Содержание к диссертации
Введение
2. Модели динамики вибрационных установок в пусковых режимах 9
2.1. Модель динамики вращающегося вала с неуравновешенным диском 11
2.2. Модель динамики однороторного вибрационного стенда 13
2.3. Двухроторная система с наклоном оси относительно неподвижной системы координат 16
3. Разработка и исследование алгоритмов управления вибрационными установками
при прохождении через резонанс 28
3.1. Метод скоростного градиента 28
3.2. Постановка задачи и синтез базового алгоритма управления 33
3.3. Алгоритм управления прохождением через резонанс упругого вала 36
3.4. Алгоритм управления прохождением через резонанс однороторного вибрационного стенда 51
3.5. Алгоритм управления прохождением через резонанс двухроторного вибрационного стенда 55
4. Реализация алгоритмов управления прохождением через зону резонанса в мехатронных вибрационных установках 65
4.1. Структура системы управления мехатронной вибрационной установкой 65
4.2. Реализация алгоритма управления прохождением через зону резонанса в
виртуальной лабораторной установке 70
5. Разработка сетевого информационного портала по системам и управлению 76
Заключение 86
Список литературы 87
- Модель динамики вращающегося вала с неуравновешенным диском
- Метод скоростного градиента
- Структура системы управления мехатронной вибрационной установкой
- Разработка сетевого информационного портала по системам и управлению
Введение к работе
-3-
Актуальность темы. Современный этап развития машиностроения характеризуется широким применением средств информатики и вычислительной техники и новых информационных технологий при построении машин и установок на всех этапах: от проектирования до эксплуатации. Современные машины все чаще оснащаются реализованными на компьютерах информационно-измерительной и управляющей подсистемами. Информационно-измерительная подсистема позволяет оперативно решать задачи оценки состояния, диагностики неисправностей машины, а управляющая подсистема позволяет реализовать сложные алгоритмы управления, обеспечивающие существенное повышение качества, надежности и экономичности работы установки. Необходимость тесного взаимодействия методов механики, электроники, вычислительной техники и теории управления при проектировании машин привела к появлению новой отрасли науки - мехатро-ники, изучающей процессы создания и функционирования сложных компьютерно-управляемых механических систем.
Широкие перспективы открывает использование элементов мехатроники при проектировании современных вибрационных установок. Вопросы анализа и синтеза алгоритмов управления колебательными режимами рассматривались в работах Л.Д. Акулен-ко, Б.Р. Андриевского, В.К. Асташева, В.И. Бабицкого, И.И. Блехмана, А.Л. Фрадкова, К.В. Фролова, Ф.Л. Черноусько, В.М.Шестакова и др. Одной из важных задач управления мехатронными вибрационными установками является обеспечение прохождения через зону резонанса при пуске и разгоне вибровозбудителей, когда область рабочих режимов находится в зарезонансной зоне. Эта задача возникает, если мощность двигателя недостаточна для прохождения через зону резонанса в связи с проявлением эффекта Зоммерфельда. Перспективный подход к решению основан на применении алгоритмов управления с обратной связью по результатам измерений. Для практической реализации важно разработать алгоритмы управления прохождением через зону резонанса, обладающие свойством робастности: сохранения высокого качества системы при изменении параметров объекта (установки) и внешних условий, прежде всего изменения нагрузки.
Алгоритмы управления прохождением зоны резонанса механических систем рассматривались в работах М.Е.Герца, В.В.Гортинского, А.С.Кельзона, Л.М.Малинина, А.А.Первозванского и др. Однако предложенные ранее алгоритмы не обладали доста-
точной робастностью в условиях неопределенности и отличались сложностью расчета при проектировании. В ряде работ для синтеза алгоритмов управления использовался метод скоростного градиента, предложенный А.Л. Фрадковым в 1979г. Однако в известных работах рассматривались лишь задачи, в которых несущее тело совершает одномерное движение.
На этапах предпроектных исследований, проектирования и разработки мехатрон-ных установок, а также при подготовке специалистов в области мехатроники важнейшую роль играют современные информационные технологии. В частности, эффективным инструментом исследования являются так называемые виртуальные лаборатории - интерактивные сайты, зайдя на которые, обучающийся или исследователь может самостоятельно не только получать необходимые теоретические сведения, но и выполнять моделирование и анализ установок, а также настройку разработанных алгоритмов управления, т.е. проводить дистанционные вычислительные эксперименты. Подобные лаборатории интенсивно разрабатываются в ведущих университетах многих стран, однако в области систем управления в настоящее время известен лишь ряд зарубежных сайтов, а русскоязычные виртуальные лаборатории практически отсутствуют.
Использование Интернет-технологий позволяет существенно ускорить поиск и сбор информации, необходимой разработчику систем управления. Хотя в Интернете содержится огромное количество информационных ресурсов по всем отраслям знаний, поиск их, как правило, затруднен, и часто дополнительные временные затраты сводят на нет преимущества использования информации, извлеченной из сетевых источников. Выходом является использование специализированных информационных сайтов: Интернет-порталов, Интернет-архивов, аккумулирующих ссылки на известные ресурсы по данной специальности. В области систем управления в мире имеется всего несколько подобных информационных сайтов, а на русском языке до 2000г. не имелось ни одного.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка новых алгоритмов управления прохождением через зону резонанса для однороторных и двухроторных вибрационных установок, а также разработка прототипа виртуальной лаборатории для исследования динамики синтезированных систем управления. Исходя из поставленной цели, в работе решаются следующие задачи.
1. Постановка задачи управления прохождением через зону резонанса для механических систем с несколькими степенями свободы и разработка алгоритмов управления в случае,
когда несущее тело совершает не одномерные движения, а колебания в плоскости.
Исследование работоспособности разработанных алгоритмов, получение рекомендаций по выбору настроечных параметров алгоритмов и оценок робастности синтезированных систем.
Разработка прототипа виртуальной лаборатории для дистанционного анализа алгоритмов управления и информационного Интернет-портала для поддержки создания новых систем управления и систем мехатроники.
Методы исследования. В работе использованы методы линейной и нелинейной теории управления, методы математического и компьютерного моделирования, методики JAVA-технологии и веб-дизайна.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные положения, выносимые на защиту.
1. Впервые предложена постановка задачи управления прохождением через резонанс как задачи управления энергией вращающейся подсистемы механической системы при ограничении на величину энергии несущей подсистемы.
2. Предложены новые алгоритмы управления прохождением через зону резонанса
для нескольких типовых задач: управление разгоном ротора на упругом валу, управление
однороторной и двухроторной вибрационными установками.
3. Разработаны рекомендации по выбору настроечных параметров алгоритмов и
впервые даны качественные оценки робастности синтезированных систем.
Практическая значимость. На основе полученных результатов разработано программное обеспечение виртуальной лаборатории для исследования прохождения через резонанс в случае однороторного вибрационного стенда. Разработана информационная структура и программное обеспечение Интернет-портала РУСИКОН - Российского архива по системам и управлению, обеспечивающего информационную поддержку Интернет-технологии разработки систем управления. Разработанные методы управления и информационные системы позволяют повысить качество систем управления мехатронными вибрационными установками, сократить сроки их разработки, повысить уровень подготовки специалистов.
Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы управления прохождением через резонанс для двухроторного мехатронного вибрационного стенда и виртуальная лаборатория исследования прохождения через резонанс для однороторного виб-
рационного стенда использованы в разработках Санкт-Петербургского учебно-научного центра "Проблемы машиностроения, механики и процессов управления". Виртуальная лабораторная работа «Управление однороторным вибрационным стендом» вошла в состав центра коллективного пользования «Мехатронные и мобильные комплексы» и размещена в Интернете по адресу . Алгоритмы управления прохождением через резонанс для гибкого вала использованы в совместных разработках ИПМаш РАН и НПО "Механобр-техника" по перспективным вибрационным установкам, выполняемым в рамках программы комплексных исследований Президиума РАН "Управление механическими системами и мехатроника".
Интернет-портал РУСИКОН размещен по адресу и успешно функционирует с 1999 года. За это время зарегистрировано более 130000 посещений, а в 2004-2005гг архив посещало в среднем 2000 посетителей в месяц.
Работа выполнялась по планам госбюджетных НИР ИПМаш РАН (гос.per. №№ 01.200.201870), по проектам ФЦП «Интеграция» (А0151, Б-0026) по программе Президиума РАН №19 "Управление механическими системами и мехатроника", по грантам РФФИ (проекты 99-01-00672, 02-01-00765, 05-01-00869).
Апробация работы. Результаты диссертации доложены и обсуждены на семинарах лаборатории "Управление сложными системами ИПМаш РАН", на конференциях «20-я европейская конференция по моделированию», 2006 г., Бонн; «16-й Всемирный конгресс Международной федерации по автоматическому управлению», 2005 г., Прага; «2-я международная конференция "Физика и управление"», 2005 г., С.-Петербург; «6-й Симпозиум ИФАК по нелинейным системам управления», 2004 г., Штутгарт; «10-я международная студенческая олимпиада по автоматическому управлению» , 2004 г., С.Петербург; «4-я международная конференция "Средства математического моделирования"», 2003 г., С.-Петербург; 3-я и 4-я конференции молодых ученых "Навигация и управление движением"», 2001г, 2002 г., С.-Петербург; «Всероссийская объединенная конференция "Технологии информационного общества - Интернет и современное общество"», 2001 г., С.-Петербург.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, первая из которых вводная, заключения и списка литературы, содержит 91 страницу текста.
Модель динамики вращающегося вала с неуравновешенным диском
Рассматриваемая система представляет собой вал с неуравновешенным диском (рис. 2.1), приводимый в движение электрическим двигателем. При этом считается, что вал в процессе движения может совершать изгибные колебания. Опоры вала предполагаются жестко закрепленными. Будем считать, что диск представляет собой ротор двигателя, приводящего вал во вращение. Модель динамики для системы с несколькими дисками представлена в работе [4].
Уравнения рассматриваемой системы записаны в предположении, что неподвижная система координат Oxyz выбрана так, что ось Oz направлена вдоль осей подшипников вала.
Пренебрегая углами отклонения ротора от плоскости, перпендикулярной валу, получим трехмерный вектор обобщенных координат, описывающих динамику ротора q = [ср, х, у\ , где ср - угол вращения ротора, х,у - декартовы координаты центра масс ротора.
Тогда выражения для кинетической и потенциальной энергии системы если не учитывать влияние силы тяжести имеют вид.
class2 Разработка и исследование алгоритмов управления вибрационными установками
при прохождении через резонанс class2
Метод скоростного градиента
В данном разделе, следуя [МНФОО], приводятся необходимые сведения о методе скоростного градиента, используемом далее в работе для синтеза нелинейных систем управления. Метод был предложен А.Л. Фрадковым в конце 70-х годов первоначально для задач адаптивного управления [Ф79], а затем применялся для решения различных задач управления нелинейными системами, см. [АФ99, МНФОО]. Метод основан на использовании функций Ляпунова и требует задания цели управления как уменьшения значений некоторой скалярной целевой функции (функционала) до заданной величины. Ниже описываются основные типы алгоритмов скоростного градиента: алгоритмы в дифференциальной и конечной формах, построенные по локальному целевому функционалу.
Исходными данными для синтеза алгоритма управления по методу скоростного градиента являются: уравнение объекта управления (далее называемого для краткости "объект") и цель управления.
Структура системы управления мехатронной вибрационной установкой
Конструктивно устройство сопряжения (плата AD-512 фирмы "Humusoft") помещено внутрь персонального компьютера. Оно имеет 16-канальный 12-битный аналого-цифровой преобразователь с максимальной частотой квантования 100 кГц, восемь цифровых каналов ввода/вывода и 12-битный цифро-аналоговый преобразователь, позволяющий формировать сигнал задания для электронного усилителя разнообразной формы, частоты и амплитуды из диапазона 0-10В. Время, затрачиваемое на преобразование цифрового сигнала в аналоговый, не превышает 30 мкс. Для связи устройства сопряжения с программой MATLAB-5 установлен Real Time Toolbox-2.5 с драйвером для AD-512 Humusoft. Архитектура ПК выбрана следующей: Pentium- 166MMX/32Mb/3Gb. Такая мощность компьютера достаточна для того, чтобы обеспечивать расчет и формирование управления стендом с частотой выдачи сигнала управления 500—700 Гц, а также параллельно отображать в виде графиков процессы на основе показаний датчиков.
Усилительно-преобразовательное устройство (УПУ) выполнено в виде отдельного функционального блока с габаритами 300x300x120 мм и массой 10 кг. Оно представляет собой электронный усилитель мощности аналогового сигнала управления, формируемого персональным компьютером. При необходимости через УПУ может быть осуществлено замыкание системы по сигналам скорости вращения двигателей, получаемым со встроенных в двигатели тахогенераторов. Однако такой способ замыкания приводит к большому уровню шума в сигнале скорости. Особенно это существенно в режимах запуска роторов, когда соотношение сигнал/шум недостаточно для надежной реализации управляющего воздействия. В основу работы усилителя мощности положен принцип широтно-импульсного преобразования: непрерывный сигнал управления "заполняется" модулирующим сигналом частотой 2 кГц и поступает на силовые ключи (в данном случае на вход микросборки L298N).
Разработка сетевого информационного портала по системам и управлению
Новые информационные технологии, в том числе Интернет-технологии, все шире используются на всех этапах научной и инженерной деятельности. Особую роль играют Интернет-технологии в области автоматизации и управления, где Интернет используется не только как средство сбора и обмена информацией специалистов, не только как средство обучения или вместилище распределенных корпоративных информационных баз, но и как средство реализации задач моделирования и управления [20,25,53], Тем не менее, многие специалисты еще не используют современные Интернет-технологии в повседневной работе даже для сбора информации. Трудности освоения приемов сбора и поиска информации в Интернете связаны, в первую очередь, с разбросанностью информации по Сети и высокой степенью «зашумленности» ее ненужными сведениями. Поэтому значительной популярностью, особенно у начинающих, пользуются путеводители по ресурсам Сети, так называемые порталы: сайты, где, кроме предметной информации, собрано и структурировано значительное число ссылок на ресурсы, полезные для работы в данной предметной области. В области теории систем и управления к наиболее популярным ресурсам такого рода относятся Virtual Control Engineering Library [54], Control Theory and Engineering Links [29], NETLIB [43] и ряд других. Однако подобного путеводителя по русскоязычным ресурсам до последнего времени не существовало.
В 1999 году был запущен и до сих пор успешно функционирует информационный портал РУСИКОН - Российский архив по системам и управлению (www.rusycon.ru), в котором уже собрано более 2000 ссылок как на англоязычные, так и на русскоязычные ресурсы. Страницы РУСИКОНа посещают ежемесячно 1300-1900 человек. Элементами технологий научной работы с использованием Интернет являются:
поиск сетевых ресурсов и публикаций на заданную тему по ключевым словам в поисковых системах и на сайтах библиотек, журналов и издательств;
поиск и установление контактов со специалистами и организациями, где ведутся исследования по соответствующей тематике;
поиск возможностей финансирования исследований на сайтах соответствующих организаций и фондов;
просмотр сайтов конференций, семинаров, выставок, журналов для выбора подходящего способа апробации и публикации результатов. Отметим, что как подача материалов для публикации, так и переписка с редакциями и организаторами конференций в настоящее время как правило осуществляются в электронном виде, т.е. опять-таки при помощи Интернет. В инженерной деятельности, кроме поиска партнеров и публикации результатов, требуется поиск и приобретение требуемой для разработки аппаратуры, программных средств, материалов и комплектующих. Использование сети Интернет существенно влияет на технологии на каждом из перечисленных этапов. В силу трудностей поиска нужной информации в Интернет, важную роль играют сетевые информационные ресурсы - сайты (порталы, базы данных, архивы), выполняющие функции профессиональных путеводителей по Интернет, средств экспресс-публикации и общедоступных электронных библиотек.
