авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Алгоритмичекое и программное обеспечение управления приводом исполнительных механизмов с предсказанием внешней нагрузки

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МАРЧЕНКО Юлия Андреевна

АЛГОРИТМИЧЕКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ПРЕДСКАЗАНИЕМ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ

Специальность:

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2011

Работа выполнена в
Московском государственном университете инженерной экологии

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Гданский Николай Иванович

Научный консультант:

Кандидат технических наук, доцент

Карпов Александр Викторович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Большаков Александр Афанасьевич

Кандидат технических наук, доцент

Чижиков Валерий Иванович

Ведущая организация:

ОАО НПО "Химавтоматика" г. Москва

Защита состоится 24 февраля 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии, по адресу:

105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

Автореферат разослан ”____”______________2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Мокрова Н.В.

д.т.н., доцент

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В работе рассмотрено программное управление по заданному закону приводом вращательного движения, входящего в состав иерархической системы управления. Решение данной задачи актуально для сложных устройств, содержащих механические узлы.

Наибольшие трудности вызывает автоматизация таких производственных процессов, в которых внешняя нагрузка, действующая на исполнительные органы оборудования, изменяется сложным непредсказуемым заранее образом. Такой характер нагружения является типичным при выполнении многих основных и вспомогательных операций на химических, биотехнологических и других производствах. Это взятие проб, доставка и загрузка сырья, съем готовой продукции и т.д.

Цифровые системы управления имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми, особенно – при управ­­лении нестационарными процессами. Появление современных микроконтроллеров, обладающих значитель­ной памятью и быстродействием, дает возможность строить на их осно­ве адаптивные цифровые алгоритмы управления приводами, имеющие достаточно сложную математическую и программную структуру, учитывающую существенные стороны объекта и процесса управления. В том числе, появляется возможность практически реализовать для механических систем идеи управления с предсказанием.

Ряд компаний (Сименс, Омрон и др.) поставляют готовые закрытые СУ механическими узлами. Основные их недостатки: 1) высокая стоимость, 2) ограниченный стандартный набор алгоритмов управления. Они в значительной мере снимаются за счет использования контроллеров с открытой архитектурой, рассчитанных на массовое производство.

Цель работы. Разработка методов адаптивного цифрового управления перемещением привода по заданной траектории при неизвестном законе изменения внешней нагрузки.

Методы исследования. В исследованиях приме­нены методы математического анализа, численных методов, геометрического моделирования, теории оптимизации. Программное обеспечения разра­ботано в объектно-ориентиро­ван­ной среде программирования MS VC++.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Разработан метод построения оптимальной опорной ломаной линии, равномерно приближающей траекторию перемещения с заданной точностью, дающий минимально возможное число узлов ломаной.

2. Предложен общий метод моделирования внешней нагрузки, приведенной к исполнительному органу, учитывающий раз­дельный учет силовых факторов, действующих на управляемое звено.

3. Разработан общий метод построения модели нагрузки заданного

порядка. На его основе построены модели нулевого и первого порядков.

- 4 -

Для модели первого порядка исследована область адекватности, найден оптимальный ме­тод усреднения коэффициентов.

4. Разработан алгоритм расчета управляющего воздействия при перемещении исполнительного органа по заданной траектории с необходимой точностью, предназначенный для реализации в двухуровневой иерархической системе управления.

Практическая значимость

1. Разработан опытный стенд для экспериментального исследования предложенных алгоритмов управ­ле­ния.

2. Создано программное обеспечение для практического применения алгоритмов, данных в работе.

3. Результаты исследования внедрены в учебный процесс МГУИЭ.

4. Полученные в работе результаты внедрены в ООО "Брамтех".

Апробация работы. Результаты представлены на конференциях: VI МНПК “Экологические проблемы индустриальных мегаполисов” (Донецк, 2008), Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22 (Псков,2009), Летней школе молодых ученых (Иваново, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, 1 из которых в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Текст диссертации содержит 136 страниц, 30 рисунков, 5 таблиц и 3 приложения.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, обозначены цели и задачи исследования, описаны результаты работы.

В первой главе диссертации приведен обзор литературы, электронных источников и выполнен их анализ с точки зрения темы исследования. Рассмотрено предсказание в технике, эко­но­мике, основные виды постановки задач перемещения в системах с одной степенью свободы, а также традиционный подход к динамическому анализу систем с одной степенью свободы, основанный на приведении сил и масс.

В конце главы дан краткий анализ выполненного обзора и на его основе сформулирована постановка задачи исследования.

1. Для унификации кинематической информации о законе движения построить оптимальный алгоритм равномерного приближения произвольной непрерывной функции (t) опорной ломаной. Критерий оптимальности – минимум числа узлов аппроксимирующей ломаной.

2. Построить модель внешней моментной нагрузки на вал привода такой структуры, в которой: а) порядок модели обозначает максимальный порядок используемых частных производных, б) реализован раз­дельный учет силовых факторов, обусловленных, с одной стороны, процессами,

- 5 -

происходящими в самой управляемой систе­ме, а с другой - фак­торов, вызванных перемеще­нием управляемого вала, в) предусмотрена возможность построения моделей различного порядка.

3. Разработать общий метод построения модели нагрузки и его вариант для случая измерения углов поворота вала инкремент­ным пре­­образователем.

4. На основе общего подхода дать методы определения коэффициентов модели нагрузки нулевого и первого порядков. Исследовать адекватность данных моделей, произвести их численное исследование.

5. На основе анализа режимов работы реальных контроллеров разработать общую структуру подсистемы управления нижнего уровня, а также

логическую структуру алгоритмов для управления программным перемещением вала привода.

6. Для практической проверки предложенных алгоритмов управления разработать опытный стенд.

Вторая глава посвящена построению равномерного приближения непрерывных функций (t) опорными ломаными. Условие равномерного отклонения ломаной L от кривой (t) имеет вид:

(t) = |(t) L(t) | = |(t) i (t ti) tg i | , (1)

где (t) - значение точной функции, а L(t) - значение ординаты точки на ломаной с абсциссой t.

Вначале рассмотрен простейший алгоритм, при котором все узлы ломаной L лежат на самой кривой (t), т.е. i = (ti). Общее число узлов L равно N= ]D/[, где D - общее изменение кривой по ординате. Он прост в реализации, но не оптимален. Для достижения теоретического минимума числа N узлов ломаной необходимо отказаться от при­надлежности ее узлов исходной кривой (t).

Постановка задачи построения очередного оптимального звена si лома­ной L для функция (t) на участ­ке t [ti; tк] сформулирована следующим образом: по начальному узлу Li = (ti; i) построить конечный Li+1 = (ti+1; i+1), для которого: ti+1 > ti ; разность (ti+1 ti) максимальна и для всех точек t от­­резка [ti; ti+1 ] выполняется условие (1).

Из геометрических свойств полиномов первой степе­ни, дающих наи­лучшее равномерное приближение функции на задан­ном отрезке, вытекают следующие общие свойства оптимального решению.

1. Если не достигнута конечная точка tк, то график (t) на оптимально вы­бранном звене ломаной всегда лежит меж­­ду двумя параллельными отрезками, расстояние между которыми по оси ор­­ди­нат равно 2. Они названы граничными, часть плос­кости между ними – ограничивающей полосой (полосой). Один отрезок всегда касается графика (t) (рис.1), второй в конечной точке пересекает его. Начальная точка Li звена si ло­-

- 6 -

ма­ной всегда лежит между начальными точ­­ками А и В граничных от-

резков, а начальная точка кривой Фi может совпадать как с начальной точкой нижнего граничного от­резка В, так и с начальной точкой А верх­не­­го (рис.1). Обозначая через U и V углы наклона верхнего и нижнего граничных отрезков полосы, в этих случаях получим условие: U =V.

Число касаний кривой с границами полосы может быть уменьшено до 1 только при достижении конечной точки tк. В этом случае выполняется условие: U <V. Т.е., для углов наклона граничных отрезков полосы звена, удов­летворяющего (1), должно выполняться условие: U V. (2 а)

Аналогичное со­от­но­шение выполняется для тангенсов: tg(U) tg(V). (2 б)

Выбор положения начальной точки L0 звена s0, у которого i = 0; ti= tн, производится с учетом величины второй производной функ­ции (t) в точке tн. Численный алгоритм решения задачи построения оптимальной аппрок­симирующей ломаной представлен блок-схемой на рис.2.

Для экспериментальных исследований предлагаемых алгоритмов управления разработан опытный стенд, в котором циклически по повороту рабо­чего вала обеспечивается переменная внешняя нагрузка. Он был изго­тов­лен по гранту ”Создание научно-учебного стенда для иссле­до­вания компьютерного управления приводами постоянного тока” (№ 9/П), вы­пол­нявшегося в МГУИЭ с 20 апреля по 20 ноября 2009 г. Общая конструкция стенда дана на рис.3.

В стенде использован мотор-редуктор типа IG32РGM – 01 производства Shayang Ye Industrial Co Ltd (КНР). Его номинальный крутящий момент равен 0,76 Нм, обороты холос­того хода на выходном валу редуктора равны 97 об/мин. На рабочем валу установлен преобразователь угловых перемещений ЛИР-350А.000ПС2 (инкрементный энкодер) производства СКБИС (С-Петербург). Число штрихов его измеритель­ного лимба равно 3600, что соответствует 6 угловым минутам (6).

Из условия цикличности, однонаправленности и неравномерности вращения вала была задана тестовая функция перемещения вала:

(3)

Глава 3 посвящена математическому обоснованию предлагаемого метода моделирования внешней нагрузки на рабочем валу.

В качестве упрощенной модели при­вода принят рабочий вал. К нему, с одной стороны, приложен обобщенный при­веденный момент сил

- 7 -

Рис.2.Блок-схема алгоритма построения оптимальной ломаной

- 8 -

Рис.3. Общая конструкция экспериментального стенда. 1 – осно­ва­ние, 2 – стойка, 3 – подшипник скольжения, 4 – рабочий вал, 5 – муфта, 6 – мотор-редуктор, 7 – энкодер, 8 – эксцентрик, 9 – внешняя часть эксцентрика, 10 – шатун, 11 – ползун, 12 – направляю­щие, 13 – микро­конт­рол­лер, 14 – драйвер, 15 – USB-порт, 16 – компьютерный блок.

сопротивления M, с другой – приведенный момент движущих сил Mд. Вал снабжен датчиком углового перемещения, который регистрирует дискретные значения угла поворота вала i. Точки (ti, i) на графике перемещений вала (t) обозначены Рi.

Приведенный момент движущих сил Mд обусловлен действием двигателя. Его работа на отрезке [ti; ti +1] равна , где U(t) – питающее напряжение двигателя, I(t) – сила тока в питающей цепи двигателя, д(t) – его КПД.

Приведенный момент сил сопротивления M обуслов­лен действием на рабочий вал и связанные с ним детали сил самой различной природы.

Работу их на промежутке [ti; ti+1] выразим через момент сил M() и зависимость (t): . (4)

Пренебрегая потерями механической энергии в системе, полагаем, что работа сил движущих Адi за отрезок времени [ti; ti+1] равна работе сил сопро­тивления Аci: Адi = Аci.

Приведенный момент сил сопротив­ления М, с одной стороны, cодержит составляющие, изменяющиеся только по времени t и не связанные с законом движения вала (t). С другой стороны, М зависит от

(t) (вязкое трение, инерционные нагрузки и др.). Т.о, нагрузка M является функцией как t, так и (t): M=M(t, (t)). В качестве модели внешней на­грузки принят век­торM k из постоянных величин, имеющих физический смысл усред­ненных значений частных производных от M по параметрам t, , харак­теризующих построенную на основе предсказания модель внешней на­грузки. Индекс k обозначает максимальный порядок производных (по­рядо­к модели). При фиксированных коэффициентахM k и переменных параметрах движения мгновенную величину

M(t, (t)) представим в виде скалярного произведения:

- 9 -

M(t,(t)) = (M k,k(t)), (5)

где векторk(t) назван вектором кинематических характеристик.

При таком представлении M для расчета управ­­­ляющего воздействия в системе принята работа А, которую дол­жен совершать двигатель на заданном периоде им­пульсного управления. Не­об­ходимая ее величина на отрезке [ti, ti+1] как функция t будет рас­счи­тывается по формуле: . (6)

Предложен следующий общий алгоритм расчета моделейM k.

1. Сглаживание получаемых входных данных {Рiи = (tiи,iи)} и {Аiи}. 2. Интерполирование траектории движения вала по ее узлам {Рi =(ti,i)}. Поскольку в кинематические векторы k моделейMk при k>0 входят про­изводные ds/dts от s=1 до s=k, то для расчета коэффициентовMk при k >1 необходимо построение непрерывной кривой (t) гладкости (k 1), проходящей через узловые точки {Рi =(ti,i)}.

3. Расчет исходной совокупности {Мik}j коэффициентов моделиM k. По сглаженным значениям {Рi =(ti,i)} и {Аi} с учетом интерполирующей кривой (t) выполняется расчет на скользящих совокупностях коэффициентов моде­ли {Мik}j.

4. Финишная фильтрация коэффициентов моделиM k. По вычисленным множествам значений {Мik}j выполняется их усреднение.

Для практической реа­лизации общего алгоритма необходимо предварительное решение ряда частных задач. Рассмотрим их.

Совместная фильтрация моментов времени и работы, совершен­ной двигателем. При использовании инкрементных энк одеров углы по­во­рота вала, кратные некоторому постоянному угловому ша­гу h, преобра­зуются в выходные импульсные сигналы. За счет введения переменной = ( – 0)/h, предложено перейти от вещественных углов {0; …;n } к дискретному набору значений { 0=0; 1=(±)1; …; n = ±n}. Измеренные узлы траекторииРi = (tiи, iи) имеют координа­тыRiи = (iи, ±i) и образуют равномерную сетку по углу . Для сохранения ее разработан алгоритм, в котором совместная фильтрация моментов времени и работ обеспечивается последовательной коррекцией положений моментов времени, длин отрезков между ними и значений работ на них.

Финишное усреднение расчетных значений коэффициентов

При использовании (n +1) узла траекторииRi = (i,i), (0 i n) и соответствующей кривой () рас­чет коэффициентов моделиM k максимально может быть выполнен на (np+1) совокупности скользящих подряд расположенных участков.

- 10 -

При расчете на каждой совокупности Sj (0 jnp) из участков [Rj,Rj+1][Rj+p-1,Rj+p] возможны 2 ситуации: 1) на Sj мо­дель существует, ее ко­эф­­фициен­ты обозначим ихM kj, 2) модельM k на Sj не определена, множество ее коэф­фициен­товM kj =. Основным весовым коэффи­циента моделиM kj принята суммарная длина lj всех отрезков Sj. Так как при сглаживании входных данных крайние точкиR0и иRnи не преобразуются, то крайние совокупности отрезков при j = 0 (S0) и j = np (Sn-p) отбрасываются.

Алгоритм усреднения набора коэффициентов моделиM kj при задан­ном законе распределения весовых коэффициентов.

1. Исходя из положения текущей совокупности отрезков Sj (1 j np1) и результатов построения модели на ней рассчитываются значения до­пол­ни­тельного весового коэффициента, который обозначим Cj:

(7а)

где функция k(j) задает закон распределения весовых коэффициентов, по которому осуществляется усреднение.

2. Затем оценивается выполнение критерия существования модели нагрузки порядка k путем проверки условия:

(7б)

где величина Sк(max) равна максимально возможной (при всех Cj=k(j)) сумме значений коэффициентов при всех компонентах моделей {M kj }.

3. Если (7б) не выполнено, то считаем, что по полученным данным модельM k не может быть построена и необ­ходимо понизить порядок модели k или использовать другие алгоритмы управления. Если же (7б) выполнено, то искомые усредненные коэффи­циенты модели рассчиты­ваются по формуле:

(7в)

Рассмотрены аналоги следующих законов усреднения, которые характеризу­ют­ся соответствующими функциями k(j): 1) равномерное усреднение (k1(j) =1); 2)ли­нейное усреднение с максимумом в конце расчетного участка (k2(j) = j), 3) линейное усреднение с максимумом в середине расчетного участка. (k3(j) = 0,5(n p) | 0,5(n p) j |), 4) синусное усреднение с максимумом в сере­дине расчетного участка (k4(j) = sin(j /(n p))), 5) синусное усреднение с мак­симумом на правом краю расчетного участ­ка. k5(j) = sin(0,5j/(n p)), 6) линейно-синусное (смешанное) усреднение с максимумом в середине рас­четного участка (u(j)=1|12j/(np)|, k6(j)= u(j) sin(2 u(j))/(2)).

- 11 -

Исследование качественных показателей методов расчетаM k.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.