Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Объёмные силовые следящие гидроприводы получили широкое распространение в технике. Они практически не имеют альтернативы, когда требуются большие мощности. Качество таких приводов, как и вообще следящих систем, характеризуется, прежде всего, двумя показателями: быстродействием и точностью режима слежения. Для обеспечения в системе высокого быстродействия и высокой точности режима слежения обычно обращаются к комплексным законам управления, которые получаются путём объединения двух специализированных законов, один из которых работает в переходном процессе, а второй - в режиме слежения. В качестве таких специализированных законов целесообразно выбрать оптимальные законы управления соответственно по быстродействию и по точности режима слежения.
Синтез для гидропривода оптимального по быстродействию закона управления является весьма сложной задачей. Прежде всего, гидропривод как объект управления является существенно нелинейной системой. Нелинейность гидропривода обусловлена наличием в нём разнообразных ограничителей. Кроме того, математическая модель привода имеет высокий (десятый) порядок. Веб это существенным образом затрудняет синтез оптимального по быстродействию управления.
Из работ, в которых рассматривается оптимизация по быстродействию силовых объёмных гидроприводов, следует отметить работы Новоселова Б.В., Кокошкина НИ., Фалдина HJ3., Макарова Н Л., Варнавского СО. и Васютина Е.В.
В указанных работах, как правило, рассматривается так называемая магистральная оптимизация, которая позволяет обеспечить близкую к оптимальной длительность переходных процессов только при больших начальных рассогласованиях по углу (не менее я-/2 рад.). При малых начальных рассогласованиях переходные процессы существенным образом отличаются от оптимальных.
В работе Фалдина Н.В. и Васютина Е.В. предложен метод, обеспечивающий оптимальную длительность переходных процессов при любой величине начального рассогласования. Однако в работе Фалдина Н.В. и Васютина Е.В. основное внимание уделяется экономии потребляемой гидроприводом в переходных процессах энергии. С этой целью в указанной работе ограничение на давление масла в магистрали рассматривается как фазовое, т.е. ограничение, которое обеспечивается средствами управления. Это привело к существенному усложнению оптимального закона управления. Такой закон управления сложно реализовать на практике. К нему следует обращаться лишь в том случае, когда экономия потребляемой гидроприводом энергии имеет принципиальное значение.
Для теории и практики проектирования объёмных силовых гидроприводов очень важно располагать методом, который позволяет синтезировать для гидропривода оптимальный по быстродействию закон управления, используя его нелинейную динамическую модель, т.е. учитывая присущие гидроприводу ограничители и ориентируясь на штатный режим работы. Этот закон управления должен обеспечивать минимальную длительность переходных процессов при любой величине начального рассогласования и иметь по возможности простой вид, чтобы его можно было несложно реализовать на практике. Решение
такой задачи рассматривается в настоящей диссертации.
Оптимизация гидропривода по быстродействию приводит к релейному закону управления. На этом основании закон управления, минимизирующий ошибку слежения, также целесообразно рассматривать в классе релейных законов. Здесь, далее, следует иметь в виду, что именно релейные приводы имеют высокую точность слежения на так называемых "ползучих скоростях". Качество работы на "ползучих скоростях" является важной характеристикой привода.
Теории релейных систем посвящено большое число работ. Наиболее существенные научные результаты получены в работах ЯЗ. Цыпкина, Г.С. Поспелова, Ю.И. Неймарка, Б. Гамеля, И. Флюге - Лотц, Фалдина Н.В., Руднева С.А. В настоящее время теория релейных автоколебательных систем управления достаточно полно разработана для систем с линейными объектами управления. Как уже отмечалось, гидропривод как объект управления является существенно нелинейной системой, причём присущие гидроприводу ограничители относятся к его внутренним звеньям. Существующая теория релейных систем не охватывает такой класс объектов управления. Поэтому разработка методов синтеза и оптимизации по точности режима слежения релейного автоколебательного закона управления требует соответствующего развития теории релейных систем управления.
Релейная система может работать как в автоколебательном, так и скользящем режимах. Исследования показывают, что именно системы, работающие в скользящем режиме, обеспечивают более высокую точность слежения. Поэтому при получении закона управления, который должен работать в режиме слежения, наряду с автоколебательным, целесообразно рассмотреть синтез и оптимизацию для релейного объемного силового гидропривода закона управления, обеспечивающего скользящий режим движения. Такая задача также решается в диссертации.
Актуальность диссертации заключается в том, что для объемных силовых гидроприводов, в силу сложности их математических моделей, в настоящее время недостаточно разработаны методы синтеза оптимальных законов управления по быстродействию и по точности режима слежения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей работы является создание метода синтеза закона управления, который обеспечивает одновременную оптимизацию гидропривода по быстродействию и по точности режима слежения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи. Требуется разработать:
-
Метод синтеза для гидропривода оптимального по быстродействию закона управления. Этот закон управления должен обеспечивать минимальную длительность переходных процессов при любой величине начального рассогласования и иметь достаточно простой вид, чтобы его можно было несложно реализовать на практике.
-
Метод линеаризации релейного автоколебательного гидропривода по полезному сигналу, который позволит оперативно оценивать точность режима слежения, что очень важно для синтеза и оптимизации гидропривода.
-
Метод синтеза релейного автоколебательного закона управления, оптимального по точности режима слежения.
-
Метод синтеза и оптимизации закона управления, обеспечивающего скользящий режим работы привода.
-
Способ формирования комплексного закона управления, который должен объединить в себе два специализированных закона, так чтобы в переходном процессе работал оптимальный по быстродействию, а в режиме слежения -оптимальный по точности.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Предложен оригинальный метод синтеза для гидропривода оптимального по быстродействию базового закона управления. Задача синтеза решается в два этапа. Сначала синтезируется оптимальный базовый закон управления для интегрирующего гидропривода, а затем с его помощью формируется оптимальный закон управления для базовой системы позиционного гидропривода. Это позволило, в конечном счете, существенно упростить как саму процедуру синтеза для гидропривода оптимального по быстродействию закона управления, так и его вид.
Разработан метод линеаризации по полезному сигналу релейного автоколебательного гидропривода. Метод позволяет линеаризовать как релейный элемент, так и нелинейности гидропривода как объекта управления. С его помощью можно легко оценивать точность режима слежения.
Для релейных систем с линейным объектом управления получены условия существования скользящего режима слежения. Эти условия легко проверяются на практике.
Предложен способ формирования для гидропривода, работающего в скользящем режиме, нелинейных обратных связей, позволяющих повысить точность режима слежения.
Разработаны методы синтеза для объемного силового гидропривода закона управления, обеспечивающего одновременную оптимизацию привода по быстродействию и по точности режима слежения.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Разработанные в диссертации методы синтеза являются эффективным инструментом для создания высококачественных объёмных силовых гидроприводов. Далее, указанные методы при минимальной их доработке могут быть успешно использованы для синтеза оптимальных (по быстродействию, по точности режима слежения) следящих электроприводов. Разработанные методы приняты к внедрению для практического использования в ГУЛ "КБ приборостроения".
-
Метод синтеза для объемного силового гидропривода оптимального по быстродействию закона управления.
-
Метод линеаризации по полезному сигналу релейного автоколебательного гидропривода.
-
Метод синтеза релейного автоколебательного закона управления, оптимального по точности режима слежения.
-
Условия существования скользящего режима слежения.
-
Метод синтеза релейного закона управления, обеспечивающего работу
привода в скользящем режиме с использованием линейных и нелинейных обратных связей.
-
Способ формирования тестового входного сигнала, используемого при оценке точности режима слежения.
-
Формирование комплексного закона управления.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались: на VII и VIII всероссийских научно-технических конференциях "Проблемы проектирования и производства систем и комплексов" (Тула, 2004 г.; Тула, 2005 г.); на международной интернет-конференции "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании" (Одесса, 2005 г.); на международной интернет-конференции "Современные направления теоретических и прикладных исследований" (Одесса, 2006 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований и разработок опубликовано 10 печатных работ в российских и зарубежных изданиях.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Текст изложен на 131 странице, включая 73 рисунка, 1 таблицу, библиографический список из 98 наименований на 8 страницах.
