Введение к работе
Среди разнообразных систем автоматического управления (САУ) важное место занимают многофункциональные цифровые системы следящего электропривода для управления многокоординатными поворотными платформами и различными опорно-поворотными устройствами в установках промышленного и специального стационарного или бортового назначения.
Для получения еысокой точности таких систем необходимо согласовать статические и динамические характеристики следящего электропривода с характеристиками объекта управления. Характеристики многокоординатных поворотных платформ как об-ьектов управления должны определяться с учетом взаимного влияния движений инерционных масс по разным координатам, переменности моментов инерции, несбалансированности масс относительно осей вращения, сухого и вязкого трения и зазоров в кинематических целях, упругости силовых механических передач и других особенностей их кинематической цепи. Это обуславливает наряду с созданием специализированных силовых модулей "преобразователь-двигаг-ель", разработкой надежных и экономичных управляющих микроЗВМ необходимость разработки нозых объектно-ориентированных алгоритмов управления, расширяющих функциональные возможности и оптіс-зізирукщих характеристики следящих систем, и создания на их основа гибких модулей резидентного программного обеспечения.
При этом важным фактором повышения эффективности слєдяиїих систем становится применение адаптивных принципов управления. Помимо непосредственно парирования возмущений, наличие у систем адаптивных свойств позволяет оптимизировать процессы, сократить трудоемкость переналадки оборудования, реализовать диагностические процедуры. Однако, реализация больного обтьема математических операций оперативных алгоритмов адаптивного управления в реальном масштаба времени ограничивается скоростными возможностями микроэвм. Поэтому необходима разработка новых эффективных и экономичных алгоритмов обработки данных, идентификации и расчета управляющих воздействий, позволяющих реализовать простую и компактную программу вычислений в реальном масштабе времени.
Диссертационная работа представляет собой часть исследований, выполненных в НИИ АЭМ при Томской государственной академии систем управления и радиоэлектроники по приказу МинВУЗ РСФСР во
исполнении соответствующего решения специальной комиссии СМ СССР по созданию автоматизированных систем управления следящими приводами поворотных платформ, по заданию 03.06 межвузовской комплексной программы "Оптимум" на создание высокоточных следящих систем электропривода с микропроцессорным управлением и управлением от микроэвм по приказу МинВУЗ СССР №358 от 16.05.8бг, в соответствии с комплексной программой автоматизации бурения нефтяных скважин Минтопэнерго РФ №95-32-2бБ от 1.06.95г.
Цель работы состоит в разработке, исследовании и практическом применении алгоритмов функционирования составных элементов резидентного программного обеспечения адаптивных систем цифрового управления следящими электроприводами двухкоординатных поворотных платформ (ДПП), методик настройки и оптимизации его составных элементов.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
определение качественных и количественных характеристик ДОІТ; :
разработка программных средств для определения и исследования свойств следящего электропривода ДПП;
разработка структуры и функциональных взаимосвязей программных модулей адаптивной системы управления;
разработка и исследование высокоточных алгоритмов оперативной оценки параметров силового исполнительного модуля;
разработка и исследование высокоточных и быстрых алгоритмов расчета и настройки параметров оптимальных цифровых регуляторов; -..''
имитационное исследование системы адаптивного цифрового управления исполнительными электроприводами с целью практического подтверждения достоверности полученных в диссертации теоретических результатов;
разработка процедур аппроксимации сложных математических вычислений и зависимостей, достаточных для размещения в ограниченных объемах резидентного программного обеспечения.
Методы проведения исследований. При решении поставленных задач использовались как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием общей теории дифференциальных уравнений, теории
дискретных систем управления с использованием метода Z-преобразования, дискретного преобразования Лапласа, методов математической статистики, вычислительной математики, математического программирования, вариационного исчисления, теории плакирования эксперимента. Имитациошше исследования проводились на программных моделям-:, функционально точно описызаюзд-га применяемый электропривод. Программная реализация разработанных алгоритмов выполнена на алгоритмических языках Borland Pascal v.7 и Turbo Assembler на персональной ЭВМ типа IEM PC.
Научная новизна получении;: результатов состоит в следуюшрк:
1.Разработаны цифровые структурные кгэггационныа модели ДПП как объекта управления и методика исследования динамических свойств ДПП, позволяющая определять особенности функционирования таких объектов управления, определять из: параметры, не под-дахшиеся непосредственному измерению и сформулировать основные требования к цифровым системам управления ДПП.
2.Разработана новая методика построения функционально ориентированной статистической модели основного контура управления электроприводом в форма системы нелинейных уравнений, поэволяю-сдя установить аналитическую связь численных значений параметров системы уравнений с величинами заданных значений показателей качества ее работы.
3.Проведен анализ методов параметрической идентификации, на
основе которых разработаны новые алгоритмы оценки параметров си
ловых исполнительных модулей, позволяющие. осуществить их реали
зацию в реальном масштабе времени. Исследованы точностные харак
теристики разработанных алгоритмов и даны рекомендации по их
адаптивной коррекции и практическому применению а системах с
цифровым управлением. ,
4.Предложена методика многокритериальной параметрической оптимизации цифровых регуляторов систем управления, позволяподая оценить предельные точностные возможности системы и обеспечить такие настройки коэффициентов регуляторов, при который гарантируется выполнение ограничений на аадшпша покааатали качества функционирования системы.
5.Разработана структура адаптивной системы электроприводам! механизмом ДПП и алгоритіїа фг'нкциональкой взаимосвязи составляю-«их программных модулей ревидзнтного прогргчкного обеспечения,
позволяющих повысить быстродействие системы и скорость адаптации за счет рационального перераспределения оперативного машинного времени между основным контуром управления и контуром адаптации в зависимости от требуемой точности.
Практическая ценность. Применение предложенных методик анализа и синтеза цифровых систем управления исполнительными силовыми модулями ДОП, реализованных в виде модулирующих и управляющих программ для микроэвм, позволяет сократить сроки проектирования устройств с заданными характеристиками и пониженной чувствительностью к возмущениям, организовать автоматизированную настройку параметров цифровых регуляторов различных структур и различного функционального назначения. Практическую ценность также представляют разработанные алгоритмы оперативной оценки параметров силового исполнительного модуля, на базе которых реализованы процедуры технической диагностики; Найденные алгоритмические решения и разработанные по ним программные модули могут быть использованы при управлении электромеханическими преобразователями в установках со сложными технологическими ііроцессами в машиностроении, приборостроении, химической промышленности и других отраслях.
Реализация и внедрение работ. Результаты исследований и разработок, проведенных в диссертационной работе внедрены в Центральном научно-исследовательском институте "Комета" (г. Москва) при создании действующих установок и стендового оборудования для научно-исследовательских комплексов специального назначения, в Томском политехническом университете на кафедре "Робототехнические системы" (г.Томск) в учебном процессе в дисциплинах ^Зшектромеханическиа системы" и "Электрические приводы роботов", а также в Стрежевском управлении буровых работ (г. Стрежевой) с целью частичной автоматизации технологического процесса построения нефтяных и газовых скважин на этапе- набора к правки угла проходки. '
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуяедались:
- на региональной конференции "Следящие электроприводы промышленных установок, роботов и манипуляторов"-, г.Челябинск, 1986г.; -;
-на Всесоюзной конференции "Микропроцессорные систем ав-
томатизации технологических процессов", г.Новосибирск, 1987г.;
на научно-технической конференции "Электромашинные и ма-шино-вентильные источники импульсной мощности", г.Томск, 1987;
на Всесоюзной конференции "Проблемы развития аппаратных и программных средств вычислительной техники для машинного моделирования", г.Москва, 1987г.;
на XV Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие, устройства и измерительные приборы на их основе", г.Барнаул, 1988;
на региональной конференции "Автоматизация в машиностроении", г.Кемерово, 1988г.;
на Всесоюзной конференции "Проблемы экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов", г.Новосибирск, 1S88;
на научно-практической конференции молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям, г.Томск, 1995г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 работах.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, а также содержит список литературы из 146 наименований, 2 приложения, 5 таблиц и 76 рисунков.
