Позиционный электропривод с переменной структурой в канале управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Бушев, Александр Валериевич

• Бушев, Александр Валериевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бушев, Александр Валериевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МЕТОДОВ ТЕОРИИ

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.

1.1. Обзор требований предъявляемых к системе управления позиционным электроприводом.

1.2. Анализ методов теории автоматического управления, применяемых в системах управления электроприводами.

Выводы.

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПОЗИЦИОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ.

2.1. Математические модели исполнительных двигателей.

2.2 Математическая модель момента сопротивления, обусловленного силами трения.

2.3. Средства измерения и ограничения переменных состояния объекта управления.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЗИЦИОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ.

3.1. Формализация задачи построения системы управления.

3.2. Структура системы управления для больших и средних отклонений.

3.2.1. Структура системы при настройке на максимальное быстродействие.

3.2.2. Структура системы при настройке на экономию энергии.

3.3. Структура робастной системы управления.

3.4. Оценка скорости вращения при использовании дискретного датчика положения.

3.5. Структура системы управления для малых отклонений.

Выводы.

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

4.1. Особенности программной и практической реализации разработанной системы управления.

4.2. Идентификация параметров математических моделей.

4.3. Моделирование позиционного электропривода с разработанной системой управления.

4.4. Экспериментальные исследования позиционного электропривода с разработанной системой управления.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Позиционный электропривод с переменной структурой в канале управления»

Актуальность темы. Современные технологические процессы состоят из множества операций, среди которых операция позиционирования является одной из наиболее распространенных. Среди многочисленных систем позиционирования широкое распространение получили электромеханические системы на базе электроприводов различного типа. Эти системы используются в промышленных роботах, манипуляторах, конвейерах и другом технологическом оборудовании.

Поскольку позиционный электропривод осуществляет перемещение исполнительного механизма из одной точки пространства в другую, основным требованием, предъявляемым к нему, является достижение заданной точности позиционирования за минимальное время.

На сегодняшний день наиболее распространенным видом систем управления позиционными электроприводами являются системы, построенные по принципу подчиненного регулирования параметров. Такие системы предполагают описание объекта управления в виде системы линейных дифференциальных уравнений. Однако часто наибольшую часть приведенного момента сопротивления движению составляет момент, создаваемый силами трения, математическое описание которого не поддается линеаризации при малых скоростях перемещения исполнительного механизма, что имеет место при отработке средних и малых перемещений. Поэтому при синтезе системы управления позиционным электроприводом и его моделировании необходимо применять математические модели, которые позволяют учитывать нелинейность момента сопротивления, обусловленного силами трения.

Для нескольких электроприводов, осуществляющих согласованное позиционирование исполнительных механизмов, наряду с традиционными требованиями быстродействия и точности встает проблема минимизации энергопотребления. Это объясняется тем, что быстродействие многокоординатной позиционной системы определяется электроприводом, осуществляющим наиболее длительную операцию позиционирования исполнительного механизма. В этом случае электропривод должен работать с максимальным быстродействием, тогда как остальные приводы могут работать более медленно, обеспечивая экономию потребляемой энергии посредством торможения за счет влияния диссипативных сил. В качестве примеров технических систем, выполняющих многокоординатное позиционирование исполнительных механизмов, можно рассматривать координатно-пробивочные прессы, портальные манипуляторы, многокоординатные обрабатывающие центры. Схожая проблема встает при согласовании процесса позиционирования исполнительного механизма с другими технологическими операциями, когда увеличение продолжительности операции позиционирования не сказывается на общей продолжительности технологического цикла (работа электроприводов манипуляторов в условиях конвейерной сборки).

Подытоживая все вышеописанные проблемы, можно сделать вывод, что актуальными задачами являются:

- во-первых, разработка алгоритма управления позиционным электроприводом, позволяющего осуществлять позиционирование исполнительного механизма с быстродействием, близким к максимальному;

- во-вторых, сокращение энергопотребления привода в соответствии с требуемым временем процесса позиционирования. В обоих случаях момент сопротивления определяется влиянием сил трения

Целью диссертационной работы является создание системы управления позиционным электроприводом, обеспечивающей необходимый уровень быстродействия или экономичности, исходя из условий технологического процесса, когда значительная часть момента сопротивления определяется влиянием диссипативных сил.

Основные задачи, решаемые в диссертации:

1. Синтез законов оптимального управления позиционным электроприводом при максимальном быстродействии и минимальном расходе управляющего тока с учетом влияния момента сопротивления, создаваемого силами трения.

2. Синтез системы управления позиционным электроприводом, обеспечивающей протекание переходных процессов с необходимым быстродействием или экономичностью, при стационарных параметрах модели сил трения и исполнительного механизма.

3. Разработка способа наделения разработанной системы управления свойством грубости к изменениям параметров модели сил трения и исполнительного механизма.

4. Экспериментальные исследования разработанной системы управления.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

• Алгоритм управления позиционным электроприводом, основанный на использовании аппроксимации линий переключения полиномами, обеспечивающий заданные показатели быстродействия или экономичности.

• Способ аппроксимации линий переключения, основанный на применении метода Галёркина для решения дифференциального уравнения, соответствующего системе, описывающей динамику позиционного электропривода.

• Алгоритм управления позиционным электроприводом, обладающий свойством грубости к изменениям параметров модели сил трения и исполнительного механизма.

Методы исследования. Теоретические исследования, приведенные в работе, базируются на математической теории оптимального управления. Применяются также метод фазовой плоскости и прямые методы решения дифференциальных уравнений. При создании математической модели и проведении имитационного моделирования использовались программные пакеты MatLab/Simulink, MathCad. Экспериментальная часть исследования проводилась на специально созданном испытательно-демонстрационном стенде с использованием цифрового сигнального контроллера TMS320F2812, специально разработанного транзисторного преобразователя и стандартного двигателя постоянного тока с импульсным энкодером. Программирование сигнального контроллера проводилось на языке С при помощи стандартной для данного контроллера среды разработки Code Composer Studio.

Практическая значимость работы. Разработана система управления позиционным электроприводом, позволяющая осуществлять перемещения исполнительного механизма при заданных показателях быстродействия или энергопотребления.

Предложены алгоритмы самостоятельной адаптации системы управления к изменениям параметров исполнительного механизма. Разработан способ наделения системы управления свойством грубости к неконтролируемым изменениям параметров исполнительного механизма.

Система управления реализована на серийно выпускаемом современном цифровом сигнальном (микроконтроллере.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль», Тольятти, 2006г.; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», Тольятти, 2004г.; Всероссийской научно-технической конференции

Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 2004г.; Региональной научно-технической конференции «Научные чтения студентов и аспирантов», Тольятти, 2005г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7-ми научно технических статьях и материалах конференций, из которых две работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Новые научные положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм управления позиционным электроприводом, использующий аппроксимацию линий переключения полиномами и обеспечивающий заданные показатели быстродействия или экономичности;

2. Способ получения линий переключения в виде полипомов, использующий метод Галёркина для решения задачи оптимального управления позиционным электроприводом;

3. Способ наделения разработанной системы управления свойством грубости к изменениям параметров модели сил трения и исполнительного механизма;

11

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, в том числе 60 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 71 наименование используемых источников.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Бушев, Александр Валериевич

Выводы

В четвертой главе приведены особенности программной и практической реализации разработанных законов управления. Получен закон управления (4.1), удобный при практической реализации.

Проведена идентификация параметров математической модели исполнительного двигателя постоянного тока электромагнитного возбуждения ЭП-110/125УЗ, используемого в экспериментальной установке

Проведена идентификация статической и динамической моделей момента сопротивления, обусловленного силами трения. Выполнено сравнение полученных моделей с экспериментальными результатами.

Проведено математическое моделирование позиционного электропривода с каждой из разработанных систем управления, в том числе:

• Работа системы управления при известной математической модели объекта управления;

• Работа системы управления (4.1) при изменении параметров объекта управления без перенастройки параметров линии переключения;

• Работа робастной системы управления (4.1) при изменении параметров объекта управления без перенастройки параметров линии переключения;

• Сравнение разработанной системы управления с системой управления, построенной на принципе подчиненного регулирования параметров.

Проведены экспериментальные исследования работы позиционного электропривода при использовании системы управления, построенной на базе алгоритма управления (4.1) и робастного алгоритма управления. Проведено сравнение переходных процессов, полученных в ходе экспериментальных исследований, с переходными процессами, полученными в ходе моделирования. if i { I

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы можно выделить следующие основные результаты:

1. Разработан алгоритм управления позиционным электроприводом, позволяющий производить настройку его быстродействия и энергопотребления в соответствии с требованиями технологического процесса, когда значительная часть момента сопротивления обусловлена влиянием диссипативных сил.

2. Предложен способ получения линий переключения в виде полиномов, использующий метод Галёркина для решения задачи оптимального управления позиционным электроприводом.

3. Предложен способ наделения разработанного алгоритма управления свойством грубости к изменениям параметров модели сил трения и исполнительного механизма.

4. Работоспособность синтезированного алгоритма управления проверена с помощью моделирования в системе Matlab/Simulink и экспериментальной реализации на современной элементной базе, как при предварительном расчете параметров линии переключения по известным параметрам исполнительного двигателя и исполнительного механизма, так и при использовании робастного алгоритма управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бушев, Александр Валериевич, 2008 год

1. Александров В.В. Оптимальное управление движением / В.В. Александров и др.. -М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. 376 с.

2. Алексеев, В.М. Оптимальное управление 2-е изд. / В.М. Алексеев, В.М. Тихомиров, С.В. Фомин. -М. : Физматлит, 2005. - 384 с.

3. Аракелян, А.К. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод/ А.К. Аракелян. -М. : Энергоатомиздат, 1997. 509 с.

4. Аракелян, А.К. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором/ А.К. Аракелян. М. : Энергия, 1977. - 224 с.

5. Афанасьев, В.Н. Математическая теория конструирования систем управления: учеб. пособие/ В.Н. Афанасьев, В.Б. Колмановский, В.Р Носов. -М. : Высш. Школа, 2003.

6. Башарин, А.В. Управление электроприводами: учеб. пособие / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. Л. : Энергоиздат, 1982. -392 с.

7. Болтянский, В.Г. Математические методы оптимального управления / ВТ. Болтянский. М. : Наука, 1968. - 408 с.

8. Борцов, Ю.А. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением / Ю.А. Борцов, Н.Д. Поляхов, В.В. Путов. -М. : Энергоатомиздат, 1984. -216 с.

9. Бушев, А.В. Полиномиальный подход к синтезу квазиоптимального по быстродействию электропривода с переменной структурой / А.В. Бушев // Мехатроника, автоматизация управление. — 2006. № 1 С. 1821.

10. Бушев, А.В. Система управления электроприводом с переменной структурой / А.В. Бушев, В.А. Бушев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2006. С. 65-70.

11. Демидович, Б.П. Численные методы анализа. Приближение функций. Дифференциальные уравнения / Б.П. Демидович, И.А. Марон, Э.З. Шувалова. -М. : Наука, 1967. 368 с.

12. Дыхта, В.А. Оптимальное импульсное управление с приложениями / В.А. Дыхта, О.Н. Самсонюк. -М. : Физматлит, 2000.-256 с.

13. Дьяконов, В.П. VisSim+Mathcad+MATLAB Визуальное математическое моделирование / В.П. Дьяконов. М. : COJIOH-Пресс, 2004.-384 с.

14. Ильинский, Н.Ф. Общий курс электропривода: учеб. пособие / Н.Ф. Ильинский, В.Ф. Казаченко. М. : Энергоатомиздат, 1992. - 544 с.

15. Кванернаак, X. Линейные оптимальные системы управления / X. Кванернаак, Р. Сиван. -М. : Мир, 1977. 653 с.

16. Кенио, Т. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами : пер. с англ. / Т. Кенио, С. Нагамори. М. : Энергоатомиздат, 1989 -184 с.

17. Ким, Д.П. Теория автоматического управления. Т. 2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы: учеб. пособие / Д.П. Ким. М. : Физматлит, 2004. - 464 с.

18. Ким, Д.П. Теория автоматического управления. Т.1. Линейные системы: учеб. пособие / Д.П. Ким. М. : Физматлит, 2003. - 288 с.

19. Ключев, В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода / В.И. Ключев. -М. : Энергия, 1971.-320 с.

20. Ключев, В.И. Теория электропривода: учебник для вузов / В.И. Ключев. -М. : Энергоатомиздат, 1985. 560 с.

21. Ключев, В.И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: учебник для вузов / В.И. Ключев, В.М. Терехов. М. : Энергия, 1980.-360 с.

22. Колесников, А.А. Синергетика и проблемы теории управления / А.А. Колесников. М. : Физматлит, 2004. - 504 с.

23. Колесников, А.А. Синергетическая теория управления / А.А. Колесников. -М. : Энергоатомиздат, 1994. 344 с.

24. Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. / И.П. Копылов - М. : Высш. шк., 2001. - 327 с.

25. Красовский, А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование / А.А. Красовский М. : Наука, 1973. - 558 с.

26. Круглов, В.В. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети / В.В. Круглов, М.И. Дли, Р.Ю. Голунов. М. : Физматлит, 2001. - 224 с.

27. Москаленко, В.В. Электрический привод: учеб. пособие / В.В. Москаленко. М. : Мастерство: Высш. шк., 2000. - 365 с.

28. Неймарк Ю.И. Динамические модели теории управления / Ю.И. Неймарк, Н.Я. Коган, В.П. Савельев. М. : Наука, 1985. - 400 с.

29. Нечеткие множества в-л,моделях управления искусственного интеллекта / А.Н. Аверкин и др.. М. : Наука, 1986. - 316 с.

30. Петров, В.В. Нелинейные сервомеханизмы / В.В. Петров, А.А. Гордеев. М.: Машиностроение, 1979. - 471 с.

31. Петров, Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления / Ю.П. Петров. -М. : Энергия, 1965. 220 с.

32. Попов, Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных системах / Е.П. Попов. -М. : Наука, 1973. 241 с.

33. Решмин, Б.И. Проектирование и наладка систем подчиненного регулирования электроприводов / Б.И. Решмин,, Д.С. Ямпольский. -М.: Энергия, 1975.-184 с.

34. Рудаков, В.В. Электроприводы с программным управлением и последовательной коррекцией / В.В. Рудаков J1. :Изд-во ЛГИ, 1990. -104 с.

35. Сафонов, Ю.М. Электроприводы промышленных роботов / Ю.М. Сафонов -М. : Энергоатомиздат, 1990. 176 с.

36. Симаков, Г.М. Развитие теории и основы построения быстродействующего позиционного микроэлектропривода постоянного тока с разрывным управлением : дис. . док. тех. наук : защищена 19.05.2005 / Г.М. Симаков. М. : ПроСофт-М, 2006. - 349 с.

37. Справочник по теории автоматического управления / под ред. А.А. Красовского. М. : Наука, 1987. - 712 с.

38. Уткин, В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления / В.И. Уткин. М. : Наука, 1981.-360 с.

39. Флетчер, К. Численные методы на основе метода Галеркина: пер. с англ. / К. Флетчер М. : Мир, 1988. - 352 с.

40. Чен, К. MATLAB в математических исследованиях: пер. с англ. / К. Чен, П. Джиблин, А. Ирвинг. М. : Мир, 2001. - 346 с.

41. Чиликин, М.Г. Теория автоматизированного электропривода: учеб. пособие / М.Г. Чиликин, В.И. Ключев, А.С. Сандлер. М. : Энергия, 1979.-616 с.

42. Яковлев, В.Б. Адаптивные системы автоматического управления / В.Б. Яковлев. Л. : ЛГУ, 1984 - 204 с.

43. ACI31: system document. Texas Instruments, 2005. - 35 p.

44. Aissaoui, A.G., Abid H., Abid M'. Fuzzy sliding mode control for a self-controlled synchronous motor drives / A.G. Aissaoui, H. Abid, M. Abid // Technical Acoustics. 2005. № 16.

45. Amer, S., Hsia T.C., Rida T. Sliding Mode Control Of Two Arms Manipulating a Flexible Beam / S. Amer, T.C. Hsia, T. Rida // International Symposium on Robotics. 19-21 April 2001.

46. Brockett, R. W. New issues in the mathematics of control / R. W. Brockett Mathematics Unlimited and Beyond@ Springer, 2001. - 25 p.

47. Canudas de Wit, C., Olsson H., Astrom K. J., Lischinsky P. A New Model for Control of Systems with Friction / C. Canudas de Wit, H. Olsson, K. J. Astrom P // Ieee transactions on automatic control. 1995. - vol. 40. - № 3. - pp. 419-425.

48. Dcmotor: system document. Texas Instruments, 2005. - 35 p.

49. Embree, P. M. С algorithms for real-time DSP / P. M. Embree. Prentice-Hall, 1995. 241 p.56. ezDSP F2812: technical reference. — Spectrum digital, 2003. 46 p.

50. Friction Models and Friction Compensation / C. Canudas de Wit et al. // European J. of Control. 1998. - vol. 4. -№ 3. - pp. 176-195.

51. Gang Tao, S. Adaptive and' Learning Systems for Signal Processing, Communications, and Control/ S. Gang Tao. — John Wiley & Sons Inc. 2003.-637 p.

52. Ha, Q. P. Variable structure systems approach to friction estimation and compensation / Q. P. Ha, A. Bonchis, D. C. Rye, H. F. Durrant-Whyte // Robotics and automation/ 2000. - vol. 4. - pp. 3543-3548.

53. Kalman, R. Contributions to the theory of optimal control / R. Kalman // Bol. Soc. Mat. Mexicana. vol. 5. 1960. p. 102-119.

54. Karnopp, D. Computer simulation of slip-stick friction in mechanical dynamic systems / D. Karnopp // Journal of Dynamic Systems Measurement and Control. 1985.-vol. 100.-№ 1. - pp. 100-103.

55. Kernighan, W., Ritchie M. The С programming language / W. Kernighan, M. Ritchie Bell Laboratories, 1988. - 281 p.

56. Krose, В., Smagt P. An introduction to neural networks / B. Krose, P. Smagt. The University of Amsterdam, 1996. - 135 p.

57. Mazen, A. On friction compensation without friction model / A. Mazen. -Proceedings of the IF AC World Congress, Barcelona, Spain, 2002. pp.235240.

58. Miller, G. Nonlinear Model-Based Friction Compensation in Control Systems / G. Miller Cingston, 1997. - 105 p.

59. PMSM34: system document. Texas Instruments, 2005. - 35 p.

60. Putra, D. Analysis of friction compensation effects in controlled mechanical systems/ D. Putra Coventry, 2006. pp.128-136.

61. Seong-Ik, H. Disturbance Observer Based Sliding Mode Control for the Precise Mechanical System with the Bristle Friction Model / H. Seong-Ik // International Journal of the Korean Society of Precision Engineering. -2003. vol. 4. - № 5. - pp. 5-14.

62. TMS320x28 lx Data Manual Texas instruments, 2004. - 154 p.

63. TMS320x281x DSP Analog-to-Digital Converter (ADC): reference guide. Texas instruments, 2004. - 55 p.

64. TMS320x281x DSP Event Manager (EV): reference guide. Texas instruments, 2004. - 152 p.