ИМИТАТОР СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНЫМ ВИБРАЦИОННЫМ СТЕНДОМ С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ АКСЕЛЕРОМЕТРОМ

Полезная модель относится к системам автоматического регулирования и может быть использована для проектирования и разработки систем управления электродинамическим испытательным вибрационным стендом с пьезоэлектрическим акселерометром при фиксированной и плавающей частоте колебаний.
Известна подобная система управления, предназначенная для управления электродинамическим вибростендом в типовых режимах его работы (с плавающей и фиксированной частотой воспроизводимых вибраций). В состав данной системы входит: задающее устройство для формирования требуемого профиля ускорения колебаний, управляемый объект (вибростенд) и нейро-нечеткий контур управления, имитирующий поведение типового ПИ-регулятора и обеспечивающий требуемую амплитуду и частоту ускорения колебаний вибоустановки. Описание такой системы представлено в работе Rana K.P.S. Fuzzy control of an electro-dynamic shaker for automotive and aerospace vibration testing // Expert Systems with Applications. - 2011. - P.1-12.
Однако основным недостатком данной системы является достаточно сложная структура контура управления, требующего предварительного обучения на некотором эталонном множестве значений.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является обеспечение стабильного высокоточного режима функционирования системы управления электродинамическим вибростендом с пьезоэлектрическим акселерометром при требуемой фиксированной и плавающей частоте ускорения колебаний за счет регулятора с относительно несложной структурой.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в систему, содержащую задающее устройство, управляемый объект (вибростенд) и нейро-нечеткий контур управления, вместо нейросетевого регулятора вводится комбинированный робастный регулятор, включающий первый и второй блоки суммирования, блок выделения модуля, блок задержки (транспортного запаздывания), умножитель. Также в систему дополнительно вводятся первый, второй, третий и четвертый осциллографы и последовательный динамический корректор (ДК). При этом выход объекта управления соединен с входом блока выделения модуля и вторым входом третьего блока суммирования, первый вход которого соединен с выходом задающего устройства; выход третьего блока суммирования подключен к первому входу первого блока суммирования и к первому входу умножителя; выход первого блока суммирования подключен к первому входу второго блока суммирования и к входу блока задержки; выход блока задержки соединен со вторым входом первого бока суммирования; выход блока выделения модуля подключен ко второму входу умножителя, выход которого соединен со вторым входом второго блока суммирования; выход второго блока суммирования подключен к входу последовательного ДК; выход последовательного ДК соединен с входом объекта управления.
За счет введенного комбинированного робастного регулятора и последовательного ДК с относительно несложной структурой обеспечивается высокоточное слежение за командным сигналом, определяющим требуемую амплитуду и частоту ускорения колебаний вибростенда.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена блок-схема имитатора системы управления, включающая: объект управления 1, блок выделения модуля 2, первый блок суммирования 3, второй блок суммирования 4, блок задержки 5, умножитель 6, задающее устройство 7, третий блок суммирования 8, последовательный ДК 9, первый осциллограф 10, второй осциллограф 11, третий осциллограф 12, четвертый осциллограф 13, у - скалярный выход объекта регулирования, и - скалярное управляющее воздействие,  - сигнал с выхода последовательного ДК, е - ошибка рассогласования.
Динамика объекта управления (вибрационного стенда с пьезоэлектрическим акселерометром и усилителем мощности) описывается передаточной функцией
,
где α=Bl; В - магнитная индукция обмотки возбуждения, Т;
l - общая длина проводника обмотки подмагничивания, м;
М - масса стола и подвижной катушки вибростенда, кг;
m - масса закрепленного на столе объекта, кг;
К, С - соответственно коэффициенты жесткости и демпфирования упругих элементов;
R - сопротивление питающей цепи, Ом;
Т - коэффициент передачи усилителя мощности.
Передаточная функция последовательного ДК имеет вид
,
где , . Тогда передаточная функция преобразованного объекта управления примет вид
,
а ее эквивалентное представление в пространстве состояний запишется в виде
,
2
где x(f)∈R - вектор переменных состояния;
ξ
А - матрица состояния;
ξ
b - вектор управления;
L - вектор выхода;
y(t) - координата ускорения колебаний стола виброустановки;
u(f) - управляющее воздействие, удовлетворяющее соотношению
пер
роб
где ζ - некоторая положительная константа; u(t), u(t) - соответственно периодическая и робастная части комбинированного регулятора (3).
- вектор априори неизвестных параметров.
* - символ транспонирования.
На основании критерия гиперустойчивости В.М.Попова, можно показать, что обеспечение устойчивости системы регулирования достигается за счет определения периодической и робастной частей регулятора (3) в виде соотношений
1
2
где β, β=const>1, e(t) - ошибка рассогласования между задающим воздействием и выходом объекта регулирования.
Система управления функционирует следующим образом.
2
1
1
Скалярный сигнал с выхода объекта управления 1 поступает на вход блока выделения модуля 2 и второй вход третьего блока суммирования 8, на первый вход которого подается сигнал с выхода задающего устройства 7. Выходной сигнал третьего блока суммирования 8 идет на первый вход умножителя 6 и поступает, с соответствующим коэффициентом, на первый вход первого блока суммирования 3. Сигнал с выхода первого блока суммирования 3 подается на первый вход второго блока суммирования 4 и на вход блока задержки 5. Выходной сигнал блока задержки 5 идет на второй вход первого блока суммирования 3. Сигнал с выхода блока выделения модуля 2 поступает с соответствующим коэффициентом на второй вход умножителя 6, выходной сигнал которого подается на второй вход второго блока суммирования 4. Сигнал с выхода второго блока суммирования 4 поступает с соответствующим коэффициентом на вход последовательного ДК 9 (структурная схема представлена на фиг.2). Входной сигнал последовательного ДК 9 подается на вход интегратора 14, выходной сигнал которого одновременно идет на вход интегратора 14 и, с соответствующим коэффициентом, на второй вход блока суммирования 15. Сигнал с выхода интегратора 14 с соответствующим коэффициентом поступает на первый вход блока суммирования 15. Выходной сигнал блока суммирования 15 подается на выход последовательного ДК 9. Сигнал с выхода последовательного ДК 9 поступает на вход объекта управления 1. С целью обеспечения визуализации временных характеристик системы управления выходной сигнал объекта управления 1 подается на вход первого осциллографа 10, входной сигнал последовательного ДК 9 идет на вход второго осциллографа 11, выходной сигнал третьего блока суммирования 8 поступает на вход третьего осциллографа 12, сигнал с выхода задающего устройства 7 подается на вход четвертого осциллографа 13.
Технический результат заключается, в обеспечении стабильного функционирования системы управления электродинамическим испытательным вибрационным стендом за счет высокоточного слежения за командным сигналом, определяющим требуемый профиль ускорения колебаний виброустановки.
Данное устройство может быть реализовано промышленным способом на основе стандартной элементной базы.