УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ
APPARATUS FOR GENERATING PROGRAMMED CONTROL SIGNALS

Изобретение относится к области автоматического управления динамическими объектами (ДО), которое обеспечивает их точное движение по заданной траектории, в частности летательными и/или подводными аппаратами.
Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым положительным входом первого сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные релейный блок и четвертый сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом первого датчика скорости и входом релейного блока, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - ко второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик скорости, установленный в третьей степени подвижности робота, второй блок умножения и третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим отрицательным входом четвертого сумматора, а также второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности робота, причем второй отрицательный вход второго сумматора соединен с выходом первого датчика скорости, а выход четвертого сумматора подключен ко второму положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, шестой сумматор, четвертый блок умножения, второй вход которого через первый косинусный функциональный преобразователь соединен с выходом второго датчика положения, седьмой сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, и пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности робота, а выход подключен к четвертому положительному входу четвертого сумматора, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь, вход которого соединен со входом первого косинусного функционального преобразователя, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - ко второму входу второго блока умножения, пятый отрицательный вход четвертого сумматора подключен к выходу седьмого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго датчика скорости, а второй вход - с выходом второго блока умножения, третий положительный вход пятого сумматора соединен с выходом четвертого блока умножения, третий положительный вход седьмого сумматора подключен к выходу датчика массы и второму положительному входу шестого сумматора, последовательно соединенные восьмой сумматор, первый положительный вход которого подключен к выходу второго датчика положения, а его второй положительный вход - к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь, восьмой блок умножения, девятый сумматор и девятый блок умножения, выход которого подключен к шестому положительному входу четвертого сумматора, а также второй датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности робота, и последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, десятый сумматор, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый синусный функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика положения, а его выход - ко второму положительному входу девятого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала и одиннадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы и ко второму положительному входу десятого сумматора, а его выход - ко второму положительному входу восьмого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик ускорения, механически связанный с выходным валом двигателя, и одиннадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а выход - с первым отрицательным входом двенадцатого сумматора, второй положительный вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, а выход - к третьему положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый дифференциатор и двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, а также тринадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, второй вход - к выходу первого датчика ускорения и входу первого дифференциатора, а выход - к первому отрицательному входу тринадцатого сумматора, выход которого подключен к входу четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные квадратор, пятнадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, и шестнадцатый блок умножения, последовательно соединенные четырнадцатый сумматор, семнадцатый блок умножения и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого датчика положения, девятнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора, двадцатый блок умножения и двадцать первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, первым положительным входом четырнадцатого сумматора и вторым входом четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь, подключенный вводом к выходу восьмого сумматора, и двадцать второй блок умножения, выход которого соединен со вторым входом семнадцатого блока умножения, последовательно соединенные второй дифференциатор, подключенный входом к выходу второго датчика ускорения, и двадцать третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом восьмого блока умножения, а также двадцать четвертый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом десятого блока умножения, а его второй вход - с выходом второго дифференциатора, а выход - с третьим положительным входом двенадцатого сумматора, четвертый положительный вход которого подключен к выходу двадцать третьего блока умножения, пятый положительный вход - к выходу восемнадцатого блока умножения, шестой положительный вход - к выходу двадцать первого блока умножения, седьмой положительный вход - к выходу четырнадцатого блока умножения, восьмой отрицательный вход - к выходу шестнадцатого блока умножения, девятый положительный вход - к выходу двенадцатого блока умножения, а десятый отрицательный - к выходу двадцать пятого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом тринадцатого блока умножения, а второй вход - с выходом второго датчика скорости, входом квадратора, вторым входом шестнадцатого блока умножения и вторым положительным входом четырнадцатого сумматора, причем второй отрицательный вход тринадцатого сумматора подключен к выходу пятнадцатого блока умножения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные шестой задатчик сигнала и пятнадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а выход - ко вторым входам девятого, двадцатого и двадцать второго блоков умножения (см. пат. РФ №2312007, Бюл.4, 2007 г.).
Недостатком этого устройства является то, что оно не может обеспечить автоматический выбор максимально возможной скорости работы привода, а следовательно, и максимальной производительности этого устройства при сохранении заданной динамической точности движения.
Известен также электропривод с автоматической подстройкой частоты входного гармонического сигнала, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, двигатель, редуктор, датчик положения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные блок вычисления модуля, вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй сумматор, релейный элемент, запоминающее устройство, информационный вход которого соединен с выходом блока вычисления модуля и через устройство задержки со вторым входом второго сумматора, третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого задатчика сигнала, первый интегратор, фильтр низких частот второго порядка, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика сигнала, второй интегратор, синусный функциональный преобразователь, блок умножения, второй вход которого соединен с третьим задатчиком сигнала, а выход со вторым входом первого сумматора (см. патент РФ №2399079, Бюл.25, 2010 г.).
Недостатком данного устройства является то, что оно позволяет формировать только гармонический программный сигнал, обеспечивающий максимально возможную скорость движения ДО при сохранении допустимого значения динамической ошибки управления. Формирование другого вида программных сигналов в указанном устройстве невозможно. Кроме того, это устройство формирует программный сигнал только для одной степени свободы ДО, что не позволяет использовать его для управления движением этого ДО по пространственной траектории.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является обеспечение максимально возможной скорости движения ДО по заданной пространственной траектории при сохранении допустимой величины отклонения ДО от целевой точки, находящейся на заданной траектории..
Технический результат заявляемого решения выражается в формировании специального устройства автоматического выбора максимально возможной скорости движения ДО вдоль заданной пространственной траектории и соответствующих программных сигналов этого движения (с использованием полученного значения максимально возможной скорости), при которых отклонение ДО от целевой точки, расположенной на указанной траектории, не превышает допустимой величины.
Поставленная задача решается тем, что в устройство формирования программных сигналов управления, содержащее последовательно соединенные первый задатчик постоянного сигнала, первый сумматор, первый интегратор, дополнительно вводятся последовательно соединенные нелинейный элемент, вход которого соединен с выходом первого интегратора, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика сигнала, блок деления, второй интегратор, второй сумматор, второй вход которого соединен с первым выходом навигационной системы, первый квадратор, третий сумматор, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом четвертого сумматора, а третий вход через третий квадратор - с выходом пятого сумматора, и первый блок извлечения корня, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, последовательно соединенные первый функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом второго интегратора, с входом второго функционального преобразователя, с входом первой следящей системы, через третий функциональный преобразователь - с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен со вторым выходом навигационной системы, с входом второй следящей системы и через четвертый функциональный преобразователь - с входом третей следящей системы и с первым входом пятого сумматора, второй вход которого соединен с третьим выходом навигационной системы, четвертый квадратор, шестой сумматор, второй вход которого через пятый квадратор соединен с выходом второго функционального преобразователя, а третий вход - с выходом третьего задатчика сигнала, и второй блок извлечения корня, выход которого соединен со вторым входом блока деления.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения позволяют обеспечить максимально возможную скорость движения ДО по заданной пространственной траектории без превышения предельно допустимой величины динамической ошибки слежения за целевой точкой, движущейся по указанной траектории.
Блок-схема предлагаемого устройства формирования программных сигналов управления представлена на фиг.1.
Устройство формирования программных сигналов управления содержит последовательно соединенные первый задатчик 1 сигнала, первый сумматор 2, первый интегратор 3, нелинейный элемент 4, вход которого соединен с выходом первого интегратора 3, ключ 5, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика 6 сигнала, блок 7 деления, второй интегратор 8, второй сумматор 9, второй вход которого соединен с первым выходом навигационной системы 10, первый квадратор 11, третий сумматор 12, второй вход которого через второй квадратор 13 соединен с выходом четвертого сумматора 14, а третий вход через третий квадратор 15 - с выходом пятого сумматора 16, и первый блок 17 извлечения корня, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 2, последовательно соединенные первый функциональный преобразователь 18, вход которого соединен с выходом второго интегратора 8, с входом второго функционального преобразователя 19, с входом первой следящей системы 20, через третий функциональный преобразователь 21 - с первым входом четвертого сумматора 14, второй вход которого соединен со вторым выходом навигационной системы 10, с входом второй следящей системы 22 и через четвертый функциональный преобразователь 23 - с входом третьей следящей системы 24 и с первым входом пятого сумматора 16, второй вход которого соединен с третьим выходом навигационной системы 10, четвертый квадратор 25, шестой сумматор 26, второй вход которого через пятый квадратор 27 соединен с выходом второго функционального преобразователя 19, а третий вход - с выходом третьего задатчика 28 сигнала, и второй блок 29 извлечения корня, выход которого соединен со вторым входом блока 7 деления.
on
На фиг.1 введены следующие обозначения: ν* - желаемая скорость движения ДО вдоль заданной траектории; x*, y*, z* - программные сигналы управления по соответствующим степеням свободы ДО; x, y, z - текущие значения пространственных координат ДО, формируемые его навигационной системой; S - командный сигнал начала или прекращения работы системы, ε - предельно допустимая величина отклонения ДО от целевой точки на траектории. На фиг.2 показана схема движения ДО 30 по траектории, где ε - отклонение текущего положения ДО от его желаемого положения 31, определяемого программными сигналами x*, y*, z* (целевой точкой), перемещающегося во времени по траектории 32.
y
z
Желаемая траектория движения ДО в пространстве задается гладкими функциональными зависимостями y*(t)=g(x*(t)) и z*(t)=g(x*(t)), которые реализуются функциональными преобразователями 21 и 23 соответственно. Функциональные преобразователи 18 и 19 реализуют функции  и  соответственно. Все эти функциональные преобразователи осуществляют кусочно-линейную аппроксимацию указанных гладких функций и настраиваются перед началом работы системы управления. Сигнал S с выхода задатчика 6 определяет начало и окончание работы системы, замыкая или размыкая ключ 5.
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
y
z
y
z
Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени с помощью сигнала S замыкается ключ 5, а на выходе интегратора 8 устанавливается сигнал х(0), определяющий исходную координату x целевой точки 31 на траектории последующего движения ДО. При этом на выходах функциональных преобразователей 21 и 23 соответственно формируются сигналы y(0)=g(x(0)) и z(0)=g(x(0)), которые вместе с координатой х(0) определяют исходное пространственное положение целевой точки 31 на заданной траектории. Если выполняется неравенство ν>0, то эта точка начинает движение по траектории, поскольку на выходе интегратора 8 начинает формироваться сигнал x(t), а на выходах функциональных преобразователей 21 и 23 - сигналы y(0=g(х(t)) и z(t)=g(x(t)).
Это следует из того, что на выходе блока 7 формируется сигнал:
*
*
*
*
поскольку все положительные входы сумматора 26 имеют единичные коэффициенты усиления, а на выходе задатчика 28 формируется единичный сигнал. В работе [Лебедев А.В. Синтез алгоритма и устройства формирования траектории движения динамического объекта с учетом ограничений на управляющие сигналы // Матер. IX Междунар. четаевской конф. "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением". Т.4. Иркутск, 2007. С.137-145.] показано, что приведенные выше математические соотношения, используемые при формировании сигналов x(t), y(t) и z(t), гарантируют постоянное нахождение целевой точка 31 на заданной траектории и ее движение по этой траектории со скоростью ν.
*
*
*
Сформированные сигналы x(t), y(t) и z(t) соответственно поступают на входы следящих систем ДО 20, 22 и 24, которые обеспечивают его движение по соответствующим степеням свободы вблизи заданной пространственной траектории.
*
*
Известно, что при увеличении ν будут возрастать эффекты взаимовлияния между всеми степенями свободы ДО и силы сопротивления внешней среды. Это приводит к увеличению внешних возмущений и нагрузки на все его исполнительные приводы и, как следствие, к снижению точности управления указанным ДО, а также к входу его исполнительных устройств в насыщение. В результате на отдельных участках траектории движения ДО (особенно с большой кривизной) могут возникать недопустимо большие отклонения от заданной траектории. Для уменьшения указанных отклонений там, где это необходимо, следует снижать величину ν. Это соответственно приведет к снижению нагрузки на исполнительные приводы и к увеличению точности их работы без входа в режим насыщения.
оп
оп
Предлагаемое устройство обеспечивает автоматическую корректировку скорости движения ДО в зависимости от текущей величины ε (см. фиг.2). Если начинает выполняться условие ε>ε, то скорость движения ДО автоматически уменьшается, а при малых отклонениях увеличивается. В результате движение ДО по заданной траектории 32 осуществляется с максимально возможной скоростью, при которой всегда выполняется условие ε≤ε независимо от вида траектории, а также типа и качества используемых следящих систем.
Первые положительные и вторые отрицательные входы сумматоров 9, 14, 16, а также все положительные входы сумматора 12 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 17 появляется сигнал:
оп
оп
*
Первый положительный (со стороны задатчика 1) и второй отрицательный входы сумматора 2 имеют единичные коэффициенты усиления. Задатчик 1 формирует сигнал е>0. В результате на выходе сумматора 2 формируется сигнал ξ=ε-ε. Если ξ>0, то есть отклонение ДО от целевой точки на траектории становится меньше допустимого, то ν на выходе интегратора 3 начинает увеличиваться, в противном случае уменьшаться. В результате, согласно выражению (1) скорость движения ДО 30 по заданной пространственной траектории (32) начнет соответственно увеличиваться или уменьшаться.
Нелинейный элемент 4 с характеристикой
*
*
*
*
*
y
z
необходим для гарантированного перемещения целевой точки 31 по траектории 32 только в заданном направлении независимо от знака ξ. Это особенно важно на начальном этапе движения ДО, когда его отклонение от начальной точки траектории может быть велико. В этом случае величина ξ будет иметь большое начальное значение с отрицательным знаком и интегратор 3 начнет формировать отрицательное значение ν, что приведет к противоположному (от требуемого) движению целевой точки 31 по траектории 32. После отработки следящими системами 20, 22 и 24 большого начального рассогласования ε между ДО 30 и целевой точкой 31, определяемого начальными значениями y(0)=g(x(0)) и z(0)=g(x(0)), на выходе интегратора 3 появится положительный сигнал и предложенное в данной заявке устройство формирования программных сигналов управления будет непрерывно задавать требуемый закон движения ДО 30 по траектории 32.
Таким образом, за счет введения специального контура настройки желаемой скорости движения ДО 30 по заданной траектории 32 удается автоматически формировать такие программные сигналы управления, которые обеспечат движение этого ДО по указанной траектории с максимально возможной скоростью, при которой, однако, его отклонение от целевой точки 31 на траектории 32 не превысит допустимого значения.