Имитатор системы автоматического управления испытательным вибрационным стендом с оптическим датчиком

Полезная модель относится к системам автоматического регулирования и может быть использована для проектирования и разработки систем управления электродинамическим испытательным вибрационным стендом с оптическим датчиком перемещений при фиксированной и плавающей частоте колебаний. Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является обеспечение стабильного высокоточного режима функционирования системы управления электродинамическим вибростендом при требуемой фиксированной и плавающей частоте 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, второй и третий блоки суммирования, блок выделения модуля, блок задержки (транспортного запаздывания), умножитель. Также в систему дополнительно вводятся первый, второй, третий и четвертый осциллографы и наблюдатель состояния (НС). При этом выход объекта управления соединен с входом первого осциллографа и первым входом НС, выходы которого подключены к соответствующим входам блока задания коэффициентов и блока выделения модуля; выходы блока задания коэффициентов соединены с входами четвертого блока суммирования, выход четвертого блока суммирования подключен ко второму входу пятого блока суммирования; выход задающего устройства подключен к входу четвертого осциллографа и к первому входу пятого блока суммирования, выход которого соединен с входом третьего осциллографа, первым входом первого блока суммирования, а также с первым входом умножителя; выход первого блока суммирования подключен к первому входу третьего блока суммирования и к входу блока задержки, выход блока задержки соединен со вторым входом первого блока суммирования; выходы блока выделения модуля подключены к соответствующим входам второго блока суммирования, выход второго блока суммирования соединен со вторым входом умножителя, выход которого подключен ко второму входу третьего блока суммирования; выход третьего блока суммирования подключен к входу второго осциллографа, к входу объекта управления и ко второму входу НС.

Полезная модель относится к системам автоматического регулирования и может быть использована для проектирования и разработки систем управления электродинамическим испытательным вибрационным стендом с оптическим датчиком перемещений 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 колебаний, управляемый объект (вибростенд) и нейро-нечеткий контур управления, имитирующий поведение типового ПИ-регулятора и обеспечивающий требуемую амплитуду и частоту колебаний вибоустановки. Описание такой системы представлено в работе Rana K.P.S. Fuzzy control of an electrodynamic 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 при требуемой фиксированной и плавающей частоте 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, второй и третий блоки суммирования, блок выделения модуля, блок задержки (транспортного запаздывания), умножитель. Также в систему дополнительно вводятся первый, второй, третий и четвертый осциллографы и наблюдатель состояния (НС). При этом выход объекта управления соединен с входом первого осциллографа и первым входом НС, выходы которого подключены к соответствующим входам блока задания коэффициентов и блока выделения модуля; выходы блока задания коэффициентов соединены с входами четвертого блока суммирования, выход четвертого блока суммирования подключен ко второму входу пятого блока суммирования; выход задающего устройства подключен к входу четвертого осциллографа и к первому входу пятого блока суммирования, выход которого соединен с входом третьего осциллографа, первым входом первого блока суммирования, а также с первым входом умножителя; выход первого блока суммирования подключен к первому входу третьего блока суммирования и к входу блока задержки, выход блока задержки соединен со вторым входом первого блока суммирования; выходы блока выделения модуля подключены к соответствующим входам второго блока суммирования, выход второго блока суммирования соединен со вторым входом умножителя, выход которого подключен ко второму входу третьего блока суммирования; выход третьего блока суммирования подключен к входу второго осциллографа, к входу объекта управления и ко второму входу НС.

За счет введенного комбинированного робастного регулятора и стационарного НС с относительно несложной структурой обеспечивается высокоточное слежение за командным сигналом, определяющим требуемую амплитуду и частоту колебаний вибростенда.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена блок-схема имитатора системы управления, включающая: объект управления 1, стационарный наблюдатель состояния 2, блок задания коэффициентов 3, первый блок суммирования 4, второй блок суммирования 5, третий блок суммирования 6, четвертый блок суммирования 7, пятый блок суммирования 8, блок задержки 9, блок выделения модуля 10, умножитель 11, задающее устройство 12, первый осциллограф 13, второй осциллограф 14, третий осциллограф 15, четвертый осциллограф 16, у - скалярный выход объекта регулирования, u - скалярное управляющее воздействие, , - оценки внутренних состояний объекта регулирования, е - ошибка рассогласования.

Динамика объекта управления (вибрационного стенда с оптическим датчиком и усилителем мощности) описывается передаточной функцией

представление которой в пространстве состояний имеет вид

где =В1; 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;

x(t)R² - вектор переменных состояния;

А - матрица состояния;

b - вектор управления;

L - вектор выхода;

у(t) - координата перемещений (колебаний) стола виброустановки;

u(t) - управляющее воздействие, удовлетворяющее соотношению

где - некоторая положительная константа; u_пер(t), u_роб(t) - соответственно периодическая и робастная части комбинированного регулятора (3).

- набор неизвестных параметров, принадлежащих известному числовому множеству , соответствующему заданному классу неопределенности объекта.

* - 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

где ₁, ₂=const>1, e(t) - ошибка рассогласования между задающим воздействием и выходом объекта регулирования, x(t) - вектор оценок внутренних состояний объекта, формируемый с помощью стационарного НС с динамикой

Система управления функционирует следующим образом.

Скалярный сигнал с выхода объекта управления 1 поступает на первый вход стационарного НС 2 (структурная схема представлена на фиг.2), на второй которого поступает сигнал управления u. Сигнал с первого входа НС 2 поступает на первый вход блока сравнения (суммирования) 19, на второй вход которого подается сигнал с выхода интегратора 18₁. Внутри блока суммирования 19 вычисляется разность поданных на его входы сигналов. Сигнал с выхода блока суммирования 19 подается на второй вход блока суммирования 17₁ и на второй вход блока суммирования 17₂, на первый вход которого поступает сигнал с второго входа стационарного НС 2. На остальные 2 входа, соответствующих количеству переменных состояния объекта, блока суммирования 17 ₂ подаются сигналы с выходов интеграторов 18₁ и 18₂ с соответствующими коэффициентами. Выходной сигнал блока суммирования 17₂ поступает на вход интегратора 18₂. Сигнал с выхода интегратора 18₂ поступает на первый вход блока суммирования 17₁, на соответствующий вход блока суммирования 17₂ и на второй выход стационарного НС 2. Выходной сигнал блока суммирования 17₁ идет на вход интегратора 18₁, сигнал с выхода которого поступает на соответствующий вход блока суммирования 17₂ , на второй вход блока суммирования 19 и на первый выход стационарного НС 2. Сигналы с выхода стационарного НС 2 поступают на соответствующие входы блока задания коэффициентов 3, внутри которого происходит умножение поступивших сигналов на постоянные коэффициенты, и на соответствующие входы блока выделения модуля 10. Выходные сигналы блока задания коэффициентов 3 идут на соответствующие входы четвертого блока суммирования 7, где складываются. Сигнал с выхода четвертого блока суммирования 7 поступает на второй вход пятого блока суммирования 8, на первый вход которого подается сигнал с выхода задающего устройства 12. На выходе пятого блока суммирования 8 формируется сигнал ошибки рассогласования е за счет вычисления разности выходного сигнала задающего устройства 12 и выходного сигнала четвертого блока суммирования 7. Сигнал с выхода пятого блока суммирования 8 с соответствующим коэффициентом поступает на первый вход первого блока суммирования 4 и на первый вход умножителя 11. Выходной сигнал первого блока суммирования 4 одновременно поступает на первый вход третьего блока суммирования 6 и на вход блока задержки 9. Сигнал с выхода блока задержки идет на второй вход первого блока суммирования 4. Выходные сигналы блока выделения модуля 10 поступают на соответствующие входы второго блока суммирования 5, сигнал с выхода которого с соответствующим коэффициентом подается на второй вход умножителя 11. Выходной сигнал умножителя 11 идет на второй вход третьего блока суммирования 6, выход которого с соответствующим коэффициентом подается на вход объекта управления 1 и на второй вход стационарного НС 2. С целью обеспечения визуализации временных характеристик системы управления выходной сигнал объекта управления 1 подается на вход первого осциллографа 13, входной сигнал объекта управления 1 идет на вход второго осциллографа 14, выходной сигнал пятого блока суммирования 8 поступает на вход третьего осциллографа 15, сигнал с выхода задающего устройства 12 подается на вход четвертого осциллографа 16.

Технический результат заключается, в обеспечении стабильного функционирования системы управления электродинамическим испытательным вибрационным стендом за счет высокоточного слежения за командным сигналом, определяющим требуемый профиль колебаний виброустановки.

Данное устройство может быть реализовано промышленным способом на основе стандартной элементной базы.

Имитатор системы автоматического управления испытательным вибрационным стендом с оптическим датчиком, отличающийся тем, что в систему, содержащую задающее устройство, управляемый объект (вибростенд), дополнительно вводятся первый, второй, третий и четвертый осциллографы, наблюдатель состояния (НС) и комбинированный робастный регулятор, включающий первый, второй и третий блоки суммирования, блок выделения модуля, блок задержки (транспортного запаздывания), умножитель.