Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы мехатроники. Учебник для СПО
.pdf
141
В качестве средства для достижения указанной цели принимается оптимизационный подход, обеспечивающий минимизацию функции штрафа за нарушение динамических ограничений. При помощи данного инструмента можно настраивать параметры нелинейной Simulink-модели, в качестве которых может
быть заявлено любое количество переменных, включая скаляры,
векторы и матрицы. Особую значимость имеет то обстоятельство,
что в процессе настройки могут учитываться неопределенности
параметрического типа математической модели, что позволяет
синтезировать робастные законы управления.
Задание динамических ограничений осуществляется в визуальном режиме. На базе этих ограничений NCD-Blockset автоматически генерирует задачу конечномерной оптимизации так,
чтобы точка экстремума в пространстве настраиваемых параметров соответствовала выполнению всех требований, предъявляемых к качеству процесса. Эта задача решается с привлечением
специализированной процедуры квадратичного программирования из пакета Optimization Toolbox. Ход оптимизации контролируется на экране с помощью отображения графика контролируемого процесса и текущих значений минимизируемой функции.
По завершении процесса его результат фиксируется в рабочем
пространстве.
Для корректирующего устройства выбран ПИД-регулятор со
следующими ограничениями на переходный процесс:
- максимальное перерегулирование — не более 10 %;
- время нарастания — не более 0,1–0,3 с;
- длительность переходного процесса — не более 0,5–0,7 с.
Зададим эти ограничения в окне NCD-блока. Для начала
необходимо настроить его в меню Optimization → Parameters,
зададим параметры оптимизации TK и K, а также настроим
ограничения в соответствии с заданием.
В окне настройки NCD-блока зададим:
- интервал дискретизации — 0,1;
- погрешность — 0,01.
Далее в командной строке окна MatLab зададим начальные
значения варьируемых параметров TK и K. После чего нажимаем
кнопку Start блока оптимизации NCD.
142
В итоге будут сформированы несколько графиков оптимизированной передаточной функции корректирующего устройства.
Далее значения оптимизированных параметров TK и K получаем из командного окна MatLab:
TK = 0,3746;
K = 2,2752.
Вводим корректирующее устройство, как показано на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Структурная система САУ с корректирующим устройством
По графику переходного процесса можно сказать, что он
соответствует заданным критерием качества:
- время нарастания: T
нараст
= 0,25 с;
- время регулирования: Т
рег
= 0,7 с;
- перерегулирование: δ
рег
= 10 %.
Построение САУ на элементах
нечеткой логики
Для построения нечеткого регулятора воспользуемся прикладной программой MatLab FIS Editor и блоком Fuzzy Logic
Controller. Модель САУ электрического привода манипулятора
на элементах нечеткой логики показана на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Структурная схема САУ электрического привода
манипулятора с блоком Fuzzy Logic Controller
143
Вызов MatLab FIS Editor осуществляется командой Fuzzy.
Структурно нечеткий регулятор имеет два входа и один
выход:
e — входное значение ошибки управления;
de — входное значение производной по ошибке;
du — выходное значение производной по управлению.
Зададим ориентировочные значения (Range) для входных и
выходных переменных. Данные значения определяются из модели САУ на линейном корректирующем устройстве, которая
показана на рис. 5.5.
Рис. 5.5. Получение ориентировочных диапазонов
входных и выходных значений нечеткого регулятора
Зададим лингвистические термы и базу правил для входных
и выходной переменных.
Лингвистические термы треугольной формы равномерно
распределены в диапазоне значений от –60 до 60:
Отрицательное_Большое: NB (–60…–25);
Отрицательное_Малое: NS (–50…0);
Близкое_к_Нулю: Z (–25…25);
Положительное_Малое: PS (0…50);
Положительное_Большое: PB (25...60).
База правил для вычисления выходной переменной — значения производной по управлению — приведена на рис. 5.6.
144
Рис. 5.6. База правил для вычисления значения производной
по управлению
Синтез нечеткого регулятора
Синтезируем модель нечеткого регулятора вместо линейного корректирующего устройства на базовом режиме работы
системы, которая показана на рис. 5.7.
Рис. 5.7. Модель нечеткого регулятора
Переходной процесс системы на базе нечеткого регулятора
устойчив, но не удовлетворяет заданным качественным характеристикам, следовательно, требуется дополнительная корректировка входных и выходных параметров нечеткого регулятора.
Для обеспечения соответствия заданным качественным характеристикам необходимо подобрать значения диапазонов изменения (Range) входных и выходной величин нечеткого
регулятора.
145
Анализ качества управления системы прототипа
и синтезированной нечеткой системы регулирования
Проведем сравнительную оценку качества управления САУ
прототипа, структурная схема которой показана на рис. 5.8, и
нечеткой системы регулирования, структурная схема которой
показана на рис. 5.9, путем изменения момента нагрузки Мн от 0
до 10 Нм.
Рис. 5.8. Структурная схема САУ с линейным
корректирующим устройством
Рис. 5.9. Структурная схема САУ на базе нечеткого регулятора
Изменение момента нагрузки не влияет на качество переходного процесса, независимо от типа корректирующего
устройства. То есть применение нечеткой системы регулирования для контроля момента нагрузки не оправдано.
Для проведения сравнительной оценки качества управления
САУ прототипа и нечеткой системы регулирования увеличим
коэффициент kу передаточной функции в два раза, как показано
на структурных схемах на рис. 5.10 и 5.11.
По полученным результатам можно сделать вывод, что изменение передаточной функции влияет в меньшей степени на
качество переходного процесса системы с нечетким регулятором
по сравнению с системой прототипа.
146
Рис. 5.10. Структурная схема САУ прототипа с увеличенным k
у
Рис. 5.11. Структурная схема с нечетким регулированием
при увеличении k
у
Таким образом, система управления с нечетким регулятором
на основе блока Fuzzy Logic Controller по сравнению с линейной
системой управления обеспечивает выполнение требуемого качества переходного процесса при изменении различных параметров системы и возмущающих воздействиях.
5.2. Мехатронные системы с параллельно
управляемыми осями
С развитием сервоприводов и появлением систем управления с расширенными возможностями появился новый тип многокоординатного технологического оборудования с синхронными управляемыми осями без жесткой кинематической связи.
Замкнутая кинематическая цепь обеспечивает более высокую жесткость всей конструкции, но достигается это избыточными конструктивными элементами и утяжелением оборудования. Альтернативой является оборудование с системами управления, позволяющими синхронизировать движение осей за счет
специальных математических методов контроля
Оборудование с синхронно управляемыми осями применяется в следующих технологических процессах:
147
– сборка;
– обработка резанием (сверление, развертывание, растачи-
вание);
– обработка давлением (прошивка отверстий, прессование,
штамповка).
Применение сервоприводов и интеллектуальной системы
управления позволяет достичь высоких показателей на основе:
– высокой повторяемости и точности позиционирования,
полного контроля параметров технологического процесса по
каждой управляемой координате;
– высокой скорости перемещений, обусловленной отсут-
ствием дополнительных конструктивных элементов и снижением
перемещаемых масс.
Управление синхронным движением
по координатам с применением сервоприводов
Методы синхронного управления сервоприводами.
Важной проблемой при использовании схемы с одновременным движением по нескольким осям является синхронизация
между ними, что требует решения определенного ряда задач.
Во-первых, необходим высокоточный контроль для обеспечения
требуемой точности позиционирования и устранения рассогласования между осями. Во-вторых, возникает проблема обеспечения безопасности, так как при возникновении значительной
ошибки рассогласования возможны перекосы и подклинивания и,
как следствие, повреждение оборудования.
Синхронное управление сервоприводами предъявляет
определенные требования к «интеллектуальности» системы
управления и возможности применения специальных методов и
алгоритмов управления синхронным движением координат с
адаптацией к параметрам технологического процесса. Реализация
управления возможна за счет применения методов, таких как:
параллельное управление (рис. 5.12), управление типа «ведущий — ведомый» с компенсацией положительной обратной
связи (рис. 5.13) либо гибридное синхронное управление с контролем позиции и крутящего момента (рис. 5.14).
148
Метод параллельного управления заключается в следующем:
на каждый сервопривод одновременно выдается одинаковая команда управления без учета перемещения другого двигателя.
Недостатком данного метода является сложность обеспечения
точности синхронного перемещения из-за возможных возмущений или несогласованности математической модели.
Задатчик
положения,
скорости
Контроллер
положения 1
Контроллер
скорости 1
Осевой
модуль 1
Вентильный
двигатель 1
Резольвер 1
Текущая
скорость 1
Сервопривод 1
_
_
Контроллер
положения 1
Контроллер
скорости 2
Осевой
модуль 2
Вентильный
двигатель 2
Резольвер 2
Текущая
скорость 2
Сервопривод 2
_
_
Рис. 5.12. Структурная схема параллельного управления
Задатчик
положения,
скорости
Контроллер
положения
Контроллер
скорости 1
Осевой
модуль 1
Вентильный
двигатель 1
Резольвер 1
Текущая
скорость 1
Ведущий
сервопривод
_
_
Контроллер
положения
Контроллер
скорости 2
Осевой
модуль 2
Вентильный
двигатель 2
Резольвер 2
Текущая
скорость 2
Ведомый
сервопривод
_
_
Коэффициент
усиления
Коэффициент
передачи по
прямой связи
Рис. 5.13. Структурная схема «ведущий — ведомый»
с компенсацией положительной обратной связи
149
Задатчик
положения,
Контроллер
положения
Контроллер
скорости 1
Осевой
модуль 1
Вентильный
двигатель 1
Резольвер 1
Текущая
скорость 1
Ведущий
сервопривод
_
_
Контроллер
скорости 2
Осевой
модуль 2
Вентильный
двигатель 2
Резольвер 2
Текущая
скорость 2
Ведомый
сервопривод
_
Контроллер
момента
_
Весовая
функция 1
Уставка
крутящего
момента
Весовая
функция 2
_
Рис. 5.14. Структурная схема гибридного синхронного управления
с контролем позиции/момента
Управление по принципу «ведущий — ведомый» позволяет
минимизировать ошибку синхронизации. При данном способе
один двигатель выступает в роли ведущего, а второй — в роли
ведомого (команда управления для ведомого двигателя генерируется с помощью ведущего двигателя). Данный метод позволяет
минимизировать ошибку рассогласования, если возмущение
действует на ведущую ось. Тем не менее, запаздывание между
ведущей и ведомой осями приводит к возникновению рассогласования при воздействии неопределенных нагрузок на ведомую
ось по причине того, что она неспособна обнаружить асинхронное перемещение.
Применение гибридного метода синхронизации позволяет
компенсировать ошибку рассогласования по обеим осям. Ведущая ось использует разницу в положении и скорости между
двумя двигателями для формирования их возвращающего момента. Однако проблема запаздывания также возможна, как и при
синхронизации в режиме «ведомый — ведущий». Управление
положением используется для ведущего двигателя, управление
скоростью — для ведомого. Синхронизация обоих двигателей
осуществляется с помощью контроллера момента, измеряемого
по току. Данный способ синхронизации наиболее применим для
технических систем с кинематически связанными осями.
150
Сервопривод с вентильным двигателем.
Сервопривод (следящий привод) — система привода с
управлением через обратную отрицательную, которая в широком
диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные,
высокоточные процессы и хорошую их повторяемость.
Функциональная схема сервопривода показана на рис. 5.15.
Рис. 5.15. Функциональная схема сервопривода
Выделяют четыре основных элемента сервопривода:
1) электромеханический преобразователь (вентильный
электродвигатель (ВЭД));
2) инвертор (И), выполняющий функции коммутатора,
подключающий и отключающий фазы электродвигателя от источника питания по определенному алгоритму;
3) датчик положения ротора;
4) система управления ключами инвертора СУ, обрабаты-
вающая сигналы, поступающие с датчика положения ротора и
других датчиков.
Вентильный электродвигатель.
Синхронный двигатель с возбуждением от постоянных
магнитов (вентильный электродвигатель (англ. Permanent Magnet
Synchronous Motor (PMSM))) представляет собой электромеханическую систему, состоящую из синхронной машины с синусоидальным распределением магнитного поля в зазоре и полупроводникового коммутатора фазных обмоток, управление
ключами которого производится системой управления в зависимости от положения ротора. Устройство вентильного двигателя показано на рис. 5.16.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]