Содержание к диссертации
Введение 6
Ь Проектирование системе помощью метода модального синтеза 11
1.1. Модальный синтез управления как метод современной теории автоматического управления 11
1.2. Математический аппарат процедуры модального синтеза 20
L2.L Синтез вход-выходных полиномиальных модальных регуляторов 20
1.2.2. Сшггез модальных регуляторов с безынерционными ОС по вектору состояния объекта управления 21
1-3. Влияние размещения нулей и полюсов на качество процессов управления 27
1.4. Системное проектирование модальных регуляторов 33
1.5. Краткие выводы по первой главе 3S
2. Формулировка и обоснование основных положений методики модального синтеза цифровых систем управления динамическими объектами с ЭПТ 40
2Л. Общие положения. Алгоритм методики 40
2.2. Составление математической модели объекта с ЭПТ 42
2.3. Изучение особенностей ЭПТ, которые необходимо учитывать при разработке СУ с использованием метода модального синтеза 47
2.4. Разработка концептуальной структуры СУ, учитывающей особенности ЭПТ 52
2.5. Синтез блока компенсации пуля передаточной функции по току якоря 57
2.6. Синтез контуров управления током/моментом, скоростью и положением рабочего органа , , 62
2.6.1. Построение токового регулятора 64
2.6.2. Построение регулятора скорости 68
2.6.3. Построение регулятора положения 71
2.7. Синтез анализатора режима работы привода 74
2.8. Синтез анализатора критических ситуаций 76
2.9. Развернутый алгоритм методики , 77
2.10. Краткие выводы по второй главе 83
3. Практическое применение разработанной методики в задачах синтеза управления динамическими объектами с ЭПТ 85
3. К Разработка системы управления скоростью перемещения экскаваторного ковша 85
3-1.1. Общие положения 85
3.1.2. Исходные данные и требования к разрабатываемой СУ 87
3.1.3. Синтез основных компонентов СУ 88
3.1.4. Итоговые структурные схемы контура тока и контура скорости 91
З Л.5. Исследование статических ошибок в синтезированной системе 94
3.1.6* Проведение моделирования и анализ результатов 101
3.2. Использование модального синтеза в разработке алгоритмов управления лучом антенной системы в инерциальном пространстве 114
3.2.1. Общая концепция системы управления 114
3.2.2. Исходные данные и требования к разрабатываемой СУ 122
3.2.3. Синтез канальных регуляторов для управления движением антенного луча в ССК 123
3.2.4. Получение функций пересчета углового положения и угловой скорости луча антенны из НПСК в ССК и из ССК в НПСК 133
3.2.5. Учет редукции луча антенной системы 145
3.2.6. Анализ работы построенной СУ средствами математического моделирования... 147
3.3. Краткие выводы по третьей главе , 15S
4. Разработка методики настройки модального регулятора в СУ объектами на базе ЭПТ 161
4Л. Общая концепция проведения настройки 161
4.2. Вычислительный эксперимент с регулятором тока якоря системы Г-Д 163
4.2Л. План выполнения эксперимента 165
4.2.2. Проведение эксперимента 171
4.3. Рекомендации по настройке модального регулятора 187
4.4. Краткие выводы по четвертой главе 188
Заключение 190
Библиографический список 194
Приложения 201
П1. Замена базиса в линейном конечномерном пространстве. Особенности ортонормированного базиса 201
П2. Нахождение координат проекции вектора на плоскость, перпендикулярную другому вектору 205
ПЗ. Нахождение взаимосвязи между показаниями датчиков углового положения и угловых скоростей платформы 207
П4. Результирующие тригонометрические зависимости, полученные для подсистемы компенсации угловых эволюции носителя и информационной подсистемы. Проверка корректности проведенных расчетов 210
П5. Проведение настройки блока компенсации нуля ПФ по току якоря 222
П6. Осциллограммы процесса стопорения электропривода экскаватора Э-6512 и работы антенного привода на базе двигателей ДМ-18 в режиме сканирования 227
П7. Акт о внедрении результатов диссертационной работы при выполнении НИР и ОКР по теме «Грот-К» для ГУП УПКБ "Деталь" 230
П8. Акт о внедрении результатов работы в учебные курсы для студентов радиотехнического факультета ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» 232
Введение к работе
Актуальность темы. Метод модального синтеза, также известный как метод размещения полюсов передаточной функции (ПФ), является мощным аналитическим методом современной теории управления, способным осуществлять синтез систем управления (СУ) объектами высокого порядка. Он позволяет обеспечить желаемую динамику замкнутой системы (ЗС), образованной объектом и регулятором, выходной сигнал которого - линейная комбинация переменных состояния объекта. Существенный вклад в развитие модального метода внесли Н.Т. Кузовков, А.А. Воронов, Ю.Н. Андреев, Ч. Чен, Б. Портер, Дж. Слотин, Дж. Аккерман.
Метод модального синтеза способен значительно сократить затраты времени разработчика по обеспечению необходимых динамических показателей замкнутой системы, так как;
• требуемые значения показателей качества процессов управления непосредственно связаны с желаемым положением полюсов ЗС;
• возможность манипулировать положением каждого полюса позволяет максимально четко выполнить назначение доминирующих полюсов, а также устранить негативное влияние нулей ПФ, расположенных на комплексной плоскости слева от мнимой оси;
• проведение вычислений, связанных с решением задачи синтеза СУ, может быть автоматизировано за счет использования современных компьютерных средств проектирования.
Безусловно, такие методы классической теории, как, например, метод логарифмических амплитудно-частотных характеристик, настолько хорошо себя зарекомендовали, что целесообразность их использования в задачах синтеза управления реальными физическими системами невысокой сложности не ставится под сомнение. Однако, нельзя не принимать во внимание, что эти методы обладают рядом существенных недостатков: во-первых, они косвенны в отношении обеспечения требуемого вида переходной характеристики ЗС и, во вторых, ограничены по области применения относительно простыми системами, в которых управляющее воздействие обычно вырабатывается при помощи сравнения только входа с выходом.
Несмотря на свой значительный потенциал, модальный метод проектирования регуляторов в настоящее время нечасто используется в инженерной практике. Существует несколько объективных причин существования этой ситуации.
Во-первых, в большинстве случаев реальные объекты являются нелинейными и в отдельных случаях даже не имеют постоянной структуры, поэтому использование модального метода, изначально предназначенного для синтеза линейных систем, в разработке систем управления такими объектами до сих пор оставалось проблематичным.
Во-вторых, параметры модальных регуляторов (имеются в виду коэффициенты обратной связи) не несут достаточно очевидной смысловой нагрузки и потому при «уходе» параметров объекта не могут быть настроены непосредственно разработчиком, как в случае с традиционными регуляторами.
В-третьих, являясь аналитическим, метод модального синтеза в большей степени, чем классические методы, зависим от точности модели системы.
На примере всесторонне изученных объектов, таких как электроприводы постоянного тока (ЭПТ), будет показано, что при наличии системного подхода модальный метод синтеза дает не худшие результаты, чем традиционные методы. Следовательно, с учетом того, что на современном этапе разработка алгоритмов СУ на базе модального метода значительно упрощается по причине интеграции процедур модального синтеза в состав различных программно-математических пакетов, будут созданы весомые предпосылки для использования модального метода в отношении и более сложных реальных объектов.
Если принимать во внимание, что в практике построения СУ задача управления исполнительными механизмами на базе ЭПТ, обладающих высокой динамикой, высоким начальным крутящим моментом и большим диапазоном частот вращения, является весьма распространенной, разработка методики проек тирования СУ динамическими объектами с ЭПТ на базе метода модального синтеза становится безусловно актуальной.
Обьеісг исследования — динамические объекты с ЭПТ,
Предмет исследования - цифровые СУ динамическими объектами с ЭПТ, синтезированные с использованием модального метода.
Цель исследования заключается в разработке методики, расширяющей диапазон практической применимости модального метода на примере решения задач синтеза управления динамическими объектами с ЭПТ.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) создание методики модального синтеза систем управления объектами с ЭПТ, учитывающей нелинейности и возможные изменения структуры объектов;
2) иллюстрация полученной методики на примерах построения СУ существенно различными объектами с ЭПТ - СУ напором ковша экскаватора и СУ скоростью/положением луча антенной системы в инерциальном пространстве, компенсирующей угловые эволюции подвижного основания; исследование свойств полученных СУ;
3) формулировка и обоснование рекомендаций по настройке модальных регуляторов (MP).
Методы исследования. В работе использованы методы теории автоматизированного электропривода, теории автоматического управления, методы векторной и линейной алгебры, системного анализа, вычислительного эксперимента и математического моделирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1) на основе объединения методов классической и современной теории автоматического управления разработана обобщенная модель цифровой системы, обеспечивающей управление основными координатами вектора состояния ЭПТ, безаварийную работу привода в критических ситуациях и возможность взаимодействия с объектом переменной структуры;
2) сформулированы теоретически и апробированы на конкретных задачах методические указания по синтезу MP в каждом из возможных контуров СУ контуре управления моментом (током якоря), скоростью и положением рабочего органа;
3) предложен практически реализуемый в цифровых системах способ компенсации негативного влияния нуля ПФ по току якоря двигателя постоянного тока (ДПТ).
Практическая ценность работы заключается в том5 что созданная методика позволяет расширить спектр практической применимости модального метода, распространив его, в частности, на решение задач синтеза СУ динамическими объектами с ЭПТ. Объединение в этой методике лучших черт современной и классической теории автоматического управления, а также наличие рекомендаций по настройке MP в реальных условиях их эксплуатации вооружает проектировщиков эффективной методикой расчета и синтеза СУ, способной уменьшить затраты времени по достижению требуемых показателей качества процессов управления в системах с ЭПТ В недрен не результатов. Создание алгоритмов управления и рекомендаций по построению схемы управления электродвигателями антенн и внедрение результатов производились при выполнении НИР №03200, шифр «Грот-К», Полученные результаты позволили повысить качество функционирования СУ антенным приводом, сократить затраты времени на проведение опытно-конструкторских работ и натурных испытаний. Материалы диссертации включены в учебные курсы радиотехнического факультета ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ».
Апробация результатов- Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на; I и IV отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» (г. Екатеринбург, 2001 и 2003 гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (г. Екатеринбург, 2003 г,); Первой Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия -2004» (г. Каменск-Уральский, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ
Структура диссертации. Первая глава посвящена обзору методов современной теории автоматического управления и истории их создания. Кроме того, во избежание неоднозначностей в понимании материала, изложенного в следующих главах диссертации, приводятся основные положения, касающиеся проведения модального синтеза.
Во второй главе последовательно рассматриваются и обосновываются основные этапы предложенной методики модального синтеза управления объектами с ЭПТ: проводится анализ основных особенностей объектов этого класса, предлагается структура СУ, учитывающая эти особенности, значительное внимание уделяется вопросам конструирования MP в контурах управления током, скоро стью и положения цифровой СУЭ организованной по принципу подчиненного регулирования координат.
В третьей главе диссертационной работы для иллюстрации применения описанной в предыдущей главе методики предлагается рассмотреть цикл синтеза цифровых СУ двумя существенно различными динамическими объектами с ЭПТ — электроприводом тяги (напора) ковша экскаватора и лучом антенной системы, размещенной на подвижной платформе. Эффективность использованных решений подтверждается результатами вычислительных экспериментов и осциллограммами реальных процессов.
В четвертой главе рассматривается проблема настройки параметров модальных регуляторов, используемых в структуре СУ объектами с ЭПТ В заключении приводятся основные выводы по проделанной работе. Кратко излагаются основные научные и практические результаты.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Владимиру Георгиевичу Лисиенко; кандидату технических наук Евгению Эрастовичу Страшинину; кандидату технических наук Важенину Владимиру Григорьевичу, а также сотрудникам отдела НИО-200 УПКБ «Деталь» и коллективу Уральского филиала ЗАО «РТСофт».
