автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Оптимальное управление сервосистемами специального оборудования в производстве радиоэлектронных модулей

ВВЩЩНИЕ.

ГЛАВА I. Сервосистемы специального технологического оборудования производства радиоэлектронных модулей.

1.1. Классификация исследуемых сервосистем.

1.2. Постановка задачи управления сервосистемами специального технологического оборудования.

1.3. Состояние разработок систем управления позиционными исполнительными механизмами.

1.4. Состояние разработок систем управления контурными исполнительными механизмами.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. Оптимальное управление позиционными сервосистемами специального оборудования.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Определение закона оптимального управления и структуры типовой САУ.

2.3. Основные характеристики движения оптимально-управляемых позиционных сервосистем специального оборудования.

2.4. Сравнение характеристик сервосистем, управляемых в соответствии с квадратичным и логарифмическим уравнениями траекторий оптимального торможения.

2.5. Влияние параметров винтовых передач на быстродействие позиционирования

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. Оптимальное управление контурными сервосистемами специального оборудования.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Необходимые условия оптимальности управления.

3.3. Управление исполнительными механизмами второй группы.

3.3.1. Оптимальное управление.

3.3.2. Рациональные варианты квазиоптимального управления.

3.3.3. Оптимальные межкоординатные связи и требования к точности их реализации.

3.4. Управление исполнительными механизмами третьей группы. НО

3.4.1. Модификация исходных ограничений. . цо

3.4.2. Оптимальное управление при модифицированных ограничениях.

3.4.3. Нормирование оптимальных фазовых траекторий.

3.5. Выводы. Х

ГЛАВА 4. Типовая автономная система управления специальным технологическим оборудованием.

4.1. Структура системы.

4.2. Подсистема управления исполнительными механизмами.

4.2.1. Структура подсистемы.

4.2.2. Оценка требуемого быстродействия усилительно-преобразующего тракта

4.2.3. Выбор исполнительного двигателя и шага винтового механизма.

4.2.4. Основные характеристики оптимально управляемых сервосистем сборочного оборудования. Х

4.3. Перспективы развития сборочного оборудования.

4.3.1. Интегральные сборочные комплексы

4.3.2. Управление сервосистемами интегральных сборочных комплексов.

4.4. Выводы.

Современный этап развития производительных сил практически немыслим без создания крупных, комплексно-автоматизированных производственных систем, насыщенных самыми разнообразными исполнительными механизмами (ИМ).

В настоящей работе рассмотрены вопросы, связанные с созданием высокопроизводительных ИМ, входящих в специальное технологическое оборудование (СТО), предназначенное для автоматизированного изготовления радиоэлектронных модулей (РЭМ).

Показано, что традиционные системы программного управления, ориентированные в основном на сравнительно низкоскоростное обрабатывающее оборудование, не обеспечивают достаточной эффективности СТО.

Поэтому основное внимание уделено разработке специализированных алгоритмов функционирования, структур, комплекса технических средств и инженерных методов расчета типовых систем, предназначенных для оптимального по быстродействию управления автоматами изготовления и сборки РЗМ.

Показано, что множество сервосистем СТО может быть разделено с точки зрения разработки систем управления на три основные группы. К первой отнесены ИМ позиционного типа, ко второй - ИМ, перемещающие рабочий орган по кусочно-линейным траекториям, и к третьей - сервосистемы, воспроизводящие заранее заданные сложные траектории произвольного вида.

Для первой и второй групп ИМ разработаны алгоритмы оптимального управления, типовой комплекс технических средств, их реализующих, и необходимые инженерные методы расчета САУ.

Для третьей группы ИМ синтезирован квазиоптимальный по быстродействию закон управления, ориентированный на использование управляющей микро-ЭВМ в реальном масштабе времени.

Рассмотрены перспективы развития СТО на основе планарных сервосистем и показана возможность управления одним классом этих сервосистем от типовых САУ" ИМ второй группы.

Исследования, приведенные в настоящей работе, явились составной частью НИР, выполненных отраслевой лабораторией АСУ ТП РЭА при кафедре технической кибернетики КИИ в соответствии с комплексной целевой программой по робототехнике Минвуза УССР, внедренных в серийное производство с экономическим эффектом более 4 млн.рублей и удостоенных третьей премии Минвуза УССР в конкурсе на лучшие завершенные НИР.

Автор выносит на защиту следующие положения:

I. Решена научно-техническая задача разработки структуры и комплекса технических средств унифицированной типовой подсистемы управления исполнительными механизмами специального технологического оборудования. Подсистема обеспечивает оптимальное по быстродействию управление сервосистемами первой группы и квазиоптимальное по быстродействию управление сервосистемами второй группы.

- Теоретически и экспериментально доказано, что разработанная подсистема обеспечивает существенное (максимум в 1,8 раза) повышение производительности управляемых механизмов.

Разработаны и доведены до инженерного вида все необходимые методики расчета подсистемы и выбора ее элементов в условиях ограничений на номенклатуру комплектующих узлов.

Подсистема внедрена более чем на 30 единицах специального оборудования в составе типовой автономной системы управления СТО.

Предложен и исследован алгоритм квазиоптимального по быстродействию управления сервосистемами, перемещающими рабочий орган по кусочно-линейным траекториям. Использование алгоритма обеспечивает унификацию систем управления исполнительными механизмами первой и второй группы. Теоретически определены условия, при выполнении которых целесообразно применение предложенного алгоритма.

Доказана целесообразность использования алгоритма для управления сервосистемами СТО (снижение производительности сервосистем СТО вследствие неоптимальности управления не превышает 5.10$). Теоретически получены рекомендации, выполнение которых гарантирует требуемую точность воспроизведения заданных траекторий движения, в условиях применения предложенного алгоритма.

Алгоритм использован при синтезе типовой подсистемы управления сервосистемами СТО. Синтезирован алгоритм квазиоптимального по быстродействию управления сервосистемами, перемещающими рабочий орган по заранее заданным траекториям произвольного вида. Алгоритм позволяет рассчитывать квазиоптимальные фазовые траектории движения контурной сервосистемы в реальном времени на управляющей микро-ЭВМ.

Теоретически определены условия, при выполнении которых целесообразно применение указанного алгоритма.

Теоретически доказана целесообразность использования алгоритма для управления сервосистемами третьей группы (снижение их производительности вследствие неоптимальности управления не превышает 7.10$).

4. Доказана возможность управления одним классом планар-ных сервосистем от разработанной типовой унифицированной подсистемы управления исполнительными механизмами СТО.

4.4. Выводы

1. Разработана и внедрена в серийное производство подсистема оптимального управления исполнительными механизмами типовой автономной системы управления СТО. Подсистема позволяет осуществлять управление ИМ как первой, так и второй групп и обеспечивает практически неограниченное число управляемых координат.

Внедрение подсистемы позволило повысить производительность СТО сборки печатных плат в 3,6 раза.

2. Разработаны рекомендации по расчетам требуемого быстродействия усилительно преобразующего тракта оптимальных САУ. Показано, что при i3 < 0,05 мс потери быстродействия ИМ СТО не превышают 5$.

3. Экспериментально доказано, что синтезированная типовая СУ обеспечивает параметры сервосистем СТО, соответствующие лучшим образцам аналогичных систем зарубежных фирм при мощности двигателей, сниженной приблизительно на 25$.

4. Показана перспективность развития СТО на основе использования программно-управляемых планарных сервосистем, объединенных в "интегральные сборочно-обрабатнвающие комплексы".

Доказано, что типовая система управления СТО может использоваться для управления одним классом планарных сервосистем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана и исследована типовая унифицированная система управления исполнительными механизмами специального технологического оборудования. Система обеспечивает как оптимальное по быстродействию управление позиционными сервосистемами СТО, так и эффективное квазиоптимальное управление контурными сервосистемами СТО второй группы.

Подсистема внедрена более чем на 30 единицах технологического оборудования. Ее использование позволило повысить производительность СТО в 3,6 раза.

2. Разработаны и доведены до инженерного вида методики расчета подсистемы и выбора ее элементов в условиях ограничений на номенклатуру комплектующих узлов.

3. Общее повышение производительности сервосистем СТО, получаемое за счет реализации цредложенных рекомендаций по оптимизации кинематики исполнительных механизмов и применения разработанной типовой подсистемы может достигать 80%.

4. Показано, что оптимальному по быстродействию управлению сервосистемами второй группы могут соответствовать три случая, два из которых характеризуются единственными фазовыми траекториями оптимального торможения и один - семейством таких траекторий.

Построение строго оптимальных систем управления исполнительными механизмами второй группы технически нецелесообразно, так как не обеспечивает унификации комплекса управляющих модулей с сервосистемами первой группы и требует создания сложных быстродействующих вычислительных устройств.

5. Предложен и исследован алгоритм квазиоптимального по быстродействию управления сервосистемами, перемещающими рабочий орган по кус очно-линейным траекториям. Использование алгоритма обеспечивает унификацию систем управления исполнительными механизмами первой и второй групп.

Теоретически определены условия, при выполнении которых целесообразно применение предложенного алгоритма.

Доказана целесообразность использования алгоритма для управления сервосистемами СТО.

Снижение производительности сервосистем СТО вследствие неоптимальности управления не превышает 5.10$.

Теоретически получены рекомендации, выполнение которых гарантирует требуемую точность воспроизведения заданных траекторий движения в условиях применения предложенного алгоритма. Алгоритм использован при синтезе типовой подсистемы управления сервосистемами СТО.

6. Определено, что для обеспечения высокоточного воспроизведения траекторий перемещения современных контурных сервосистем СТО (погрешности не более 5 мкм) достаточно осуществлять регулирование скорости сервосистем с погрешностью, не превышающей 0,5$.

7. Показано, что для контурных сервосистем СТО допустимо применение модифицированных ограничений, характеризующихся постоянным значением полного ускорения исполнительного механизма. Потери производительности, получаемые при синтезе оптимальных систем управления с использованием модифицированных ограничений, не могут превышать для СТО 7.10%.

8. Синтезирован закон квазиоптимального по быстродействию управления сервосистемами 3-й группы, использующий модифицированные ограничения на управление. Закон получен в рекуррентной форме, доведен до нормированного вида и обеспечивает расчет оптимальных фазовых траекторий движения исполнительного механизма в реальном времени на управляющей микро-ЭШ.

9. Чрезвычайно перспективно развитие СТО на основе использования программно-управляемых пленарных сервоприводов, объединенных в "интегральные сборочно-обрабатывающие комплексы".

10. Доказано, что разработанная типовая подсистема управления исполнительными механизмами СТО может использоваться для оптимального по быстродействию управления одним классом планарных сервосистем.

1. Белянин П.Н., Промышленные роботы. М., Машиностроение, 1975, 398с.

2. Иванов А.А. Проектирование систем автоматического манипулирования миниатюрными изделиями. М.; Машиностроение, 1981, 271с.

3. Системы автоматической обработки деталей. Автоматические устройства и механизмы, применяемые в полупроводниковой и микроэлектронной технике (Япония). Дэнки Дзайре, 1975, 14, & 7.

4. Карпов Ю.К. Системы управления чертежными автоматами. М.: / Машиностроение, 1977, 136с.

5. Крылов К.И., Прокопенко В.Т.Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978, 336с.

6. Труда ВНИИР. Выпуск 10. Электропривод и комплектные устройства управления электроприводами. Чебоксары, 1979, 125с.

7. Японская техника и промышленность. Выпуск № I "Станкостроение и роботостроение". М., 1982.

8. Каталоги фирмы Л у по Pert.

9. Каталоги фирмы Uп L fersoP.12. Каталоги фирмы A miliar .

10. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969, 384с.

11. Гамкрелидзе Р.В. Теория оптимальных по быстродействию процессов в линейных системах. Изв. АН СССР, серия матем., 22, № 4 (1958), с.449-474.

12. Фельдбаум А.А. 0 синтезе оптимальных систем с помощью фазового пространства. Автоматика и телемеханика, 16, № 2 1955, с.129-149.

13. Фельдбаум А.А. Основы теории оптимальных автоматических систем. М.: Наука, 1966, 623с.

14. Летов A.M. Теория оптимального управления. Обзорный доклад. Труды II международного конгресса международной федерации по автоматическому управлению. Оптимальныесистемы. Статистические методы. М.: Наука, 1965, с.7-38.

15. Цыпкин Я.З. Теория релейных систем автоматического регулирования. М.: Гостехиздат, 1955.

16. Смит О.Дзк. Автоматическое регулирование. М.: Физматгиз, 1962, 847с.

17. Атанс М., Фалб П.Л. Оптимальное управление. Пер.с англ. Под ред. д-ра техн.наук,проф.Ю.И.Топчеева. М.: Машиностроение. 1968, 764с.

18. Лернер А.Я. Принципы построения быстродействутацих следящих систем и регуляторов. Библиотека по автоматике.

19. Павлов А.А. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию (метод фазового пространства). М.: Наука, 1966, 392с.

20. Павлов А.А., Пуцилло В,П. Расчет простейших оптимальных релейных систем второго порядка. Автоматич.управление и вычислит, техника, вып.З, Машгиз, I960.

21. Фельдбаум А.А. Простейшие релейные системы автоматического регулирования. Автоматика и телемеханика, т.10, № 4, 1949.

22. Фельдбаум А.А. Оптимальные процессы в системах автоматического регулирования. Автоматика и телемеханика, т.14, № 6, 1953.

23. Лернер А.Я. 0 предельном быстродействии систем автоматического управления.Автоматика и телемеханика,т.15, № 6, 1954.

24. Бутковский А.Г., Доманицкий С.М. О синтезе управляющей части оптимальных систем для некоторых объектов с запаздыванием. Теория и применение дискретных автоматических систем. Труда конференции 22-26 сентября 1958г. Изд-во АН СССР, I960.

25. Новосельцев В.Н. Оптимальные по быстродействию системы управления при наличии случайных помех. Автоматика и телемеханика, т.23, № 12, 1962.

26. Варшавекий О.Г. Оптимальное регулирование системы второго порядка с запаздыванием. Теория и применение дискретных автоматических систем. Труды конференции 22-26 сентября 1958г. Изд-во АН СССР, I960.

27. ЗО.Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979.

28. Лебедев Д.Е., Неймарк В.Е., Пистрак М.Я., Слежановский О.В. Управление вентильными электроприводами постоянного тока. М.: Энергия, 1970, 197с.

29. Ратмиров В.А. Основы программного управления станками. М,: Машиностроение, 1978, 240с.

30. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы. Справочник. М.: Машиностроение, 1983, 376с.

31. Использование станков с программным управлением. Справочное пособие. Под ред. В.Лесли. М.: Машиностроение, 1976, 421с.

32. Станки с числовым программным управлением /Под ред. В.А.Лещенко. М.: Машиностроение, 1979, 592с.

33. Михеев Ю.Е., Сосонкин В.Л. Системы автоматического управления станками. М.: Машиностроение, 1978, 264с.

34. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Покровский A.M. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. Л.: Машиностроение, 1972, 247с.

35. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат. Ленингр.отд-ние, 1982, 392с.

36. ЗЭ.Мясников В.А., Игнатьев М.Б., Покровский A.M. Программное управление оборудованием. Л.: Машиностроение, 1974, 540с.

37. Игнатьев М.Б. Голономные автоматические системы. Л,: Изд-во АН СССР, 1963, 203с.

38. Левин А.И. Математическое моделирование в исследовании и проектировании станков. М.: Машиностроение, 1978, 184с.

39. Ли Э.Б., Маркус Л. Основы теории оптимального управления. Перев. с англ. М.: Наука, 1972, 576с.

40. Брайсон А., Ю-ШИ Хо. Прикладная теория оптимального управления. Перев. с англ. М., Мир, 1972, 544с.

41. Краснопрошина А.А., Яринич С.В. Повышение быстродействия позиционирования при автоматической сборке печатных плат.-Вестн. Киев, политехи, ин-та. Техн. кибернетика, 1982, вып.6.

42. Костюк В.И. Драснопрошина А.А., Галан В.П., Боня С.Н., Шелестов С.Ю., Яринич С.В. Система управления технологическим оборудованием автоматической сборки печатных плат.

43. Тез.докл.П Всесоюз.межвуз.конф."Робототехнические системы". Кн.1, Киев, 1980.

44. Краснопрошина А. А.,Яринич С.В. Система оптимального по быстродействию управления приводами сборочных станков. -В сб.: ЭДцентифик. и автомат, технол. процессов и пром. установок. Куйбышев, КПтИ, 1982.

45. Техническое описание системы 500 фирмы Dyicr

46. Каталог фирмы i/r?c re г $*а £ , 1982г.

47. Измерения,контроль,автоматизация. Тематический сборник, № 9-Ю,с.53, 1980.

48. Беликов В.Г. Линейные и винтообразные электрические двигатели постоянного тока для промышленных роботов.: В сб. "Системы управления электромеханическими исполнительными устройствами роботов и манипуляторов". Под ред.Ю.А.Сабинина, Л., ЛДНТП, 1980.

49. Труды Московского ордена Ленина энергетического института. Вып. 440. Многокоординатный дискретный электропривод. М,, 1979.

50. Труды МЭИ. Вып.500. Методы и средства описания электромеханических элементов и систем. М., 1980.

51. Ко с тюк В.И.Драснопрошина А.А. ,Галан В.П. ,Боня С.Н., Яринич С.В.,Шелестов С.Ю. ,Елов М.В.Типовая система управления сборочным технологическим оборудованием. Информационный листок о научно-техническом достижении № 83-126, Киев, УкрНИИНТИ, 1983.

52. Краснопрошина А.А.,Галан В.П.,Боня С.Н., Елов М.В., Шелестов С.Ю.,Яринич С.В.Устройство для измерения перемещений объекта.Положительное решение по заявке гё 3700843/24-28. 022349 от 13.12.1984.

53. Яринич С.В. Модификация ограничений при квазиоптимальном по быстродействию управлении специальным технологическим оборудованием. Вопросы радиоэлектроники, сер.Технология производства и оборудование, 1983, вып.З.

54. Яринич С.В. Оптимизация управления контурными сервосистемами специального технологического оборудования.

55. Вопросы радиоэлектроники, сер.Технология производства и оборудование, 1984, вып.1.57.3лектронная промышленность. Вып. 3, с.26, 1979.

56. Костюк В.И.Драснопрошина А.А.,Галан В.П.,Яринич С.В. Оптимальное по быстродействию управление приводами роботов на двигателях постоянного тока. Тез.докл. I советско-югославского семинара по робототехнике. М., 1983.

57. Краснопрошина А.А., Яринич С.В. Оптимальное управление механизмам, движущимся по траектории. Автоматика и телемеханика. № 3, 1983.

58. Костюк В.И. Драснопрошина А.А. ,Галан В.П., Боня С.Н., Елов М.В.Яринич С.В. Система управления двухкоординатным линейным приводом. Тез.докл.всесоюзн.научно-техн.совещ. "Проблемы управления промышленными электромеханическими системами", Тольятти, 1982.

59. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1978.