Введение к работе
Актуальность темы. В связи с расширением областей применения систем автоматического регулирования предъявляются повышенные требования по точностным и динамическим характеристикам к исполнительным устройствам. Одним из возможных путей повышения точности при одновременном улучшении динамических характеристик следящих приводов и снижения их стоимости является использование мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей (ПЭД).
В работе Никольского А.А. показано, что использование принципа двух-канальности в следящих приводах, основанного на введении в систему пьезо-компенсатора, позволяет существенно повысить ее динамическую точность. Однако стоимость таких систем высока. Редукторы, тормозные муфты, входящие в состав двухканальных электромеханических систем на базе электромагнитных двигателей, увеличивают их массогабаритные показатели, что в ряде случаев неприемлемо. Например, в космической автоматике и мобильной робототехнике эти параметры являются основными критериями выбора.
Пьезоэлектрические двигатели обладают рядом уникальных свойств, позволяющих рекомендовать их к применению в мехатронных изделиях, робото-технических комплексах и приборах спецтехники:
низкой номинальной скоростью вращения двигателя (30-120 об/мин) с высоким моментом на валу, что позволяет исключить редуктор из привода, построенного на основе ПЭД;
весьма высокими динамическими показателями;
естественным самоторможением при отсутствии управляющего воздействия, поэтому, в ряде случаев, не требуется оснащать приводы тормозными муфтами, что улучшает их массогабаритные показатели;
приводы, построенные на базе ПЭД, обладают высокой точностью; Однако у пьезодвигателей имеется ряд недостатков, затрудняющих их
широкое применение:
небольшой ресурс и изменение парамегров, что связано с наличием механического контакта статора и ротора;
нелинейность характеристик, связанная с изменением внутренних параметров двигателя в зависимости от внешних воздействий;
разброс параметров отдельных экземпляров из-за неточности изготовления. fTTT
ЮС f . v.-ьНАЯ ,
. '' ' vpr
Поэтому для эффективного использования ПЭД в составе высокоточных мехатронных модулей необходимо применять специальные методы управления, позволяющие снизить влияние перечисленных недостатков.
Существующие методы линеаризации характеристик ПЭД обеспечивают линейность статических характеристик. Однако, применение непрерывных линейных регуляторов, рассмотренных в работе Коваленко В.А., приводит к возникновению колебаний во время переходного процесса, уменьшению запаса устойчивости системы. Применение предложенного в работе Ерофеева А.А. амплитудно-частотного метода, основанного на косвенном расчете резонансной частоты с использованием обратной связи по току, приводит к увеличению времени переходного процесса. В результате потенциальные динамические возможности двигателя используются не полностью.
Повысить качество управления можно за счет применения принципов адаптивного управления, реализация которых в виде встроенных систем стала возможной, благодаря развитию вычислительной техники.
Для синтеза метода управления требуется модель, адекватно описывающая поведение двигателя. Большинство моделей ПЭД, представленных в работах Бансевичус Р.Ю., Рагульскис К.М, построены эмпирическим путем. Их применение для широкого круга различных конструкций ПЭД на практике затруднено. Кроме того, в данных моделях практически не учитываются факторы, определяющие нестабильность одного из основных параметров двигателя -резонансной частоты. А, как показали исследования, инвариантность системы к этому параметру может существенно повысить КПД привода и его динамические показатели. Модель, построенная на эквивалентных схемах замещения, представленная в работе Коваленко В.А., недостаточно полно учитывает влияние нагрузки на параметры и поведение пьезоэлемента. Учет влияния этих факторов позволит выполнить синтез привода на базе ПЭД с более высокими точностными и энергетическими характеристиками.
Для широкого применения пьезоэлектрических двигателей в системах автоматического регулирования необходима методика синтеза мехатронного модуля с линейными характеристиками.
Цель диссертационной работы заключается в разработке цифрового адаптивного регулятора для улучшения динамических характеристик мехатронных модулей с пьезоэлектрическими двигателями ударного типа.
Задачи исследования
-
Построение уточненной математической модели пьезоэлектрического двигателя ударного типа, удобной для разработки средств стабилизации его характеристик.
-
Синтез адаптивных контуров стабилизации параметров пьезоэлектрических двигателей ударного типа, обеспечивающих сглаживание нелинейных характеристик таких двигателей.
-
Разработка и научное обоснование инженерной методики проектирования мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей ударного типа с улучшенными динамическими характеристиками.
-
Подтверждение достоверности полученных теоретических результатов на основе их экспериментальной проверки на стенде.
Методы исследования
Синтез структуры математической модели проведен в соответствии с классической механикой, с использованием численных методов решения систем дифференциальных уравнений.
При разработке и исследовании корректирующего устройства применялись следующие методы теории автоматического управления: метод поиска экстремума однопараметрического объекта, метод гармонической линеаризации, метод стохастической аппроксимации.
Реализация программно-аппаратного обеспечения выполнена с использованием мехатронного и объектно-ориентированного подходов.
Подтверждение адекватности разработанной модели выполнено с использованием метода натурного эксперимента.
Научная новизна работы заключается:
-
в разработке нелинейной модели пьезоэлектрического двигателя ударного типа, в которой учтено влияние внешнего возмущающего момента;
-
в разработке эффективных средств коррекции параметров пьезоэлектрических двигателей ударного типа на основе адаптивной многоконтурной структуры цифровой системы управления;
-
в разработке и научном обосновании методики проектирования мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей ударного типа;
4. в разработке средств проектирования и реализации лабораторно-исследовательских систем, предназначенных для использования дорогостоящего лабораторного оборудования в режиме разделения времени, на примере стенда для изучения свойств мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей.
Практическая ценность
заключается в предоставлении средств проектирования и реализации мехатронных модулей на базе пьезоэлектрических двигателей с высокими динамическими показателями. Разработанная в ходе выполнения диссертационной работы модель двигателя и мехатронного модуля, может использоваться для синтеза следящих приводов, а также исследования принципов работы двигателей и методов управления.
Реализация и внедрение результатов работы
Полученные в диссертации научные результаты внедрены: на предприятии ЗАО «СКТБ компьютерных систем» при разработке автоматической системы, что подтверждается соответствующим актом; на кафедре "Робототехника и мехатроника" МГТУ «Станкин» в виде лабораторного комплекса, который предназначен для использования в учебном процессе, для проведения исследовательских работ студентами и аспирантами. Данная концепция построения ла-бораторно-исследовательских комплексов может быть рекомендована для проведения лабораторных работ по специальностям: 07.18 «Мехатроника», 21.03 «Робототехника и робототехнические системы».
Апробация работы проводилась при обсуждении результатов диссертационной работы: на общевузовской конференции, проводимой в МГТУ «Станкин» 30 апреля 2000 г.; на конференции, посвященной памяти НА. Лакоты, проводимой в МГТУ им. Н.Э. Баумана 5 февраля 2004 г.; на конференции по математическому моделированию, проводимой в МГТУ «Станкин» 28-29 апреля 2004 г.
Публикации. Основные результаїьі диссертационной работы изложены в 4 печатных работах.
Структура и объем работы
Диссертация общим объемом 178 страниц состоит из 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 142 страницах, включающих 93 рисунка. 6
