным элементом) станка 1. Система содержит задающее устройство, первое сравнивающее устройство, усилитель, параллельное корректирующее устройство, датчик обратной связи, а также последовательно соединенные второе сравнивающее устройство,последовательное корректирующее устройство, усилитель мощности, двигатель и рабочий орган, при этом выход задающего устройства подключен к первому входу первого сравнивающего устройства, выход усилителя соединен с первым входом второго сравнивающего устройства, а выход двигателя подключен через параллельное корректирующее устройство к второму входу второго сравнивающего устройства и через датчик обратной связи - ко второму входу первого сравнивающего устройства. Недостатком этой системы является невозможность добиться высокой точности стабилизации рабочего органа станка относительно программной траектории вследствие того, что увеличение точности стабилизации приводит к увеличению коэффициента усиления прямой цепи следящей системы, что уменьшает запасы устойчивости системы, и к увеличению требований к быстродействию двигателя. Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой модели является ССАУ с компенсацией неизмеряемых возмущений 2, предназначенная для увеличения точности ССАУ за счет компенсации неизмеряемых внешних и параметрических возмущений, содержащая задающее устройство, первое сравнивающее устройство, сумматор, усилитель, параллельное корректирующее устройство, блок идентификации и формирования сигналов для компенсации возмущений, датчик обратной связи, а также последовательно соединенные второе сравнивающее устройство, последовательное корректирующее устройство, усилитель мощности, двигатель и рабочий орган, при этом выход задающего устройства подключен к первому входу первого сравнивающего устройства,первый вход сумматора подсоединен к выходу первого сравнивающего устройства, выход сумматора связан с усилителем, выход усилителя соединен с первым входом второго сравнивающего устройства, а выход двигателя подключен через параллельное корректирующее устройство к второму входу второго сравнивающего устройства и через датчик обратной связи - к второму входу первого сравнивающего устройства на входы блока идентификации и формирования сигналов для компенсации возмущений поступают сигналы с первого сумматора, усилителя, второго сравнивающего устройства, последовательного корректирующего устройства, усилителя мощности, датчика обратной связи, а выход подключен ко второму входу сумматора. Недостатком этой системы - прототипа является наличие информационно-избыточных каналов косвенного измерения параметрических и внешних возмущений при идентификации и формировании сигналов для их компенсации, сложность самого блока идентификации и формирования сигналов компенсации возмущений, что усложняет структуру ССАУ,снижает ее надежность, помехозащищенность и приводит к снижению качества идентификации, а следовательно, и к снижению качества компенсации внешних и внутренних параметрических возмущений. Анализ условий функционирования следящих систем при нестационарных возмущениях показывает, что на конкретную систему может воздействовать одно или несколько нестационарных возмущений, законы изменения во времени которых можно предсказать. В этом случае, в конкретной системе, на основании априорной информации из опыта эксплуатации возможна компенсация возмущений без введения в структуру ССАУ дополнительных измерительных устройств. Задачей настоящей полезной модели является увеличение точности ССАУ за счет компенсации неизмеряемых скачкообразных внешних и параметрических возмущений без введения в систему дополнительных измерительных устройств. Техническим результатом осуществления полезной модели является увеличение точности ССАУ за счет компенсации неизмеряемых параметрических и внешних скачкообразных возмущений. Для решения поставленной задачи полезная модель содержит последовательно соединенные задающее устройство, первое сравнивающее устройство, второе сравнивающее устройство (вместо сумматора в прототипе), усилитель, третье сравнивающее устройство,усилитель мощности, двигатель, рабочий орган, а также параллельное корректирующее устройство и датчик обратной связи, при этом выход двигателя подключен через параллельное корректирующее устройство к второму входу третьего сравнивающего устройства и через датчик обратной связи - к второму входу первого сравнивающего устройства, и отличается от прототипа тем, что в систему введены модель номинальной системы, входы которой подключены к выходам третьего сравнивающего устройства и двигателя, и устройство предсказания возмущения, вход которого подключен к выходу модели номинальной системы, а выход - к второму входу второго сравнивающего устройства. На фигуре представлена функциональная схема ССАУ с компенсацией неизмеряемых скачкообразных возмущений. ССАУ содержит задающее устройство 1, первое сравнивающее устройство 2, второе сравнивающее устройство 3, усилитель 4, третье сравнивающее устройство 5, усилитель мощности 6, двигатель 7, рабочий орган 8, параллельное корректирующее устройство 9,устройство предсказания возмущения 10, модель номинальной системы 11, датчик обратной связи 12. ССАУ работает следующим образом. Под воздействием внешних и параметрических скачкообразных возмущений рабочий орган 8 отклоняется от траектории, задаваемой задающим устройством 1, выход которого соединен с первым входом первого сравнивающего устройства 2. Датчик 12 обратной связи измеряет действительное положение рабочего органа 8. Эта информация подается на второй вход первого сравнивающего устройства 2. Первое сравнивающее устройство 2 вырабатывает сигнал стабилизирующего управления , представляющий собой разность сигналов, поступающих на его два входа. Вид этого сигнала зависит от характеристик устройств следящей системы усилителя 4, усилителя мощности 6, двигателя 7, датчика обратной связи 12, параллельного корректирующего устройства 9 и влияет на качество переходных процессов в системе. Характеристики устройств ССАУ выбираются на этапе ее синтеза, исходя из основных требований к ней запасов устойчивости, точности, быстродействия. Передаточная функция параллельного корректирующего устройства имеет вид где Кс - коэффициент преобразования стабилизирующей обратной связи Кк - коэффициент преобразования корректирующей обратной связи к - постоянная времени дискретного апериодического звена. Сигналс выхода первого сравнивающего устройства 2 подается на первый вход второго сравнивающего устройства 3. На второй вход второго сравнивающего устройства подается сигнал управления , компенсирующий внешние и параметрические скачкообразные возмущения. Второе сравнивающее устройство 3 вырабатывает сигнал- ,(2) который обеспечивает требуемое качество переходных процессов в ССАУ и компенсацию неизмеряемых внешних и параметрических скачкообразных возмущений. Сигнал управленияс выхода второго сравнивающего устройства 3 подается на вход усилителя 4,где усиливается и подается на первый вход третьего сравнивающего устройства 5. На второй вход третьего сравнивающего устройства подается сигнал с выхода параллельного корректирующего устройства 9, преобразующего сигнал о действительном положении рабочего органа 8. Третье сравнивающее устройство 5 вырабатывает сигнал, который представляет собой разность сигналов, поступающих на его два входа. Сигнал с выхода сравнивающего устройства 5 подается на вход усилителя мощности 6 и усиливается там по мощности. С выхода усилителя мощности 6 сигнал подается на двигатель 7, который изменяет положение рабочего органа 8 таким образом, чтобы уменьшить рассогласование между требуемым и действительным положением рабочего органа 8, причем этот процесс должен идти с требуемым качеством. Сигнал с третьего сравнивающего устройства 5 поступает на первый вход модели номинальной системы 11. На второй вход модели номинальной системы поступает сигнал с выхода двигателя 7. Модель номинальной системы 11 определяется при номинальных значениях параметров элементов ССАУ (в номинальном режиме) и при отсутствии параметрических и внешних возмущений и синтезируется под конкретные критерии качества работы. Сигнал с выхода модели номинальной системы 11 поступает на вход устройства предсказания возмущения 10 и несет в себе информацию о возмущении, которое воздействовало на ССАУ. Скачкообразное возмущение представляет собой регулярный процесс и может быть предсказано по конечному числу предшествующих М значений. Для регулярных возмущений существует полином предсказания 0 такой, что- возмущающее воздействие на текущий момент времени(-1) - возмущающее воздействие на предыдущий момент времени. Передаточная функция устройства предсказания возмущения ПВ 0.(1) С выхода устройства предсказания возмущения 10 на второй вход второго сравнивающего устройства 3 поступает сигнал , компенсирующий внешние и параметрические скачкообразные возмущения. Алгоритм компенсации внешних и параметрических скачкообразных возмущений получен следующим образом. Возьмем -преобразование от левой и правой частей выражения (3) 0-1. Условие поглощения имеет вид 1-0-10. Полином поглощения для скачкообразного воздействия равен(8) Покажем возможность реализации алгоритма работы ССАУ с компенсацией неизмеряемых скачкообразных возмущений. Разностное уравнение алгоритма функционирования системы представляется в виде, ,- известные полиномы системы. Уравнение управляющего устройства в общем виде запишем следующим образом, ,- полиномы управляющего устройства. Получим в общем виде уравнение замкнутой цифровой системы. Для этого выразим изображение управляющего воздействия из выражения (10) и подставим его в уравнение алгоритма функционирования (9)-1-1. Разностное уравнение алгоритма функционирования системы в номинальном режиме и при отсутствии возмущений имеет вид 0-0,(12) 0 0 гдеи- номинальные полиномы, а полином 0. За счет изменения параметров системы и характеристик внешних возмущений представим полиномы уравнения алгоритма функционирования в виде 0,где , ,- отклонения (вариации) полиномов относительно номинальных значений. Получим уравнение алгоритма функционирования нестационарной системы. Для этого подставим выражения (13) в уравнение (9)-1 - ,. Если выразить из (10) изображение управляющего воздействия и подставить его в выражение (14), то получим уравнение замкнутой нестационарной системы 10,то на основании принципа поглощения (7) слагаемоев уравнении (16) будет отсутствовать. Применение полезной модели позволяет увеличить точность ССАУ за счет компенсации неизмеряемых параметрических и внешних скачкообразных возмущений. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.