устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости

Формула изобретения

1. Устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости, содержащее объект управления с присоединенным упругим элементом переменной жесткости, к выходу которого подключен датчик отклонения упругого элемента, к входу - регулятор жесткости упругого элемента, выход датчика отклонения упругого элемента соединен с входом дифференцирующего блока и первым входом блока преобразования координат, выход дифференцирующего блока связан со вторым входом блока преобразования координат, генератор тактовых импульсов подключен к третьему входу блока преобразования координат и первому входу блока оценки частоты, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока преобразования координат, четвертый и пятый входы блока оценки частоты подключены соответственно к первому и второму источникам постоянного напряжения, третий и четвертый источники постоянного напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами блока выбора коэффициента диссипации, первый выход которого связан с четвертым входом блока преобразования координат, первый выход блока оценки частоты соединен с первым входом блока коррекции частоты, второй выход блока оценки частоты подключен ко второму входу блока коррекции частоты и третьему входу блока выбора коэффициента диссипации, второй выход которого связан с третьим входом блока коррекции частоты, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком управления, первый, второй и третий входы которого связаны соответственно с первым выходом блока преобразования координат и первым и вторым выходами блока коррекции частоты, выход блока управления соединен с входом регулятора жесткости упругого элемента, четвертым входом блока выбора коэффициента диссипации и шестым входом блока оценки частоты.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок коррекции частоты содержит блок расчета параметра глубины управления, функциональный блок и блок расчета параметров, причем первый и второй входы блока коррекции частоты соединены соответственно с первым и вторым входами блока расчета параметра глубины управления, выход которого связан с входом функционального блока и первым входом блока расчета параметров, второй, третий и четвертый входы блока расчета параметров подключены соответственно к выходу функционального блока и третьему и второму входам блока коррекции частоты, первый и второй выходы блока расчета параметров соединены с первым и вторым выходами блока коррекции частоты.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит индикатор нуля, ключ, первую и вторую управляемые линии задержки и триггер, причем первый вход блока управления через последовательно соединенные индикатор нуля, ключ и первую линию задержки связан с первым входом триггера, выход которого подключен к управляющему входу ключа и к выходу блока управления, выход первой линии задержки через вторую линию задержки соединен со вторым входом триггера, второй и третий входы блока управления подключены к управляющим входам первой и второй линий задержки соответственно.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок расчета параметров содержит блок расчета угла логики и блок расчета временных параметров, причем первый, второй и третий входы блока расчета параметров соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока расчета угла логики, выход которого связан с первым входом блока расчета временных параметров, второй, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к третьему, четвертому и первому входам блока расчета параметров, первый и второй выходы блока расчета временных параметров соединены с первым и вторым выходом блока расчета параметров.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок расчета угла логики содержит источник постоянного напряжения, первый - шестой сумматоры, первый - третий квадраторы, первый - третий блоки умножения, вычислитель квадратного корня и вычислитель обратной величины, причем первый вход блока расчета угла логики через последовательно соединенные второй сумматор, третий квадратор, третий сумматор, вычислитель квадратного корня, четвертый сумматор и третий блок умножения связан с выходом блока расчета угла логики, второй вход которого через последовательно соединенные второй квадратор, шестой сумматор и второй блок умножения подключен ко второму входу третьего сумматора, а также через последовательно соединенные первый блок умножения и пятый сумматор - ко второму входу четвертого сумматора, выход источника постоянного напряжения связан со вторым входом шестого сумматора и через первый сумматор - со вторым входом второго сумматора, третий вход блока расчета угла логики соединен со вторым входом первого блока умножения, через вычислитель обратной величины - со вторым входом третьего блока умножения, а через первый квадратор - со вторыми входами первого сумматора и второго блока умножения, выход второго сумматора связан со вторым входом пятого сумматора.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок расчета временных параметров содержит первый-четвертый делители, первый-третий сумматоры, источник постоянного напряжения, вычислитель квадратного корня, первый и второй вычислители арктангенса, причем первый вход блока расчета временных параметров через последовательно соединенные первый вычислитель арктангенса, первый сумматор и третий делитель связан с первым выходом блока расчета временных параметров, второй вход которого через последовательно соединенные третий сумматор, первый делитель, второй вычислитель арктангенса, второй сумматор, второй и четвертый делители подключен ко второму выходу блока расчета временных параметров, третий вход блока расчета временных параметров соединен со вторыми входами третьего и четвертого делителей, четвертый вход блока расчета временных параметров через вычислитель квадратного корня связан со вторыми входами первого и второго делителей, источник постоянного напряжения подключен ко вторым входам первого и второго сумматоров, второй вход третьего сумматора соединен с первым входом блока расчета временных параметров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области демпфирования колебаний упругих элементов конструкции объектов и может быть преимущественно использовано при проектировании и создании перспективных систем управления объектами нежёсткой конструкции.

Известно устройство [1] (аналог), предназначенное для гашения колебаний упругого элемента, когда пассивным демпфированием в системе возможно пренебречь. Это устройство реализует закон управления жёсткостью упругого элемента в координатно-временной форме

где q₁ - фазовая координата (отклонение) упругого элемента; _max, _min - максимальная и минимальная частоты колебаний упругого элемента из диапазона возможных изменений; t - текущее время; t₀ - наиболее поздний момент времени, в который отклонение упругого элемента обращалось в ноль;

- длительность режима движения с максимальной жёсткостью в течение характерного полупериода колебаний Т₀=Т ₂+Т₃,

- соответственно длительность режима движения с минимальной жёсткостью в течение характерного полупериода колебаний; - постоянный при фиксированном значении параметра x=( _min/ _max)² параметр (угол логики).

Функциональная схема устройства [1] представлена на фиг.1. Устройство содержит объект 1 управления (упругий элемент), датчик 2 отклонения упругого элемента, блок 3 управления, регулятор 4 жёсткости. Блок 3 управления содержит индикатор нуля 5, ключ 6, триггер 7, первый и второй элементы задержки 8 и 9.

Вместе с тем, весьма часто в упругой системе в течение управляемого процесса синхронно с изменениями жёсткости происходят значительные изменения диссипативного параметра. Как правило, это явление обусловлено особенностями исполнительных органов системы управления. В частности, демпферы-регуляторы жёсткости [2], построенные на использовании способности магнитореологической суспензии изменять свои свойства под действием электромагнитного поля [3], привносят в систему согласованно с релейным изменением жёсткости дополнительную диссипацию, зависящую от режима их работы.

Однако заметим, что и в данном случае управление (1) может быть также использовано для гашения свободных колебаний упругих элементов. Действительно, динамика таких упругих элементов весьма часто может быть описана системой обыкновенных дифференциальных уравнений

где q_i, dq_i/dt, i=1, 2 - фазовые координата и скорость соответственно; b 0 - коэффициент пассивного демпфирования, обусловленный собственной и внесённой демпфером диссипацией; ² [ ²_min, ²_max] квадрат круговой частоты, характеризующий жёсткость упругой системы - управляющий параметр.

Поскольку рассматривается случай, когда внесённая демпфером-регулятором жёсткости диссипация существенно зависит от режима его функционирования, то принимаем, что b( )([b( _min)=b_min, b( _max)=b_max]. Как правило, b_min >b_max. Полагаем также, что во всём диапазоне изменения управляющего параметра динамика системы (4) сохраняет колебательный характер. Поcледнее предположение справедливо, если 4 ²_min-d²_min>0.

Построение строго оптимального управления жёсткостью в задаче гашения колебаний системы (4) представляет значительные трудности. Однако, принимая во внимание синхронность и зависимость изменений диссипативного параметра системы от ее жесткости, целесообразно этот эффект считать сопутствующим. Такой подход позволяет в основу решения положить синтез субоптимального управления жесткостью по методике, разработанной для систем с постоянным демпфированием [4] с коррекцией на нестационарность коэффициента диссипации [5, 6]. При этом используются структура и основные свойства оптимального управления, но достигается инвариантность субоптимального решения от начальных и терминальных условий процесса, что существенно упрощает его техническую реализацию.

Исходя из вышесказанного, далее считаем, что искомое управление жёсткостью является кусочно-постоянным и может принимать значения либо _min либо _max. Соответственно, коэффициент демпфирования также является кусочно-постоянным:

Путем проведения преобразования координат

где t 0, 0 t_max t - соответственно текущее и суммарное время движения системы с максимальной жёсткостью, система (4) сводится к системе

описывающей динамику свободного осциллятора без пассивного демпфирования. Здесь *=[ ²-b²/4]^1/2 (соответственно *_max=[ ²_max-b²_max/4] ^1/2, *_min=[ ²_min-b²_min/4] ^1/2).

Координатно-временное управление вида (1) обоснованно может быть применено к системе (7) в координатном базисе (s ₁, s₂).

Формально это означает проведение замены q₁(t₁)(s₁(t₁ ) в законе (1). Кроме того, необходимо учесть, что изменятся частотные параметры системы _max *_max, _min *_min и соответственно величина параметра глубины управления жёсткостью

В то же время согласно преобразованиям (6) координаты q₁ и s₁ отличаются лишь знакопостоянным экспоненциальным множителем, учет которого при реализации закона вида (1) в базисе (s₁, s₂) необязателен. Учтем также, что в качестве управляющих параметры и * эквивалентны. Эти обстоятельства и позволяют сделать вывод о возможности использования закона управления (1) без каких-либо изменений для подавления колебаний упругих систем с согласованными синхронными переключениями жёсткостного и диссипативного параметров. Изменятся лишь значения параметров Т₂ и T₃ , определяемых по формулам (3) и (2) соответственно, в которых производятся замены [5, 6]:

При этом последняя из перечисленных замен обусловлена не стационарностью коэффициента диссипации управляемой упругой системы.

Эффект от функционирования устройства [1] (быстродействие) варьируется через значения параметров T₂ и T₃ , определяющих характеристики элементов задержки 8 и 9 соответственно. При этом предполагается точное значение частот ^*_max и ^*_min. Однако (предварительно) точно определить эти параметры для конкретного упругого элемента зачастую невозможно. Ошибка может достигать в некоторых случаях 100% и более.

Особенно актуальна эта проблема для упругих систем, конструктивные параметры и характеристики которых способны изменяться в течение цикла их применения.

В таких условиях целесообразнее использовать устройство [6] (прототип), в котором в процессе колебаний реального упругого элемента на основе информации о его движении осуществляется корректирование частотных параметров на каждом интервале управления. Это устройство обеспечивает реализацию оптимального закона управления в координатном базисе (s₁, s₂) в форме обратной связи [4, 5]:

где - оптимальный угол логики определяется из соотношений

Как показано в [1, 5], законы (1) и (10) в координатном базисе (s₁, s₂) формально эквивалентны. В этой связи представляется целесообразным, используя преимущества устройства [6], реализовать на его основе управление в координатно-временной форме (1). При этом достигается упрощение устройства [6].

На фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.3 - структурная схема блока управления, на фиг.4 - то же, блока расчёта параметров, на фиг.5 - то же, блока расчёта угла логики, на фиг.6 - то же, блока расчёта временных параметров, на фиг.7 - то же, функционального блока, на фиг.8 - то же, блока расчёта параметра глубины управления, на фиг. 9 - то же, блока оценки частоты, на фиг. 10 - то же, блока преобразования координат, на фиг. 11 - то же, блока выбора коэффициента диссипации.

Устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жёсткости (фиг.2) содержит: объект 1 управления (упругий элемент), датчик 2 отклонения, дифференцирующий блок 3, блок 4 оценки частоты, блок 5 коррекции частоты, блок 6 управления, регулятор 7 жёсткости, генератор 8 тактовых импульсов, блок 9 преобразования координат, блок 10 выбора коэффициента диссипации.

Блок 5 коррекции частоты содержит блок 11 расчета параметра глубины управления, функциональный блок 12, блок 13 расчёта параметров.

Блок 6 управления (фиг.3) содержит индикатор нуля 14, ключ 15, триггер 16, первую и вторую управляемые линии задержки 17 и 18.

Блок 13 расчёта параметров (фиг.4) содержит блок 19 расчёта угла логики, блок 20 расчёта временных параметров.

Блок 19 расчёта угла логики (фиг.3) содержит источник постоянного напряжения 21, первый-шестой сумматоры 22-27, первый-третий квадраторы 28-30, первый-третий блоки умножения 31-33, вычислитель квадратного корня 34, вычислитель обратной величины 35.

Блок 20 расчета временных параметров (фиг.6) содержит первый-четвёртый делители 36-39, первый-третий сумматоры 40-42, первый и второй вычислители арктангенса 43 и 44, вычислитель квадратного корня 45, источник постоянного напряжения 46.

Функциональный блок 12 (фиг.7) содержит два сумматора 47 и 48, блок умножения 49, делитель 50, источник постоянного напряжения 51.

Блок 11 расчёта параметра глубины управления (фиг. 8) содержит делитель 52 и квадратор 53.

Блок 4 оценки частоты (фиг. 9) содержит блок 54 формирования оценки и блок 55 осреднения.

Блок 54 формирования оценки содержит пять ключей 56-60, четыре запоминающих элемента 61-64, четыре квадратора 65-68, два сумматора 69 и 70, делитель 71, формирователь 72 модуля, нелинейный элемент 73, двухразрядный сдвиговый регистр 74.

Блок 55 осреднения содержит шесть ключей 75-80, четыре сумматора 81-84, четыре запоминающих элемента 85-88, два делителя 89 и 90, элемент 91 задержки, инвертор 92, триггер 93, два счётчика 94 и 95, элемент И 96.

Блок 9 преобразования координат (фиг. 10) содержит два ключа 97 и 98, сумматор 99, два блока умножения 100 и 101, генератор 102 экспоненциального напряжения.

Блок 10 выбора коэффициента диссипации (фиг. 11) содержит два ключа 103 и 104, два сумматора 105 и 106, делитель 107.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

После воздействия внешнего возмущающего момента упругий элемент начинает колебаться с максимальной частотой _mах, поскольку в состоянии покоя жёсткость упругого элемента максимальна (из условия снижения амплитуды колебаний, возникающих от действия внешнего возмущающего импульса).

Датчик 2 отклонения начинает выдавать текущее значение величины обобщённой координаты отклонения упругого элемента, которое поступает на вход дифференцирующего блока 3 и первый вход блока 9 преобразования координат. Текущее значение скорости обобщённой координаты отклонения упругого элемента выдаётся с выхода дифференцирующего блока 3 на второй вход блока 9 преобразования координат. При этом на выходе блока 6 управления сформирован сигнал u=0, поступающий на четвёртый вход блока 10 выбора коэффициента диссипации и обеспечивающий на первом выходе этого блока сигнал b=b_max, который подаётся на четвёртый вход блока 9 преобразования координат.

В случае переключения жесткости упругого элемента с максимальной на минимальную на выходе блока 6 управления формируется сигнал u=1, обеспечивающий на первом выходе блока 10 выбора коэффициента диссипации сигнал b=b_min. Таким образом, блок 10 выбора коэффициента диссипации реализует кусочно-постоянную функцию (5) изменения диссипативного параметра упругой системы синхронно с управляемым изменением её частоты.

Импульсы с генератора 8 тактовых импульсов обеспечивают общую синхронизацию процессов в блоке 9 преобразования координат с процессами в остальной части системы. На первом и втором выходах блока 9 преобразования координат с каждым тактовым импульсом формируются соответственно сигналы и что соответствует дискретному преобразованию на основе формул (6) (здесь - период следования импульсов с генератора 8 тактовых импульсов, параметр b изменяется согласно (5)).

С использованием этой информации в блоке 4 оценки частоты на каждом такте генератора 8 тактовых импульсов формируются оценки максимальной ^*_maxi и минимальной ^*_mini частот системы, которые затем используются в блоке 11 расчёта параметра глубины управления для оценки величины x^*_i Сигнал ^*_max, кроме того, поступает в блок 10 выбора коэффициента диссипации, где используется для расчёта _i, (см. (9)). В то же время сигнал x^* _i, поступает на вход функционального блока 12, в котором реализуется функциональная зависимость (12). Сформированные сигналы ^*_maxi, x^*_{i i} и используются в блоке 13 расчёта параметров для оценки величин Т₂ и T₃ по формулам (3) и (2) соответственно (с учётом замен (9)). При этом блок 19 расчёта угла логики реализует функцию (11), а блок 20 расчёта временных параметров - функции (2) и (3) с заменами (9).

Заметим, что элементы 38, 40, 43 и 46 используются для расчета Т₃, а элементы 36, 37, 39, 41, 42, 44-46 - для расчёта T₃.

Сформированные сигналы Т₂ и T₃ используются в блоке 6 управления для настройки параметров линий задержки 18 и 17 соответственно. При первой же смене знака информационного сигнала, поступающего с первого выхода блока 9 преобразования координат на первый вход блока 6 управления, индикатор нуля 14 выдаёт импульс, который через открытый ключ 15 поступает на вход первой линии задержки 17, в которой обеспечивается задержка сигнала на период T ₃. В течение интервала времени длительностью T₃ на выходе триггера 16 гарантирован сигнал u=0, что отвечает установлению максимальной жёсткости упругого элемента в соответствии с законом управления (1).

По окончании этого интервала импульс с выхода первой линии задержки 17 переключает триггер 16 в единичное состояние, благодаря чему устанавливается минимальная жесткость системы. При этом ключ 15 закрывается и блокирует входной информационный канал. Этот же импульс, проходя через вторую линию задержки 18, по истечении интервала времени Т₂ переводит триггер 16 в нулевое состояние, благодаря чему в системе устанавливается максимальная жёсткость, и ключ 15 открывается. Система вновь готова реагировать на смену знака информационного сигнала аналогично описанному выше.

В остальном функционирование предлагаемого устройства полностью аналогично известному.

Источники информации

1. Патент РФ № 2192036, G 05 D 19/02, F 16 F 15/00, 2002 (п.1, аналог).

2. А.С. СССР № 1827465, кл.³ F 16 F 6/00, 1991.

3. Шулыман З.П., Кордонский В.И. Магнитореологический эффект. - Минск: Наука и Техника, 1982. - 184 с.

4. Шалимов С. В., Мануйлов Ю.С. Оптимальное повышение диссипации в упругой системе за счёт управления её жёсткостными свойствами // Методы и алгоритмы исследования автоматических систем управления. Вып. 6. - Л.: МО СССР, 1988. - С.26-31.

5. Шалымов С. В. Оптимальное гашение колебаний простых упругих систем с управляемой жёсткостью. - МО РФ, 2001. - 101 с.

6. Патент РФ № 2192035, G 05 D 19/02, F 16 F 15/00, 2002 (прототип).