OPTIMIZATION OF A TRACKER SYSTEM OF AUTOMATIC CONTROL


Citar

Texto integral

Resumo

The paper is devoted to theoretical and practical problems of a servo system of automatic control. The dynamical system of the working body with hydraulic stacker is considered. The task of development of a simulation model of automatic control system of the working body of the Stacker is considered with the use of Matlab & Simulink program. The results of the study are presented. The proposed method of modeling of adaptive systems of control of nonlinear dynamic objects, on the example of the tracker system of a stacker, with the account of dynamics of processes in the drive, in which the operating deviations decrease.

Texto integral

Создание эффективной системы автоматического управления (САУ), построенной на основе априорной информации о нелинейных динамических объектах управления, развитие следящих САУ на основе вне- дрения результатов теоретических и эксперименталь- ных разработок, а также современных информацион- ных технологий, с учетом динамики подсистем при- вода являются актуальными научными задачами. Проведем исследование следящих систем авто- матического управления на примере следящей 44 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева САУ рабочего органа асфальтоукладчика с гидро- приводом. Разработка имитационной модели управления движением рабочего органа укладчика. При пере- мещении укладчика по основанию, готовому для ук- ладки на него дорожного покрытия, его ходовое обо- рудование (гусеничное или колесное) совершает не- управляемые случайные перемещения в вертикальном направлении под воздействием неровностей микро- рельефа основания дороги. Эти перемещения переда- ются через раму укладчика и подвеску выглаживаю- щей плиты на рабочее оборудование, вызывая в свою очередь неуправляемые перемещения выглаживаю- щей плиты, которые влекут за собой случайное изме- нение толщины и угла поперечного уклона уклады- ваемого слоя, тем самым ухудшая показатели качест- ва покрытия. Имитационная модель следящей системы гидро- привода выглаживающей плиты асфальтоукладчика реализована в программе MATLAB&Simulink (рис. 1). В состав схемы имитационной модели входят сле- дующие элементы: – гидроцилиндр двунаправленного действия; – трехпозиционный гидрораспределитель; – гидравлический насос; – управляемый гидрозамок; – идеальный гидравлический датчик давления; – элемент «выглаживающая плита асфальтоуклад- чика»; – сенсор, дающий информацию о перемещении и скорости штока гидроцилиндра (датчик обратной свя- зи Sensor); – идеальный сенсор силы; – элемент «гидравлическая жидкость» (масло Oil-30W); – пропорциональный сервоклапан гидропривода (электрогидравлический распределитель, преобра- зующий электрического сигнала в перемещение); – элемент «вязкое трение»; – идеальный источник силы; – возмущающее воздействие «микрорельеф»; – PS-конвертор; – емкость для рабочей жидкости; – возмущающее воздействие, обусловленное влия- нием работы других элементов. Результаты моделирования следящей системы в диапазоне заданного перемещения от 0,005 м до 0,25 м с шагом 0,05 приведены в таблице. Рис. 1. Схема имитационной модели следящей системы гидропривода выглаживающей плиты укладчика, полученная в программе MATLAB&Simulink 45 Математика, механика, информатика Результаты моделирования Заданное перемещение, мСредняя скорость, м/cВремя отработки, сПеререгулирование, %Усилие на штоке, Н 0,0050,0220,3814,006,10 · 104 0,0550,2120,311,806,12 · 104 0,100,220,480,674,30 · 104 0,150,220,680,675,80 · 104 0,200,220,950,756,80 · 104 0,250,221,100,408,00 · 104 Структурно-параметрическая оптимизация. Выбор регулятора. При проектировании систем управления объектами, не содержащими чистого за- паздывания, наибольшее применение получили два критерия: модульный оптимум (МО) и симметричный оптимум. В данной статье используется критерий мо- дульного оптимума. Настройка системы по критерию МО обеспечивает малое перерегулирование и достаточно быстрое про- текание переходного процесса. Если пренебречь постоянными времени датчиков и упругостью, то уравнения динамики, характери- зующие перемещение штока гидроцилиндра, могут быть представлены в следующем виде: где kε – добротность по ускорению; постоянная вре- мени Tp является неизвестной величиной. d 2 x(t ) bdx(t ) F (t ) − Fс (t ) = m + , dt 2 dt F (t ) − Fc (t ) b dx(t ) d 2 x(t ) Рис. 2. Структурная схема следящей системы гидропривода − ⋅ − = , m m dt dt 2 (1) выглаживающей плиты укладчика 1 ⎛ ( ) ( ) dx (t ) ⎞ d 2 x(t ) ⋅ ⎜ F t m − Fc t − b ⋅ ⎟ = dt , dt 2 ⎝ ⎠ где F(t) – воздействие, определяемое усилием на што- ке цилиндра; Fc(t) – воздействие, определяемое весом выглаживающей плиты укладчика; m – масса выгла- живающей плиты укладчика, кг; b – параметр вязкого трения; x – перемещение, м. По дифференциальным уравнениям (1) составим схему следящей системы гидропривода выглаживаю- щей плиты укладчика (рис. 2) и получим передаточ- ную функцию линейной части разомкнутой системы W ( p) (рис. 3): Рис. 3. Разомкнутая система гидропривода выглаживающей плиты укладчика Этот параметр регулятора оптимизируем по кри- терию модульного оптимума, который требует, чтобы настраиваемая система по своим частотным и переда- точным свойствам приближалась к идеальному W ( p ) = kv , p ⋅ (Т ⋅ p +1) фильтру низкой частоты [2]. Тогда при отсутствии помехи на входе система будет наилучшим образом kv = Fm , b ⋅ Δl T = m , b воспроизводить задающее воздействие и подавлять возмущение. Приведем характеристическое уравнение к норми- где kv – добротность по скорости. рованному виду, учитывая только знаменатель: Для обеспечения устойчивости системы и аста- тизма второго порядка введем ПИ-регулятор. Тогда D( p) = T ⋅ p 3 + p2 + kε ⋅Tp ⋅ p + kε = C ( p) + B( p) . передаточная функция разомкнутой системы будет иметь следующий вид: Разделим числитель и знаменатель передаточной функции ПИ-регулятора (2) на kε: kε ⋅ (Tp ⋅ p + 1) W ( p) = = B( p) , (2) K ( p ) = (Т р ⋅ p + 1) = B( p) = D( p) . p2 ⋅ (T ⋅ p +1) C ( p) Т p3 + 1 р2 + Т ⋅ p + 1 C ( p ) + B( p) kε kε 46 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Определим масштабный множитель Tм: откуда 3 Т Т м = 2 ⋅Т , Т р = 2 ⋅Т м = 4 ⋅Т . Т м = , ε p = Тм ⋅ p, В результате передаточная функция (2) примет где p – оператор Лапласа, соответствующий безраз- мерному (относительному) времени. Перейдем к уравнению безразмерных р в знамена- следующий вид: W ( p ) = kε ⋅ (4 ⋅Т ⋅ p +1) . p2 ⋅ (Т ⋅ p +1) (3) теле: p3 + Тм ⋅ p Т p + ⋅ p +1, Реализуем модель следящего гидропривода в про- грамме MATLAB&Simulink, используя параметры Т Тм 3 2 ПИ-регулятора (3) с добавлением нелинейного эле- мента (с нелинейностью типа ограничения), обуслов- p + А1 ⋅ p Тм = А , + А2 ⋅ p + 1, Т р = А , ленного работой гидрораспределителя, а также доба- вим в схему фильтр, предназначенный для уменьше- Т 1 Т 2 где A1, A2 – коэффициенты, которые соответствуют коэффициентам фильтра Баттерворта. Они обеспе- чивают желаемую форму амплитудной характери- стики [1]. Определим следующие соотношения: ния перерегулирования (рис. 4). При задании перемещения системы равным 0,125 м в диапазоне 0,005…0,25 м получим следующие ре- зультаты (рис. 5): система отрабатывает заданное пе- ремещение; время отработки составляет 15 с, что зна- чительно больше времени отработки при моделиро- вании гидравлической схемы (это объясняется тем, что гидравлическая схема имеет более сложные про- Тм = 2, Т р = 2, цессы и моделирует значения, близкие к реальным Т Тм параметрам; перерегулирование системы − 4 %. Рис. 4. Функциональная схема нелинейной следящей системы гидропривода выглаживающей плиты укладчика Рис. 5. Результат моделирования переходного процесса при задании перемещения системы 0,125 м 47 Математика, механика, информатика Исследование абсолютной устойчивости нели- нейной системы с помощью критерия Попова. Аб- солютной устойчивостью (равновесием) называется устойчивость системы при любых начальных откло- нениях для любой формы нелинейной характеристи- ки, принадлежащей к одному из определенных клас- сов. Нелинейности считаются принадлежащими к одному классу, если их характеристики находятся в секторе [0, kн] между осью абсцисс и прямой с угло- вым коэффициентом kн. Критерий Попова относится к частотным методам определения абсолютной устойчивости нелинейных систем. Сформулируем этот критерий для нелинейной системы, которая состоит из линейной части с ампли- * −59 220, 304 ⋅ ω4 + 7 240 ⋅ ω2 Wл j 6 4 −2, 0449 ⋅ ω − ω 31 059, 6 ⋅ ω3 + ⋅ ω. −2, 0449 ⋅ ω6 − ω4 В результате получим годограф Попова, представ- ленный на рис. 6, где частота измеряется от 0,01 до 1 000. тудно-фазовой характеристикой Wл ( jω) и нелиней- ного элемента с характеристикой f (xн), расположен- ной в секторе [0, kн]: для абсолютной устойчивости равновесия достаточно, чтобы модифицированная характеристика W* (jω) не охватывала точку (−1/k , 0) л н и через эту точку можно было провести прямую, не пересекающую характеристику W* (jω) (последняя лежит справа от прямой). Определим устойчивость системы с помощью критерия Попова. Для этого нам необходимо постро- ить модифицированный годограф, выражение для которого имеет вид W * ( jω) = U (ω) + jωV (ω) . Для обеспечения абсолютной устойчивости моди- фицированный годограф линейной части должен рас- полагаться левее кривой Попова – прямой, проходя- щей через точку (−1/K, 0) под любым углом, где K − класс нелинейности. Рис. 6. Модифицированный годограф Попова Следовательно, прямая Попова может быть прове- дена для любого положительного значения коэффи- циента передачи k = 1 нелинейного элемента так, что вся характеристика W* (jω) будет лежать справа от Получим аналитическое выражение для модифи- цированного годографа линейной части: W * ( jω) = U (ω) + jωV (ω) . Выполним замену переменных: p = j ⋅ ω, W * ( jω) = 7 240 (4 ⋅1, 43 ⋅ j ⋅ ω +1) , л 2 ( j ⋅ ω) ⋅ (1, 43 ⋅ j ⋅ ω +1) W * ( jω) = 41 412, 8 ⋅ j ⋅ ω + 7 240 . л −1, 43 ⋅ ω3 ⋅ j − ω2 Умножим числитель и знаменатель на сопряжен- ное знаменателю: 3 2 этой прямой. Таким образом, исследуемая нелинейная система абсолютно устойчива при k > 0 [2]. Представленный в данной статье метод исследо- вания и построения систем управления нелинейными динамическими объектами, рассмотренный на приме- ре следящей системы автоматического управления, с учетом динамики процессов в гидроприводе, позволя- ет построить высококачественные системы автомати- ческого управления, в которых имеет место уменьше- ние ошибки регулирования. Библиографические ссылки 1. Иванчура В. И., Прокопьев А. П. Имитационное W * ( jω) = (41 412, 8 ⋅ j ⋅ ω + 7240) ⋅ (−1, 43 ⋅ ω ⋅ j + ω ) , моделирование автоматической системы управления л (−1, 43 ⋅ ω3 ⋅ j − ω2 ) ⋅ (−1, 43 ⋅ ω3 ⋅ j + ω2 ) W * ( jω) = U (ω) + jωV (ω), 4 3 2 рабочим органом асфальтоукладчика // Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских пред- приятиях : тр. Международ. науч.-практ. конф. / Ин-т W * ( jω) = −59 220, 304 ⋅ ω + 31 059, 6 ⋅ ω ⋅ j + 7 240 ⋅ ω , проблем упр. им. В. А. Трапезникова Рос. акад. наук. л −2, 0449 ⋅ ω6 − ω4 U (ω) = −59 220, 304 ⋅ ω + 7 240 ⋅ ω , −2, 0449 ⋅ ω6 − ω4 31 059, 6 ⋅ ω3 М., 2011. 2. Лукас В. А. Теория автоматического управле- ния. М. : Недра, 1990. 3. Тюкин В. Н. Теория управления. Ч. 2. Особые линейные и нелинейные системы / Вологод. гос. техн. V (ω) = , −2, 0449 ⋅ ω6 − ω4 ун-т. Вологда, 2000.
×

Bibliografia

  1. Иванчура В. И., Прокопьев А. П. Имитационное моделирование автоматической системы управления рабочим органом асфальтоукладчика // Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях : тр. Международ. науч.-практ. конф. / Ин-т проблем упр. им. В. А. Трапезникова Рос. акад. наук.
  2. Лукас В. А. Теория автоматического управле- ния. М. : Недра, 1990.
  3. Тюкин В. Н. Теория управления. Ч. 2. Особые линейные и нелинейные системы / Вологод. гос. техн.ун-т. Вологда, 2000.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML

Declaração de direitos autorais © Ivanchura V.I., Prokopiev A.P., 2011

Creative Commons License
Este artigo é disponível sob a Licença Creative Commons Atribuição 4.0 Internacional.

Este site utiliza cookies

Ao continuar usando nosso site, você concorda com o procedimento de cookies que mantêm o site funcionando normalmente.

Informação sobre cookies