Автоматизация структурно-параметрического синтеза нелинейных регуляторов с разрывным управлением тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.11 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД

2 7 ФЕВ 1г

УДК 681.51

ЗАПЛЕЧНИКОВ ИГОРЬ ДМИТРИЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА к. НЕЛИНЕЙНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ С РАЗРЫВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

01.01.11 - Системный анализ и автоматическое управление Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук •

Минск 1994

Работа выполнена на кафедре кибернетики Белорусского государственного университета

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Михалев A.C.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, член-корр. АНБ, профессор Широков A.M. кандидат технических наук, доцент Лукьянец C.B. Ведущая организация:

Институт технической кибернетики АНБ.

Защита состоится 3 марта 1995 г. в 10 часов на заседании Совета по защите диссертаций К 056.13.14 в Белорусском государственном университете по адресу: 222050, г.Минск, пр. Ф.Скорины 4, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан

февраля 1995 г.

Ученый секретарь

Совету по защите диссертаций,

доктор техн. наук, профессор

Скрипник В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Достаточная стройность и законченность теории линейных систем, а также ей простая и удобная алгоритмизация для ЭВМ, предопределили успех в создании САПР линейных САУ . В то же время, при больном количестве работ по теории анализа и синтеза нелинейных систем управления автоматизация исследования нелинейных систем с помощью ЭВМ, на практике, сводится лить к моделированию таких систем в рамхах существующих САПР линейных САУ.

К настоящему времени выполнено достаточно много исследований по анализу и синтезу нелинейных корректирующих устройств

(НКУ) с разрывным характером управления и сделаны некоторые шаги по пути автоматизации различных этапов исследования таких НКУ в работах Федорова С.М., Быкова В.П., Жильцова К.К., Хлыпало Е.И., Михалева A.C., Матюхиной Л.И., Стариковой М.В. и других авторов. Но, до сих пор, не разработана комплексная система автоматизации анализа и синтеза НКУ с разрывным управлением, которая би охватывала весь процесс синтеза НКУ , начиная с обеспечения устойчивости следяцей системы и заканчивая обеспечением требуемой точности, а такхе учетом сопутствующих нелинейностей.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка и объединение набора программ, включающих как традиционные элементы САПР САУ - описание математической модели объекта управления, моделирование САУ, так и новые элементы анализа и синтеза НКУ в области псевдоли— нейних корректирующих устройств СПЛКУ>.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ:

1. Анализ и разработка, математического и программного обеспечения синтеза систем автоматического управления с ПЛКУ.

2. . Разработка машиноориентированих методик и алгаритнов структурного и.параметрического синтеза ПЛКУ на заданные показатели качества и точности при свободных и вынужденных движениях.

3. Практическая реализация алгоритмов анализа и синтеза ПЛКУ на базе микроЭВМ в виде комплекса программ, объединенных единой методологией и способом функционирования.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В качестве основного метода синтеза

устройств с ПЛКУ в разрабатываемой автоматизированной системе используется поэтапны" эволюционный подход к построению структу ры корректирующего устройства ,предложенный Михалевым-А.С. Метод заключается в последовательном усложнении структуры ПЛКУ, соответствующей последовательному удовлетворению требований по устойчивости, качеству и точное и свободных и вынужденных движений в следящей системе.

Расчет проектируемых НКУ в работе выполняется с помощью метода гармонической линеаризации , а также базирующегося на нем метода разделения движени-' системы на медленную и быструю составляющие, разработанного Поповым Е.П.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученых результатов состоит в следующем.

1. Предложен единый подход к анализу качества переходного процесса в системах с ПЛКУ, заключающийся в предварительном определении типа переходного процесса (колебательный, квазиско-льзячий ль з квазирелейныйЭ и последующем определении параметров данного типа переходного процесса.

2. Предложены новые алгоритмы автоматизации расчета параметров переходного процесса Счастоты и лмплитуды быстрой составляющей, величины медленной составляющей и др. 5 в режиме свободных и вынужденных движений для следящих систем с ПЛКУ с линейной частью произвольного порядка.

3. Впервые разработан комплекс программ, автоматизирующих анализ и структурный синтез следящих систем с ПЛКУ, который охватывает все основные этапы, начиная с обеспечения устойчивости и заканчивая учетом сопутствующих нелинейностей в проектиру-

и емой следящей системе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. В результате работы создана компьютерная система автоматизации синтеза нелинейных систем управления с ПЛКУ - "АСС". Практическая проверка приведенных в работе алгоритмов осуществлялась в ходе выполнения научно-исследовательских работ по заказам предприятий .

Так, по теме НИР № 16858 для автомата присоединения проволочных выводов транзисторов ЭМ-4150, разрабатываемого в НПО "Планар'Чг.Минск} были предложены и реализованы нетрадиционные алгоритмы управления линейным электроприводом с использованием

ПЛКУ. Это позволило значительно улучшить показатели назначения таких установок, что подтверждено актом внедрения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались и обсуждались на :

1. Региональной научно-технической конференции "Следящие электроприводы промыиленных установок, роботов и манипуляторов" в 1986 г. Сг.Челябинск}.

2. Всесоюзной семинаре "Динамика нелинейных процессов управления" в 1987 г. Сг. ТаллинЭ.

3. Всесоюзном семинаре "Роботы и гибкие производственные системы" в 1986 г. Сг. Челябинск}.

4. Республиканской научно-технической конференции "Новые направления развития систем управления для промышленной робототехники" в 1989 г. Сг. Минск).

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ:

1. Новый подход к анализу качества свободных движений в нелинейных системах с псевдолинейными корректирующими устройствами, который позволяет более точно синтезировать нелинейный регулятор на заданные характеристики качества.

2. Алгоритмы и методика автоматизации анализа и синтеза нелинейных регуляторов с разрывным управлением, которые эблегчают проведение разработки таких устройств для широкого <руга инженеров и исследователей.

3. Комплекс программ для анализа, синтеза и моделирования нелинейных систем с разрывным управлением, который уменыаает эремя разработки таких систем в 10-15 раз.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубли совано 12 научных работ, из них : 2 статьи, 3 авторских свидете-1ьства на изобретение, 3 тезисов докладов на конференциях, 4 >тчета о НИР.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, >бцей характеристики работы, пяти глав и выводов, изложенных на 120 страницах машинописного текста с 38 рисунками и 10 табли-[ами , списка литературы на 10 страницах и 2 приложений на 53 :траницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ и ОБЩЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ РАБОТЫ показана актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ обсуждаются основные части САПР САУ -техническое, математическое и •рограммное обеспечение. Выполнен обзор основных методов анализа и синтеза нелинейных САУ. Приведен« типовые структрние реализации псевдолинейных корректируюцих устройств.

Из большого разнообразия структурных реализаций ПЛКУ иоззю выделить две больпие группа устройств по способу деформации сигнала управления : разрывание сигнала управления на некотором фазовом угле входного гармонического сигнала и инвертирование сигнала управления . При этом деформация входного сигнала осуществляется "аким образом, чтобы линеаризованная характеристика ПЛКУ была фазооперегающей по .первой гармонике входного сип ела. Типичные базовые структурные реализации для обеих групп устроЯ-стз приведены в табл.1. Характерным для них является наличие двух каналов : амплитудного и фазового, характеристики которых могут формироваться независимо друг от друга. Другой особенностью ПЛКУ является то, что их коэффициенты гармонической линеаризации в режиме автоколебаний не зависят от амплитуды ьходного сигнала, а зависят только от частоты. Представленные устройства отличаются друг от друга способом формирования переключающих сигналов в фазовом канале.

В устройствах 1.1 и 2.1 для создания фазового опережения

используется фильтр Wk<p) которого arg-^W^ (j<o)^|>0. В устройствах 1.2 и 2.2 фазовое опережение создается путСм сравнения входного сигнала ПЛКУ и сигнала на выходе фильтра W^Cp), у

которого arg^Wfc (j<<>)j-<0. Очевидно, эта реализация ПЛКУ более

^предпочтительна в условиях наличия помехи на входе ПЛКУ.

Вид деформации входного сигнала вида х = A. Bin Ф для указанных устройств представлен в табл. 2 . Здесь переключение реле о фазовом хаиаге происходят 2 раза за период колебаний е

Структурная схема ПЛКУ

Таблица 1

разрывание

•ЕК'

Я (р)

\ /

1.1

•ЕК

1.2

инвертирование

\

/

■ЕК

Мк(Р)

+1 —

-1

2. 1

•Ш1—-ЕК

«к(Р)

—Т.+ °

<8ь

♦ 1

2.2

Деформация сигнала ошибки в ПЛКУ

Таблица 2

Вил деформации

Номер ПЛКУ

11 -» г п Ф 2п 2

1 V

у '21-22 Г Г

Ф 1 <Р Ф ■ 2 -

1.1-1.2 Гх. Б*0

{X. Б>0 0. Б<0

2.1-2.2 (\х\,£>го

Г1Х1 '""{-Iх! •

Б>0 3<0

точках и Ф2 . За обобщенный параметр, характеризующий меру деформации входного сигнала принят угол .

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ предложено разбиение переходного процесса во времени при свободной движении на несколько этапов, каждый из которых характеризуется своим способом описания. Предложен алгоритм анализа качества переходного процесса, базирующийся на предварительном определении "ипа процесса - колебательный, квазмскользячий, квазирелейным. Получены расчетные соотношения для определения частоты периодической составляющей для всех типов переходного процег-а, а также соотномения, связывающие и величину мед.генной составляющей хо и амплитуду колебаний быстрой составляющей А для кгазискользящего движения. Показано, что при определенных условиях отношение величины медленной составляющей к амплитуде колебаний быстрой составляющей остается постоянным во время переходного процесса. Все расчетные соотношения получены для СЛ1 ящих систем с линейной частью произвольного порядка.

Предложены алгоритмы параметрического синтеза на задлнные значения показателя ззтухания колебательного переходного процесса и на Заданное значение отношения х^/А квазискользяцего переходного процесса. Указаны способа повышения качества квазирелейного переходного процесса.

Анализ движений в реальных следящих системах с ПЛКУ при скачке задающего воздействия показывает, что в них могут возникать три различных типа переходных процессов. Первый тип - это колебательный переходной процесс, в котором отсутствует монотонная составляющая ошибки, второй тип - монотонный переходной ^ процесс, у которого амплитуда колебательной составляющей достаточно мала по сравнению с величиной монотонной составляющей, а характер процесса близок к "скользящим" движениям.

Эти типы переходных процессов возникают в следящей систе-гме, если линеаризованное характеристическое уравнение системы имеет корни, расположенные на комплексной плоскости на значительном удплении друг от друга по вещественной оси. Если же вещественные части корней сравнимы между собой, то возникает особый тип переходного процесса - кваэискользящий, при котором на монотонную составляющую оинбки х накладывается периодическая

составляющая с конечными значеннями частоты и и амплитуды А : х"хо+Азгпш1. Во временной области его можно условно разделить на 4 интервала : с* - время движения системы до первого переключения реле фазового канала \ (I — движение, при котором на монотонную составляющую накладывается периодическая составляющая , при этом скорость изменения обеих составляющих близки по своей величине; у — движение, аналогичное движению на интервале р, но при этом величина скорости изменения монотонной составляющей ошибки значительно меньше скорости изменения колебательной составляющей за период колебаний . Коэффициент передачи по монотонной составляющей уменьшается по сравнению с интервалом а, а отнопение величины монотонной составляющей ошибки к амплитуде колебаний остаётся на этом интервале величиной постоянной , х^/А-сопе^ & — на этом интервале переходной процесс становится колебательным с показателем затухания ?.

При анализе переходных процессов первого типа, в случае достаточной колебательности процесса, условием которой как показывает практика ,можно принять соотношение 4 , коэффициенты гармонической линеаризации можно считать такими же , как и для автоколебаний. Тогда характеристическое уравнение системы имеет вид

(?+>>) Лн(*>) + 1 - 0 , (1)

где +.]<о) -передаточная функция линейной части САУ; Ли(|>)-

линеаризованная передаточная характеристика ПЛКУ.

Задавая различные значения ? , £ . , . . . можно, при наличии решения уравнения С1> определить соответствующие пары значений Сы Э , Си>а ,»>2... для которых могут быть расчитаны параметры фильтра в ПЛКУ по соотношениям Таблицы 3 .

Другой возможный вид движения - кваэискользящий переходной процесс Рассмотрим следящую систему с ПЛКУ, инвертирующим сигнал ошибки на интервале фазового угла [^»У^Ь • Пренебрегая изменением медленной составляющей Х0 за период колебаний быстрой составляющей, и разделяя уравнение следящей системы на уравнения для быстрой и медленной составляющих в работе получена система

Таблица 3

уравнения для расчета параметров фильтра фазового канала

Уравнения номер базового ПЛКУ

Г> - arg f> - arg - Wk (f-t-ju)j- 1.1 2 1 1.2 2.2

г уравнений, которая связывает х^.'А.ы в виде х

— = "С sin 5? (со) С23

„ / COSf>

— К/ 1--п- sinf> sin2$(<o) - Y(u) =0 (3)

П 14

где зависит только от частоты ш.

Из <33 следует, что частота о> быстрой составляющей ошибки определяется только параметрами системы, и не зависит от ей амплитуды А и величины медленной составляющей х , а из выражения <25 следует, что отношение х^/А остаётся постоянным во время переходного процесса и также определяется только параметрами системы.

Аналогичный результат можно получить и для систем с Ш1КУ с разрыванием сигиала управления на интервале IV , у ]

Очевидно, что полученные выражения могут описывать свободное движение в следящей системе на этапе -у переходного процесса, если пренебречь изменением за период колебаний быстрой составляющей.

Монотонный переходной процесс в системе с ПЛКУ можэт иметь

г-

место когда процесс имеет вид квазискользящего движения, но при этом отноиение х /А достаточно велико С&105, и выходной сигнал

: О

МЛКУ принимает форму разнополярных импульсов с амплитудой xQ. В этом случае, ПЛКУ с достаточной степенью приближенности можно представить в виде квазиреле, у которого фазоопережающий фильт{ поиея&н и амплитудный канал, выходом которого является релэ с

уровнем ±хо- Для такого представления ПЛКУ в работе получено уравнение относительно медленной составляющей хо вида

( 12/?

СМрШр) +•--:- И(р)6(р) х - О (4)

2|№ (Зш) I 31П2/3 ■>

'к л '

Как показывает практика, при квазирелейном характере движений в ПЛКУ величина /3 не превышает знач.ения п/6 , поэтому отношение 2р/в\г\2(3 в диапазоне 0<р£пУЬ можно заменить постоянным значением 1.1 .

Таким образом, для определения хо получено линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами. По этому уравнению .очевидно, можно составить характеристическое уравнение относительно X. и найти вещественные корни Х^ .Наиболь— иее из значений будет приблизительно равно постоянной

временн изменения

При анализе уравнения <4? часто оказывается, что постоянная времени изменения медленной составляющей получается недопустимо больной вследствие малого значения коэффициента передачи'К корректирующего устройства. Очевидно, для уменьшения времени переходного процесса необходимо увеличить Кн при сохранении квазирелейного характера движений в следящей системе.

Большинство способов, репающих эту проблему основывается на введении в структуру регулятора дополнительного канала управления параллельного базовому ПЛКУ . Здесь выходной сигнала канала и подключается в контур управления в те моменты времени когда знак овибки совпадает со знаком реле фазового канала. При этом, как показано в работе становится возможным установить желаемую частоту переключений реле фазового канала, и тем самым приблизить систему к идеальному скользящему движению без существенного уменьшения коэффициента передачи по медленной составляющей хо, что ,как известно, делает систему менее' чувствительной к вариациям параметров и возмущающих воздействий.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приведены соотношения, связывающие величину постоянной составляющей хо и амплитуду колебаний периодической составляющей А при вынужденном движении для задающего воз-

действия, изменяющегося с постоянной скоростью и по сииусоидаль ному закону. Приведены способы повышения точности вынужденных движений и получены расчетные соотношения, связывание скорость изменения задающего воздействия "а" и амплитуду колебательной составляющей А в системе с нелинейный самонастраивающимся инвариантным входом. Приведены услсчня полной компенсации постоянной составляющей оиибки х^. Предло .ены алгоритмы синтеза параметров инвариантного канала на заданные значения хо/А и А/а при наруае-нии условий компенсации х^.

Для повыпения точнг-^ти одними из саных эффективных методов являются методы теории комбинированного управления, согласно которым в структуру корректирующего элемента добавляются дополнительные каналы, вырабатывающие сигналы, пропорциональные производным от возмущающего воздействия. Использование ПЛКУ в качестве корректирующего устройства делает возможным построить эти канал:: с переменным коэффициентом передачи, в отличие от традиционных способов организации инвариантных входов с неизменным коэффициентом передачи. Сигнал на выходе нелинейного инвариантного входа носит релейный характер и, следовательно, при определённой организации смены коэффициента передачи возможна самонастройка линеаризованного коэффициента передачи такого канала при изменении параметров объекта управления. Обобщенная схема канала приведена на рис.1, где у — возмущающее воздействие, с - сигнал ошибки в следящей системе (<с»х +Ав1пь>1).

о

Напринер, для канала вида : и-К^у. если 31дп(у)=31дп(3) и г>шК у, если в^дпСу^вадпСБ) при условии полной или частичной компенсации хо <т.е. |К^ а|»|хо+А] ) и входном сигнале f=at после преобразований имеем

- у<<") К*~Кг _ У(о) \ .

- ТсПГ) к хы) а~—) (5)

А 2К

а о пУ(ы)

Таким образом, из уравнения <65 мохно определить частоту колеба-

Рис. 1. Структурная схема следящей системы с каналом повышения точности КоЛ.

тельной составляющей ы при которой будет обеспечиваться заданная относительная амплитуда колебаний А/а. Подставляя значение со в С5? можно определить фазвый сдаиг <р , создаваемый фильтром на частоте со , и далее, по значению <р найти параметры фильтра обеспечивающие данный фазовый сдвиг <р на частоте (о. В главе рассматриваются также способы повышения точности при вынужденном движении путей введения в ханал повышения точности интегрирующих элементов с различными нелинейными алгоритмами заряда-разряда интегратора, которые значительно уменьшают пере- . регулирование в системе.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ выполнен анализ наиболее часто встречающихся сопутствующих нелинейностей в системах автоматического регулирования, указаны места их включения. Даны рекомендации по уменьшению вредного влияния дискретизации и квантования сигналов в цифровых системах управления. Разработан алгоритм- параметрической оптимизации ПЛКУ по результатам измерения экспериментальной целевой функции.

В большинстве реальных следящих систем присутствуют дополнительные нелинейные звенья, снижающие точность воспроизведения задающего воздействия. Это могут быть как естественные нелинейности, обусловленные ,например, конструкцией л свойствами соединений в системе, либо ограниченным значением питающих напряжений, так и искусственные, связанные со способон реализации системы управления, например цифровой реализацией регулятора. Возможные местг . включения естественных нелинейностей при работе

о "АСС" указаны на рис.2. В системе синтеза предусмотрено вклю чение следующих типов нелинейностей: насыщение Сблок N^5, нечувствительность Сблок люфт Сблоки сухое трение Сблок

реактивный момент Сблок

Значительная часть искусственных нелинейностей связана с цифровым способом реализации закона управления и обработки сигналов с датчиков обратной связи. При преобразовании непрерывного сигнала в цифровой происходит дискретизация сигнала по уровню, в результате чего он содержит конечное число значений,

ЕМЧЕ-

Рис. 2. Схема размещения естественных нелинейностей.

ограниченное длиной разрядной сетки преобразователя и микропро

цессора. Это приводит к ошибкам округления в вычислениях закона

управления и неточному заданию коэффициентов регулятора. Поэтому

в системе возникают ,как правило, квазипериодическне режимы с

амплитудой, имеющей порядок младшего разряда показаний цифрового

датчика обратной связи. Учет дискретизации сигналов при работе

с "АСС" показан на рис.Э, где Д - цифровой датчик обратной

связи а "^1оог(К а), 1:1оог(2) — операция получения наименыаего А д

целого числа, ближайшего к г; К — коэффициент передачи датчика;

л

коэффициенты К , К ,К - вводятся для согласования диапазонов

1 П А

чисел, которыми оперирует микропроцессор и значений цифрового датчика.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ описаны особенности используемых в работе численных методов. Приведены структура и алгоритмы работы автоматизированной системы синтеза — "АСС". Описаны синтезированные регуляторы для субоптимального по быстродействию управления

Рис. 3 Учет дискретизации сигналов в следящей системе.

линейным электроприводом в установке присоединения проволочных выводов транзисторов. Показаны переходные процессы в системе.

Для анализа и синтеза систем управления требуется эффективная и достаточно надежная процедура нахождения численного решения системы п нелинейных уравнений с п неизвестными: Р(Х )=0. .В работе для нахождения решения используется метод Ньютона с модифицированной стратегией выбора ньютоновского шага, в соответствии с которой каждый ааг поиска решения приводит к уменьшению скалярной функции вида (X)(X)+.(X), где (X)-компоненты вектора Р.

Машинная арифметика обладает конечной точностью вычислений, и естественно, для получения правильных результатов необходимо знать некоторую величину т для конкретной модели ЭВМ, при которой любые два числа х^ и х2 считаются равными, если выполняется соотноиение -х | £ т. В работе предлагается выбирать т с помочью итерационной процедуры:

т = т/2 , пока (1+т) > т ^

Моделирование следящей системы выполняется следующим образом. Регулятор следящей системы моделируется в виде математической записи нелинейного закона деформации сигнала опибхи, при этом производная от ошибки формируется как конечная разность

првого порядка за время Т , а формирование управляющего сигнала

п

для объекта управления ИСрЗ/ОСр) осуществляется через фиксированные промежутки времени Т^ ,2Т^,ЗТп... .

Линейная часть рассматривается как линейное дифференциальное уравнение 1-ого порядка с постоянной правой частью на интер-

вале интегрирования Т и интегрируется методой Эйлера-Коши 2-ого

п

порядка.

Общая схема алгоритма синтеза ПЛКУ следующая: Шаг 1. Пользователь задает значение показателя затухания тип ПЛКУ и диапазон изменения частот»! ы и угла деформации *>; Шаг 2. АСС находит значения частоты ы, угла деформации р из уразнения С1> и линеаризованный коэффициент передачи ПЛКУ Ки; Шаг 3. АСС предлагает для выбора структуры базового ПЛКУ те устройства, которые обеспечивают наибольшее значение К^. После выбора пользователем конкретной структуры, АСС расчитывает коэффициенты ПЛКУ по уравнениям табл.3;

Шаг 4. Пользователь с помощью АСС ищет решение системы уравнений С25,<3>. В случае наличия решения пользователь изменяя коэффициенты базового ПЛКУ обеспе.чивает заданное значение хо/А; Шаг 3. АСС на основе дифференциального уравнения С4Э рассчитывает корни соответствующего характеристического уравнения. По найденным значением пользователь оценивает время Т переходного

п

процесса по

Шаг 6. Для уменьшения Т АСС наращивает структуру базового ПЛКУ

п

дополнительным каналом повышения качества, выбор которого осуществляет пользователь из библиотечного набора;

Шаг 7. Пользователь выбирает один или несколько каналов■повышения точности при вынужденных движениях. АСС вставляет эти каналы в синтезируемое корректирующее устройство и рассчитывает их коэффициенты по уравнениям вида С5),(6Э.

Шаг 6. Пользователь указывает типы и место включения в следящую систему сопутствующих нелинейностей согласно схеме рисунков 2,3; Шаг 9. АСС осуществляет параметрическую оптимизацию выбранных пользователем коэффициентов полученного в результате синтеза корректирующего устройства на основе критерия минимума суммарной абсолютной онибки в системе за конечное время переходного процесса .

Кроме того, в любом месте описанного алгоритма по желанию пользователя АСС выполняет численное моделирование следящей системы.

Пользовательский интерфейс АСС организован в форме диалога

в виде вложенных меню. Общая структура меню приведена на рис.4.

Структура меню построена таким образом, чтоби пользователь мог в соответствии с методикой автоматизированного синтеза осуществить поэтапный синтез нелинейной САУ. Поэтому каждый пункт меню соответствует определенному этапу синтеза и содержит подменю, уточняющие действия пользователя на каждом из этапов.

Программы для АСС написаны на языке Си и выполняются под

Рис. 5.1 Структура меню.

управлением операционной системы MS DOS.

В табл.4 приведена сравнительная оценка времени, затрачиваемого разработчиком на основные операции, при синтезе НКУ.

В качестве практической реализации результатов, изложенных в работе, авторам для НПО "ПЛАНАР" разработана нелинейная следя-

чая система для управления линейним бесконтактным двигателем постоянного тока в установке присоединения проволочных выводов транзисторов ЭМ-4150. В этой системе процесс позиционирования сварочной головкой разбивается на три этапа: релейное управление при больших рассогласованиях в системе; управление в кваэисколь-зяцем режиме на основе ПЛКУ при ошибках, близких к заданному положен»; линейное управление непосредственно около точки конечного позиционирования. Данный способ управления позволил уменьшить время формирования перемычки между криссталом и выводной рамкой прибора в 2,5 раза (до 100 миллисекунд? и,

одновременно, повысить точность позиционирования в 20 раз (до 1

Таблица 4

Сравнительная оценка времени синтеза НКУ

Операция Время выполнения

вручную в "АСС"

1. Составление уравнений для расчета следящей системы. 1-2 дня -

2, Составление и отладка программ решения уравнений. 2-3 дня —

3. Анализ характера свободных и вынужденных движений. 1 день 1 час

4. Синтез каналов обеспечения качества и точности в следящей системе . 1-2 дня 1 час

5. Моделирование, построение графиков и таблиц результата. 1 день 30 мин

Всего: 9 дней 3 часа

микрометра} по сравнению с существующими установками аналогичного класса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ заключаются в следующем:

1. На базе существующих подходов к анализу качества свободных движений в нелинейных системах предложено в системах с ПЛКУ предварительно выявлять тип возможного переходного процесса, а затем находить его параметры.

2. Введена характеристика качества переходного процесса в

следящих системах с ПЛКУ равная отношению величины медленной составляющей к анплитуде колебакий быстрой составляющей ошибки — Xq/A, для которой получены в явном виде расчетные соотношения для систем с линейной частью произвольного порядка.

3. Предложены новые алгоритмы автоматизации синтеза корректирующих устройств на базе ПЛКУ на заданные значения показателя затухания и отношения а также алгоритм оценки времени переходного процесса по монотонной составляющей.

4. Приведены способы повышения качества и точности движений в следящих системах с ПЛХУ, а также описана методика и получены уравнения для расчета коэффициентов дополнительных каналов повииения качества и точности в следящих системах с ПЛКУ.

5. Разработана процедура численного решения системы нелинейных уравнений произвольного порядка с учетом особенностей машинной арифметики.

6. Впервые разработан комплекс программ, объединенных еднной методологий и способом функционирования, для анализа, синтеза и моделирования следящих систем с нелинейными корректирующими устройствами на базе ПЛКУ -"АСС". При работе с "АСС" время разработки нелинейных систем управления на базе ПЛКУ уменьшается в 10-15 раз по сравнению с временем, затрачиваемом на аналогичные операции при пользовании стандартными средствами автоматиэа-ции< алгоритмический язык, транслятор и т.п.Э

7. Разработана и внедрена в НПО "Планар" в установке сборки полупроводниковых приборов нелинейная следящая система »субоптимальная по быстродействию, для управления линейным электроприводом с использованием ПЛКУ в квазирелейном режиме. Это позволило увеличить точность позиционирования сварочного инструмента в 5 раз и уменьшить время формирования одного проволочного соединения d 2,5 раза.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: 1. Заплечников И.Д., Матюхина Л.И., Михалев A.C. О качестве

квазискользящих переходных процессов в системах с псевдоли-нейними корректирующими устройствами. // Изв. ВУЗов, Приборостроение, 1' 93, №7-8.- с.23-29.

2. Заплечников И.Д. Параметрическая оптимизация в системе автоматического управления.// Автоматика и вычислительная техника, выпуск 21. - Мн:Выи. ок., 1993.- с.27-31.

3. Астапенко Г.Ф., Заплечников И.Д.,Коробкин В.И., Матюхи-на Л.И. Автоматизация параметрического синтеза исполнительных следящих систем промышленных роботов на базе БДПТ./ Региональная НТК "Следящие электроприводы промышленных установок, роботов и манипуляторов", тезисы докладов.-Челябинск, 1986.- с.24

4. Заплечников И.Д. Михалев A.C., Сидорук С.Н., Титов A.M. Интерактивная автоматизированная система синтеза нелинейных регуляторов следящих электроприводов манипуляционных роботов./ Всесоюзный семинар ''Динамика нелинейных процессов управления",тезисы докладов, - Таллин, 1987,- с.160.

5. Заплечников И.Д., Михалев A.C. Структурно-параметрический синтез псевдолинейных корректирующих устройств./ Республиканская НТК "Новые направления развития систем управления для промышленной робототехники ", тезисы докладов. - Минск, 1989.- с.80-82.

6. Следящая система / Заплечников И.Д.-, Кузьменков В.В., Михалев A.C., Трухан С. В. ССССР5. - № 1615671; Заявлено 03.01.89; Опубл. 23.12.90, Бюл. W 47.- 4 с.

7. Цифровая следящая система / Заплечников И.Д., Кузьменков В.В., Любецкий В.Д., Михалев A.C. (СССР). - № 1730610; Заявлено 06.03.87; Опубл. 30.04.92, Бюл. № 16.- 6 с.

8. Цифровая следящая система / Заплечников И.Д., Кузьменков В.В., Любецкий В.Д., Михалев A.C. CCCCP5.-W 1797093; Заявлено 26.10.87; Опубл. 23.02.93, Бюл. №7.-6 с.

9. Разработка и исследование аппаратных и программных средств многокоординатного привода робота на базе серводинов: Отчет о НИР (закл.) / Белорусский государственный университет ; Руководитель работы А.С.Михалев; № ГР 01.85.0014107.- Минск, 1986. - 183 с.

10. Разработка основных технических решений исполнительного уровня повышенной надежности систем управления промышленными роботами типа "Гранат" на основе серводинов : Отчет

о НИР Спромеж.5 / Белорусский государственный университет Руководитель работы А.С.Михалев; М ГР 01.87.0034926.-Минск, 1987. - 177 с.

11. Разработка аппаратных средств, алгоритмического и программного обеспечения контроллера электропривода: Отчет о НИР Спронеж.} / Белорусский государственный университет ; Руководитель работы А.С.Михалев; № ГР 01.89.0045737,-Минск, 1989. - 163 с.

12. Разработка аппаратно-программных средств для оптимального управления линейным ваговым двигателем : Отчет о НИР <закл.> / Белорусский государственный университет ; Руководитель работы А.С.Михалев; № ГР 01.85.0014107.-Минск, 1986. - 183с.

Рэзюме

Эаплечнзкay Irap Дзн1ТрыеВ1Ч "Аутанатызыиыя структурна-параметричнага с^нтэза нелинейных рэгулятарау з разрыуным Мраааннем"

Нел1нейный рэгулятар, псеудал1нейнае карэкц1руючае устройства, раэрыунае караванне, аутаматызац^я анализу i С1нтэзу.

Даследаваны пытанн! распрацоук! комплексная састэны аута-матыэацы! анал isy i с^нтээу нелинейных рэгулятарау з разрыуным караваннем . Уведзена характарыстыка якасцг пераходнага праиэсу у следзячых с!стэмах з разрыуным к^раваннен, роуная аднос^не вел1чин! павольнай складальнай да амплхтуди хгстання хуткай складальнай памылк1. Для гэтай характеристик! атрыманы разл1ковыя вырази для С1СТэм з Л1неЙнаЙ часткай адвольнага парадку. Распрацаваны алгарытмы с1нтээу нелинейных рэгулятарау э псеудал1нейным1 карэкц1руючым1 устройствам!. Распрацавана методика i атрынаны урауненн! для разлуку дадатковых каналау к!равання, павываючых якасць i дакладнасць следэячих cicT3M з разрыуным К1раваннем. Распрацаваны комплекс праграм для анализу i схнтээу нелинейных рэгулятарау э разрыуным к!раваннем на ЭВМ.

Summary

Zaplechnikov Igor "Automatization of the synthesis of the structure and parameters of the nonlinear regulators with breaking control"

Nonlinear regulator, breaking control, pseudolineai correction device, automatization of the synthesis and analysis

The matter of development of the system of the synthesis and analysis of the nonlinear regulator ie considered in th dissertation. The performance of the quality of the transien process for the closed-loop servo system with breaking contro

is formed. This performance is the ratio of the value of "slow" component of the error to the .implitude of the oscillation of the "quick" component of the error. The algorithm of synthesis of nonlinear regulators based on the pseudolinear correction device is developed. The computer programs is developed for the synthesis and analysis of the nonlinear regulator with breaking control.

Резюме

Заплечников Игорь Дмитриевич "Автоматизация структурно-параметрического синтеза нелинейных регуляторов с разрывным управлением."

Нелинейный регулятор, разрывное управление, псевдолинейное корректирующее устройство, автоматизация анализа и синтеза.

Исследованы вопросы разработки комплексной системы автоматизации анализа и синтеза нелинейных регуляторов с разрывным управлением. Введена характеристика качества переходного процесса в следящих системах с разрывным управлением равная отношению величины медленной составляющей ошибки к амплитуде колебаний быстрой составляющей ошибки. Для этой характеристики получены расчетные соотношения- для систем с линейной частью произвольного порядка. Разработаны алгоритмы синтеза нелинейных регуляторов с псевдолинейными корректирующими устройствами. Разработана методика и получены уравнения для расчета дополнительных каналов управления, повышающих качество и точность следящих систем с разрывным управлением. Разработан комплекс программ для анализа н синтеза нелинейных регуляторов с разрывным управлением на ЭВМ.