Содержание к диссертации
Введение
1. Актуальность задачи построения электропневматических следящих приводов повышенной точности и быстродействия для роботов и промышленных технологических систем 8
1.1. Анализ областей и условий применения электропневматических приводов в составе технологических систем различных отраслей промышленности 8
1.2. Особенности применения электропневматических приводов в робототехнике 16
1.3. Обобщённые требования к промышленным электропневматическим приводам роботов и технологических систем 19
1.4. Анализ исследований и технических решений в области построения промышленных электропневматических позиционных и следящих приводов 20
1.5. Выводы по первой главе, цель и задачи исследования 27
2. Разработка структуры промышленного электропневматического следящего привода на основе принципов мехатроники 29
2.1. Концепция формирования структуры электропневматического следящего привода на основе принципов мехатроники 29
2.2. Анализ вариантов структур устройств компьютерного управления в составе мехатронных электропневматических следящих приводов 34
2.3. Выводы по второй главе 42
3. Исследование мехатронного регулятора давления как компонента электропневматического следящего привода 44
3.1. Анализ устройства и особенностей функционирования пропорционального электропневматического регулятора давления 44
3.2. Нелинейная математическая модель мехатронного электропневматического регулятора давления 47
3.3. Разработка стенда для экспериментального исследования свойств мехатронного регулятора давления компании Camozzi 56
3.4. Экспериментальное исследование переходных процессов и частотных характеристик мехатронного электропневматического регулятора давления 59
3.5. Формирование упрощённой математической модели мехатронного регулятора давления на основе результатов экспериментального исследования 64
3.6. Компьютерное моделирование мехатронного регулятора давления 67
3.7. Выводы по третьей главе 77
4. Исследование динамических свойств мехатронного силового агрегата 79
4.1. Нелинейная математическая модель мехатронного силового агрегата с компьютерным управлением 79
4.2. Линеаризованная модель мехатронного силового агрегата 83
4.3. Компьютерное моделирование мехатронного силового агрегата .90
4.4. Разработка стенда для экспериментальных исследований свойств мехатронного силового агрегата 95
4.5. Экспериментальное исследование динамических свойств мехатронного силового агрегата 102
4.6. Упрощённая математическая модель мехатронного силового агрегата, основанная на результатах экспериментальных исследований. 106
4.7. Выводы по четвёртой главе 111
5. Разработка алгоритмов управления и компьютерное исследование динамических свойств мехатронных электропневматических следящих приводов 113
5.1. Разработка алгоритмов компьютерного управления мехатронными электропневматическими следящими приводами 113
5.2. Пример синтеза алгоритмов управления мехатронным электропневматическим следящим приводом на основе линеаризованной модели мехатронного силового агрегата 123
5.3. Повышение точности и быстродействия следящего электропневматического привода в результате коррекции задающего воздействия, использования нелинейных законов регулирования и фильтрации сигналов обратных связей 132
5.4. Компьютерное моделирование мехатронных электропневматических следящих приводов 138
5.5. Выводы по пятой главе 145
6. Экспериментальное исследование электропневматических следящих приводов с мехатронными силовыми агрегатами и компьютерным управлением 147
6.1. Режимы испытаний и лабораторный стенд для экспериментального исследования динамических свойств электропневматического следящего привода с мехатронным силовым агрегатом 147
6.2. Экспериментальное исследование динамических свойств замкнутого по скорости электропневматического привода с учётом особенностей формирования и фильтрации сигнала обратной связи 149
6.3. Исследование свойств электропневматического следящего привода, замкнутого по положению поршня и дополненного корректирующей обратной связью по скорости 152
6.4. Исследование свойств электропневматического следящего привода, замкнутого по положению поршня, с подчинённым контуром регулирования скорости 160
6.5. Исследование свойств электропневматического следящего привода с коррекцией задающего воздействия и нелинейными законами регулирования 163
6.6. Выводы по шестой главе 170
Основные результаты и выводы 172
Библиографический список 176
Приложения 185
- Анализ исследований и технических решений в области построения промышленных электропневматических позиционных и следящих приводов
- Анализ вариантов структур устройств компьютерного управления в составе мехатронных электропневматических следящих приводов
- Экспериментальное исследование переходных процессов и частотных характеристик мехатронного электропневматического регулятора давления
- Разработка стенда для экспериментальных исследований свойств мехатронного силового агрегата
Введение к работе
Актуальность темы. Современные мировые тенденции развития робототехнических и технологических систем ведут к ужесточению требований к быстродействию, точности и экономичности электропневматических следящих приводов (ЭПСП), функционирующих в жёстких условиях промышленной эксплуатации. Несмотря на широкое использование и глубокую проработку вопросов проектирования пневматических приводов, методы построения промышленных ЭПСП, обладающих высокой точностью и быстродействием и удовлетворяющих требованиям к экономичности, были сформированы пока не в полной мере. Недостаток многих известных решений в области построения следящих пневмоприводов состоит в их неэкономичности, обусловленной применением проточных пневмоэлементов, приводящих к неэффективному расходованию сжатого воздуха, что недопустимо в промышленности. ЭПСП на базе дискретных электропневматических распределителей с положительным перекрытием более экономичны, но обладают сравнительно низкой точностью (погрешность до 5 мм) и невысокой скоростью движения (до 20...30мм/с). Таким образом, повышение точности и быстродействия электропневматических следящих приводов промышленного назначения для оснащения роботов и технологических установок является актуальной научной задачей.
Увеличение точности и быстродействия промышленных ЭПСП связано с использованием принципов и методов мехатроники. При этом основная роль отводится совершенствованию алгоритмов компьютерного управления движением и более высокому уровню системной интеграции в результате применения в составе приводов мехатронных компонентов и мехатронных агрегатов на их основе. Диссертация основана на методах мехатроники, компьютерного управления и электропневматических приводов, изложенных в трудах И.М. Макарова, В.А. Бесекерского, B.C. Кулешова, Ю.В. Подураева, Ю.В. Илюхина, Б.К. Чемоданова, В.Ф. Казмиренко, Е.В. Герц, В.Г. Градецкого, Г.В. Крейнина, В.А. Королёва, Д.Л. Шерера, Р. Изермана и других учёных.
Цель исследования - повышение точности и быстродействия промышленных электропневматических следящих приводов с компьютерным управлением, построенных на основе мехатронного подхода и применения мехатронных компонентов, обладающих повышенной экономичностью и ориентированных на применение в жёстких условиях эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Разработана структура промышленных электропневматических следящих приводов как мехатронных систем на базе мехатронных силовых агрегатов с пропорциональными электропневматическими регуляторами давления, обеспечивающая повышение точности и быстродействия.
Сформирована математическая модель и проведено исследование свойств пропорциональных электропневматических регуляторов давления как мехатронных компонентов электропневматических следящих приводов.
Разработаны математическая модель и проведено исследование динамических свойств мехатронного силового агрегата на основе пропорциональных регуляторов давления.
Разработаны математическая модель электропневматического следящего привода с мехатронным силовым агрегатом и алгоритмы компьютерного управления, проведено исследование динамических свойств ЭПСП с помощью ЭВМ.
Проведено экспериментальное исследование динамических свойств электропневматического следящего привода с мехатронным силовым агрегатом и разработанными алгоритмами компьютерного управления.
Научная новизна работы заключается:
- в структуре мехатронного промышленного электропневматического следящего привода повышенной точности и быстродействия, которая объединяет управляющую ЭВМ, реализующую разработанные алгоритмы компьютерного управления, и мехатронныи силовой агрегат на основе пропорциональных
регуляторов давления с электронным управлением как мехатронных компонентов.
в комплексе математических моделей мехатронного электропневматического следящего привода, мехатронного силового агрегата и мехатронного регулятора давления, учитывающих нелинейность их характеристик, особенности компьютерного управления, течения сжатого воздуха через дросселирующие устройства и влияние сил трения.
в комплексе упрощённых линейных математических моделей мехатронного электропневматического регулятора давления и мехатронного силового агрегата как мехатронных компонентов электропневматических следящих приводов, основанных на результатах экспериментальных исследований и рекомендуемых для синтеза алгоритмов компьютерного управления и анализа свойств ЭПСП.
в комплексе алгоритмов компьютерного управления мехатронным электропневматическим приводом, реализующих линейные и нелинейные законы регулирования, распределение управляющих воздействий на мехатронные регуляторы давления и фильтрацию сигналов информационно-измерительных устройств.
Практической ценностью обладают следующие результаты.
Рекомендации по созданию гаммы мехатронных электропневматических приводов нового класса, на базе которых создан образец ЭПСП, обладающий повышенной точностью, быстродействием, экономичностью и способный работать в жёстких промышленных условиях.
Алгоритмы и программное обеспечение компьютерного управления мехатронными ЭПСП в реальном времени.
Компьютерные модели и программы моделирования мехатронных ЭПСП и их компонентов, рекомендуемые для анализа динамических свойств ЭПСП и проведения проектных расчётов.
Методы исследования. При выполнении диссертационного исследования использованы методы теории автоматического управления, газовой динамики, теории электропневматических систем, линейной алгебры, интерполяции, математической обработки экспериментальных данных. Исследование ЭПСП и его компонентов выполнено экспериментально и методом математического моделирования с применением разработанных автором программ.
Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием математического аппарата и положений мехатроники, теории автоматического управления, пневматических приводов и подтверждается согласованностью результатов, полученных аналитически, путём математического моделирования и в ходе натурных экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах кафедры «Робототехника и мехатроника» МГТУ «СТАНКИН», на ХІ-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» (Москва, 23-25 апреля 2008 г.), на Одиннадцатой Всероссийской научно-практической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 8-9 апреля 2008 г.), на XXXIV Международной молодёжной научной конференции «ГАГАРИЙСКИЕ ЧТЕНИЯ» (Москва, 1-5 апреля 2008 г.), на первой научно-методической конференции МГТУ «СТАНКИН» «Машиностроение, традиции и инновации» (МТИ 08) (Москва, 18 ноября 2008 г.), на международной конференции-симпозиуме «Тенденции развития робототехники и мехатроники» в рамках выставки «Робототехника-2008», (Москва, 5 ноября 2008 г.).
Внедрение результатов исследования осуществлено в практику проектирования электропневматических следящих приводов в компании ООО «Камоцци Пневматика», а также в учебный процесс в МГТУ «СТАНКИН» по дисциплине «Компьютерное управление мехатронными системами».
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в шести опубликованных печатных работах, в том числе в журнале «Вестник
Воронежского государственного технического университета», входящем в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 193 страницы состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 119 наименований и 3 приложений. Основной текст изложен на 176 страницах, включает 114 рисунков, 10 таблиц и 214 математических формул.
Анализ исследований и технических решений в области построения промышленных электропневматических позиционных и следящих приводов
Современный промышленный электропневматический следящий привод представляет собой сложную динамическую систему, состоящую из механических, пневматических, электрических, информационно-измерительных и микропроцессорных элементов. Основы построения следящих систем глубоко разработаны и подробно изложены в работах Попова Е.П., Бесекерского В.А., Чемоданова Б.К., Илюхина Ю.В и других учёных. Вопросы создания следящих приводов с компьютерным управлением рассмотрены в работах [4-7, 13, 28, 29, 31, 43, 49]. Теория пневмоприводов, в том числе ориентированных на применение в робототехнике и промышленных системах, изложена в трудах Герц Е.В., Градецкого В.Г., Крейнина Г.В., Шерера Д.Л. и других исследователей. В работах [2, 17-19, 23-25, 33, 37, 56] показано, что пневмоприводы являются нелинейными системами и их свойства обусловлены сжимаемостью рабочего тела, специфическими особенностями течения сжатого воздуха через дросселирующие устройства и наличием сил трения. Вопросы построения позиционных и следящих пневмоприводов изложены в [33, 42, 44, 46, 47, 50, 67]. Линеаризация характеристик пневмопривода и возможность использования линеаризованных моделей силовых частей пневмоприводов " для построения на их основе следящих систем изложены в [2, 8, 57].
Позиционирование объекта за счёт запирания обеих полостей цилиндра в момент движения является эффективным решением для многих отраслей промышленности, где достаточно невысоких скоростей перемещения ОУ (меньше 50 мм/с) при погрешности позиционирования 1-5 мм. Примером построенного по такому принципу пневмопривода является серийно выпускаемый электропневматический следящий привод компании Camozzi, широко применяемый в ряде отраслей промышленности (рис. 1.76). Устройство управления такого привода на базе промышленного логического контроллера (ГОЖ) выдаёт дискретные команды на управляющую часть электропневматического распределителя со структурой 5/3 с закрытым центром (рис-. 1.7а) [105].
Запирание полостей пневмоцилиндра и, как следствие, остановка поршня цилиндра в желаемом положении происходит при условии, если рассогласование между задающим воздействием и сигналом датчика обратной связи становится меньше допустимого значения. В этом случае количество возможных точек позиционирования объекта управления определяется дискретностью датчика положения и применяемыми алгоритмами управления [33, 62, 105]. В зависимости от требуемой точности необходимы различные решения. При погрешности позиционирования, лежащей в пределах 1 мм, приходится усложнять и силовую, и управляющую часть привода: использовать группу распределителей и устройств регулирования скорости, усложнять алгоритм формирования управляющих воздействий, вводить алгоритмы адаптации и прогнозирования поведения привода [33]. Недостатком описанного привода является опасность возникновения автоколебаний при увеличении скорости движения, что сделает привод неработоспособным.
В следящих пневмоприводах может использоваться комбинация релейного или квазинепрерывного управления, основанного на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигналов управления. В этом случае используются два режима работы. На этапе разгона и рабочего торможения имеет место релейный режим переключения распределителей в силовой части, а при подходе к точке позиционирования - ШИМ режим. Целесообразно реализовывать режим ШИМ с помощью мембранных элементов, т.к. использование электропневматических распределителей в режиме ШИМ существенно снижает ресурс их работы [46, 100]. Свойства такого привода зависят от его конструктивных и настроечных параметров [42]. К недостаткам такой системы относят низкое быстродействие, обусловленное свойствами мембранных элементов, ограниченную область устойчивой работы, сложность введения корректирующих связей [97].
Известные решения в области построения следящих пневмоприводов предусматривают, как правило, использование проточных пропорциональных пневмораспределителей или струйной трубки. В этом случае удаётся получить высокую чувствительность и хорошую управляемость. Принципиальная схема такого привода включает пневматический цилиндр и струйный механизм, который приводится в действие электромагнитным преобразователем [2]. Пропорционально отклонению струйной трубки изменяются расходы воздуха, поступающие в левую или правую полость цилиндра через сопла приёмника. На оси струйника расположен якорь электромагнитного преобразователя. При равенстве токов управления в обмотках управления наступает равенство сил, действующих на якорь, при этом якорь и струйник находятся в центральном положении. При наличии разности токов управления якорь и струйник поворачиваются на угол, пропорциональный разности токов. Обратную связь по положению штока обеспечивает потенциометрический датчик.
Принцип действия струйного распределителя основан на двойном преобразовании энергии. Сначала в струйной трубке потенциальная энергия сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию потока струи газа, а в приёмных соплах приёмника кинетическая энергия струи газа преобразуется в потенциальную энергию сжатого газа, поступающего в полости цилиндра. Это двойное преобразование энергии приводит к потерям давления до 10 %.
Анализ вариантов структур устройств компьютерного управления в составе мехатронных электропневматических следящих приводов
На основании результатов анализа известных подходов к созданию следящих систем управления движением [7, 18, 34, 47] в диссертации разработана классификация структур управляющих частей ЭПСП на базе управляющих ЭВМ (рис. 2.3) и предложены их наиболее рациональные варианты.
Наиболее просто реализуется компьютерное устройство управления в виде ПИД-регулятора в структуре ЭПСП с главной обратной связью по положению поршня и без дополнительной корректирующей обратной связи по скорости (рис. 2.4). Для формирования сигнала главной обратной связи (ОС) по положению используется прецизионный датчик Дп, дающий информацию о положении поршня пневмоцилиндрав любой точке хода.
Управление осуществляется по рассогласованию сигналов задающего воздействия и сигнала, пришедшего с датчика ОС по положению. Сигнал ошибки является первичным для выработки управляющего воздействия на МСА, реализующий контур регулирования развиваемой приводом силы.
Преимуществом такой структуры является её простота и лаконичность, минимальное число используемых датчиков ОС и корректирующих устройств, удобство настройки единственного регулятора, стоящего в прямой цепи системы. Однако недостаток рассмотренного варианта состоит в неизбежном возникновении перерегулирования. Это вызывает необходимость применения интегральной составляющей регулирования для предотвращения повышенной чувствительности ошибки привода к действию на ОУ внешних сил и сил трения.
Среди структур с корректирующей ОС по скорости стоит выделить две структуры: структуру с регулятором положения и параллельной коррекцией по скорости и структуру с П-регулятором положения и контуром подчинённого регулирования скорости.
Структура контуров подчинённого регулирования, которая широко используется в системах управления следящими электроприводами, может быть применена и при построении ЭПСП (рис. 2.5). Контур регулирования скорости содержит механическую часть (полости пневмоцилиндра, поршень с механическим ОУ), замкнутую внутреннюю подсистему регулирования перепада давлений на базе мехатронных регуляторов, регулятор скорости PC и цепь сигнала обратной связи по скорости, реализованный на базе датчика положения и вычислителя скорости. Вычислитель скорости может быть реализован программно путём обработки данных, поступающих через АЦП от датчика положения поршня, или аппаратно с использованием аналогового дифференциатора и последующего аналого-цифрового преобразования. Внешний контур регулирования содержит регулятор положения РП, замкнутую подсистему регулирования скорости и датчик сигнала главной обратной связи по положению Дп.
С формальной точки зрения такая структура удобна, т.к. предоставляет возможность использования однотипных процедур последовательной настройки регуляторов скорости и положения. Методика их настройки хорошо известна и подробно изложена в книгах [6, 35, 37]. Однако в реальных условиях настройка регулятора скорости связана с серьёзными трудностями,,т.к. в отличие от электродвигателя, имеющего неограниченный угол поворота, пневмоцилиндр имеет ограниченный ход. Потенциальными преимуществами такого привода являются высокая жёсткость, а значит, сопротивляемость действию внешних сил при наличии интегральной составляющей регулирования в контуре скорости, а также отсутствие перерегулирования в переходном процессе изменения положения при применении П-регулятора положения. Потенциальными эти преимущества являются потому, что их не так просто реализовать в пневмоприводе. Для качественной работы привода с такой структурой требуется, чтобы полоса пропускания замкнутой подсистемы регулирования скорости была в несколько раз шире требуемой полосы пропускания замкнутого привода, а полоса пропускания замкнутой подсистемы регулирования давлений, характеризуемая динамическими свойствами МСА, была в несколько раз шире требуемой полосы пропускания замкнутой подсистемы регулирования скорости. Эти условия не всегда выполняются. Кроме того, недостатком рассматриваемой структуры управляющей части привода является её большая сложность.
Вариант структуры управляющей части ЭПСП с ПИ-регулятором положения и подсистемой подчинённого регулирования скорости, оснащённой ПИ-регулятором скорости, не рассматривается. Это обусловлено тем, что при такой структуре ЭПСП, являющегося нелинейной динамической системой, в приводе неизбежно возникают низкочастотные автоколебания. Этот факт подтверждён результатами экспериментов [86].
Возможна структура ЭПСП с параллельной коррекцией по скорости и МСА в исполнительной части системы (рис. 2.6). Для данной структуры характерно наличие корректирующего устройства КУ в цепи ОС по скорости, параллельной главной ОС по положению. Недостатками такой схемы является сложность одновременной настройки параметров корректирующего устройства в цепи ОС и параметров регулятора в прямой цепи.
Экспериментальное исследование переходных процессов и частотных характеристик мехатронного электропневматического регулятора давления
Свойства МСА и ЭПСП в целом в значительной степени зависят от свойств мехатронных электропневматических регуляторов давления, образующих подсистемы регулирования давлений в полостях пневмоцилиндра. Поэтому важной задачей является экспериментальное и аналитическое исследование динамических свойств МРД, для чего необходимо разработать его математическую и компьютерную модели, а также создать лабораторный стенд для проведения экспериментальных исследований.
МРД относится к классу устройств, серийно выпускаемых разными производителями (Camozzi, SMC и др.). Конструкция, принцип действия и энергетические возможности таких устройств схожи. МРД предназначен для дистанционного оперативного управления избыточным давлением сжатого воздуха в выходной полости (ВП), которое с высокой точностью изменяется пропорционально входному электрическому сигналу. Структура регулятора давления (рис. 3.1) включает в себя силовую пневмомеханическую часть (СЧР), пилотную камеру (ПК), датчик давления (ДД), дискретные распределители с электрическим управлением (ДР) и плату управления с микроконтроллером (МУУ). Силовая пневмомеханическая часть регулятора имеет три отверстия, одно из которых служит для подачи сжатого воздуха из магистрали питания, второе является каналом выхода воздуха в полость с регулируемым давлением, а третье представляет собой канал сброса избытка воздуха из выходной полости в атмосферу. Внутри регулятора установлены два параллельно включённых миниатюрных электропневматических распределителя со структурами 2/2 (рис. 3.2) [83, 88,106].
Микропроцессорное устройство управления снабжено усилителем мощности, который вырабатывает воздействия, поступающие на электропневматические распределители для регулирования давления в промежуточной (пилотной) камере. В зависимости от рассогласования между задающим воздействием и давлением, измеренным датчиком, распределители имеют 3 дискретных состояния. В одном из них давление в пилотной камере повышается, в другом сбрасывается, в третьем стабилизируется благодаря тому, что пилотная камера запирается.. Это давление создаёт регулируемое усилие, действующее на исполнительный орган - поршень регулятора (рис. 3.3), а положение запорного клапана, жёстко связанного с поршнем, влияет на расход проходящего через регулятор воздуха и интенсивность изменения давления, создаваемого на выходе. При отсутствии избыточного давления в пилотной камере запорный клапан перемещается в верхнее положение под действием пружины (МП), а нижняя часть седла клапана блокирует течение воздуха в силовом канале. Наличие избыточного давления в пилотной камере приводит к перемещению вниз поршня и запорного клапана, канал течения воздуха открывается, на выходе регулятора появляется избыточное давление газа, которое, в свою очередь, создает усилие подпора запорного клапана. Это усилие является проявлением действия отрицательной обратной связи по давлению. Необходимо отметить, что для исключения автоколебаний поршня предусмотрена система механических пружин (МП) и дополнительных миниатюрных полостей (ДП), оказывающих демпфирующее действие. При условии, что усилие подпора оказывается достаточным, чтобы противодействовать силе давления, действующей со стороны пилотной камеры, и усилиям сжатия пружин, клапан возвращается в исходное состояние, запирая выходную полость и сводя к нулю равнодействующую всех сил, действующих на подвижный поршень.
Таким образом, можно сделать вывод, что, несмотря на наличие в составе регулятора дискретных устройств, таких как электропневматические распределители, регулятор давления в целом представляет собой пропорциональное устройство, дающее возможность воспроизводить в функции времени желаемое давление, пропорциональное входному электрическому сигналу.
Важной задачей исследования является построение математической модели исследуемого объекта. Методы математического моделирования позволяют получить обобщенную математическую модель для класса подобных устройств. Полученные зависимости в дальнейшем могут быть применены для создания компьютерной модели, удобной для анализа динамических свойств регулятора, и разработки мероприятий по увеличению полосы пропускания MP Д. Также эти уравнения войдут в математическую модель мехатронного силового агрегата и будут служить основой для линеаризованной модели цифрового ЭПСП.
При математическом описании свойств МРД необходимо рассматривать работу регулятора давления с полостью, в которой желаемое давление стабилизируется, и объём которой известен (рис. 3.4.). При этом сделано допущение, что потери давления внутри трубопровода, связывающего источник сжатого газа с регулятором, пренебрежимо малы, волновые процессы, связанные с распространением давления от полости запорного клапана регулятора до выходной полости, заменяются процессом наполнения сжатым воздухом суммарного объёма полостей (включая внутренний объем трубопровода) до давления, пропорционального управляющему входному сигналу. Пропускная способность отверстия регулятора определяется эффективной площадью проходного сечения и режимом течения газа.
Разработка стенда для экспериментальных исследований свойств мехатронного силового агрегата
Выполненное исследование свидетельствует о том, что разработанная компьютерная модель и программное моделирование с помощью ЭВМ являются эффективными средствами исследования динамических свойств MP Д. Кроме того, они могут быть использованы как основа для создания средств компьютерного исследования МСА и мехатронного следящего привода в целом.
Компьютерная модель МРД оказалась также полезной для более глубокого анализа свойств и выработки предложений по совершенствованию МРД. Некоторые результаты такого рода исследований приведены в приложении П2.
В результате проведённого исследования мехатронного регулятора давления сделаны следующие выводы. 1. Раскрыта внутренняя структура мехатронного электропневматического регулятора давления на примере регулятора давления компании Camozzi, представляющего собой основу для создания подсистемы регулирования давлений в полостях пневмоцилиндров ЭПСП. Внутренняя структура позволяет построить математическую модель и проанализировать динамические свойства регулятора давления. 2. Получена нелинейная математическая модель мехатронного регулятора давления, которая представляет собой систему дифференциальных уравнений шестого порядка и учитывает динамику изменения давлений в полостях регулятора давления, особенности течения воздуха через регулирующие и дросселирующие отверстия в докритическом и надкритическом режимах, влияние сухого трения и специфику работы электронных управляющих устройств и электропневматических распределителей. 3. Разработан экспериментальный стенд, включающий в себя управляющую ЭВМ и интерфейсные устройства и позволяющий в режиме реального времени получать реакции мехатронного регулятора давления на разнообразные входные воздействия. 4. Реакции мехатронного регулятора давления Camozzi серии ER200 на входные ступенчатые и гармонические воздействия свидетельствуют о том, что на основе МРД могут быть построены подсистемы регулирования давлений в полостях пневмоцилиндров электропневматического следящего привода. 5. Выявлен адаптивный характер автоматической подстройки параметров устройства управления в составе МРД в зависимости от значения объёма полости на его выходе, оказывающий существенное влияние на свойства МРД. 6. Полученная на основании экспериментальных данных упрощённая эмпирическая модель мехатронного регулятора давления учитывает влияние значения объёма выходной полости на настройки устройства управления и динамические свойства МРД и рекомендуется для использования в составе математических моделей МСА и ЭПСП в целом. 7. На основании математической модели мехатронного регулятора давления построена его компьютерная модель, реализованная в программе Simulink программного комплекса Matlab. 8. Результаты компьютерного моделирования согласуются с результатами, полученными в ходе эксперимента, что свидетельствует о корректности математической и компьютерной моделей МРД. 9. Разработанная компьютерная модель МРД является эффективным средством исследования динамических свойств МРД с помощью ЭВМ. 10. Построенные на основании результатов экспериментов частотные характеристики МРД позволяют сделать вывод о том, что полоса пропускания МРД серии ER200 достигает 18...25 рад/с, что позволяет рассчитывать на частоту среза разомкнутого электропневматического следящего привода, равную 10...12рад/с. 11. Мехатронный регулятор давления может рассматриваться как перспективный компонент мехатронного силового агрегата электропневматического следящего привода, к которому предъявляются повышенные требования по точности и быстродействию. Результаты представленного в главе 2 анализа построения следящих электропневматических приводов с цифровым программным управлением показывают, что в исполнительной части привода целесообразно применить мехатронный силовой агрегат, сформированный на базе пневматического цилиндра, двух мехатронньгх пропорциональных регуляторов давления, служащих для согласованного управления давлениями в обеих полостях цилиндра, и блока распределения управляющих воздействий.
Математическая модель (2.1) блока распределения управляющих воздействий изложена в главе 2. Расчётная схема силовой части МСА представлена на рис. 4.1 и включает в себя два МРД, подключённых с одной стороны к магистрали питания, а с другой стороны - к полостям пневматического цилиндра. Математическая модель МСА представлена уравнениями, описывающими силовую и управляющую части МРД (3.6 -3.21), уравнениями изменения скорости $р и координаты поршня хр пневматического цилиндра с учётом до- и надкритического режима течения газа через дросселирующие отверстия регуляторов давления и пневмоцилиндра [86]. Для упрощения модели волновые процессы, связанные с распространением давления от источника питания до полостей запорных клапанов регуляторов и полостей пневматического цилиндра, заменяются процессами наполнения сжатым воздухом суммарного объёма полостей (включая внутренний объём трубопровода) до давления, пропорционального управляющему входному сигналу, а получившиеся погрешности учитываются коэффициентом расхода.
