автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ структур и разработка методов оценки качества прецизионных электромеханических следящих систем

На правах рукописи

Смагина Ирина Анатольевна

АНАЛИЗ СТРУКТУР И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРЕЦИЗИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (энергетика, приборостроение, информатика, производственные процессы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003065022

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре управления и информатики.

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Хризолитова Светлана Александровна

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Лохин Валерий Михайлович кандидат технических наук, доцент Пилишкин Владимир Николаевич

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский институт

электромеханики

Защита состоится 04 октября 2007г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.08 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан Л _2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Беседин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Настоящая работа посвящена решению вопросов структурного построения и анализа прецизионных электромеханических следящих систем.

Развитие новых областей техники и новых технологий, совершенствование параметров и технических характеристик приборов, машин и механизмов ставит на одно из первых мест решение вопросов создания современных быстродействующих прецизионных следящих приводов. Так, например, развитие лазерной техники, применение которой невозможно без высокоточных систем управления положением лазерного луча и его интенсивностью, оказало значительное влияние на широкое внедрение новых высокотехнологичных процессов в машиностроении. Аналогичная задача решается при создании лазерных локационных систем, погрешность которых по угловому положению луча не должна превышать десятых долей секунды. При этом точность и разрешающая способность систем, к которым предъявляются столь высокие требования, должны обеспечиваться в реальных условиях эксплуатации при наличия возмущающих воздействий, обеспечивая при этом также необходимое быстродействие и динамические характеристики.

Однако, несмотря на широкое практическое применение высокоточных следящих систем, степень их теоретической изученности еще недостаточна для достоверного определения их характеристик в совокупности и последующего их направленного изменения. Не решен один из наиболее важных вопросов анализа и синтеза высокоточных систем — вопрос возможности использования наиболее развитых в теории автоматического управления приближенных методов исследований. Имеющиеся публикации по указанным вопросам носят в основном частный характер, практически отсутствует анализ возможных структурных построений высокоточных систем и их синтеза по заданным параметрам качества регулирования. Следует отметить также крайнюю необходимость проведения сопоставительного анализа и синтеза различных структурных построений.

Тем не менее, современный уровень развития информационных технологий и расширение теоретических возможностей исследования различных видов систем позволяет на нынешнем этапе провести анализ комбинированных систем с целью выявления их неисследованных ранее характеристик и разработки методики анализа и синтеза прецизионных систем.

В этой связи представляется актуальным:

- исследовать точностные свойства различных структурных построений прецизионных систем с применением различных методов;

- разработать методику синтеза систем с параллельными ветвями с учетом их особенностей;

- исследовать частотные свойства систем при наличии в контуре управления элементов с нелинейной статической характеристикой;

- выявить влияние наличия таких элементов на динамику работы систем, и, в первую очередь, на точность отработки задающего воздействия при различном количестве каналов и параметрах систем.

Указанные предпосылки и определили научную ценность настоящей диссертационной работы.

Целыо диссертационной работы является разработка инженерных методов анализа и синтеза прецизионных следящих систем, используемых для решения «одного класса задач», под которым понимаются следящие системы, в которых невозможно или, по крайней мере, чрезвычайно трудно выделить в чистом виде или измерить входные и возмущающие сигналы. Это свойство не позволяет вводить дополнительные компенсирующие связи по основным воздействиям, которые применяются в инвариантных системах.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались классические аналитические методы теории управления, метод приближенных амплитудно-частотных характеристик, метод гармонической линеаризации (гармонического баланса) Гольдфарба, анализ точностных свойств рассматриваемых систем проводился методами математического моделирования.

Достоверность результатов подтверждается строгостью аналитических выкладок, совпадением характеристик, полученных с применением различных методов и непротиворечивостью выводов.

Степень научной новизны результатов, полученных в диссертации состоит в следующем:

1. Разработана методика синтеза многоканальных итерационных следящих систем. Для решения задачи синтеза предложено использование огибающих асимптотических логарифмических частотных характеристик, что позволяет учесть влияние на динамику системы параметров различных каналов.

2. Исследовано влияние нелинейных звеньев в структурах итерационного типа на их динамику и точность работы. Показано, что наиболее существенное влияние на динамику систем оказывают нелинейности точного канала.

3. Проведено исследование влияния ошибок контуров электромеханических следящих систем на ошибку системы в целом в линейном и нелинейном представлении, что позволило упростить исходные структуры.

Практическая значимость полученных результатов.

Основные результаты работы доведены до уровня их практического применения в виде разработанной методики синтеза итерационных систем с применением огибающих частотных характеристик. Применение данной методики позволяет в большой степени учесть особенности рассматриваемых систем и существенно сократить количество повторно проводимых построений желаемых частотных характеристик отдельных каналов. Разработанная методика подлежит внедрению в учебный процесс.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа итерационных систем в линейном представлении.

2. Методика синтеза итерационных систем.

3. Результаты исследований динамики нелинейных итерационных и квазиитерационных систем.

4. Результаты исследований влияния нелинейных элементов на точность работы прецизионных систем.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII, XIII, XIV и XV международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г.Алушта) в 2003, 2004, 2005 и 2006гг., Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» в 2005г., Двенадцатой международной конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ) в 2006г.

Публикации. По результатам исследований, проводимых в рамках работы, опубликованы восемь печатных работ. В публикациях, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат основные результаты.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы, включающего 84 наименования, и пяти приложений. Основной текст диссертации изложен на 133 страницах машинописного текста, приложения изложены на 23 страницах машинописного текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описана актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачи и степень научной новизны проводимых исследований.

В первой главе приведено описание особенностей следящих систем, проведен обзор методов повышения качества их работы, среди которых наибольший интерес представляет так называемый структурный метод. В главе приведены структуры прецизионных систем, наиболее характерные из которых -итерационная и квазиитерацконная - представлены на рис. 1 и 2 соответственно.

Рис. 1 — структура итерационной следящей системы

Рис. 2 - структура квазиитерационной следящей системы

В материале главы приведены алгоритмы работы данных систем. Для итерационной структуры он заключается в том, что коэффициент усиления системы в целом равен произведению коэффициентов усиления отдельных каналов, а порядок астатизма - сумме порядков астатизма каналов. Передаточная функция разомкнутой системы, состоящей из N каналов имеет

вид: (р)= \¥х(р)+ IV2(р) + ...РГ„(р) + Щ(р)[Г2(/?)•...• ('К (р) . в случае

квазиитерационнон системы результирующий коэффициент усиления является

суммой коэффициентов усиления каналов, а порядок астатизма определяется каналом, порядок астатизма которого максимален. Передаточная функция разомкнутой системы в этом случае

Гр(р)=Г„гÄй(р) + Иг(р) + ... + Щ1(р)). Таким образом,

квазиитерационные системы существенно уступают итерационным по точности работы, однако, с учетом существенно большей просторы реализации в ряде случаев их применение может быть более предпочтительно.

Качество работы систем рассматриваемого класса определяется их структурой, числом каналов, элементами, входящими в их состав, подбором параметров контуров, осуществляемом при решении задачи синтеза систем, наличия в контурах управления существенных нелинейностей и других свойств, учет которых позволил бы расширить существующие представления о данном классе систем и сделать выводы о том, какие именно факторы оказывают влияние на свойства рассматриваемых структур.

Вторая глава посвящена анализу и синтезу итерационных систем в линейном представлении. Был проведен подробный анализ точности работы систем рассматриваемого класса с применением как аналитических методов, так и моделирования. В результате применения метода коэффициентов ошибок были получены зависимости значений динамической ошибки системы от частоты входного сигнала при различном количестве ее каналов, представленные на рис.3.

Рис.3 - зависимости динамических ошибок от частоты при различном

|

, количестве каналов

I

С помощью геометрического метода были получены логарифмические частотные характеристика по ошибке итерационной системы (см. рис. 4), подтверждающие результаты применения Других методов.

Рис,4 - частотные характеристики но ошибке итерационной системы

В главе выведены аналитические выражения для передаточных Функций Ш возмущениям, приложенным в различных точках системы (на гцшере двухзональной системы - см. рис. 5). На основание этих выражений сделаны выводы о том, что действия зочмущештй, приложенных я произвольной точке

системы, за исключением последнего канала, практически полностью компенсируются работой последующих каналов. Таким образом, с точки зрения помехоустойчивости системы в целом определяющим является только ее последний канал.

Рис. 5 - возмущения в двухканальной системе

Для анализа точности линейных многоканальных систем также применялось и моделирование, с помощью которого как и с применением аналитических методов, были построены зависимости значений динамической ошибки системы от частоты входного сигнала при различном количестве ее каналов. В качестве оценок значения ошибки системы использовались амплитудное значение ошибки и среднеквадратичная оценка. Результаты применения моделирования представлены на рис.ба. и 66 соответственно.

Рис. 6а - зависимости амплитудного значения ошибки от частоты при различном количестве каналов системы

N=2 М=3 N=4 "N=5

ч

01

/

/

¡1

ю

100

Рис. 66 - зависимости среднеквадратичной оценки ошибки от частоты при различном количестве каналов системы

Очевидно, что проведенное моделирование подтверждает результаты применения аналитических методов. На основании проведенных исследованиях в главе сделаны выводы о том, что целесообразно применение систем рассматриваемого класса с числом каналов не более трех. При этом необходимо учитывать то, что анализ проводился без учета нелинейных элементов, неизбежно присутствующих в контуре управления и оказывающих влияние на качество (в том числе, и точность) работы системы. В этой связи представляется актуальным дальнейшее рассмотрение многоканальных систем с учетом нелинейностей.

Второй параграф главы посвящен разработке методики синтеза итерационных следящих систем. В начале кратко описан метод приближенных логарифмических амплитудно-частотных характеристик (ЛАЧХ), разработанный на кафедре Управления и информатики Московского энергетического института и применение которого для проведения синтеза систем рассматриваемого класса лежит в основе разработанной далее методики. Суть метода заключается в том, что если система состоит из нескольких параллельных ветвей, каждая из которых имеет ЛАЧХ I,, то результирующая

ЛАЧХ будет определяться по огибающей сверху всех частотных характеристик, как показано на рис. 7.

Рис. 7 - построение огибающей ЛАЧХ

Как следует из свойств передаточной функции итерационной системы, ее структура может быть представлена в виде N+1 параллельной ветви (см. рис. 8). В этом случае применение метода приближенных ЛАЧХ удобно для построения частотной характеристики М-канальной системы в целом не прибегая к громоздким преобразованиям.

Рис. 8 — представление итерационной системы в виде параллельных

ветвей 1.2

Далее в главе описаны основные особенности синтеза итерационных систем и сложности, возникающие при его проведении. Существует методика синтеза итерационных систем, основанная на независимости каналов и предполагающая проведение их синтеза отдельно друг от друга. Недостатками данного метода является недостаточная степень учета взаимодействия каналов и возникающая необходимость большого количества повторного проведения синтеза. При разработке же методики, не обладающей данными недостатками, необходимо решение двух дополнительных задач: задачи построения нетиповой желаемой ЛАЧХ и задачи распределения ролей отдельных каналов в достижении желаемых параметров качества работы системы в целом.

При разработке методики синтеза итерационных систем следует учитывать то, что добавление 3-го и последующих каналов существенно усложняет рассмотрение таких систем, однако принципиально не изменяет ни их структуру, ни алгоритм функционирования. В этой связи целесообразно перейти к рассмотрению вопросов синтеза двухканальных следящих систем, что существенно упростит исследования, при этом не нарушая общности решаемых задач.

В материале главы показано, что в зависимости от исходных данных и требований, предъявляемых к скорректированной системе, могут возникать различные соотношения параметров каналов так, что свойства системы в различных частотных диапазонах могут определяться частотной характеристикой разных каналов; в любом случае, вид результирующей ЛАЧХ не является типовым. Тем не менее, показано, что несмотря на это, возможно применение некоторых приемов синтеза, разработанных для одноканальных систем. Также проведены исследования, позволяющие определить, какие из ключевых характеристик желаемой ЛАЧХ системы в целом определяются свойствами какого из каналов. На основании приведенных исследований была разработана методика, позволяющая проводить синтез итерационных следящих систем с учетом их особенностей.

Методика синтеза двухканальной системы:

1. Определение коэффициента усиления и частоты среза нескорректированной системы: ксжт=к1к2, а^"" =а]Т. Выяснение необходимости коррекции этих величин.

2. В случае необходимости коррекции добротности системы и ее быстродействия определить, изменением параметров какого из каналов целесообразно увеличить коэффициент усиления и частоту среза системы в целом.

3. Как и в случае одноканальных систем, создание желаемой ЛАЧХ двухканальной системы целесообразно начинать с области средних частот.

4. В области низких частот характер желаемой ЛАЧХ определяется требуемой добротностью системы в целом.

5. Низко- и среднечастотные участки ЛАЧХ соединить отрезком с наклоном асимптотической ЛАЧХ - 60 , или, что более предпочтительно, двумя

отрезками с наклонами 11

6. В случае необходимости улучшения параметров быстродействия исходной системы провести коррекцию контура, являющегося определяющим с точки зрения быстродействия (для определенности будем считать его вторым), в соответствии с алгоритмом синтеза одноканальных следящих систем таким образом, чтобы поведение его ЛАЧХ в диапазоне средних частот совпадало с желаемым.

7. Если точность исходной системы изначально не удовлетворяла требованиям к скорректированной системе, проверить точность системы со скорректированным каналом.

8. Провести коррекцию первого контура в соответствии с алгоритмом синтеза одноканальных следящих систем.

9. Необходимо значительное увеличением коэффициента усиления, если общий коэффициент усиления системы после коррекции второго канала не удовлетворяет требованиям к точности.

10.Значительное увеличение коэффициента усиления первого канала не обязательно в том случае, если требования к точности работы скорректированной системы выполнялись для исходной системы, или если выполнение их было достигнуто после проведения коррекции второго канала.

11 .Обязательно выполнение условия что необходимо для

обеспечения наклона ЛАЧХ системы в целом в области частоты

среза.

12.Желательно выполнение условия с»,2 > 10о';й10«з, что позволяет обеспечить достаточную разницу в инерционности каналов, и следовательно, отсутствие на асимптотической ЛАЧХ системы участков с наклоном "^')!У()ек и наличие участка с наклоном непосредственно перед

участком с наклоном равным , содержащим частоту среза системы,

что положительно сказывается а запасе устойчивости системы .

Третья глава посвящена анализу динамики систем рассматриваемого класса в нелинейном представлении. В качестве основного метода исследований был выбран метод гармонической линеаризации Гольдфарба. Суть исследований заключается в оценке динамики двухканальной системы при наличии нелинейных элементов с однозначными и неоднозначными статическими характеристиками в различных точках структуры. В результате проведенного анализа было показано, что наиболее существенными являются нелинейности подслеживающсго (последнего) канала; влияние же существенных нелинейностей различается в зависимости от их вида, параметров и места включения в контур. Так, наличие нелинейного элемента в начале контура приводит к равномерному снижению общего коэффициента усиления ксист на всем частотном диапазоне, а в случае неоднозначно статической характеристики - еще фиксированный фазовый сдвиг; насыщение в промежуточной точке канала приводит с существенному снижению ксист в

области низких частот; зона нечувствительности может существенно сузить полосу пропускания; упор снижает коэффициент усиления в низкочастотном диапазоне и дает фазовый сдвиг 0 < А<р <. Нелинейность типа люфт не

встречается в подслеживающем канале в силу его реализации, а его влияние на свойства основного канала практически полностью компенсируется работой второго канала, т.е ослабляется в к2 раз, где к2 - его коэффициент усиления.

Помимо итерационных, в главе также рассматриваются и квазиитерационные системы в нелинейном представлении. Очевидно, что они значительно уступают итерационным системам по параметрам качества; однако, с помощью метода гармонического баланса показана целесообразность применения таких систем, т.к. они имеют существенное преимущество перед одноконтурными системами. Квазиитерационные структуры позволяют существенно снизить влияние нелинейных элементов на устойчивость работы системы в случае так называемой клювообразной частотной характеристики линейной части контура.

Очевидно, что поскольку изменения в динамике итерационных систем, вносимые нелинейностями, зависят от видов, параметров и места включения нелинейных элементов, то и влияние на точность отработки задающего воздействия также будет зависеть от этих факторов. В этой связи целесообразно рассмотреть точность работы систем рассматриваемого класса в нелинейном представлении.

В четвертой главе рассматриваются вопросы точности работы итерационных систем (на примере двухканальной) в нелинейном представлении. С помощью моделирования оценивалась точность работы системы при наличии нелинейных элементов различных видов, с различными параметрами, помещенных в различные точки системы. В качестве оценок значения ошибки системы, как и ранее, использовались амплитудное значение ошибки и среднеквадратичная оценка. В результате исследований было выявлено, что наличие существенной нелинейности любого вида в любой точке

подслеживающего канала приводит к существенному ухудшению качества работы системы, так, на рис. 9а и 96 показаны зависимости оценок динамической ошибки системы от частоты задающего воздействия при наличии насыщения в промежуточной точке подслеживающего канала.

Рис. 9а - зависимость амплитудного значения динамической ошибки от частоты задающего воздействия при наличии насыщения в промежуточной

точке канала

1

Рис. 96 - зависимость среднеквадратичной оценки динамической ошибки от частоты задающего воздействия при наличии насыщения в промежуточной

точке канала

Аналогичные зависимости были построены для случая четырех видов типовых нелинейных элементов. Было показано, что, несмотря на существенной ухудшение точности работы системы при наличии нелинейностей во втором

канале, итерационные системы в рабочем диапазоне частот обеспечивают точность, недостижимую для одноконтурных систем. Влияние же на точность системы в целом нелинейных элементов, находящихся в основном канале, ослабляется в к2 раз, т.е. практически полностью компенсируется.

В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в соответствии с поставленными задачами в рамках диссертационной работы:

1. Проведен анализ известных подходов к созданию прецизионных следящих систем по литературным источникам, исследование основных структурных построений высокоточных следящих систем в линейной постановке с точки зрения обеспечения высоких требований к качеству управления. Выявлен резерв структурных методов, позволяющий проводить анализ различных построений прецизионных электромеханических следящих систем. Рассмотрен алгоритм работы итерационных систем, сделаны выводы о целесообразности применения данного типа структур.

2. Рассмотрены вопросы точности работы прецизионных систем в линейном представлении, аналитическими методами и с помощью моделирования проведен анализ зависимости точности работы итерационных систем от количества каналов; показано, что если, например, добавление второго канала при использовании итерационной структуры приводит к повышению точности работы системы приблизительно на 1,5 порядка, то введение третьего канала повышает точность в несколько раз, а четвертого - на 3040%.

3. Исследованы основные проблемы, возникающие при решении задачи синтеза систем с параллельными ветвями. Экспериментально показана применимость некоторых классических методов синтеза следящих систем для рассматриваемого случая.

4. Разработана методика синтеза систем исследуемого класса, позволяющая учесть их особенности, связанные во-первых, с наличием в системе нескольких каналов параметрами каждого из которых определяется динамика системы в целом, во-вторых, с нетиповым видом желаемой ЛАЧХ скорректированной системы.

5. Проведен анализ наиболее рациональных структур с учетом наличия в контуре управления типовых нелинейностей, их параметров и места включения; разработаны рекомендации по определению наличия в конкретном месте контура управления элементов с нелинейными статическими характеристиками, их параметров; сделаны выводы о том, что влияние наличия нелинейных элементов в контурах итерационной системы, кроме последнего, компенсируется работой последнего канала.

6. Описаны преимущества комбинированных (квазиитерационных) систем с точки зрения влияния нелинейных элементов на качество управления; сделаны выводы о целесообразности применения таких структур с точки зрения устойчивости работы.

7. Рассмотрены вопросы точности работы прецизионных систем в нелинейном представлении, проведено исследование влияния различных видов нелинейностей, их параметров и мест включения в контур управления на точность отработки системой задающего воздействия.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Идентификация нелинейных итерационных электромеханических следящих систем.// Труды XII международного научно-технического семинара: Тез. докл. - Алушта - М.: МЭИ, 2003. -с.143-145.

2. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Исследование точности итерационных электромеханических следящих систем.//Москва, Вестник МЭИ. - 2004. — №3.-с. 50-54.

3. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Некоторые вопросы устойчивости квазидвухканальных электромеханических следящих систем.// Международный форум информатизации МФИ-2005. Труды Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии»: Докл. -М.:Янус-К, 2005. -т.2. - с.171-174.

4. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Оценка динамики нелинейных квазиитерационных следящих приводов.// Труды XIV международного научно-технического семинара: Тез. докл. - Алушта - Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2005. — с.180.

5. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Точность многоканальных следящих систем при наличии возмущений.// Труды XIII международного научно-технического семинара: Тез. докл. - Алушта - М.: МГУ, 2004. - т.2. - с.208-210.

6. Смагина И.А., Хризолитова С.А. Анализ динамических свойств многоканальных приводов.// Труды XV международного научно-технического семинара: Тез. докл. — Алушта - М.: МИФИ, 2006. - с.208. Соискателем разработана методика синтеза многоканальных систем, кратко изложенная в докладе.

7. Смагина И.А. Динамика квазиитерационных электромеханических следящих систем.//'Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. -М.: МЭИ, 2006. -т.1. -с.499-501.

8. Смагина И.А., Хризолитова С.А. Устойчивость прецизионных квазимногоканальных электромеханических следящих систем при наличии нелинейных элементов.//Москва, Вестник МЭИ. - 2007. - №1. - с. 102- 106.

Подписано в печатьЗак.Д/^ Тир. fOO П.л. Ыд Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

Глава 1.

Электромеханические следящие системы.

1.1 Традиционные следящие системы.

1.2 Повышение качества работы электромеханических следящих систем.

1.3 Итерационные следящие системы.

Выводы к главе 1.

Глава 2.

Анализ и синтез итерационных систем в линейном представлении.

2.1 Анализ точности работы линейных итерационных систем.

2.1.1 Исследование точности линейных многоканальных систем с помощью аналитических методов.

2.1.2 Исследование точности линейных многоканальных систем с помощью моделирования.

2.2 Синтез систем с параллельными ветвями.

2.2.1 Метод приближенных логарифмических амплитудно-частотных характеристик.

2.2.2 Особенности синтеза итерационных систем.

2.2.3 Разработка методики синтеза итерационных систем.

Выводы к главе 2.

Глава 3.

Исследование итерационных систем в нелинейном представлении.

3.1 Выбор и обоснование метода исследования

3.2 Исследование влияния нелинейных элементов с однозначными статическими характеристиками на свойства контура управления

3.3 Исследование влияния нелинейных элементов с неоднозначными характеристиками на свойства контура управления

3.4 Квазиитерационные системы в нелинейном представлении.

Выводы к главе 3.

Глава 4.

Исследование точности многоканальных следящих систем в нелинейном представлении.

4.1 Исследование влияния нелинейных элементов с однозначными статическими характеристиками на точность работы многоканальных систем.

4.2 Исследование влияния нелинейных элементов с неоднозначными статическими характеристиками на точность работы многоканальных систем.

Выводы к главе 4.

Настоящая работа посвящена решению вопросов структурного построения и анализа прецизионных электромеханических следящих систем.

Развитие новых областей техники и новых технологий, совершенствование параметров и технических характеристик приборов, машин и механизмов ставит на одно из первых мест решение вопросов создания современных быстродействующих прецизионных следящих приводов. Так, например, развитие лазерной техники, применение которой невозможно без высокоточных систем управления положением лазерного луча и его интенсивностью, оказало значительное влияние на широкое внедрение новых высокотехнологичных процессов в машиностроении. Аналогичная задача решается при создании лазерных локационных систем, погрешность которых по угловому положению луча не должна превышать десятых долей секунды. При этом точность и разрешающая способность систем, к которым предъявляются столь высокие требования, должны обеспечиваться в реальных условиях эксплуатации при наличии возмущающих воздействий, обеспечивая при этом также необходимое быстродействие и динамические характеристики.

Однако, несмотря на широкое практическое применение высокоточных следящих систем, степень их теоретической изученности еще недостаточна для достоверного определения их характеристик в совокупности и последующего их направленного изменения. Не решен один из наиболее важных вопросов анализа и синтеза высокоточных систем - вопрос возможности использования наиболее развитых в теории автоматического управления приближенных методов исследований. Имеющиеся публикации по указанным вопросам носят в основном частный характер, практически отсутствует анализ возможных структурных построений высокоточных систем и их синтеза по заданным параметрам качества регулирования [18, 23, 32, 33, 35, 41, 42, 62, 74]. Следует отметить также крайнюю необходимость проведения сопоставительного анализа и синтеза различных структурных построений.

Тем не менее, современный уровень развития информационных технологий и расширение теоретических возможностей исследования различных видов систем позволяет на нынешнем этапе провести анализ комбинированных систем с целью выявления их неисследованных ранее характеристик и разработки методики анализа и синтеза прецизионных систем.

В этой связи представляется актуальным:

- исследовать точностные свойства различных структурных построений прецизионных систем с применением различных методов;

- разработать методику синтеза систем с параллельными ветвями с учетом их особенностей;

- исследовать частотные свойства систем при наличии в контуре управления элементов с нелинейной статической характеристикой;

- выявить влияние наличия таких элементов на динамику работы систем, и, в первую очередь, на точность отработки задающего воздействия при различном количестве каналов и параметрах систем.

Указанные предпосылки и определили научную ценность настоящей диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка инженерных методов анализа и синтеза прецизионных следящих систем, используемых для решения «одного класса задач», под которым понимаются следящие системы, в которых невозможно или, по крайней мере, чрезвычайно трудно выделить в чистом виде или измерить входные и возмущающие сигналы. Это свойство не позволяет вводить дополнительные компенсирующие связи по основным воздействиям, которые применяются в инвариантных системах.

В практическом прикладном применении к классу задач, для которых характерны чрезвычайно высокие требования по точности и другим показателям качества, могут быть отнесены следующие:

- построение систем наведения, когда реально может быть выделен только сигнал ошибки наведения, а истинное положение цели или объекта в пространстве координат не поддается измерениям;

- системы инерциальной навигации, когда невозможно в полной мере с высокой точностью определить все возмущения, приложенные к объекту стабилизации;

- ведение телескопа наблюдения с качающимся основанием при решении задач астроориентации, в судовой и космической навигации;

- программное управление с лазерными исполнительными элементами, когда база является неподвижной - наиболее часто встречающаяся задача программного нацеливания при стрельбе.

В соответствии с основной целью исследований, состоящей в поиске эффективных путей повышения точности прецизионных электромеханических систем, в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ известных подходов к созданию прецизионных следящих систем по литературным источникам и выявление резерва по качеству управления.

2. Анализ точностных свойств многоканальных систем как в линейном, так и в нелинейном представлении.

3. Разработка методики синтеза итерационных систем, учитывающей их особенности, с использованием логарифмических частотных характеристик.

4. Сравнительный анализ и исследование наиболее рациональных структур с учетом типовых нелинейностей, их параметров и места включения.

5. Разработка рекомендаций по определению наличия в конкретном месте контура управления элементов с нелинейными статическими характеристиками, их параметров.

Наиболее существенные результаты, полученные лично автором

1. Разработана методика синтеза многоканальных итерационных следящих систем.

2. Исследовано влияние нелинейных звеньев в структурах итерационного типа на их динамику и точность работы.

Степень научной новизны полученных результатов

1. Для решения задачи синтеза предложено использование огибающих асимптотических логарифмических частотных характеристик, что позволяет учесть влияние на динамику системы параметров различных каналов.

2. Проведено исследование влияния ошибок контуров электромеханических следящих систем на ошибку системы в целом в линейном и нелинейном представлении, что позволило упростить исходные структуры.

3. Показано, что наиболее существенное влияние на динамику систем оказывают нелинейности точного канала.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII, XIII, XIV и XV международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г.Алушта) в 2003, 2004, 2005 и 2006гг., Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» в 2005г., Двенадцатой международной конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ) в 2006г. Краткое содержание работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Выводы к главе 4

В главе были рассмотрены динамические ошибки нелинейных итерационных следящих систем. На основании результатов проведенной работы можно сделать выводы о том, что:

1. динамическая ошибка системы в любом случае является частотно-зависимой величиной, причем с ростом частоты входного сигнала она увеличивается нелинейно;

2. наличие нелинейных элементов в точном контуре двухканальной системы приводит к значительному увеличению динамической ошибки, а наличие нелинейностей в грубом контуре практически полностью компенсируется точным контуром и не приводит с существенному увеличению ошибки системы в целом.

3. тем не менее, в рабочем диапазоне частот увеличение динамической ошибки не превышает 1 порядка (в смысле среднеквадратичной оценки), что с учетом очень высокой точности работы линейных систем позволяет обеспечить высокое качество работы систем рассматриваемого класса и в нелинейном представлении.

Заключение

Итак, приведем основные результаты, полученные в соответствии с поставленными задачами в рамках диссертационной работы:

1. Проведен анализ известных подходов к созданию прецизионных следящих систем по литературным источникам, исследование основных структурных построений высокоточных следящих систем в линейной постановке с точки зрения обеспечения высоких требований к качеству управления. Выявлен резерв структурных методов, позволяющий проводить анализ различных - построений прецизионных электромеханических следящих систем. Рассмотрен алгоритм работы итерационных систем, сделаны выводы о целесообразности применения данного типа структур.

2. Рассмотрены вопросы точности работы прецизионных систем в линейном представлении, аналитическими методами и с помощью моделирования проведен анализ зависимости точности работы итерационных систем от количества каналов; показано, что если, например, добавление второго канала при использовании итерационной структуры приводит к повышению точности работы системы приблизительно на 1,5 порядка, то введение третьего канала повышает точность в несколько раз, а четвертого - на 30-40%.

3. Исследованы основные проблемы, возникающие при решении задачи синтеза систем с параллельными ветвями. Экспериментально показана применимость некоторых классических методов синтеза следящих систем для рассматриваемого случая.

4. Разработана методика синтеза систем исследуемого класса, позволяющая учесть их особенности, связанные во-первых, с наличием в системе нескольких каналов параметрами каждого из которых определяется динамика системы в целом, во-вторых, с нетиповым видом желаемой ЛАЧХ скорректированной системы.

5. Проведен анализ наиболее рациональных структур с учетом наличия в контуре управления типовых нелинейностей, их параметров и места включения; разработаны рекомендации по определению наличия в конкретном месте контура управления элементов с нелинейными статическими характеристиками, их параметров; сделаны выводы о том, что влияние наличия нелинейных элементов в контурах итерационной системы, кроме последнего, компенсируется работой последнего канала.

6. Описаны преимущества комбинированных (квазиитерационных) систем с точки зрения влияния нелинейных элементов на качество управления; сделаны выводы о целесообразности применения таких структур с точки зрения устойчивости работы.

7. Рассмотрены вопросы точности работы прецизионных систем в нелинейном представлении, проведено исследование влияния различных видов нелинейностей, их параметров и мест включения в контур управления на точность отработки системой задающего воздействия.

1. Автоматизированное проектирование следящих приводов и их элементов. Под ред. В.Ф. Казмиренко.-М. Энегроатомиздат, 1984г.

2. Андрющенко В.А. Следящие системы автоматизированного оборудования. -JI.: Машиностроение, 1979.

3. Анхимюк B.JI. Теория автоматического управления. Минск: Дизайн ПРО, 2002.

4. Ахметжанов А.А., Кочемасов А.В. Следящие системы и регуляторы.-М.: Энегроатомизрат, 1986.

5. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами.-Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1982.

6. Беленький Ю.М., Епифанов Л.И. и др., Бесконтактный моментный привод для замкнутой системы автоматического управления.-Электротехника, 1986.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.:Профессия, 2003.

8. Биммбербеков Б.Л. Частотный метод определения параметров регулятора для линейной системы с двумя сепаратными подсистемами.//АиТ, 1996, №8.

9. Биттар А.Б., Колосов О.С. Корневые методы синтеза двусвязных систем управления. //Вестник МЭИ, 1996, №6.

10. Ю.Брюханов В.Н. под ред. Ю.М. Соломенцева. Теория автоматического управления: учебник для ВУЗов.-М.: Машиностроение, 1992.

11. Брюханов В.Н., Косов М.Г., Протопопов С.П. Теория автоматического управления: Учебник для ВУЗов./ под. ред. Соломенцева Ю.М. М.: Высш. Школа, 2001.

12. Бутенко В.И., Захарченко А.Д., Косов И.В., Ретивова Д.Л., Сущенко А.А. Механика машин, механизмов и приборов. Информационно-справочное пособие. Таганрог.ю изд-во ТРТУ, 2000.

13. З.Вавилов А.А. Частотные методы расчета нелинейных систем.-М.: Высшая школа, 1977.

14. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы.-М.:Энергоиздат, 1981.

15. Гагин Ю.Л., Ефанов В.Н., Крымский В.Г. Синтез многоцелевого регулятора для многосвязной системы автоматического управления. //Известия ВУЗов. Приборостроение, 1993,№1.

16. Грузов B.JI. Вентильно-электромеханические системы автоматизированных электроприводов: Учебное пособие.-Вологда: ВоПИ, 1996.

17. Гультяев А.Визуальное моделирование в среде MatLab.-СПб: Питер, 2000.

18. Динамика следящих приводов под ред. JI.B. Рабиновича,-М.Машиностроение, 1982.

19. Динамика электромашинных следящих систем. Под ред. Н.М. Якименко.-М.: Энергия, 1967.

20. Душин С.Е., Зотов Н.С., Яковлев В.Б. Теория автоматического управления. М.: Высш. школа, 2002.

21. Дмитриева Е.А., Колосов О.С., Цепляев А.А. Анализ двухканальных систем с перекрестными связями в частотной области. Теория автоматического управления и регулирования, МИРЭА, МежВУЗовский сборник трудов под ред. Макарова И.М. 1996.

22. Ерофеев А. Теория автоматического управления: Учебник для ВУЗов. М.: Политехника, 2001.

23. Зайцев Г.Ф., Стеклов В.К. Комбинированные следящие системы.-Киев: Техника, 1978.

24. Иванов Е.С. Динамические свойства силовой части следящего электропривода с частотно-токовым управлением моментом асинхронного двигателя.// Электричество, Москва, 2005., №3.

25. Кацман М.М., Юферов Ф.М., Электрические машины автоматических систем.- М.: Высшая школа, 1979.

26. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985.

27. Ковин С.А., Сабинкин Ю.А. Теория электропривода. Учебник для ВУЗов. М.: Энергоатомиздат, 1992.

28. Колосов О.С., Подольский Д.С. Устойчивость систем с перекресными симметричными связями.// Труды международной конференции «Информационные средства и технологии» М.: Янус-К, 2004.

29. Колосов О.С., Хризолитова С.А. Приближенный метод суммирования логарифмических частотных характеристик САУ. Теория и техника автоматического управления УНГПС «Кибернетика» Томского политехнического университета.-Томск, 1990.

30. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики.-М.: Энергия, 1972.

31. Красовский А.А. Новые концепции общей теории управления.-Таганрог, 1995.

32. Красовский А.А. О двухканальных системах автоматического регулирования с антисимметричными перекрестными связями. Автоматика и телемеханика, t.XVIII №2,1957.

33. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики.- M.-JL: Госэнергоиздат, 1962.

34. Методы классической и современной теории автоматического упавления: учебник в 5-ти томах; изд. 2-е, переработанное и дополненное./ под. ред. К.А. Пупкова и Н.Д. Егупова.-М.: изд-во МГТУ им. Баумана, 2004.

35. Многосвязные системы управления, под ред. М.В. Меерова.-М.: Наука, 1990.

36. Морозовский В.Т. К теории однотипных связных систем автоматического регулирования.- М.: Изд-во Академии, 1959.

37. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулирования.-М.: Энергия, 1970.

38. Москаленко В.В. Электрический привод.- М.: Академия 2004.

39. Нелинейные системы автоматического управления. Пол общ. ред. Е.П. Попова. 1970.

40. Никольский А.А. Точные двухканальные следящие электромеханические приводы с пьезокомпенсаторами.-М.: Энергоатомиздат, 1988.42.0смоловский П.Ф. Итерационные многоканальные системы автоматического управления.- М.: Советское радио, 1969.

41. Основы теории автоматического регулирования./ под ред. Крутова С.М. М.: Высш. школа, 1984.44.0сновы автоматического управления. Под ред. B.C. Пугачева. М.: Наука, 1974.

42. Петров Б.Н. О реализуемости условий инвариантности, «Теория инвариантности и ее применение в автоматических устройствах», изд-во АН УССР, 1959.

43. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1979.

44. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1986.

45. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Идентификация нелинейных итерационных электромеханических следящих систем.// Труды XII международного научно-технического семинара. АЛУШТА, 2003.-М.: МЭИ, 2003.

46. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Исследование точности итерационных электромеханических следящих систем.//Москва, Вестник МЭИ, 2004. №3, стр. 50-54.

47. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Точность многоканальных следящих систем при наличии возмущений.// Труды XIII международного научно-технического семинара. АЛУШТА, 2004.-М.: МГУ, 2004г.

48. РойтенбергЯ.Н. Автоматическое управление.-М.: Наука, 1982.

49. Сабинин Ю.А. Электромашинные устройства автоматики.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.

50. Сборник лабораторных работ по курсу «Электромеханические системы»-М.: МЭИ, 1997.

51. Скворцов Л.М. Алгоритм преобразования математических моделей многомерных систем управления.// Известия Академии Наук. Теория и системы упрвления. 1997., №2.

52. Следящие приводы. Под ред. Б.К.Чемоданова.-М.: Энергия, 1976г.

53. Смагина И.А., Хризолитова С.А. Анализ динамических свойств многоканальных приводов.// Труды XV международного научно-технического семинара. АЛУШТА, 2006.-М: МИФИ, 2005.

54. Смагина И.А. Динамика квазиитерационных электромеханических следящих систем.//Радиоэлектроника, электротехника и энергетика.

55. Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Том 1.-М.: МЭИ, 2006.

56. Смагина И.А., Хризолитова С.А. Устойчивость прецизионных квазимногоканальных электромеханических следящих систем при наличии нелинейных элементов.//Москва, Вестник МЭИ, 2007. №1.

57. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами.-М.: МГТУ, 1993.

58. Соболев О.С. Однотипные связные системы регулирования.-М.:Энергия 1973.

59. Соболев О.С. Методы исследования линейных многосвязных систем.-М.: Энергоатомиздат, 1985.

60. Соколов Т.Н. Электромеханические системы автоматического управления M.-JI.: Госэнергоиздат, 1952.

61. Справочник по теории автоматического управления под ред. А.А. Красовского -М.: Наука, 1987.

62. Тарарыкин С.В., Тюбиков В.В. Элементы структурной оптимизации следящих электротехнических систем с модальным управлением.// Известия ВУЗов. Электромеханика, 1994, №1-2.

63. Теория автоматического управления. Под ред. А.А. Воронова.-М.: Высшая школа, 1986.

64. Теория автоматического управления. Под ред. А.В. Нетушила.-М.: Высшая школа, 1980.

65. Теория автоматического управления. Под ред. Яковлева В.Б.-М.: Высшая школа, 2003.

66. Теория электропривода: Учебник для ВУЗов.-СПб: Энегроатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 1994.

67. Толчеев В.О., Ягодкина Т.В. Методы идентификации одномерных линейных динамических систем. М.: Изд-во МЭИ, 1997.

68. Филиппов В.Г. Разработка и исследование двухканального электропривода точного позиционирования с интерометрическим датчиком положения. 05.09.03 Электрооборудование. Диссертация кандидата технических наук/МЭИ.-М., 1983.

69. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: перевод с англ.-М.: Мир, 1989.

70. Хризолитова С.А. Инженерная методика оценки качества линейных прецизионных систем управления с параллельными ветвями. IV Всесоюзная конференция «Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТП»-Тула, 1990.

71. Цепков А.С., Хризолитова С.А. Сравнительная оценка двух схем построения следящей системы с двумя исполнительными устройствами. //Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 1988, №7.

72. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977г.

73. Цыпкин Я.З. Теория нелинейных систем автоматического регулирования.-М.: Гостехиздат, 1955.

74. Штейнберг Ш.Е. Идентификация в системах управления. М.: Энергоатомиздат, 1987.

75. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств,- М.: Высшая школа, 1988.

76. International symposium of methods and models in automation and robotics (5; 1998; Miedzyzdroje) Processing of the MMAR-98 vol.1, Control theory/ Modeling and simulation. 1998.

77. Mathews M.V., Trans AIEE, Part II 74, 114-123,1955.