Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопроса, постановка задач исследования и методов их решения 13
1.1. Анализ способов и средств управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом 13
1.2. Актуальность и концепция построения электропневматических модулей управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом 24
1.3. Задачи исследования и научно-методические аспекты их решения . 29
1.4. Выводы 32
2. Динамические модели электропневматических модулей систем управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом . 34
2.1. Общие положения моделирования систем управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом . 34
2.1.1 Уравнения движения поршня пневмоцилиндра . 36
2.1.2 Уравнения давления воздушных камер цилиндра привода . 37
2.1.3 Уравнение массового расхода воздуха системы 41
2.1.4 Изменение эффективней площади пневмораспределителя при перемещении золотника . 43
2.2. Электропневматический модуль с пневмораспределителем 45
2.2.1 Пневмораспределитель тип 5/3 47
2.2.2 Динамика золотника для пневмораспределителей . 49
2.2.3 Электрическое управление пневмораспределителем 50
2.3. Электропневматический модуль с пневмоклапанами 51
2.3.1 Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) . 52
2.3.2 Электромагнитный (соленоидный) клапан 54
2.4. Моделирование электропневматического модуля 58
2.5. Выводы 60
3. Методы построения адаптивных электропневматических модулей мехатронных систем управления манипуляционными исполнительными механизмами технологического оборудования и роботов 62
3.1. Методы управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом 62
3.2. Алгоритм позиционирования исполнительных механизмов технологического оборудования и роботов с пневмоприводом . 69
3.3. Математическое моделирование динамики системы управления движением манипулятора роботов и технологического оборудования с ПИД и ПД регуляторами . 71
3.4. Математическое моделирование динамики системы управления движением манипулятора роботов и технологического оборудования с нечеткими ПИД и ПД регуляторами 81
3.5. Планирование траектории движения манипулятора технологического оборудования и роботов с пневмоприводом 114
3.6. Выводы 120
4. Экспериментальные исследования адаптивной системы управления манипуляционным роботом с пневмоприводом 121
4.1. Физическая модель системы управления движением манипулятора с пневмоприводом 121
4.2. Экспериментальные исследования электропневматической системы 122
4.3. Аппаратно-программная реализация системы управления с адаптивным электропневматическим модулем 131
4.4. Выводы 138
Заключение . 140
Литература 142
Приложения 156
Приложение 1. Характеристика компонентов аппаратуры электропневматического стенда . 156
Приложение 2. Программа моделирования электропневматического модуля с использованием параметров робота МП-9С с пневмоприводом 168
Приложение 3. Программа расчета траектории манипулятора методом полиномиальной интерполяции с полиномом пятой степени . 171
Приложение 4. Расчет стоимости адаптивных электропневматических модулей с пневмораспределителем и пневмоклапанами 172
Приложение 5. Акты внедрения результатов диссертации . 173
- Актуальность и концепция построения электропневматических модулей управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом
- Электромагнитный (соленоидный) клапан
- Математическое моделирование динамики системы управления движением манипулятора роботов и технологического оборудования с нечеткими ПИД и ПД регуляторами
- Экспериментальные исследования электропневматической системы
Актуальность и концепция построения электропневматических модулей управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом
Конструкции исполнительных органов технологического оборудования и роботов с пневмоприводом обладают рядом преимуществ по сравнению с конструкциями оснащенными другими видами приводов. К этим преимуществам относятся простота конструкции пневматической приводной системы, высокая скорость перемещения исполнительного устройства, отсутствие трубопроводов для отвода отработавшей рабочей среды и др.
Однако пневматический привод имеет и ряд недостатков. При движении исполнительного органа из-за сжимаемости воздуха скорость движения поршня в пневмоцилиндре зависит от нагрузки. Поэтому затрудено точное позиционирование рабочего органа, особенно при быстром его торможении. Разработанный ряд конструктивных решений не решает эту проблему полностью и требуют дальнейших исследований.
В зависимости от вида движения и способа останова пневмоприводы делятся на цикловые, позиционные и следящие.
Цикловые приводы имеют точки позиционирования в крайних положениях. Точность позиционирования определяется механическими упорами.
Позиционные пневмоприводы имеют большое число точек позиционирования. Точность позиционирования определяется алгоритмом позиционирования и способом его реализации.
Следящие пневмоприводы обеспечивают движение объекта управления в заданную точку по заданной траектории. Погрешность движения объекта по заданной траектории и позиционирования в заданной точке определяется точностью и быстродействием управляющей системы.
Наиболее широкое применение в технологическом оборудовании и роботах получили цикловые и позиционные пневматические приводы, в которых наибольшее значение имеют точность позиционирования и время на перемещение исполнительного органа.
На точность систем управления пневмоприводом оказывают существенное влияние нелинейность характеристик из-за сжимаемости воздуха, плохое демпфирование, прилипание и высокие силы трения между поршнем и цилиндром [30, 31]. Это вызывает трудности при построении пневматических систем управления, для преодоления которых предлагается три метода [32, 33, 34, 35]: 1. Снижение коэффициента трения путем использования бесштанговых цилиндров. 2. Применение различных комбинаций регулирующих устройств двух типов – распределителей и электромагнитных клапанов. 3. Изменение или объединение нескольких методов управления.
Рассмотрим наиболее применяемые методы управления пневмоприводами. Для построения пневматических систем используются пропорционально-интегрально-дифференцирующих (П/ПИ/ПД/ПИД) регуляторы. Этот метод является линейным и обычно требует настройки трех слагаемых П, И и Д, чтобы контролировать время, перерегулирование, колебания, установившуюся ошибку. Исследования систем управления с регуляторами П, ПИ, ПД, ПИД и обратной связью выполнены в работах [32, 35, 36].
В пневмосистемах применяется скользящий режим управления. При этом динамика нелинейной системы изменяется путем применения прерывистого сигнала управления. Исследования проведены для управления пневматическими цилиндрами с использованием двухсторонних электромагнитных клапанов [32, 37, 38].
Некоторые пневмосистемы построены на основе пневматической логики и не требуют электричества [39, 40].
В системах управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом, если математические модели нелинейны и недостаточно точны, используется нечеткая логика [41, 42].
При эксплуатации пневмоприводов наибольшую сложность представляет обеспечение заданной скорости перемещения и торможения выходного звена пнев-модвигателя в крайних положениях, так как возникающие при работе пневмопривода удары могут привести к нарушению его нормального функционирования, снижению показателей надежности, шуму, вибрациям, а иногда и к разрушению привода или ведомых рабочих органов механизмам [43]. Рациональный способ и схему регулирования скорости и торможения выходного звена пневмодвигателя выбирают с учетом их эффективности и возможности реализации в конкретной ситуации. Наибольшее применение в практике получили схемы регулирования скорости и торможения выходного звена пневмодвигателя с использованием дросселей постоянного или переменного сечения. Торможение в конце перемещения наиболее просто обеспечивается использованием пневмоцилиндров с торможением. Преимуществом схем регулирования скорости выходного звена пневмодвигателя с помщью дросселей является их простота и малая стоимость, но они не всегда эффективны. Изменение скорости движения выходного звена пневмодвигателя можно обеспечить также с помощью редукционных и предохранительных пневмокл-аланов. Известно много разновидностей этого способа, некоторые из них позволяют сократить количество энергии, потребляемой пневмодвигателем. К другим преимуществам относят легкость настройки и стабильность характеристик при изменении нагрузки. Недостатки - увеличение размеров, массы и стоимости привода, ограниченная область применения.
В последнее время в отечественной и зарубежной практике все большее применение находят схемы торможения пневмодвигателей со значительными инерционными нагрузками путем полного перекрытия выхлопной полости пневмодвигателя или подключения ее к линии питания на участке торможения с помощью распределителя. Рассмотрено 18 схем регулирования скорости и торможения.
Созданием промышленного оборудования и пневмоавтоматики занимаются зарубежные компании Omal, Kinetrol, Yamataki, Yokogama, SMC, Omron, Samson, Festo, Camozzi Pneumatic, работающие в различных отраслях производства, а также российские заводы «Тизприбор» и «Пневмоаппарат».
Пневматические цилиндры компании Camozzi - серии 6 PF с потенциомет-рическим датчиком обратной связи по положению, который интегрирован в шток. Точность пневмоцилиндра 1 % от диапазона перемещения [44].
Разработан пневмопривод с цифровой системой управления, обеспечивающий перемещение 100 мм за 1,25 с со статической ошибкой 0,01 % [45].
Высокая точность ± 90 мкм траекторного перемещения пневмопривода с управлением от ПЛК приведена в работах [46, 47, 48].
Компания SMC Corporation предлагает пневматические цилиндры с магнитной шкалой и встроенным тормозом, а также пневматические и электропневматические позиционеры. Общим для всех типов позиционеров является наличие аналогового управляющего сигнала и отрицательной обратной связи [49].
Применение автоматической адаптации пневмопривода к изменению нагрузки при сохранении быстродействия рассмотрена в работе [50]. Адаптация обеспечивается импульсом давления в рабочей полости пневмоцилиндра.
Разработан автоматизированный позиционный пневмопривод, повышенного быстродействия и точности с оригинальным датчиком перемещения и внешним тормозным устройством [51, 52]. Точность позиционирования повышается в 1,25-2,25 раза.
Фирмы Camozzi, Festo, SMC, Pneumax, Air torque, как правило, обеспечивают торможение и позиционирование с использованием внутренних тормозных устройств управляющих потоками сжатого воздуха. Недостатком таких систем является сложность управления потоком сжатого воздуха из-за изменяющихся свойств и параметров состояния рабочей среды.
На основании проведенного анализа способов и средств управления технологического оборудования и роботом с пневмоприводами, а также методов регулирования скорости, торможения и позиционирования выходного звена пневматических двигателей предложена обобщенная структура пневмопривода (рисунок 1.9).
Электромагнитный (соленоидный) клапан
Электромагнитный клапан - электромеханическое устройство, как показано на рисунке 2.10, предназначенное для регулирования потоков всех типов жидкостей и газов. Он состоит из корпуса, соленоида (электромагнита) с сердечником, на котором установлен диск или поршень, регулирующий поток.
Дифференциальное уравнение, описывающее электрическую цепь имеет вид: UPWM = Re і +L— — (2.19) где Rc - сопротивление катушки; / - ток;
L - индуктивность. Когда клапан включен, плунжер перемещается в катушку, что приводит к увеличению присутствия железного сердечника и индуктивности (рисунок 2.10). Для этого индуктивность моделируется как линейная функция, которая возрастает с увеличением погружной позиции хрп, то есть L (xp) = Lo +aL xpn, (2.20) где L является параметром, выбранным для соответствия данным, предоставленным производителем. Поскольку индуктивность зависит от положения плунжера Хрп, величина (/—) в уравнении (2.19) будет зависеть от Величина отли чается от нуля только тогда, когда плунжер находится в движении, что является очень коротким периодом времени.
Величиной (/—) можно пренебречь. Это превращает уравнение (2.19) вместе с (2.20) в уравнение:
UPWM= Rc і +(L0+ aL xpn) Магнитная цепь учитывает магнитную силу Fm, приложенную к плунжеру. Магнитная цепь состоит из неподвижного сердечника с катушкой и якоря, который движется магнитной силой, как показано на рисунке 2.10.
Для этой схемы магнитная сила получена с помощью теории экоэнергетики (coenergy theory), как показано ниже:
W = -. L(t) i(t)2 ; где W - механическая работа в магнитной цепи;
о - магнитная проницаемость воздуха;
г- относительная проницаемость;
N - витки катушки;
1С - эффективная длина магнитной цепи;
( ( )) - длина воздушного зазора между двумя притягивающими объектами;
Ае - площадь поперечного сечения потока. Динамические уравнения движения механической части имеют вид: mpх(t) = Fprs + Fm-KП x(t)- Fpld-b ( ) ; Fprs = fa - a2)Psup , где mp - масса плунжера внутри клапана, КП - постоянная пружины клапана, Fpld - пружинная предварительная нагрузка, Ъ - коэффициент демпфирования, аь а2 - поперечные сечения плунжера и Psup - давление в клапане.
Массовый расход , проходящий через клапан является функцией положения плунжера Хрп и силы цилиндра. Пружина удерживает плунжер в конечном положении, которое обеспечивает закрытие клапана (хрп = 0). Клапаны обычно закрыты.
Движение плунжера обеспечивает требуемый массовый расход воздуха цилиндра. Электромагнитные и механические компоненты клапана управляют потоком воздушной среды через отверстие клапана, основанные на регулировании положения плунжера и управляют движением поршня в цилиндре [80, 81, 82].
Математическое моделирование динамики системы управления движением манипулятора роботов и технологического оборудования с нечеткими ПИД и ПД регуляторами
На основании уравнений движения поршня пневмоцилиндра, скоростей изменения давлений в полостях цилиндра и массового расхода воздуха разработана модель с использованием нечткой логики. Разработка нечеткой модели выполнена с использованием приложения Fuzzy Logic системы MATLAB. Входными переменными модели систем управления являются ошибка управления е и скорость ее изменения de, а выходной переменной положение поршня пневмоцилин-дра x. Функции принадлежности входных и выходных параметров имеют треугольный вид. Для записи термов входных и выходных параметров использованы следующие сокращения [103]: PB – большое положительное; PM – среднее положительное; PS – малое положительное; Z – нуль; NS – малое отрицательное; NM – среднее отрицательное; NB – большое отрицательное.
База нечетких правил управления системы нечеткого вывода содержит 49 правил вида:
1. Если « e есть NB» и «de есть NB», то «x есть NB»;
2. Если « e есть NB» и «de есть NМ», то «x есть NB»;
3. Если « e есть NB» и «de есть NS», то «x есть NB»;
4. Если «e есть PB» и «de есть NS», то «x есть PB».
Для сокращения записи полная база нечетких правил управления, полученная в процессе исследования, приведена в таблице 3.5.
После заданий функций принадлежности входных и выходной переменной создается система правил, по которым осуществляется принятие решений о значении выходной переменной.
Используя полученные множества, построен трехмерный график нечеткого регулятора электропневматического модуля по заданным параметрам (рисунок 3.16).
Полученный график распределений нечеткого вывода позволяет установить зависимость выходной величины от значений входных переменных нечеткого вывода. На основании уравнений движения поршня пневмоцилиндра, скоростей изменения давлений в полостях цилиндра и массового расхода воздуха разработаны модели с использованием системы MATLAB. Схемы моделей с нечетким регулятором ПИД и с нечетким регулятором ПД в системе MATLAB-SIMULINK показаны на рисунках 3.17 и 3.18.
На рисунке 3.19 представлены графики, характеризующие реакцию системы автоматического регулирования положения поршня пневмоцилиндра и скорость на ступенчатое задающее воздействие.
Кривая (а) соответствует системе автоматического регулирования с нечетким ПИД регулятором при ходе 0,15 м, кривая (б) при ходе 0,08 м.
На рисунке 3.20 представлены графики, характеризующие реакцию системы автоматического регулирования положения поршня пневмоцилиндра и скорость на ступенчатое задающее воздействие.
Кривая (а) соответствует системе автоматического регулирования с нечетким ПД регулятором при ходе 0,15 м, кривая (б) при ходе 0,08 м.
На основании уравнений движения поршня пневмоцилиндра, скоростей изменения давлений в полостях цилиндра и массового расхода воздуха разработаны модели с использованием системы MATLAB. Схемы моделей нечеткого ПИД регулятора с пневмоклапанами-ШИМ и нечеткого ПД регулятора с пневмоклапана-ми-ШИМ в системе MATLAB-SIMULINK показаны на рисунках 3.21 и 3.22.
На рисунке 3.23 представлены графики, характеризующие реакцию системы автоматического регулирования положения поршня пневмоцилиндра и скорость на ступенчатое задающее воздействие.
Кривая (а) соответствует системе автоматического регулирования с нечетким ПИД регулятором-ШИМ при ходе 0,15 м, кривая (б) при ходе 0,08 м.
На рисунке 3.24 представлены графики, характеризующие реакцию системы автоматического регулирования положения поршня пневмоцилиндра и скорость на ступенчатое задающее воздействие.
Кривая (а) соответствует системе автоматического регулирования с нечетким ПД регулятором-ШИМ при ходе 0,15 м, кривая (б) при ходе 0,08 м.
На основании уравнений движения поршня пневмоцилиндра, скоростей изменения давлений в полостях цилиндра и массового расхода воздуха разработаны модели с использованием системы MATLAB. Схемы моделей электропневматического модуля с пневмраспределителем и нечетким регулятором и электропневматического модуля с пневмоклапанами и нечетким регулятором-ШИМ в системе MATLAB-SIMULINK показаны на рисунках 3.25 и 3.26.
Экспериментальные исследования электропневматической системы
Регулятор давления 2 используется для стабилизации и регулирования пневматического давления в системе. Датчик расхода 3 используется для измерения расхода воздуха в системе. Выхлопная линия 4 используется для связывания системы с атмосферой. Пневмо-распределитель 5 это командный элемент системы и используется для обеспечения быстрого и точно контролируемого потока воздуха в камерах исполнительных элементов. Датчик давления 6 используется для измерения значения давления в пневматической системе. Цилиндр двойного действия 7 используется в качестве исполнительного механизма в системе, где он преобразует энергию сжатого воздуха в линейное движение. Датчик положения 8 используется для получения информации о местоположении движения поршневого штока внутри пневматического цилиндра. Система сбора данных 9 используется для измерения и создания сигнала передачи для управления пнвмораспределителем и системой. Сбор данных и управления выполняются компьютером 10.
Экспериментально для проверки конструкции и управления электропневматической системой была разработана и использована адаптивная система управления на основе управления нечеткой логикой. Система управляется программой Simulink, которая позволяет этой предлагаемой системе работать в разных граничных условиях и может быть хорошей альтернативой традиционным методам управления.
Эта система может преодолеть препятствия для контроля и достичь хороших рабочих характеристик и минимальной ошибки позиционирования. Система обеспечивает последовательность подачи цифровых и аналоговых сигналов, используемых для управления. Управление пневмораспределителем осуществляют нечеткие ПИД и ПД регуляторы. Регулятор расположен на выходном отверстии воздухосборника компрессора с максимальным давлением 10 бар. Festo пневмо-распределитель 5/3 типа MPYE-5-1/8-LF-010-B установлен для управления расходом воздуха и его направлением и расположен между регулятором давления и пневматическим цилиндром.
После того как систему включили, воздух через пневмораспределитель поступает в цилиндр и вызывает движение поршня. Скорость движения поршня зависит от площади отверстия пневмораспределителя. Площадь отверстия пневмораспределителя может быть изменена путем сигнала от контроллера и позиционного датчика. После достижения желаемого хода, который ранее установлен в программе, клапан закрывается.
Функциональная схема устройства, приведенная на рисунке 4.1, обеспечивает следующую последовательность операций: настройку регулятора давления 2 на требуемое значение давления; запись из рабочей программы компьютера требуемого хода; выполнение требуемого хода. После работы компьютерной программы датчик положения 8 определяет фактическое положение поршня и сигнал отправляется для управления частями системы, затем контрольные части 9, 10 анализируют этот сигнал и посылают сигнал на пневмораспределитель 5. Поршень цилиндра 7 начинает двигаться слева направо. Когда поршень цилиндра достигает требуемого положения (конец хода), датчик положения посылает сигнал через систему сбора данных в компьютер, который анализируют этот сигнал и посылает сигнал в пневмораспределитель. Эта процедура может быть повторена до требуемого количества ходов, а затем система автоматически останавливается.
Результаты экспериментальных исследований электропневматической системы с использованием нечеткого ПИД регулятора показаны на рисунках 4.2; 4.3; 4.4 и 4.5. На рисунке 4.2 представлен график изменения, характеризующий реакцию системы автоматического регулирования положения поршня пневмоцилиндра на ступенчатое задающее воздействие при заданном ходе поршня 0,15 м.
Таблицы 4.3 и 4.4 показывают сравнение ошибок системы позиционирования и сравнение времени хода нечеткого ПИД регулятора - экспериментальные и нечеткого ПИД регулятора - моделирование.
Таблица 4.3 – Сравнение ошибок системы позиционирования с пневмораспределителем нечеткого ПИД - экспериментальные и с пневмораспределителем нечеткого ПИД - моделирование
Из таблицы 4.3 видно, что расхождение результатов позиционирования для элек тропневматического модуля с пневмораспределителем нечеткого ПИД - экспериментальных и с пневмораспределителем нечеткого ПИД - моделирования составляет 9,1 %.
Таблица 4.4 – Cравнения времени хода результатов нечеткого ПИД - экспериментальные и нечеткого ПИД-моделирование с пневмораспределителями
Из таблицы 4.5 видно, что расхождение результатов позиционирования для элек- тропневматического модуля с пневмораспределителем нечеткого ПД регулятора - экспериментальные и с пневмораспределителем нечеткого ПД регулятора - моделирования составляет 9,8 %.
Таблица 4.6 – Cравнения времени хода результатов нечеткого ПД регулятора - экспериментальные и нечеткого ПД регулятора - моделирование с пневмо-распределителями