автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Алгоритмическое обеспечение цифровой системы управления следящими электроприводами двухкоординатного стола

На правах рукописи

Гусев Николай Владимирович

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СЛЕДЯЩИМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ДВУХКООРДИНАТНОГО СТОЛА

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Томск - 2006

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Букреев В.Г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бейнарович В. А.

кандидат технических наук, Черемисин В.Н.

Ведущая организация:

ФГУП «НПЦ «Полюс», г. Томск

Защита состоится «12» декабря 2006 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета К 212.269.03 в ауд. 217 8-го учебного корпуса Томского политехнического университета по адресу: 634050, г.Томск, ул. Усова, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу: 634034 г. Томск, ул. Белинского 55.

Автореферат разослан «7» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного сове к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы получило развитие новое технологическое оборудование, содержащее в своем составе устройства высокоточного перемещения (установки лазерной и плазменной резки, лазерной гравировки, роботизированные сварочные комплексы), которое предопределяет новые требования к быстродействию и точности систем управления следящими электроприводами. Эти требования не могут быть обеспечены только цифровым исполнением элементов электропривода, поэтому необходимо разработать более эффективное алгоритмическое и программное обеспечение систем управления.

Анализ алгоритмического обеспечения систем управления следящими электроприводами, разработанного такими производителями как Siemens, Mitsubishi, Heidenhain, Fanuc, показал, что наиболее перспективными, с точки зрения качества отработки сложных траекторий движения, являются алгоритмы кубической сплайн-интерполяции, алгоритмы управления скоростью электропривода в виде функций высоких порядков, а также средства цифровой коррекции задающих воздействий, основанные на теории комбинированного управления. Известно, что теория комбинированных систем управления позволяет повысить точность и быстродействие отработки заданных траекторий движения. Однако большого распространения в инженерной практике алгоритмы комбинированного управления цифровыми следящими электроприводами не получили.

Обзор' цифровых систем управления следящими электроприводами, производимых отечественными производителями, показывает, что на рынок поставляются системы, оснащенные в основном только двумя видами интерполяции — линейной или круговой, а также ставшими уже классическими законами разгона/торможения по прямоугольной или трапецеидальной диаграмме скорости. Во многих случаях такие законы управления следящими электроприводами, как, например, в установках лазерного раскроя листовых материалов или гравировки, не позволяют достичь требуемых динамических характеристик электромеханических систем — минимальной ошибки отработки заданной траектории движения при максимальном быстродействии и ограничениях скорости и ускорения. Так, например, ошибки поддержания заданной контурной скорости при раскрое материалов могут проявиться в виде значительного оплавления поверхности обрабатываемого изделия либо в виде не соблюдения заданной глубины резки. Это в совокупности приводит к искажению контура обрабатываемой детали.

Вопросами разработки и совершенствования систем управления электроприводами, в том числе с цифровым управлением, занимались Башарин A.B., Сабинин Ю.А., Нуждан В.Н., Сосонкин B.JL, Коцегуб П.Х., Перельму-тер В.М., Поздеев А.Д., Файнштейн В.Г., Файнпггейн Э.Г., Щипанов. Г.В., Mark Milam, Monsees Covert, Hugh Jack и др.

Современный уровень вычислительных устройств позволяет практически без ограничений реализовывать различные алгоритмы управления технологическим оборудованием. Такое обстоятельство дает возможность цифровым системам управления электроприводами не только обеспечить высокую точность и. производительность оборудования, но и расширить круг задач, возлагаемых на систему управления. .

. Широкие перспективы внедрения алгоритмического обеспечения создаются при модернизации систем управления технологическим оборудованием в машиностроении. Это обусловлено тем, что прогресс в развитии числовых систем управления по своим темпам существенно опережает улучшение конструкций механообрабатывающего оборудования. . , Все вышеизложенное и определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации., . .. ; ; Цель работы и задачи исследования

Цель диссертационной работы состоит в разработке алгоритмического обеспечения систем цифрового программного управления,. позволяющих улучшить в реальном масштабе времени точность и плавность движения следящих многокоординатных электроприводов технологического оборудования.. ■••.■•„.•. '.у

Для достижения цели поставлены следующие основные.задачи: .

— . анализ принципов , построения и архитектуры современных систем

цифрового управления многокоординатными следящими электроприводами устройств высокоточного перемещения;

— разработка модели цифро-аналогового следящего электропривода в интегрированной среде MATLAB и Delphi;

— разработка. алгоритмов сплайн-интерполяции для формирования программных траекторий движения цифровых следящих электроприводов;

— разработка -. алгоритмов ,. плавного движения на участках разгона/торможения следящих электроприводов;.... , .

т синтез структуры и алгоритма цифрового устройства комбинированного управления следящим электроприводом; , — программно-аппаратная реализация цифровой системы . управления следящими электроприводами класса PCNC двухкоординатного стола. Методы исследований . ^

, . . Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы теории автоматического регулирования, линейной алгебры и дифференциальных уравнений, теория дискретных Z-преобразований, математического моделирования на ЭВМ. Имитационное моделирование выполнено с помощью программных продуктов MATLAB, MathCAD, Delphi. Научная новизна t . — разработан алгоритм кубической сплайн-интерполяции, обеспечив аю-. щий построение криволинейной траектории движения заданной дискретно на плоскости и отличающийся от известного метода прогонки отсутствием двух циклов расчета коэффициентов сплайн-функции;

— разработана методика синтеза корректирующего устройства цифровой системы комбинированного управления следящим электроприводом в Z-области, обеспечивающего инвариантность относительно задающих воздействий;

— синтезирован алгоритм генерации задающих воздействий для следящего электропривода, обеспечивающий формирование плавных законов разгона/торможения на заданном участке траектории. Практическая ценность

— разработана цифровая система управления многокоординатным следящим электроприводом, реализованная на базе персонального компьютера и операционной системы Windows NT и обеспечивающая формирование задающих воздействий в реальном времени;

— разработано прикладное программное обеспечение в среде Delphi, позволяющее исследовать работу следящих электроприводов как в режиме эксплуатации, так и на модели в среде MatLab-7;

— разработана программа, которая позволяет формировать задание для цифровых следящих электроприводов с минимально гарантированным интервалом дискретности в условиях функционирования многозадач-

,, ной операционной системы. Достоверность полученных результатов :

Достоверность результатов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований с положениями теории автоматического управления.

Реализация результатов работы

Основные результаты диссертации получены при выполнении хоздоговорной НИР, грантов компании «ЮКОС» и Томского политехнического университета.

Результаты проведенных исследований нашли применение при создании технологического комплекса лазерной резки металлов (ИФПМ СО РАН, г. Томск), автоматизированной системы дозирования и смешивания сыпучих материалов с цифровым следящим электроприводом (ЗАО «САГ», г. Томск). Разработанная экспериментальная программно-аппаратная система управления электроприводами двухкоординатного стола используется в учебном процессе для подготовки студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» на кафедре ЭПЭО Томского политехнического университета. '"'

. Основные положения, выносимые на защиту:

— алгоритм сплайн-интерполяции для формирования программных траекторий движения следящих электроприводов;

— алгоритм плавного движения на участках разгона/торможения следящих электроприводов; •

— структура цифрового устройства комбинированного управления следящим электроприводом и алгоритм его работы;

, — модели цифро-аналоговых следящих электроприводов в интегрирован. ной программной среде MATLAB и Delphi; ;. — программно-аппаратная реализация цифровой системы класса; PCNC для управления следящими электроприводами двухкоординатного стола. • ' : — , - ч--Апробация работы .:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (г. - Томск, 2002-2004 гг.), всероссийских научно-технических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2002-2003 гг.), международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г. Новочеркасск, 2002 г.), международной научно-технической конференции «Электротехника, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.), международных научно-технических конференциях «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003-2004 гт.), всероссийских научно-технических конференциях «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2003—2004 гг.), международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2005 г.), международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2005 г.), всероссийской конференции — конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и Энергосбережение» (г. Томск, 2006 г.). Публикации

о Результаты выполненных исследований отражены в 24 печатных работах, в том. числе в 20 статьях и тезисах докладов, 2 патентах РФ на изобретение и полезную модель, 2 авторских свидетельствах о регистрации программного продукта для ЭВМ. . . • • Структура и объем работы . Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 175 страниц, в том числе рисунков — 84, таблиц — 21, список литературы состоит из 128 наименований, 4 приложения на 11 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимой диссертационной работы, сформулированы цель работы, основные задачи, научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту. • •.•• , • .

.. ■ В первой главе проведен обзор архитектур и программных средств систем управления устройствами высокоточного перемещения, сформулированы основные требования к цифровым системам управления по точности и быстродействию отработки заданных траекторий движения. Описаны требования

к программному обеспечению систем управления следящими электроприводами, реализованными по принципу PCNC. ;

Разработчики современных систем числового программного управления (ЧПУ) выделяют 5 основных архитектурных вариантов, которые существуют на рынке. Первый вариант — это классические системы CNC (Computer Numerical Control), которые выпускаются фирмами с богатой традицией производства высококачественной собственной микроэлектронной аппаратуры. Второй вариант — это системы типа PCNC-1 (Personal Computer Numerical Control) с персональным компьютером в качестве терминала. Следующим шагом в развитии систем с ЧПУ стала реализация двухкомпьютерного варианта PCNC-2 (третий вариант). Несколько позднее появились системы PCNC-3, ядро которых реализовано на отдельной плате, устанавливаемой в корпусе промышленного персонального компьютера (четвертый вариант). Пятый вариант — это однокомпьютерные системы типа PCNC-4, отличающиеся программной реализацией геометрических, логических и терминальных задач.:

Обзор различных систем управления, реализованных по принципу PCNC, показал, что наиболее часто в качестве операционной системы используется система Microsoft Windows NT с интегрированным ядром реального времени типа RTX (фирма VentureCom). Интегрированные ядра являются сторонними разработками. Многие фирмы, разрабатывающие системы типа PCNC, используют их без дополнительной доработки. Наряду с готовыми решениями также существуют и собственные разработки, например, ядро NCT (Numerical Control Kernel) фирмы Siemens. Помимо операционной системы Windows NT используются специализированные системы, применяемые во встраиваемых системах — Windows СЕ, RTDOS (используют Fanuc, Siemens). Их основными достоинствами являются малые требования к памяти и дисковому пространству промышленных ПК, меньшее время реакции системы на внешние события. В отечественных разработках наибольшее применение находят системы PCNC на базе ОС Windows с RTX, а также ставшей уже классической MS DOS.

С учетом описанных выше особенностей операционных систем, а также архитектурных решений систем управления, построенных на базе PCNC, можно сформировать основные требования к программному обеспечению: надежность и предсказуемость (отсутствие нештатных ситуаций, связанных с повисанием вычислительного устройства); функционирование в режиме реального времени «Real-Time»; компактность; возможность гибкого изменения алгоритмов функционирования в соответствии с требованиями заказчика; поддержка различных интерфейсов связи с технологическим оборудованием.

С точки зрения использования алгоритмов интерполяции в отечественных разработках наблюдается значительное отставание от зарубежных аналогов. Большинство отечественных разработок до сих пор комплектуется только линейной и круговой интерполяцией, в то время как разработки фирм Heidenhain, Siemens и др. опционально оснащены многокоординатной кубической сплайн-интерполяцией и средствами цифровой коррекции, позво-

ляющими минимизировать динамическую ошибку следящей системы. В тех случаях, когда отечественные разработчики применяют сплайн-интерполяцию, используются уже готовые решения зарубежных производителей в виде модулей управления сервоприводами устанавливаемых в PCI/ISA-слота промышленного или персонального компьютера.

В результате обзора структур инвариантных автоматических систем управления установлено, что применение корректирующих устройств в системах управления позволяет обеспечить инвариантность привода по управляющему и возмущающему воздействию, а также поднять порядок астатизма системы. При этом условие инвариантности выполнимо только в том случае, если модель объекта регулирования достаточно подробно описана и соответствует реальному объекту. Сравнительная оценка различных структур систем управления с точки зрения реализуемости на реальном оборудовании показала, что наиболее просто реализуемая структура с цифровым корректирующим устройством в контуре положения.

Вторая глава посвящена разработке моделей цифроаналогового следящего электропривода с комбинированным управлением, а также вопросам взаимодействия разработанной модели с экспериментальной цифровой системой управления следящим электроприводом.

При моделировании электромеханических систем особое место занимает интегрированная в MATLAB программная система Simulink. Она создана для моделирования, имитации и анализа нелинейных динамических систем и устройств, заданных в виде системы блоков.

-Ч

i причтяницаи lJeiphi~npwpMi,m)

Workspace

Сигналы задания но координягам ■■ • Сш налы ¡яьчаиия > х-шо коорлшмиаж.х--

Модель следящего электропривода с среде MATLAB Simulink

Pejv.wraTM ист.мччмми*

Сигналы з uo координатам

Эяект/кшехаиичеагий об ъект упртмнин Т 1''Л1, м?ханич¥1кан часть •

J,Tt'k тродатииШПнкШ

Гигмыы обра-шой соты иожккению, сш налы с 'ллектршотдматики

Рис. 1. Функциональная схема взаимодействия модели в среде МАТЬАВ и управляющей

Ое1рЫ-программы '

С целью создания модели и анализа разрабатываемого программного обеспечения для управления электроприводами технологического оборудования" предложен универсальный вариант взаимодействия программно-аппаратных средств системы, приведенный на рис. 1. Управляющая программа формирует массив'заданий по положению для следящего' электропривода каждой координаты, после чего данные поступают в МАТЪАВ через

Workspace — область, содержащую все переменные эталонной модели электромеханического объекта или системы. Отработка заданных перемещений происходит непосредственно в среде MATLAB.

Таким образом, экспериментальному этапу предшествует апробация разработанных алгоритмов на модели, управляемой при-помощи программного обеспечения, которое используется не только для моделирования, но и для управления электроприводом в реальном времени. Устраняя все неисправности в управляющей программе на этапе моделирования, исключается необходимость в отладке алгоритмов в реальных условиях. Предложенный подход в реализации взаимодействия программной среды и модели позволяет значительно сократить время, необходимое для разработки и отладки алгоритмов и программного обеспечения для управления электроприводами.

Модель цифроаналогового следящего электропривода синтезирована на основе методики, предложенной А.Д. Поздеевым. Выбор данной методики был предопределен тем, что в отношении структуры следящего электропривода (СЭП), которой обладает экспериментальная установка, существует ряд рекомендаций по выбору параметров модели, а также предложено несколько точек настройки при синтезе линеаризованной модели СЭП. Под точкой настройки понимается группа безразмерных коэффициентов А,В.,С,,А.й,каУ определяющих параметры настройки регуляторов тока, скорости и положения, а также характер переходных процессов в соответствующих контурах.

Базируясь на синтезе линеаризованной структуры следящего электропривода, была разработана модель цифро-аналогового СЭП (рис. 2), в основе которой лежит учет основных нелинейностей: квантования по времени и уровню в контуре положения, дискретности датчика положения, цифрового корректирующего устройства, ограничения выходного сигнала регуляторов тока, скорости и положения, ограничения сигнала тиристорного преобразователя и введения двухмассовой механической системы.

Основными элементами модели в среде Simulink являются: 1 — подсистема, считывающая сигналы задания из среды Workspace, которые были сформированы Delphi-программой; 2 - цифровой контур положения; 3 ■ — фильтр на входе регулируемого электропривода (РЭП); 4 — подсистема, содержащая модель РЭП с механической частью электропривода. Примеры от-

Рис. 2. Модель цифро-аналогового СЭП с комбинированным управлением в среде MATLAB Simulink ' '

работки различных заданий и сопоставления результатов эксперимента и моделирования показаны на рис. 3.

: Отработка tadanuu mi эксперименте Отработки ю*)ання на Mrktciu ............

Чм)ипипшан ошибки при мо>)с:шршшши

"VT

Кырдинатпам ошибка па женсрим

а). , Ь)

Рис. 3. Переходный процесс по положению (а) при задании 50мкм, отработка режима линейного нарастания (¿>) по координате Xна скорости 4000мкм/с

Сравнительная оценка адекватности модели СЭП и экспериментальной установки показала, что при отработке скачка управляющего воздействия в диапазоне до 140мкм максимальное расхождение результатов моделирования и эксперимента составляет не более 5%. При отработке режима слежения на скоростях до 10000мкм/с расхождение результатов моделирования и эксперимента достигает 8,5%.

Третья глава посвящена вопросам разработки алгоритмов программного управления многокоординатными следящими электроприводами, синтезу структуры систем управления с комбинированным управлением СЭП.

При формировании траектории движения, заданной кубическим сплайном вида (1), предложен алгоритм расчета сплайн-функции (рис. 4).

S(x) = {gk(x) = ak + bk(x-xk) + ck(x-xk)2+dk(x-xky при хе ,х*, (1) где к — количество узловых точек дискретно заданной траектории движения; ak,bkck,dk — коэффициенты сплайн-функции, определенные из следующих условий: равенство g(xk) = /к (условие интерполяции в узлах сплайна); g(x)e С>.ь] (наличие первой и второй производных); равенство g'(a) = g*(b) = 0 (краевые условия).

Предложенный алгоритм определения коэффициентов и построения сплайн-функции (патент РФ №2233465) устраняет недостатки стандартного метода прогонки — наличие двух циклов, необходимых для определения коэффициентов сплайна и отдельного цикла для построения функции за счет того, что в одном цикле производится расчет коэффициентов сплайна по аналитически определенным выражениям (2) и построение самой сплайн-функции. Это обстоятельство позволяет значительно снизить требуемый объем памяти вычислительного устройства для хранения всех коэффициентов сплайн-функции.

Начало , < ^

Ввод: х„ у„ п, H

Определение количества интервалов - z по 4 точки

<

i= 1 to z

Определение коэффициентов сплайна

Определение коэффициентов и построение сплайн-функции #(х) на интервале,, не содержащем 4 точки

Построение сплайн-функции g(x) на текущем интервале

Вывод значений полинома.

Конец ^

Рис. 4. Блок-схема алгоритма интерполяции дискретных данных кубическим сплайном: х„у, - узловые точки заданной сплайн-функции; п - количество узловых точек; Н — число

интервалов интерполяции "

б, = +2d1L];dl =■

' ' А

Ji аг , 7,Г 2 1 J

2L\L3 (61г + 2£3) — -Ц ¿2 J

=bi +6dlLlL1 +3

-¿А~<*11г . - (2) •

L\ L\ L, ' — Lj . ; : ;

Cj = 3diLJ\cl =-3^,1!;^ =0 ;63 = bi-2C1L1-ld1L\-}dîL\, где = x0 - x,= x, - x,,Z3 = x, -x3; /t — узловые точки дискретно-заданной сплайн-функции.

Сравнительный анализ быстродействия предложенного алгоритма и известного алгоритма прогонки показал уменьшение времени расчета сплайн-функции на 62 - 93% (в зависимости от количества интервалов интерполяции). С целью достижения оптимального соотношения — наибольшего быстродействия и плавности движения привода при разгоне или торможении предлагается сформировать кривую изменения ускорения a(t) с учетом задания по скорости и ограничений по ускорению, как показано на рис. 5. Использование такого закона разгона/торможения накладывает свои ограничения на алгоритм формирования задания для СЭП ввиду" того, что однозначного выражения, определяющего положение механизма в тот или иной момент времени, не существует, т.к. функция а(г) существенно не линейна. По-

этому предлагается предварительно спланировать движение по траектории, заданной сплайном, и определить коэффициенты функции a{t), после чего в реальном времени формировать управляющее воздействие (а.с. об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611201, №2003612653). Исходными данными для алгоритма генерации задания в реальном времени являются массивы коэффициентов сплайн-функции, функция контурного ускорения а(0, контурный путь текущего участка траектории L, контурная скорость в начале Vx и конце участка движения V2, количество п точек, задающих сплайн, число интервалов интерполяции H, а также значения количества так-

Движение о Y-const Торможение

/X

Рис. 5. Кривые изменения контурной скорости (У) и ускорения (а) во времени при разгоне, движении с постоянной скоростью и торможении

тов, приходящихся на интервалы разгона или торможения.

Моделирование показало, что использование разработанного алгоритма управления скоростью уменьшает бросок тока в начале движения на 16,2%. При выходе на заданный уровень контурной скорости практически отсутствует перерегулирование по положению. В свою очередь, при линейном законе разгона выход на заданный уровень скорости сопровождается перерегулированием в 2,7% Установлено, что использование предложенного алгоритма вызывает некоторое затягивание соответствующих переходных процессов в отличие от линейного закона разгона/торможения и в зависимости от заданных значений, допустимых скоростей и ускорений.

Рис. 6. Структу рная схема следящего электропривода с комбинированным управлением: . В(г) - дискретная передаточная функция корректирующего устройства; \УГп(г) - передаточная функция регулятора положения; 1Уэ(р) - экстраполятор нулевого порядка; \Уцп(г) — единичная передаточная функция датчика положения; 1Уо(р) - передаточная функция объекта регулирования

Теория комбинированных автоматических систем управления показывает, что введение в систему сигнала, пропорционального первой, второй, третьей и т.д. производным задающего воздействия, позволяет значительно снизить динамическую ошибку системы. Так, следящий электропривод, с цифровым управлением (рис. 6) является комбинированной системой, обеспечивающей инвариантность относительно задающих воздействий.

Приведенная структура обеспечивает точное воспроизведение заданной траектории движения при отсутствии помех и возмущений в обратной связи СЭП. При наличии трех ненулевых производных в сигнале задания по положению, обусловленных порядком интерполятора, свойство инвариантности относительно задающих воздействий обеспечивается выбором соответствующих коэффициентов настроек алгоритма комбинированного управления — а1,а2,а3. Условие абсолютной инвариантности следящего электропривода относительно задающего воздействия будет иметь вид

С0 = С1=С2=С3=0, (4)

где С0,С15С2,Сз — коэффициенты установившейся ошибки по положению, скорости, ускорению и рывку в дискретные моменты времени записываются в виде

С3 = Тг ■ z

dWs(z)

dz

d2W9{z) , | dWe{z\1

dz

dz 'J

d*We(z) d2fVe(z) dWB(z)~\ dz* dt2 dz J

(5)

где Т — период квантования по времени; 1Ув(г) — передаточная функция системы по ошибке.

Передаточная функция цифрового корректирующего устройства имеет

вид

/>(г) = А(г)+^(г)+А(2) = а1.(1-г-1)+а2(1-г-1):+«2(1-^)3- (6)

Записывая дискретную передаточную функцию системы по ошибке в соответствии со структурой системы, приведенной на рис. 6, а также с учетом (5), выражения для расчета коэффициентов настроек алгоритма комбинированного управления принимают вид

1

-;а, =

(7)

Кн-Т' * Кн ■ Т

_ 1-Л1-[а] +«23__2К„-^а-Ь2+М\\а,_

1[аз~ BI T 2BbT-m- Т2 • (l- 2е"т • cos(fil- Г)+ е'2аТ)'

где Кн =КМ/КС — коэффициент передачи непрерывной части системы; Км — коэффициент передачи механизма; Кс — коэффициент обратной связи по скорости; а,Ъ — вещественная и мнимая часть комплексно-сопряженных корней характеристического уравнения, полученного при преобразовании передаточной функции объекта управления из непрерывной области в Z-область;

— коэффициенты, полученные при преобразовании и упрощении передаточной функции Т¥&(г).

¿ 2000 К 1500

К,™

.......:......:

-Г-...................................'.......' /,2Х...........:

—---1--- 1

1- ' ' '

I Тгг

Рис. 7. Переходные процессы в контурах положения и скорости при отсутствии (/) и наличии (2) цифровой коррекции: Х- координата; содв - скорость вала двигателя; Ах- координатная ошибка

Результаты моделирования (рис. 7) показали, что разработанная структура цифровой системы с комбинированным управлением СЭП позволяет уменьшить ошибку управления. В нашем случае при наличии ЦКУ вида (6) система обладает астатизмом четвертого порядка. ,

В четвертой главе приведено описание экспериментальной установки (рис. 8), описано разработанное программное обеспечение и алгоритмы его функционирования, оценена адекватность разработанной модели, показаны результаты экспериментальных исследований разработанных алгоритмов управления цифро-аналоговым следящим электроприводом.

Рис. 8. Изображение экспериментальной установки и рабочего места оператора

Особенности разработки программного обеспечения (ПО) для управления следящими электроприводами во многом зависят от задач, возлагаемых

на СЭП, аппаратной реализации системы управления, а также от используемой операционной системы. В нашем случае система управления реализована по принципу PCNC, где вычислительным устройством является персональный компьютер. В качестве модулей ввода-вывода применены модули аналогового AI-16-5A-1 и дискретного UNIO-96-5 ввода-вывода фирмы Fastwel. На модуль дискретного ввода-вывода возложена задача не только обработки сигналов электроавтоматики, но и датчиков положения ЛИР-128А. Ввиду описанных выше особенностей аппаратной реализации системы

управления и синтезированных алгоритмов в главе 3 разработано программное обеспечение в среде Delphi-7. Интерфейсное окно программы управления экспериментальной установкой показано на рис. 10. Одной из важных задач разрабатываемого обеспечения под управлением Windows NT является своевременное формирование задания на РЭП.

Для обеспечения этого требования предложен алгоритм работы главного цикла программы (рис. 9). Его особенностью является предварительное выделение памяти под массивы значений задания на СЭП, установка приоритета «Real-Time» и запуск мультимедийного таймера. Расчет интерполятора и сигнала цифровой коррекции происходит постоянно, кроме моментов формирования сигналов задания на привод по прерыванию от таймера. В моменты обработки

Рис. 9. Алгоритм функционирования главного цикла программы

прерываний от таймера происходит лишь формирование сигнала задания из предварительно рассчитанных массивов значений задания на текущем такте. Непосредственное управление работой таймера и описанное выше перераспределение вычислительных ресурсов компьютера обусловлено тем, что в условиях функционирования многозадачной операционной системы установка приоритета реального времени в среде Windows NT не гарантирует своевременного расчета и формирования сигнала задания. Экспериментально установлено, что в пределах до 200 Гц работа мультимедийного таймера позволяет гарантированно выдавать задание на регулируемые электроприводы с заданной частотой.

Сравнительная оценка результатов, полученных на модели СЭП, с результатами электропривода была проведена по результатам отработки скачка управляющего воздействия для различных величин задания и отработки режима слежения (см. рис. 3). Проведенные экспериментальные исследования подтвердили адекватность модели цифро-аналогового следящего ЭП. При этом установлено, что показатели качества переходных процессов при отработке скачка управляюще-

го воздействия по положению, равного 50мкм, полностью совпадают. Далее с ростом величины задания (ЮОмкм и 140мкм) в результатах моделирования наблюдается рост величины перерегулирования, но при этом расхождение результатов эксперимента и моделирования не превышают 5%. Результаты моделирования достигают значительного расхождения при сигнале задания свыше 350 мкм.

Анализ результатов отработки режима слежения на модели и эксперименте показал, что при отработке режима слежения на скоростях до 2000мкм/с расхождение результатов составляет менее 1%. При этом с ростом заданной скорости темп нарастания координатной ошибки в модели увеличивается и уже при координатной скорости равной 10000мкм/с расхождение результатов моделирования и эксперимента достигает 8,5%. Скоростная ошибка, полученная по результатам моделирования во всех экспериментах, не превышает 1%.

Экспериментальные исследования разработанной цифровой системы управления следящим электроприводом подтвердили работоспособность алгоритма интерполяции кубическим сплайном, алгоритма генерации задания для двух следящих электроприводов в реальном времени с различными зако-

Рис. 10. Интерфейсное окно программы управления экспериментальной установкой

нами разгона/торможения. Примеры отработки траекторий движения заданных сплайном показаны на рис. 11. В первом случае (рис. 11,а) траектория движения была задана тремя сплайнами: OA — выход на заданную скорость и движение с постоянной контурной скоростью VK = const; АВ — движение с VK = const; ВС — движение с VK = const и торможение. Аналогичным образом построено движение по траектории, приведенной на рис.4 11,5, с разницей лишь в том, что после разгона на участке OA происходит торможение в конце участка АВ. *

0.......-......

~...........г7!'X .............1.............. ......■;■—{.....—

: J. 1 .............. \ • \ i \

\0-¿5-sis-¿6-¿о- f\r

а) Х.мкм Ь) Х10\мкм

Рис. 11. Заданная (7) и отработанная (2) траектории на плоскости ХУ: ОА, АВ, ВС - участки траектории, описанные сплайнами . ,' ■

Исследования влияния предложенного плавного закона разгона/торможения при отработке различных траекторий движения отражает наличие некоторого затягивания соответствующих переходных процессов в отличие от линейного закона разгона/торможения. Анализ переходных процессов по скорости движения показывает* что при одинаковой геометрии заданной траектории движения и скачкообразном изменении ускорения при разгоне наблюдается рост перерегулирования. Так, по скорости на 115мкм/с, при плавном разгоне перерегулирование составляет 17%, а в случае скачкообразного изменения ускорения при разгоне — 28,5%. Таким образом, предложенный плавный закон разгона/торможения позволяет снизить динамические удары в механической части системы при переходе от одной контурной скорости к другой, что в итоге позволяет снизить погрешность отработки заданной траектории.

.Таблица 1

Порядок ЦКУ Максимальная скоростная ошибка по оси X > Максимальная координатная ошибка

Разгон Торможение

- ' - 42мкм/с,(Ю0%) — 41мки / c,(W0%) ЗО.и>смД100%)

1 19л<к.м / с,(45,2%) — 2l.wfcw / с,(51,2%) 9,8.мк.м,(32,6%)

2 16л<кл</с,(38%) — 19мкм / с, (46,3 %) 9,5л<К.И,(31,6%)

3 15.wcw/c,(35,7%) -16л/?си/с,(39%) 9Дмгсм,(31%)

Экспериментально подтверждена эффективность работы синтезированного цифрового корректирующего устройства. Критериями при оценке эффективности ЦКУ приняты — минимизация координатных и векторной ошибки следящей системы, а также ошибки поддержания скорости на заданном уровне. Результаты экспериментального исследования приведены в табл. 1. Максимальные ошибки по скорости и положению приняты за 100%.

По данным эксперимента (см. табл. 1), можно заключить, что наибольший вклад на всех интервалах движения вносит сигнал пропорциональный первой разности, уменьшая скоростную ошибку не менее, чем на 54% и максимальную координатную ошибку на 67,4%. Сигналы, пропорциональные второй и третьей разности, вносят свой вклад только на этапах разгона/торможения. Составляющая второй разности уменьшает скоростную ошибку в среднем на 6%, а максимальную координатную — на 1%. Составляющая третьей разности снижает скоростную ошибку в среднем на 4,8%, а координатную — менее чем 1%. В общем случае степень вклада каждой составляющей ЦКУ определяется заданной контурной скоростью и ускорением, а также геометрией траектории движения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена концепция взаимодействия программного обеспечения в среде Delphi-7 — MatLab-7 для управления технологическим оборудованием и моделирования следящего электропривода, что позволяет производить отладку и оценку адекватности разработанных алгоритмов управления в реальном времени. -

2. Разработаны модели регулируемого электропривода и цифровой системы управления двухкоординатного стола в среде MatLab-7, которые учитывают особенности исполнения механической части и основные нелинейности электропривода.

3. Предложен алгоритм интерполяции кубическим сплайном, обладающий высокой точностью и обеспечивающий минимальное время построения сплайн-функции на заданном интервале интерполяции. Сравнительный анализ быстродействия предложенного алгоритма и известного алгоритма прогонки показал увеличение быстродействия расчета сплайн-функции на 62 — 93% в зависимости от количества интервалов интерполяции.

4. Синтезирован алгоритм генерации задания по положению электропривода для траекторий движения, представленных кубическим сплайном, позволяющий формировать задание в реальном времени. Алгоритм не требует больших вычислительных затрат, а также позволяет предварительно на этапе планирования изменить некорректные задания оператора. При этом закон изменения ускорения во времени на участках разгона или торможения может быть описан одной сложной функцией либо комбинацией нескольких простых.

5. Разработана цифровая структура системы с комбинированным управлением следящим электроприводом, которая уменьшает динамическую

ошибку системы. Введение сигнальной адаптации с вычислением первой, второй и третьей производных задающего воздействия позволяет увеличить порядок астатизма системы по управлению.

6. Разработана цифровая система управления экспериментальной установкой в виде автоматизированного комплекса с программным пультом оператора, которая внедрена в учебный процесс и используется для подготовки студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» кафедры ЭПЭО Томского политехнического университета.

7. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение системы управления, реализованное на языке программирования Delphi-7, обеспечивающее выполнение исследований всех разработанных алгоритмов. Полученные результаты эксперимента: заданная и отработанная траектория движения, координатные ошибки, сигнал ЦКУ — на всем участке движения передаются в среду MatLab-7 для их использования в моделях цифровых следящих электроприводов.

8. Проведены экспериментальные исследования алгоритма интерполяции кубическим сплайном, алгоритмов управления плавным движением двухкоординатным следящим электроприводом, подтверждающие их работоспособность и эффективность в различных режимах работы экспериментальной установки..

Основные работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Способ регулирования многокоординатного электропривода сварочного автомата. Патент на изобретение №2233465. Роспатент. Москва. Приоритет от 06.12.2002.

2. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Программа построения кубического сплайна дефекта 1. Авторское свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611201. Роспатент. Москва. 23.05.2003.

3. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Программа изучения свойств кубической сплайн-интерполяции. Авторское свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003612653. Роспатент. Москва. 04.12.2003.

4. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Алгоритм планирования траектории движения следящего многокоординатного электропривода // Известия высших

. учебных заведений. Электромеханика. — 2003. №3. — С. 16-20.

5. Букреев В.Г., Гусев Н.В, Ляпушкин C.B., Нечаев М.А. Автоматическая система дозирования и смешивания сыпучих материалов. Патент на полезную модель №2005139064. Роспатент. Москва. Приоритет от 14.12.2005.

6. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Обзор методов интерполяции дискретных траекторий движения электромеханических систем // Деп. в ВИНИТИ 28.01.03, №166-В2003. - 2003. - С. 1-31.

7. Гусев Н.В. Алгоритмическое обеспечение систем управления следящими электроприводами // Научно-технический и учебно-

образовательный журнал: Известия высших учебных заведений. Элек-' тромеханика. — 2006. №3. — С. 57-60.

8. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Алгоритм адаптивного планирования траектории движения многокоординатного электропривода манипулятора // III Всероссийская научно-техническая конференция «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях». - Бийск: АлтГТУ, 2002. - С. 13-15.

9. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Алгоритм интерполяции дискретных траекторий задания 3 координатного электропривода сварочного робота // V Международная научно-техническая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов». — Новочеркасск: ЮР-ГТУ, 2002.-С. 15-18.

Ю.Гусев Н.В. Влияние периода считывания задающих сигналов в следящем электроприводе // Международная научно-техническая конференция «Электротехника, электротехнические системы и комплексы». Томск: ТПУ, 2003.-С. 14-16.

11.Bukreev V.G., Gusev N.V. Algorithm of a task correcting on position multicoordinate servo drive // IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии»! Томск: ТПУ, 2003. — С. 181-182.

12.Гусев Н.В. Разработка и исследование алгоритма планирования траекторий движения многокоординатного следящего электропривода // Труды четвертой региональной научно-практической студенческой конференции. «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Томск: ТПУ, 2004. - С. 48-49.

13.Гусев Н.В., Макеев Е.В. Исследование модели цифроаналогового следящего электропривода двухкоординатного стола // Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации». Новосибирск: Изд. НГТУ, 2003. — С. 25-26.

14.Гусев Н.В. Разработка цифроаналогового следящего электропривода на базе процессорного модуля Fastwel CPU686E // Международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация». Барнаул: АлтГТУ, 2005. - С. 124-126.

Личный вклад автора

Пять работ написано автором единолично. В работах написанных в соавторстве, автору принадлежит: разработка системы управления [1] (45%), алгоритм кубической сплайн-интерполяции [2-4] (60%), разработка программного обеспечения [5] (40%), обзор алгоритмов интерполяции [6] (80%), разработка алгоритма планирования траекторий движения [8 ,9, 11] (65%), разработка модели цифро-аналогового следящего электропривода [13] (75%).

Подписано к печати 2.11.06. Формат 60x84/16. Бумага "Классика". Печать RISO. Усл.печл. 1,16. Уч.-изд.л. 1,05. Заказ 1156. Тираж 100 экз. имАТЕЛьсгаоЭ'тпг. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ УСТРОЙСТВ ВЫСОКОТОЧНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ.

1.1. Обзор устройств высокоточного перемещения специальных промышленных механизмов.

1.2. Обзор архитектур СУ многокоординатных ЭП устройств высокоточного перемещения.

1.3. Обзор структур инвариантных автоматических систем управления

1.4. Программные средства систем управления многокоординатными ЭП.

1.5. Выводы.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ И АНАЛИЗ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

2.1. Идеология построения взаимосвязи сред моделирования MATLAB 7 и разработки программного обеспечения Delphi 7.

2.2. Модель варианта кинематической цепи механизма.

2.3. Модель цифро-аналогового следящего электропривода постоянного тока.

2.4. Модель цифро-аналогового СЭП с комбинированным управлением.

2.5. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ

МНОГОКООРДИНАТНЫМИ СЛЕДЯЩИМИ ЭП.

3.1. Общая характеристика траекторных задач.

3.2. Алгоритм расчета и построения кубического сплайна.

3.3. Алгоритм управления скоростью на участках траекторий движения многокоординатного следящего электропривода.

3.4. Алгоритм генерации задания СЭП в реальном времени.

3.5. Синтез структуры СУ с комбинированным управлением следящим ЭП.

3.6. Выводы.

4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Программное обеспечение.

4.3. Экспериментальные исследования электромеханической системы.

4.4. Экспериментальные исследования цифровой системы управления.

4.5. Выводы.

В последние годы получило развитие новое технологическое оборудование, содержащее в своем составе устройства высокоточного перемещения - установки лазерной и плазменной резки, лазерной гравировки, роботизированные сварочные комплексы, которое предопределяет новые требования к быстродействию и точности систем управления следящими электроприводами. Эти требования не могут быть обеспечены только цифровым исполнением элементов электропривода, поэтому необходимо разработать более эффективное алгоритмическое и программное обеспечение систем управления.

Анализ алгоритмического обеспечения систем управления следящими электроприводами, разработанного такими производителями как Siemens, Mitsubishi, Heidenhain, Fanuc, показал, что наиболее перспективными с точки зрения качества отработки сложных траекторий движения являются алгоритмы кубической сплайн-интерполяции, алгоритмы управления скоростью электропривода в виде функций высоких порядков, а также средства цифровой коррекции задающих воздействий, основанные на теории комбинированного управления. Известно, что теория комбинированных систем управления позволяет повысить точность и быстродействие отработки заданных траекторий движения. Этому посвящено достаточно большое количество работ [8, 11, 30, 50, 51, 118]. Однако большого распространения в инженерной практике алгоритмы комбинированного управления цифровыми следящими электроприводами не получили.

Обзор систем управления следящими электроприводами производимых отечественными производителями показывает, что на рынок, в основном, поставляются системы, оснащенные только двумя видами интерполяции - линейной или круговой, а также ставшими уже классическими законами разгона/торможения по прямоугольной или трапециидальной диаграмме скорости. Во многих случаях классические законы управления следящими электроприводами, как например, в установках лазерного раскроя листовых материалов или гравировки не позволяют достичь требуемых динамических характеристик электромеханических систем - минимальной ошибки отработки заданной траектории движения при максимальном быстродействии и ограничениях скорости и ускорения. Так, например, ошибки поддержания заданной контурной скорости при раскрое материалов могут проявиться в виде значительно большего оплавления кромки траектории движения лазерного луча либо в виде отсутствия заданной глубины резки. Это в совокупности приводит к искажению контура обрабатываемой детали.

Вопросами разработки и совершенствования систем управления электроприводами, в том числе с цифровым управлением, занимались Башарин A.B., Сабинин Ю.А., Нуждин В.Н., Сосонкин В.Л., Коцегуб П.Х., Перельму-тер В.М., Поздеев А.Д., Файнштейн В.Г., Файнштейн Э.Г., Щипанов. Г.В., Кулебакин B.C., Mark Milam В., Monsees Covert, Hugh Jack и др.

Современный уровень вычислительных устройств позволяет практически без ограничений реализовывать различные алгоритмы управления технологическим оборудованием. Такое обстоятельство дает возможность цифровым системам управления электроприводами не только обеспечить высокую точность и производительность системы, но и расширить круг задач, возлагаемых на систему управления.

Широкие перспективы внедрения алгоритмического обеспечения создаются при модернизации систем управления технологическим оборудованием в машиностроении. Это обусловлено тем, что прогресс в развитии числовых систем управления по своим темпам существенно опережает улучшение конструкций механообрабатывающего оборудования.

Все вышеизложенное и определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации.

Цель работы

Цель диссертационной работы состоит в разработке алгоритмического обеспечения систем цифрового программного управления, позволяющих улучшить в реальном масштабе времени точность и плавность движения следящих многокоординатных электроприводов технологического оборудования.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

- анализ принципов построения и архитектуры современных систем цифрового управления многокоординатными следящими электроприводами устройств высокоточного перемещения;

- разработка модели цифро-аналогового следящего электропривода в интегрированной среде MATLAB и Delphi;

- разработка алгоритмов сплайн-интерполяции для формирования программных траекторий движения цифровых следящих электроприводов;

- разработка алгоритмов плавного движения на участках разгона/торможения следящих электроприводов;

- синтез структуры и алгоритма цифрового устройства комбинированного управления следящим электроприводом;

- программно-аппаратная реализация цифровой системы управления следящими электроприводами класса PCNC двухкоординатного стола.

Методы исследований

Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы теории автоматического регулирования, линейной алгебры и дифференциальных уравнений, теория дискретных Z-преобразований, математического моделирования на ЭВМ. Имитационное моделирование выполнено с помощью программных продуктов MATLAB, MathCAD, Delphi.

Научная новизна

- разработан алгоритм кубической сплайн-интерполяции, обеспечивающий построение криволинейной траектории движения заданной дискретно на плоскости и отличающийся от известного метода прогонки отсутствием двух циклов расчета коэффициентов сплайн-функции;

- разработана методика синтеза корректирующего устройства цифровой системы комбинированного управления следящим электроприводом в Z-области, обеспечивающего инвариантность относительно задающих воздействий;

- синтезирован алгоритм генерации задающих воздействий для следящего электропривода, обеспечивающий формирование плавных законов разгона/торможения на заданном участке траектории.

Практическая ценность

- разработана цифровая система управления многокоординатным следящим электроприводом, реализованная на базе персонального компьютера и операционной системы Windows NT и обеспечивающая формирование задающих воздействий в реальном времени;

- разработано прикладное программное обеспечение в среде Delphi, позволяющее исследовать работу следящих электроприводов, как в режиме эксплуатации, так и на модели в среде MatLab-7;

- разработана программа, которая позволяет формировать задание для цифровых следящих электроприводов с минимально гарантированным интервалом дискретности в условиях функционирования многозадачной операционной системы.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований с положениями теории автоматического управления.

Реализация результатов работы.

Основные результаты диссертации получены при выполнении хоздоговорной НИР, грантов компании «ЮКОС» и Томского политехнического университета.

Результаты проведенных исследований нашли применение при создании технологического комплекса лазерной резки металлов (ИФПМ СО РАН, г. Томск), автоматизированной системы дозирования и смешивания сыпучих материалов с цифровым следящим электроприводом (ЗАО «САГ», г. Томск). Разработанная экспериментальная программно-аппаратная система управления электроприводами двухкоординатного стола используется для подготовки студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» на кафедре ЭПЭО Томского политехнического университета.

Основные положения, выносимые на защиту:

- алгоритм сплайн-интерполяции для формирования программных траекторий движения следящих электроприводов;

- алгоритм плавного движения на участках разгона/торможения следящих электроприводов;

- структура цифрового устройства комбинированного управления следящим электроприводом и алгоритм его работы;

- модели цифро-аналоговых следящих электроприводов в интегрированной программной среде MATLAB и Delphi;

- программно-аппаратная реализация цифровой системы класса PCNC для управления следящими электроприводами двухкоординатного стола.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно-технических конференциях «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», г. Томск, 2002-2004 гг.;

- всероссийских научно-технических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях», г. Бийск, 2002-2003 гг.;

- международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», г. Новочеркасск, 2002 г.;

- международной научно-технической конференции «Электротехника, электротехнические системы и комплексы», г. Томск, 2003 г.;

- международных научно-технических конференциях «Современные техника и технологии», г. Томск, 2003-2004 гг.;

- всероссийских научно-технических конференциях «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2003-2004 гг.;

- международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», г. Барнаул, 2005 г.;

- международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2005 г.;

- всероссийской конференции - конкурса инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и Энергосбережение», г. Томск, 2006 г.

Публикации

Результаты выполненных исследований отражены в 24 печатных работах, в том числе в 20 статьях и тезисах докладов, 2 патентах РФ на изобретение и полезную модель, 2 авторских свидетельствах о регистрации программного продукта для ЭВМ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы (в том числе приложения) составляет 175 страниц, включая 84 рисунка, 21 таблицу, список литературы из 128 наименований и приложений на 11 страницах.

1. Алберг Д., Нильсон Э., Уолт Д, Теория сплайнов и ее применения. -М.: Мир, 1972.-475с.

2. Архангельский А.Я. Приемы программирования в Delphi. Версии 5-7. М.: Бином, 2003.-784с. 3. А.с. 2003611201 РФ. Программа построения кубического сплайна дефекта 1 В.Г. Букреев, Н.В. Гусев Роспатент. Опубл. 23.05.03. 4. А.с. 2003612653 РФ. Программа изучения свойств кубической сплайнинтерполяции В.Г. Букреев, Н.В. Гусев Роспатент. Опубл. 04.12.03.

3. Архангельский А.Я. Разработка прикладных программ для Windows в Delphi 5. -М.: Бином, 1999. 256с.

4. Афанасьев В.Н., Букреев В.Г., Зайцев А.П., Степанов В.П, Титов B.C. Электроприводы промышленных роботов с адаптивным управлением. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 1987. 163с.

5. Бабаков П.А., Воронов А.А., Воронова А.А. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика». В 2 ч, 4.

6. Теория линейных систем автоматического управления. -М.: Высшая школа, 1986. 367с.

7. Бабаков Н.А., Воронов А.А., Воронова А.А. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов по снец. «Автоматика и телемеханика». В 2 ч. 4.

8. Теория нелинейных и специальных систем автоматического управления. -М.: Высшая школа, 1986. 504с.

9. Бабенко К.И. Основы численного анализа. -М.: Паука, 1986, 340с. Ю.Балковый А.П. Многокоординатный комплектный дискретный электропривод с микропроцессорным управлением для гибких автоматизированных производств и робототехнических комплексов Электротехника.-1993. 6 С 10-18. И.Батоврин А.А., Дашевский П.Г., Лебедев В.Д., Марков Б.А. Цифровые системы управления электроприводами. -Л.: Энергия, 1977. 256с. 153

10. Бахвалов Н.С, Житков Н., Кобельков Г. Численные методы. -М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. 632с. М.Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электпроприводами: Учебное нособие для вузов. -Л.: Энергонздат. Ле- нинф.отд-ние, 1982.-392с.

11. Бобровский И. Delphi 7: Учебный курс -СПб.: Пнтер, 2003. 736с.

12. Боглаев Ю.П. Вычислительная математика и программирование. -М.: Высшая школа, 1990. 250с. П.Босинзон М.А. Автоматизированные мехатронные модули линейных и врашательных перемешений металлообрабатываюших станков Приводная техника. 2002. JSfcl. 10-19.

13. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Алгоритм планирования траектории движения следяш,его многокоординатного электропривода Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2003. №3. 16-20.

14. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Обзор методов интерполяции дискретных траекторий движения электромеханических систем Деп. в ВИНИТИ 28.01.03, Яо166-В2003.-2003.-С. 1-31. 2О.Букреев В.Г., Гусев Н.В. Алгоритм адаптивного планирования траектории движения многокоординатного электропривода манипулятора III Всероссийская научно-техническая конференция «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях». Бийск: АлтГТУ, 2002. 13-15.

15. Букреев В.Г., Гусев Н.В. Алгоритм интерполяции дискретных траекторий задания 3 координатного электронривода сварочного робота V Международная научно-техническая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов». Новочеркасск: ЮРГТУ, 2002.-С. 15-18.

16. Букреев В.Г., Гусев Н.В., Макеев Е.В. Моделирование многосвязных исполнительных следящих электроприводов в среде Matlab 6 IV Все154

17. Букреев В.Г., Гусев Н.В., Макеев Е.В. Цифроаналоговый следящий электропривод и применение алгоритма нланирования траектории для его управления X Юбилейная Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск: ТПУ, 2004. 258-260.

18. Букреев В.Г., Параев Ю.И. Адаптивные регуляторы в дискретных системах управления сложными электромеханическими объектами. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000. 278с.

19. Бурдаков Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.Н. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов: Учеб. пособие для студ. вузов, обучающихся по спец. «Робототехнические системы». -М.: Высшая школа, 1986. 264с.

20. Василенко В.А, Сплайн-функции: теория, алгоритмы, программы. Повосибирск: Наука, 1983. 350с.

21. Вержбицкий В.М, Численные методы (математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения): Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 2001.-382с. 28.ВИДИЛИН Ф. Повышение точности цифровых электромеханических следящих систем управления двухкоординатными поворотными платформами: Дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Томск: Изд-во ТПУ, 1997. 270с.

22. Воеводин В.В. Численные методы алгебры. Теория и алгоритмы. -М.: Паука, 1966.-460с.

23. Герман-Галкин Г. и др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. -248с. 155

24. Горитов А.Н. Архитектура системы автоматизированного моделирования робототехнических комплексов Нрограммные продукты и системы.-2001. 2 С 17-22. ЗЗ.Гусев Н.В. Алгоритмическое обеспечение систем управления следящими электроприводами Научно-технический и учебно- образовательный журнал: Известия вьющих учебных заведений. Электромеханика. 2006. №3. 57-60.

25. Гусев Н.В. Влияние периода считывания задающих сигналов в следящем электроприводе Международная научно-техническая конференция «Электротехника, электротехнические системы и комплексы». Томск: ТНУ, 2003. 14-16.

26. Гусев Н.В. Разработка цифроаналогового следящего электропривода на базе процессорного модуля Fastwel CPU686E Международ[1ая научно-техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация». Барнаул: АлтГТУ, 2005. 124-126.

27. Гусев Н.В., Макеев Е.В. Исследование модели цифроаналогового следящего электропривода двухкоординатного стола Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации». Новосибирск: Изд. НГТУ, 2003. 25-26. 156

28. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1970.-380с.

29. Денисова А.В., Сабинин Ю.А. Формирование задающих воздействий в позицион1юм электроприводе Электротехника. 2002. №9. 2128.

30. Деч, Густав. Руководство к практическому применению Лапласа и Zпреобразования: Пер. с нем. Г. Деч. -М.: Наука, 1971. 288с.

31. Дробышевич В.И., Дымников В.П,, Ривин Г.С. Задачи по вычислительной математике. -М.: Наука, 1980. 440с.

32. Емельянов Модернизация станков с ЧПУ Современные технологии автоматизации. 2001. №3. 34-41.

33. Емельянова Б.А. Концепция построения гибкого пользовательского интерфейса систем ЧПУ Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. 2 С 38-41.

34. Жданов А. NT реально ли реальное время? Открытые системы. 1998. 1 С 25-29.

35. Жуков А. Изучаем Delphi. -СПб.: Питер, 2002. 352с.

36. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайнфункций. М.: Наука, 1980. 376с.

37. Иванов В.В. Методы вычислений на ЭВМ.: Справочное пособие. Киев: Наукова думка, 1986.-390с.

38. Иванов В.А., Ющенко А.С. Теория дискретных систем автоматического управления: учебное пособие. -М.: Наука, 1983. 335с.

39. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование: Теория и элементы систем: Учеб. пособие. 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1978.-736с.

40. Калиткин Н.Н. Численные методы. -М.: Наука, 1978. 512с. 157

41. Калиткин Н.Н., Кузьмина Л.В. Среднеквадратичная аппроксимация сплайнами Математическое моделирование. 1997. №9. 107-117.

42. Карманов В.Г. Математическое нрограммирование. -М.: Наука, 1986. 440с.

43. Кахарнер Д., Моулер К., Нэш Численные методы и программное обеспечение. -М.; Мир, 1998. 512с.

44. Киселев В.М. Фазовые системы числового программного управления станками. Изд. 2-е, перераб. и доп. 349с.

45. Коровин Б.Г., Прокофьев Г.И., Рассудов Л.Н. Системы программного управления промышленными установками и робототехническими комнлексами. -Л.: Энергоатомиздат, 1990. 352с.

46. Корытин A.M., Петров Н.К., Радимов Н., Шанарев Н.К. Автоматизация типовых технологических процессов и установок: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -432с. бО.Ковчин А., Сабинин Ю.А. Основы электропривода СПб.: Энергоатомиздат, 1994. 496с.

47. Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительная математика в примерах и задачах. -М.: Паука, 1972. 370с.

48. Коринец И.Ф., Цзи Чжень Чун. Математическая модель технологической адаптации робота по зазору при дуговой сварке Автоматическая сварка. 2002. «9. 9-11. 49. Коровин Б.Г., Прокофьев Г.И., Рассудов Л.Н. Системы программного управления промышленными установками и робототехническими комплексами: Учеб. пособие для вузов. -Л.: Энергоатомиздат, 1990. 352с.

50. Корытин A.M., Петров Н.К., Радимов Н., Шапарев Н.К. Автоматизация типовых технологических процессов и установок. -М.: Энергоатомиздат, 1988.-432с. 158 -М.: Машиностроение, 1976.

51. Крутько П.Д. Управление исполнительными системами роботов. -М.: Наука, 1991.-332с.

52. Кудряшов B.C. Синтез цифровой связанной системы управления двумерным объектом Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002. Х«12. 22-27.

53. Кузнецов А. Интеграция главное направление на пути создания высокоэффективных машиностроительных САПР Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. №2. 4-8. 70.Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1986. 448с.

54. Леш,енко В.А. Станки с числовым программным управлением (специализированные). -М.: Машиностроение, 1979. 592с.

55. Локуциевский О.В., Гавриков М.Б. Начала численного анализа. -М.: ТОО "Янус", 1995.-550с.

56. Лукашенков А.В. Информационно-вычислительный комплекс для автоматизации контроля и управления электротехническими объектами. Автоматизация и современные технологии. 1999. №1. 2-5.

57. Макаров И.М. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. Т. 2. М.: Высшая школа, 1986. 173с.

58. Макарьев К. Разрешите представить: RTWin СТА. 1998. N23. 48-53.

59. Мартинов Г.М., Сосонкин В.Л. Концепция числового программного управления мехатронными системами: проблема реального времени Мехатроника, автоматизация, управление. 2000. №3. 37-40. 159

60. Митин Г.П., Рыбников С В Архитектура систем ЧПУ с интеллектуальными контроллерами Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. 2 С 35-37.

61. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат. 1986. 416с.

62. Мудров А.Е, Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. -Томск: МП "РАСКО", 1991. 272с.

63. Онищенко Г.Б., Босинзон М.А., Колачев Ю.Н. Состояние и перспективы развития электропривода для станкостроения Приводная техника. 2 0 0 3 6 С 15-21.

64. Осипов Ю.М., Щербинин В. Геометрическое обеспечение работы многокоординатных операционных автоматов Автоматизация и современные технологии. 1999. №8. 2-3.

65. Панышев Н., Ялымов Д. Система числового программного управления технологическим оборудованием NC-2000 Современные технологии автоматизации. 2002. №3. 28-33. 84.Пат. 2233465 РФ. Способ регулирования многокоординатного электропривода сварочного автомата В.Г. Букреев, Н.В. Гусев Открытия. Изобретепия. 2002. №9. 85.Пат. 2005139064 РФ. Автоматическая система дозирования и смешивания сыпучих материалов В.Г. Букреев, Н.В. Гусев В. Ляпушкин, М.А. Печаев Открытия. Изобретения. 2005. 222.

66. Поздеев А.Д. Комплектные системы управления электроприводами тяжелых металлорежущих станков. -М.: Энергия, 1980. -288с. 87.ПОЛЯКОВ А.Ю. Методы и алгоритмы компьютерной графики в примерах на Visual C++. -СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 416с. 160

67. Прохоров Ю.В., Адян СИ., Бахвалов Н.С., Битюцков В.И., Ершов А.П. Математический энциклопедический словарь. -М,: Сов. Энциклонедия, 1988.-847с. 91,Псарев А., Мазеин П.Г. Воснроизведение устройством ЧПУ Всплайна (NURBS) Известия Челябинского научного центра. 2002. 1 С 32-35.

68. Ракитин В.И., Первушин В.Е, Практическое руководство но методам вычислений с приложением нрограмм для персональных компьютеров. -М.: Высшая школа, 1998. 521с.

69. Рябенький B.C. Введение

70. Самарский А.А. Введение

71. Серебреницкий П.П. Программирование для автоматизированного оборудования: Учебник для средн. проф. учебных заведений. -М.: Высшая школа, 2003. 592с.

72. Соколов А.О. Микропроцессорные системы нрограммного управления станками и роботами: Учеб. пособие. -Л.: ЛПИ, 1989. 100с.

73. Соколов А.О. Электроприводы станков и нромышленных роботов с числовым программным управлением: Учеб. нособие. -Л.: ЛПИ, 1985. 86с. 98,Соломенцев Ю.М., Сосонкин В.Л. Мартинов Г.М. Построение нерсональных систем ЧПУ (PCNC) но нринципу открытых систем Открытые системы. 1997. №3. 68-74. 161

74. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция числового программ- ного управления мехатронными системами: анализ современного мирового уровня архитектурных решений в области ЧПУ Мехатроника, автоматизация, управление. 2002. №7. 11-17.

75. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция числового программ- ного управления мехатронными системами: конфигурация систем ЧПУ Мехатроника, автоматизация, управление. 2002. №4. 22-24.

76. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция числового программ- ного управления мехатронными системами: методологические аспекты построения открытых систем ЧПУ Мехатроника, автоматизация, управление. 2002. №2. 2-11.

77. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция числового программ- ного управления мехатронными системами: интеграция на основе открытого управления и стандарта ОРС (OLE for Process Control) Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. №8. 12-18.

78. Сосонкин Л.В., Михайлов О.П., Павлов Ю.А. и др. Программное управление станками. -М.: Машиностроение, 1981. -398с.

79. Стечкин СБ., Субботин Ю.Н. Сплайны в вычислительной мате- матике. -М.: Наука, 1976. 256с.

80. Твердохлебов П.Ф., Евченко А.И. Система контурного управле- ния электроприводами двухкоординатнои прошивочной машины Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2003. №5. 42-45. 107. 398с. Турчак Л.И. Основы численных методов. -М.: Наука, 1987. 162

81. Удут Л.С, Мальцева О.П., Кояин Н.В. Проектирование автомати- зированных тиристорных электроприводов постоянного тока. -Томск: изд. ТПИ, 1991.-104с. 110.

82. Хемминг Р.В, Численные методы. -М.: Наука, 1968. 453с. Хухлаев Е. Операционные системы реального времени и Windows NT Открытые системы. 1997. №5. 48-51.

83. Черноруцкий Г.С, Сибрин А.П., Жабреев B.C. Следящие системы автоматических манипуляторов. -М.: Наука, 1987. 272с.

84. Чернов Е. А., Кузьмин В. П. Комплектные электроприводы стан- ков с ЧПУ: Справочное пособие. Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1989.-320 с.

85. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. -М.: Энергоиздат, 1981.-567с.

86. Bobrow J.E., Dubowsky S., Gibson J.S. Time Optimal Control of Ro- botic Manipulators Along Specified Paths int. J. Robotics Res., 1985. Vol. 4. No. 3, PP. 3-17.

87. Bollinger J.G., Duffie N.A. Computer Control of Machines and Proc- esses, Addison-Wesley, 1989.

88. Bukreev V.G., Gusev N.V. Algorithm of a task correcting on position multicoordinate servo drive IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск: ТПУ, 2003.-С. 181-182. 118. 119. 120. 121.

89. Hugh J. Dynamic System Modeling and Control, 2

90. Hugh J. Integration and Automation of Manufacturing Systems, 2001. http://addi-data.com http://communitv.borland.com http://www.computerinfonn.ru/infonn 15 97/fl .htm 163