CC BY
24
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
УДК 623.462.4:623.465.54
РЕЛЕЙНЫЙ ДВУХПОЗИЦИОННЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ КОМАНД УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА
А.Ф. Индюхин, В.Е. Гулин, М.А. Синицын
Предложено существенное упрощение известного формирователя команд управления, приведены блок-схемы формирователя и модели объекта управления, проведено математическое моделирование, представлены результаты управления объектом в составе замкнутой системы.
Ключевые слова: релейная система управления, связанная модуляция, регулируемый полосовой фильтр.
При формировании команды управления подвижным объектом (ПО) двухпозиционное релейное исполнительное устройство имеет ряд преимуществ по сравнению с пропорциональным: простота конструкции, меньшие габариты и потребляемая мощность. Благодаря глубокой теоретической проработке и исследованиям динамики таких систем управления (СУ) удалось максимально сократить (и удешевить) перечень устройств, размещенных на подвижном объекте [1, 2, 3]. Наиболее существенным достижением была замена гироскопического датчика угла крена на электронное устройство, определяющее угол крена по положению точечного источника излучения, смещенного относительно центра вращения ПО. Регистрируемый наземным координатором сигнал содержит сумму двух составляющих: пропорциональной отклонению центра масс ПО в вертикальной и горизонтальной плоскости и пропорциональной синусу (косинусу) угла крена. Рассмотрим подробнее, как решается вопрос построения вектора команды управления. Выделяемый аппаратурой сигнал крена используется оригинальным образом, что выделяет данную СУ в некий новый вид - систему связанной модуляции (ССМ).
В традиционных СУ (с пропорциональным исполнительным устройством) разработчик обязан для обеспечения устойчивости управления выбрать коэффициент передачи системы, структуру и параметры коррек-
142
тирующего устройства. При релейном управлении необходимо разработать также структуру генератора линеаризующих сигналов, обеспечивающую определенную частоту, форму колебаний (односкатная, двускатная пила либо другое) и их амплитуду, генератора модулирующих сигналов, обеспечивающих чередование в процессе вращения ПО команд управления в вертикальном и горизонтальном каналах.
Особенностью систем связанной модуляции является то, что указанные функции (линеаризации и модуляции) выполняются с использованием сигнала крена, а вместо генераторов применена система фильтров, выделяющих этот сигнал на фоне более высокоамплитудных низкочастотных помех, в качестве которых в данном случае выступают сигналы, пропорциональные отклонениям центра масс ПО.
Структурно канал выделения сигнала крена отделен от каналов управления и содержит две взаимосвязанных симметричных цепи, включающих последовательно соединенные фильтр высоких частот, регулируемый полосовой фильтр (РПФ), полосовой фильтр с постоянными параметрами и интегродифференцирующий фильтр, а также регулятор частоты настройки РПФ, использующий выходные сигналы фильтров высоких частот и полосовых фильтров [4].
Фильтры высоких частот подавляют низкочастотные помехи таким образом, чтобы их амплитуда стала меньше амплитуды сигнала крена (в 5 - 10 раз) - иначе не будет работать регулятор частоты настройки.
Автоматически настраиваемые на частоту сигналов крена РПФ совместно с полосовыми фильтрами с постоянными параметрами пропускают на выход сигнал крена в «чистом» виде - без амплитудных и фазовых искажений.
Интегродифференцирующий фильтр вносит в «чистый» сигнал крена фазовый сдвиг, согласованный со сдвигом сигнала крена в канале управления, и в результате вычитания подавляет в канале управления колебания на частоте вращения ПО.
В качестве сигнала линеаризации используются усиленные сигналы с выхода РПФ, при этом рабочим участком синусоидального сигнала является практически линейная его зона - в интервалах ±п/4 относительно нулевой точки.
Благодаря наличию полосового фильтра с постоянными параметрами имеется возможность вносить в линеаризирующий (и модулирующий) сигнал программный фазовый сдвиг, компенсирующий инерционность координатора, которая в ССМ приводит к возникновению фазовой связи каналов управления и нарушению устойчивости движения ПО.
Регулятор частоты настройки полосовых фильтров работает по известному из радиотехники методу ФАПЧ - фазовой автоподстройки частоты и содержит два фазовых детектора и два интегратора. Происходит сравнение фаз входного и выходного сигналов полосовых фильтров. В за-
висимости от знака фазового рассогласования (что определяется тем, что больше - частота сигнала крена или частота настройки РПФ), интегратор формирует возрастающий или убывающий сигнал, от величины которого будет зависеть частота настройки. Интегрирование прекращается, когда фазовый сдвиг обнулится, и частота настройки РПФ совпадет с частотой сигнала крена.
Модуляция команд управления обеспечивается благодаря формированию знакопеременного сигнала из двух релейных сигналов, синхронизированных с сигналом линеаризации.
Описанная схема имеет ряд недостатков.
1. Применение ФАПЧ. Необходимость использовать входные сигналы РПФ и, соответственно, фильтры высоких частот повышает уровень шумов на входе регулятора, что ухудшает качество процесса настройки.
2. Применение интегродифференцирующих фильтров. Подавление (вычитание) сигналов крена в каналах управления можно произвести до корректирующего устройства, и необходимость в них отпадет.
3. Программный фазовый сдвиг в линеаризующий сигнал можно вносить не только при помощи полосовых фильтров с постоянными параметрами, а например, управляемым фазовращателем, есть и другие способы. Необходимость введения фазового сдвига уменьшается при исключении фильтра высоких частот. Кроме того, полосовой фильтр неэффективен при быстром изменении частоты вращения ПО (свыше 5 Гц за секунду), и в реальности его отключают при разгоне [1].
Рассмотрим следующую блок-схему формирователя команд управления (рис. 1).
Приведенная на рис. 1 схема релейного формирователя команд управления работает следующим образом. На вход аппаратуры выделения координат (АВК) поступает информация о положении точечного источника информации (ИИ). Выходные сигналы АВК раздельно по вертикальному (иу) и горизонтальному (Ш) содержат сумму двух составляющих -пропорциональной отклонению центра масс и пропорциональной синусу (косинусу) угла крена, амплитуда которой пропорциональна линейному смещению ИИ относительно оси вращения. Эти сигналы поступают на фильтры сигнала крена ФКУ и ФК7. Резонансная частота этих полосовых фильтров первоначально равна предполагаемой частоте вращения ОУ, поэтому на их выходах амплитуда сигналов крена будет максимальной, в то время как составляющие, пропорциональные отклонению центра масс, будут подавлены. Регулятор Р содержит счетчики, фиксирующие время нахождения сигналов крена в обоих каналах в положительной и отрицательной фазах, что позволяет определить частоту сигнала крена. По результатам замеров резонансные частоты фильтров изменяются и становятся равными частоте сигналов крена. При точной настройке сигналы крена проходят на выход фильтров ФКУ и ФК7 без фазовых и амплитудных искажений.
Рис. 1. Блок-схема формирователя команд управления в системе
связанной модуляции: У, Z - координаты точечного источника информации в вертикальной и горизонтальной плоскости соответственно; АУ, Л1 - аппаратура выделения координат; ФКУ, ФК1 - регулируемые полосовые фильтры сигнала крена КФУ, КФ1 - корректирующие устройства СУ;
С1 - С9 - сумматоры; БП1 - БП6 - блоки произведений; РЭ1 - РЭ4 - релейные элементы; Р - регулятор частоты настройки фильтров сигнала крена; иу, иг - выходные сигналы аппаратуры выделения координат в вертикальном и горизонтальном канале;
ику, икг - выходные сигналы корректирующих устройств; Уку, Укг - релейные ШИМ-сигналы управления; Уму, Умг - релейные модулирующие сигналы; У - релейный выходной сигнал формирователя
команд управления
При вычитании этих сигналов из выходных сигналов АВК (сумматоры С1 и С2) в каналах управления сигналы крена полностью подавляются. На вход корректирующих устройств КФУи КФ7 поступают только сигналы, пропорциональные отклонениям центра масс ОУ. При выборе КФУи КФ7 в соответствии с требованиями устойчивости СУ выходные сигналы Ику и Икг приобретают необходимые фазовые сдвиги.
Блоки произведений БП1 - БП4 совместно с сумматорами С3 и С4 представляют собой управляемый фазовращатель, осуществляющий разворот сигналов крена на программный угол, учитывающий как конструктивное положение ИИ, так и изменение частоты сигналов крена. Такой способ компенсации возможен благодаря тому, что в вертикальном и горизонтальном каналах сигнал крена возникает от одного и того же ИИ, следовательно, в каналах сигналы сдвинуты ровно на 90°.
Из выходных сигналов фазовращателя формируются в соответствии со схемой рис. 1 модулирующие сигналы Уму и Ум7. Релейные элементы РЭ1 - РЭ4 - одинаковые, двухпозиционные. Они формируют двухпозици-онный релейный выходной сигнал У, который подается на исполнительное устройство ОУ.
Рассмотрим динамику СУ на примере ОУ со следующими конструктивными и динамическими параметрами.
Модель ОУ, учитывающая его угловое положение относительно оптической оси АВК и вектора скорости, представлена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема модели объекта управления: У1 - У6 - усилители; С1 - С3 -сумматоры; И1 - И4 - интеграторы; УИ - выходной сигнал исполнительного устройства; Уц - положение центра масс ОУ
Коэффициенты передачи усилителей У1 - У6 имеют соответственно значения К1 = 0,15; К2 = 3,5; КЗ = 900; К4 = 300; К5 = 3; К6 = 300. Передаточная функция АВК имеет вид
Wa (Р)= -i+7,
TAP +1
где ТА = 0,01 с - постоянная времени; р - оператор Лапласа.
Регулируемые полосовые фильтры сигнала крена КФУ и КФ7 могут быть описаны передаточными функциями
WP(P) = 2 2 x W2p22 x-, (1)
(T2 p2 + 2£,Tp + 1)(T2 p2 + 2X2TP +1) где Т = 1/2пю - постоянная времени; ю - частота вращения объекта; £,2 - коэффициенты демпфирования.
Постоянные времени и коэффициенты демпфирования в формуле (1) являются переменными и изменяются в зависимости от частоты вращения.
Корректирующие устройства КФУи КФ7 имеют передаточные функции:
T1Р +1
W (p)
T2 Р +1 146
где Т1 = 0.45 с; Т2 = 0,035 с.
Передаточная функция исполнительного устройства ОУ имеет вид
Wи (Р) = ,
Ти Р +1
где ТИ = 0,006 с - постоянная времени.
Математическое моделирование релейного двухпозиционного формирователя команд в составе замкнутой системы управления ПО было проведено численным методом на ЭВМ.
Результаты моделирования представлены на рис. 3. Обозначения сигналов соответствуют схеме рис. 1. На рис. 3 масштаб сигнала иКу уменьшен в четыре раза по сравнению с сигналом Цдуь поскольку в переходном процессе он выходит за рамки отведенного коридора.
Рис. 3. Результаты математического моделирования релейного двухпозиционного формирователя команд в составе замкнутой системы управления подвижным объектом
Как видно из рис. 3, СУ ПО является устойчивой, уровень динамической ошибки соответствует расчетному. Связь каналов отсутствует, что свидетельствует о точном фазировании системы, запаздывание сигнала крена скомпенсировано точно.
Таким образом, предложенная схема формирователя команд управления показала свою работоспособность, разработанное программное обеспечение может быть использовано для исследования динамики процессов управления подвижными объектами.
По сравнению с прототипом схема формирователя имеет более простую структуру за счет исключения восьми фильтров, большую устойчивость к шумам за счет исключения из процесса настройки выходных сигналов фильтров высоких частот.
Предлагаемая схема может быть реализована на цифровых элементах, что наряду с упрощением структуры создает предпосылки использования ее на самом подвижном объекте и принципиально повысить помехозащищенность системы управления.
Список литературы
1. Морозов В.И. Разработка расчетной схемы исследования динамики систем управления // Известия Тульского государственного университета. Сер. Проблемы специального машиностроения. 2005. Вып. 8. С. 188 - 192.
2. Морозов В.И. Математическая модель динамики следящего координатора // Известия Тульского государственного университета. Сер. Проблемы специального машиностроения. 2005. Вып. 8. С. 236 - 240.
3. Морозов В.И. Динамические особенности двумерных систем связанной модуляции // Известия ТулГУ. Сер. Проблемы специального машиностроения. 1999. Вып. 2. С. 363 - 366.
4. А.с. СССР № 180411. Устройство для измерения угла / К.Г. Куд-зиев, И.И. Полянцев, В.И. Морозов, А.Ф. Индюхин.
Индюхин Алексей Федорович, канд. биол. наук, доц., ind_a_f@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Гулин Валерий Евгеньевич, студент, valerik-g94@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Синицын Максим Андреевич, магистрант, az_gently@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RELAY DIP-SHAPER COMMAND CONTROL FOR MOBILE OBJECT A.F. Indyukhin, V.E. Gulin, M.A. Sinitsyn
Offer significant simplification of the famous shaper, shaper block diagrams and models of control of object lists of control commands, the mathematical modeling, object control presented the results as part of a closed system.
Key words: relay control system associated modulation, adjustable bandpass filter.
Indyukhin Alexey Fedorovich, candidate of biology sciences, the senior lecturer, ind a famail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Gulin Valeriy Evgen'evich, student, valerik-g94@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sinitsyn Maxim Andreevich, undergraduate, az_gently@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
