Алгоритмы управления прохождением через зону резонанса в мехатронных вибрационных установках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Томчин, Дмитрий Александрович

• Томчин, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Томчин, Дмитрий Александрович

1. Введение.

2. Модели динамики вибрационных установок в пусковых режимах.

2.1. Модель динамики вращающегося вала с неуравновешенным диском.

2.2. Модель динамики однороторного вибрационного стенда.

2.3. Двухроторная система с наклоном оси относительно неподвижной системы координат.

3. Разработка и исследование алгоритмов управления вибрационными установками при прохождении через резонанс.

3.1. Метод скоростного градиента.

3.2. Постановка задачи и синтез базового алгоритма управления.

3.3. Алгоритм управления прохождением через резонанс упругого вала.

3.4. Алгоритм управления прохождением через резонанс однороторного вибрационного стенда.

3.5. Алгоритм управления прохождением через резонанс двухроторного вибрационного стенда.

4. Реализация алгоритмов управления прохождением через зону резонанса в мехатронных вибрационных установках.

4.1. Структура системы управления мехатронной вибрационной установкой.

4.2. Реализация алгоритма управления прохождением через зону резонанса в виртуальной лабораторной установке.

5. Разработка сетевого информационного портала по системам и управлению.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы управления прохождением через зону резонанса в мехатронных вибрационных установках»

Современный этап развития машиностроения характеризуется широким применением средств информатики и вычислительной техники и новых информационных технологий при построении машин и установок на всех этапах: от проектирования до эксплуатации. Современная машина должна быть оснащена реализованными на компьютерах информационно-измерительной и управляющей подсистемами. Информационно-измерительная подсистема позволяет оперативно решать задачи оценки состояния, диагностики неисправностей машины, а управляющая подсистема позволяет реализовать сложные алгоритмы управления, обеспечивающие существенное повышение качества, надежности и экономичности работы установки.

Информационно-измерительные и управляющие подсистемы становятся неотъемлемой частью современной машины, и ее разработка должна включать совместное проектирование механической конструкции, электронных компонентов и программного обеспечения с целью достижения заданных динамических свойств спроектированной и изготовленной машины. Необходимость тесного взаимодействия различных методов привела к появлению новой отрасли науки - мехатроники, изучающей процессы создания и функционирования сложных компьютерно-управляемых механических систем. Мехатроника является мультидисциплиной на стыке наук, в ней используются методы механики, электроники, вычислительной техники и теории управления.

Широкие перспективы открывает использование элементов мехатроники при проектировании современных вибрационных установок. Вопросы анализа и синтеза алгоритмов управления мехатронными вибрационными установками рассматривались в работах В.И. Бабицкого, В.К. Асташева, И.И. Блехмана, A.J1. Фрадкова, Б.Р. Андриевского, В.М. Шестакова и др. Итоги комплекса исследований по управлению мехатронными вибрационными установками, проведенных в 1997-2000 г. в

Санкт-Петербургском УНЦ «Проблемы механики, машиностроения и процессов управления» на базе ИПМаш РАН подведены в книге [22].

Одной из важных задач управления мехатронными вибрационными установками является обеспечение прохождения через зону резонанса при пуске и разгоне вибровозбудителей, когда область рабочих режимов находится в зарезонансной зоне. Эта задача возникает, если мощность двигателя недостаточна для прохождения через зону резонанса в связи с проявлением эффекта Зоммерфельда [3,4,10]. Один из подходов к решению основан на применении алгоритмов управления на основе обратной связи по результатам измерений. С точки зрения практической реализации важно разработать алгоритмы управления прохождением через зону резонанса, обладающие свойством робастности: сохранения высокого качества системы при изменении параметров объекта управления (установки) и внешних условий, прежде всего изменения нагрузки.

Алгоритмы управления прохождением зоны резонанса механических систем рассматривались в работах В.В.Гортинского, А.С.Кельзона, А.А.Первозванского, Л.М.Малинина, М.Е.Герца, В.М.Шестакова и др. [7,8,9,11,26]. Однако предложенные ранее алгоритмы не обладали достаточной робастностью в условиях неопределенности и отличались сложностью расчета при проектировании.

В работах [22,50,51] было предложено использовать для синтеза алгоритма управления прохождением через резонанс метод скоростного градиента, предложенный A.JI. Фрадковым в 1979г. [23] и распространенный на задачи управления нелинейными колебаниями в 1996 г. [1]. Однако в работах [22,50,51,52] рассматривались лишь задачи, в которых несущее тело совершает одномерное движение.

В диссертации рассматриваются задачи управления прохождением через зону резонанса для более сложных систем с несколькими степенями свободы, когда несущее тело совершает движения не возвратно-поступательные, а вращательные или плоские. Такие постановки лучше отражают практически возникающие задачи управления вибрационными установками.

В работе предложена общая постановка задачи управления прохождением через резонанс как задачи управления энергией подсистемы механической системы при ограничении на величину энергии другой подсистемы. Предложены алгоритмы управления прохождением через зону резонанса для нескольких типовых задач: управление разгоном ротора с учетом упругости вала, управление однороторными и двухроторными вибрационными установками. Исследована работоспособность разработанных алгоритмов, получены рекомендации по выбору настроечных параметров алгоритмов и даны качественные оценки робастности синтезированных систем.

При подготовке современных специалистов в области мехатроники, как и в других областях, существенное внимание уделяется развитию и использованию дистанционного обучения, навыков работы с Интернетом. Важнейшую роль в этом играют так называемые виртуальные лаборатории -интерактивные сайты, зайдя на которые, обучающийся может самостоятельно не только изучить сведения по необходимым разделам дисциплины, но и выполнить задания по исследованию и моделированию установок, т.е. проводить дистанционные вычислительные эксперименты.

Подобные лаборатории интенсивно разрабатываются в ведущих университетах большинства стран мира по различным предметам, и многие из них уже успешно функционируют в условиях открытого, либо ограниченного доступа (МГУ, СПбГУИТМО, АННГУ). Однако в области систем управления в настоящее время известен лишь ряд зарубежных сайтов [31,39,46,53], а русскоязычные виртуальные лаборатории практически отсутствуют.

В диссертации приводятся результаты разработки виртуальной лаборатории в области управления вибрационными установками. Дается общее описание виртуальной лаборатории и подробно описана виртуальная лабораторная работа «Управление однороторным вибрационным стендом» (см. http://www.ipme.ru/ipme/labs/ccs/virtlab/), выполненная в УНЦ «Проблемы механики, машиностроения и процессов управления» в 20002001 гг. и вошедшая в состав центра коллективного пользования «Мехатронные и мобильные комплексы».

Разработанная виртуальная лаборатория позволяет выбирать алгоритм управления прохождением через зону резонанса вибрационного стенда, менять параметры алгоритма, следить за ходом вычислительного эксперимента и сравнивать результаты различных дистанционных экспериментов.

Современные информационные технологии играют важнейшую роль и на этапах предпроектных исследований, проектирования и разработки мехатронных установок, а также при подготовке специалистов в области мехатроники. В частности, использование Интернет-технологий позволяет существенно ускорить поиск и сбор информации, необходимой разработчику систем управления. Хотя в Интернете содержится огромное количество информационных ресурсов по всем отраслям знаний, поиск их, как правило, затруднен, и часто дополнительные временные затраты сводят на нет преимущества использования информации, извлеченной из сетевых источников. Выходом является использование специализированных информационных сайтов: Интернет-порталов, Интернет-архивов, аккумулирующих ссылки на известные ресурсы по данной специальности. При продуманном структурировании информации на сайте использование подобных порталов значительно снижает затраты времени как для начинающего, так и для опытного специалиста. До 2000 г. в области систем управления в мире имелось всего несколько подобных информационных сайтов [29,54], а на русском языке не имелось ни одного.

В диссертации приводятся результаты разработки Интернет-портала РУСИКОН - Российский архив по системам и управлению (www.rusycon.ru), выполненного при участии диссертанта [19,20]. На сайте представлены сведения о специалистах, коллективах, организациях, фондах, конференциях, книгах, журналах, издательствах, библиотеках и другие сведения, полезные для научных сотрудников, преподавателей и инженеров в области теории и систем управления и кибернетики, в том числе в области управления механическими системами и мехатроники. Содержится более 2000 ссылок на российские и зарубежные ресурсы, включая международные базы данных по системам и управлению, научно-информационные и образовательные сайты, виртуальные лаборатории и онлайн-эксперименты, сайты по нелинейной динамике и хаосу и т.д. Описана выбранная структура портала и приведены рекомендации по его использованию.

Разработанные методы управления и информационные системы позволяют повысить качество систем управления мехатронными вибрационными установками, сократить сроки их разработки и повысить уровень подготовки специалистов при обучении специалистов в данной области.

Диссертация состоит из пяти глав, первая из которых - вводная. В главе 2 описаны математические модели динамики вибрационных установок, используемые при разработке алгоритмов прохождения резонанса. Глава 3, где приведены основные результаты работы, посвящена синтезу и исследованию алгоритмов управления прохождением через зону резонанса. Приводятся решения задач управления прохождением через зону резонанса для ряда систем, в которых носитель совершает одномерное и двумерное движение. Предложенные решения основаны на применении метода скоростного градиента и ряда специальных приемов: включения фильтров, зон нечувствительности и т.д. В главе 4 описана реализация алгоритма управления прохождением через зону резонанса в виртуальной лабораторной установке, а в главе 5 приводятся результаты разработки информационного портала РУСИКОН.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Томчин, Дмитрий Александрович

Заключение

В диссертации рассмотрены актуальные задачи управления прохождением через зону резонанса для систем с несколькими степенями свободы, когда несущее тело совершает возвратно-поступательные, вращательные или плоские движения.

Получены следующие основные результаты:

1. Предложена общая постановка задачи управления прохождением через резонанс как задачи управления энергией подсистемы механической системы при ограничении на величину энергии другой подсистемы.

2. Предложены алгоритмы управления прохождением через зону резонанса для нескольких типовых задач: управление разгоном ротора с учетом упругости вала, управление однороторными и двухроторными вибрационными установками.

3. Исследована работоспособность разработанных алгоритмов, получены рекомендации по выбору настроечных параметров алгоритмов и даны качественные оценки робастности синтезированных систем.

4. На основе полученных результатов разработано программное обеспечение виртуальной лаборатории исследования прохождения через резонанс для однороторного вибрационного стенда.

5. Разработана информационная структура и программное обеспечение Интернет-портала РУСИКОН - Российского архива по системам и управлению.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Томчин, Дмитрий Александрович, 2006 год

1. Андриевский Б.Р., Гузенко П.Ю., Фрадков А.Л. Управление колебаниями механических систем методом скоростного градиента // Автоматика и телемеханика, 1996, N4, С. 4-17.

2. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. СПб.: Наука, 1999.

3. Блехман И.И. Самосинхронизация вибраторов некоторых вибрационных машин // Инж. сборн., Т. XVI, 1953.

4. Блехман И.И. Синхронизация динамических систем. М.: Наука, 1971.

5. Блехман И.И. Вибрационная механика. М.: Физматлит, 1994.

6. Блехман И.И., Васильков В.Б., Лавров Б.П., Нагибина О.Л., Томчина

7. П., Фрадков А.Л., Шестаков В.М., Якимова К.С. Способ пуска электродвигателя, приводящего во вращение неуравновешенный ротор. Патент РФ на изобретение N 2161076, 27.12.2000, Бюл. N 36.

8. Герц М.Е. Герц М.М. Авторезонансные колебания в системе с ограниченным возбуждением // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2003. N1.С. 52-56.

9. Гортинский В.В., Хвалов Б.Г. Об одном способе управления запуском колебательной системы с инерционным возбудителем // Механика машин, М.: Наука, 1981, вып.58, С.42-46.

10. Кельзон А.С., Малинин Л.М. Управление колебаниями роторов. СПб.: Политехника, 1992.

11. Кононенко В.О. Колебательные системы с ограниченным возбуждением. М.: Наука, 1964.

12. Малинин Л.М., Первозванский А. А. Оптимизация перехода несбалансированного ротора через критическую скорость // Машиноведение, 1983, N4, С.36-41.

13. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков A.JI. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. СПб.: Наука, 2000.

14. Нейштадт А.И. Прохождение через резонанс в двухчастотной задаче. Докл. АН СССР. 1975, Т.221.

15. Печенев А.В. О движении колебательной системы с ограниченным возбуждением вблизи резонанса // Докл. АН СССР. 1986. Т. 290, № I.e. 2731.

16. Печенев А.В. Осреднение систем с иерархией скоростей вращения фаз на существенно больших интервалах времени // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315, №2. с. 28-31.

17. Сайт Э. Сонтага. http://www.math.rutgers.edu/~sontag/

18. Сайт "Автоматика и роботехника". http://home.polarcom.ru/wtsv/

19. Служба "ИНФОМАГ". http://www.infomag.ru

20. Томчин Д.А., Фрадков A.JI. Научно-информационный портал "РУСИКОН" // Автоматика и телемеханика, N 11, 2003, С. 195-201.

21. Томчин Д.А., Фрадков A.JI. Управление прохождением ротора через зону резонанса на основе метода скоростного градиента // Проблемы машиностроения и надежность машин, N 5,2005, С. 66-71.

22. Управление мехатронными вибрационными установками / Под ред. И.И. Блехмана и A.JI. Фрадкова. СПб.: Наука, 2001, 278с.

23. Фрадков A.JI. Схема скоростного градиента и ее применения в задачах адаптивного управления // Автоматика и телемеханика. 1979, N 9. С. 90 101.

24. Фрадков A.JI. Адаптивное управление сложными системами. М.: Наука, 1990.

25. Шестаков В.М., Епишкин А.Е. Динамика автоматизированных электромеханических систем вибрационных установок. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2005, 94с.

26. Blekhman, I.I., O.L.Nagibina, О.Р. Tomchina and K.S. Yakimova (1997). Control of oscillations in electromechanical systems // Proc.Int.Conf. on Informatics and Control, St.Petersburg, pp.972-979.

27. Control Theory and Engineering Links. http://www.theorem.net/control.html

28. Ewan-Ivanovsky R.M. Resonance oscillations in mechanical systems. Elsevier. Amsterdam, 1976.

29. M. Exel, F. Michau, S. Gentil. A web-based simulation workshop for digital control. // Proc. European Contr. Conf. ECC'99, Karlsruhe, Germany.

30. Fidlin A. Nonlinear Oscillations in Mechanical Engineering. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2006.

31. Fradkov, A.L. Swinging control of nonlinear oscillations // Int. J. of Control, 64(6), 1996, pp. 1189-1202.

32. A. Fradkov, D. Tomchin. Speed-gradient control for passage of unbalanced rotor through resonance in plane motion // Preprints of 6th IF AC Symposium on Nonlinear Control Systems (NOLCOS 2004), Stuttgart, Germany. 2004.

33. Fradkov, A.L., I.A. Makarov, A.S. Shiriaev and O.P. Tomchina (1997). Control of oscillations in Hamiltonian systems // Proc. 4th European Contr.Conf. Brussels, TH-M-G-6,1997.

34. H.H. Hahn, M.W. Spong. Remote Laboratories for Control Education // Proc. of the 39th Conference on Decision and Control, Sydney, Australia, 2000.

35. Institute of Electrical and Electronical Engineers, http://www.ieee.org

36. International Federation of Automatic Control. http://158.42.53.29:8080/index.htm

37. L.Ylasic. IFAC Control Resources. http://www.griffith.edu.au/centre/icsl/edcom/ifac50

38. Jankovic, M., D. Fontaine and P.V. Kokotovic (1996). TORA example: Cascade and passivity based designs // IEEE Trans. Control Systems Technology, v. 4, pp. 292-297.

39. Kinsey, R.J., D.L.Mingori and R.H.Rand. Nonlinear controller to reduce resonance effects during despin of a dual-spin spacecraft through precession phase lock//Proc. 31th IEEE Conf.Dec.Contr, 1992, pp. 3025-3030.

40. T.Lohl, S. Pegel, K.-U. Klatt, S. Engell, Chr. Schmid, A. Ali. DynaMit -learning system dynamics using multimedia. // Proc. European Contr. Conf. ECC'99, Karlsruhe, Germany.

41. NETLIB. http://www.netlib.org/

42. Rand, R.H., R.J. Kinsey and D.L. Mingori. Dynamics of spinup through resonance // Intern. J. of Nonlinear Mechanics, vol. 27, no.3,1992, pp.489-502.

43. K. Schilling, T.M. Adami, R.W. Irwin. A Virtual Laboratory for Space Systems Engineering Experiments II Preprints of 15th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace, Bologna, Italy, 2001, pp. 326-331.

44. C. Schmid. New Trends in Control Engineering Education // Proc. 2nd IFAC Workshop "New Trends in Design of Control Systems", Smolenice, Slovak Republic, 1997, pp. 116-121.

45. Sommerfeld A. Beitrage zum dynamischen Ausbau der Festigkeitslehre //Zeitsch. VDI. 1902. -Bd.XXXXVI, No 11.

46. SIAM (Society of Industrial and Applied Mathematics), http://www.siam.org

47. Tomchin D. Design of control algorithm for passage through resonance of flexural-and-torsional oscillations of a shaft with unbalanced rotor // Preprints of 10th Baltic Olympiad on Automatic Control, pp. 61-65.

48. Tomchina, O.P. (1997). Passing through resonances in vibratory actuators by speed-gradient control and averaging // Proc. Int. Conf. "Control of Oscillations and Chaos", IEEE, St.Petersburg, v.l, pp. 13 8-141.

49. Tomchina, O.P., Nechaev K.V. Controlling passage through resonances inthvibratory actuators // Proc. 5 European Contr. Conf.,Karlsruhe, Sept. 1999.

50. Tomchina O.P., Shestakov V.M., Nechaev K.V. Start-up mode control for electrical drives of vibrational units // Proc. 2nd Intern. IEEE-IUTAM Conf. "Control of Oscillations and Chaos" (COC 2000) St.Petersburg, July 5-7, 2000, pp.509-512.

51. Virtual Control Lab, Bochum University. http://www.esr.ruhr-uni-boehum.de/V CLab/

52. Virtual Control Engineering Library. http://www-control.eng.cam.ac.uk/extras/VirtualLibrary/ControlVL.html

53. Wan, C.-J., D.S. Bernstein and V.T. Coppola (1994). Global stabilization of the oscillating eccentric rotor // Proc. 34th IEEE Conf.Dec.Contr., pp.4024-4029.