автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Повышение точности и быстродействия промышленных мехатронных электропневматических следящих приводов на основе аппаратной и программной интеграции мехатронных компонентов

На правах рукописи

ХАРЧЕНКО АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

094599733

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ МЕХАТРОННЫХ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ НА ОСНОВЕ АППАРАТНОЙ И ПРОГРАММНОЙ ИНТЕГРАЦИИ МЕХАТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ

Специальность 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2010

2 5 МА? 23:0

004599733

Работа выполнена на кафедре «Робототехника и мехатроника» ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет

«СТАНКИН»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Илюхин Юрий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Егоров Игорь Николаевич

кандидат технических наук, профессор Филатов Владимир Витальевич

Ведущее предприятие:

ФГУП Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики (г. Москва)

-б/^ЗО

Защита состоится « апреля 2010 гЗна заседании диссертационног совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу 127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. ЗА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направить ученому секретарю совета по указанному выше адресу.

Автореферат разослан « » марта 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.01 к.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные мировые тенденции развития робототехнических и технологических систем ведут к ужесточению требований к быстродействию, точности и экономичности электропневматических следящих приводов (ЭПСП), функционирующих в жёстких условиях промышленной эксплуатации. Несмотря на широкое использование и глубокую проработку вопросов проектирования пневматических приводов, методы построения промышленных ЭПСП, обладающих высокой точностью и быстродействием и удовлетворяющих требованиям к экономичности, были сформированы пока не в полной мере. Недостаток многих известных решений в области построения следящих пневмоприводов состоит в их неэкономичности, обусловленной применением проточных пневмоэлементов, приводящих к неэффективному расходованию сжатого воздуха, что недопустимо в промышленности. ЭПСП на базе дискретных электропневматических распределителей с положительным перекрытием более экономичны, но обладают сравнительно низкой точностью (погрешность до 5 мм) и невысокой скоростью движения (до 20...30мм/с). Таким образом, повышение точности и быстродействия электропневматических следящих приводов промышленного назначения для оснащения роботов и технологических установок является актуальной научной задачей.

Увеличение точности и быстродействия промышленных ЭПСП связано с использованием принципов и методов мехагроники. При этом основная роль отводится совершенствованию алгоритмов компьютерного управления движением и более высокому уровню системной интеграции в результате применения в составе приводов мехатронных компонентов и мехатронных агрегатов на их основе. Диссертация основана на методах мехатроники, компьютерного управления и электропневматических приводов, изложенных в трудах И.М. Макарова, В.А. Бесекерского, B.C. Кулешова, Ю.В. Подураева, Ю.В. Илюхина, Б.К. Чемоданова, В.Ф. Казмиренко, Е.В. Герц, В.Г. Градецкого, Г.В. Крейнина, В.А. Королёва, Д.Л. Шерера, Р. Изермана и других учёных.

Цель исследования - повышение точности и быстродействия промышленных электропневматических следящих приводов с компьютерным управлением, построенных на основе мехатронного подхода и применения мехатронных компонентов, обладающих повышенной экономичностью и ориентированных на применение в жёстких условиях эксплуатации.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработана структура промышленных электропневматических следящих приводов как мехатронных систем на базе мехатронных силовых агрегатов с пропорциональными электропневматическими регуляторами давления, обеспечивающая повышение точности и быстродействия.

2. Сформирована математическая модель и проведено исследование свойств пропорциональных электропневматических регуляторов давления как мехатронных компонентов электропневматических следящих приводов.

3. Разработаны математическая модель и проведено исследование динамических свойств мехатронного силового агрегата на основе пропорциональных регуляторов давления.

4. Разработаны математическая модель электропневматического следящего привода с мехатронным силовым агрегатом и алгоритмы компьютерного управления, проведено исследование динамических свойств ЭПСП с помощью ЭВМ.

5. Проведено экспериментальное исследование динамических свойств злектропневматического следящего привода с мехатронным силовым агрегатом и разработанными алгоритмами компьютерного управления.

Научная новизна работы заключается:

- в структуре мехатронного промышленного электропневматического следящего привода повышенной точности и быстродействия, которая объединяет управляющую ЭВМ, реализующую разработанные алгоритмы компьютерного управления, и мехатронный силовой агрегат на основе пропорциональных

регуляторов давления с электронным управлением как мехатронных компонентов.

в комплексе математических моделей мехатроиного электропневматического следящего привода, мехатроиного силового агрегата и мехатронного регулятора давления, учитывающих нелинейность их характеристик, особенности компьютерного управления, течения сжатого воздуха через дросселирующие устройства и влияние сил трения.

- в комплексе упрощённых линейных математических моделей мехатронного электропневматического регулятора давления и мехатронного силового агрегата как мехатронных компонентов электропневматических следящих приводов, основанных на результатах экспериментальных исследований и рекомендуемых для синтеза алгоритмов компьютерного управления и анализа свойств ЭПСП.

- в комплексе алгоритмов компьютерного управления мехатронным электропневматическим приводом, реализующих линейные и нелинейные законы регулирования, распределение управляющих воздействий на мехатронные регуляторы давления и фильтрацию сигналов информационно-измерительных устройств.

Практической ценностью обладают следующие результаты.

1. Рекомендации по созданию гаммы мехатронных электропневматических приводов нового класса, на базе которых создан образец ЭПСП, обладающий повышенной точностью, быстродействием, экономичностью и способный работать в жёстких промышленных условиях.

2. Алгоритмы и программное обеспечение компьютерного управления мехатронными ЭПСП в реальном времени.

3. Компьютерные модели и программы моделирования мехатронных ЭПСП и их компонентов, рекомендуемые для анализа динамических свойств ЭПСП и проведения проектных расчётов.

Методы исследования. При выполнении диссертационного исследования использованы методы теории автоматического управления, газовой динамики, теории электропневматических систем, линейной алгебры, интерполяции, математической обработки экспериментальных данных. Исследование ЭПСП и его компонентов выполнено экспериментально и методом математического моделирования с применением разработанных автором программ.

Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием математического аппарата и положений мехатроники, теории автоматического управления, пневматических приводов и подтверждается согласованностью результатов, полученных аналитически, путём математического моделирования и в ходе натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах кафедры «Робототехника и мехатроника» МГТУ «СТАНКИН», на XI-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» (Москва, 23-25 апреля 2008 г.), на Одиннадцатой Всероссийской научно-практической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 89 апреля 2008 г.), на XXXIV Международной молодёжной научной конференции «ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ» (Москва, 1-5 апреля 2008 г.), на первой научно-методической конференции МГТУ «СТАНКИН» «Машиностроение, традиции и инновации» (МТИ 08) (Москва, 18 ноября 2008 г.), на международной конференции-симпозиуме «Тенденции развития робототехники и мехатроники» в рамках выставки «Робототехника-2008», (Москва, 5 ноября 2008 г.).

Внедрение результатов исследования осуществлено в практику проектирования электропневматических следящих приводов в компании ООО «Камоцци Пневматика», а также в учебный процесс в МГТУ «СТАНКИН» по дисциплине «Компьютерное управление мехатронными системами».

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в шести опубликованных печатных работах, в том числе в журнале «Вестник

Воронежского государственного технического университета», входящем в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 193 страницы состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 119 наименований и 3 приложений. Основной текст изложен на 176 страницах, включает 114 рисунков, 10 таблиц и 214 математических формул.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении определена область исследования и обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе проведён анализ существующих решений в области промышленных пневматических следящих приводов, областей и условий их рационального применения. Установлено, что наиболее важными требованиями к современным ЭПСП являются обеспечение высокой точности (погрешность не более 01 мм) при повышенной скорости движения (до 0.3...0.5 м/с), а также отсутствие потребления сжатого воздуха в неподвижном состоянии и возможность применения ЭПСП в жёстких условиях эксплуатации. Обоснована необходимость формирования новой структуры ЭПСП на основе принципов мехатроники, что способствует сокращению состава используемых компонентов привода, возрастанию его точности, быстродействия и надёжности.

Вторая глава посвящена разработке концепции построения и структуры мехатронных ЭПСП повышенной точности и быстродействия. Концепция состоит в образовании мехатронной следящей системы с компьютерным управлением, создании в составе ЭПСП мехатронного силового агрегата и применении в нём мехатронных электропневматических регуляторов давления. В концепции реализованы два принципа мехатронного подхода: доминирования управляющей ЭВМ и конструктивной и функциональной интеграции компонентов. Применение первого принципа позволяет существенно упростить и удешевить мехатронные

системы, сделать их более надёжными и долговечными. При этом возрастает гибкость реализации алгоритмов управления при неизменном составе аппаратных средств. Принцип конструктивной и функциональной интеграции подразумевает использование в составе ЭПСП современных мехатронных модулей -пропорциональных электропневматических регуляторов давления.

Главная особенность предложенной структуры замкнутого по положению поршня мехатронного ЭПСП, предназначенного для промышленного применения в роботах и технологических системах, состоит в высоком уровне синергетической аппаратной и программной интеграции (рис. 1). Она содержит программно реализованный регулятор и мехатронный силовой агрегат, обладая минимальным количеством аппаратных компонентов. Включение в состав ЭПСП электропневматических мехатронных регуляторов давления (МРД) ведёт к образованию замкнутых подсистем регулирования давлений в полостях пневмоцилиндра, а пара таких МРД представляет собой основу подсистемы регулирования развиваемой приводом силы. Эта подсистема дополнительно включает в себя пневмоцилиндр и программный блок управляющей ЭВМ, реализующий распределение управляющих воздействий на входы МРД. Системное объединение двух МРД, пневмоцилиндра и управляющей ЭВМ названо мехатронным силовым агрегатом (МСА), фактически являющимся электропневматическим силовым приводом с компьютерным управлением (рис. 1). Для получения максимального диапазона регулирования силы обеспечено согласованное изменение управляющих воздействий на МРД в функции от входного воздействия МСА 8.

Повышение быстродействия и точности ЭПСП достигается в результате применения МРД, обладающих достаточно большой пропускной способностью, и эффекшвных алгоритмов, реализующих линейные и нелинейные законы компьютерного управления. Наличие МСА на базе МРД является отличительной особенностью предлагаемой новой структуры мехатронного ЭПСП.

Управляющая компьютерная Мехатрснный часть привода ^илдвойдфдгат

ос <

1 ^

а> Jj ц J

m ~

га о.

о. с

с та

>. х

S ш"

н °

Б 5

« S

а§

и & >

Блок формирования задающих воздействий

Блок регулято роз

Блок корректирующих устройств и программной ^фильтрации,

Блок управления в реальном времени

¿4

А,

У&Г

;'......Блок"

к вычисления :

ИСТОЧНИК СЖАТОГО ВОЗДУХА

р.

1

ЦАП

zn

ЦАП

; т

МРД1 МРД2

I

Т

Р,

> '^^Аналоговые Г*\ фильтры J

Информационно-измерительная подсистема

Вычислитель скорости

Рис. I. Структура электропневматического следящего привода, разрабатываемого в соответствии с мехатронным подходом

w

На основании анализа предложенной классификации установлены две наиболее рациональные структуры мехатронных промышленных ЭПСП: структура с ПИД-регулятором положения, выдающим управляющее воздействие непосредственно на МСА, и структура с П-регулятором положения и контуром подчинённого регулирования скорости. Разработанная обобщённая структура ЭПСП содержит блок формирования и коррекции задающих воздействий, блок-программно реализуемых регуляторов и блок распределения управляющих воздействий в соответствии с желаемым законом управления. Структура ЭПСП содержит также блоки вычисления скорости и корректирующих устройств, обеспечивает программную фильтрацию помех в сигналах обратных связей и управление следящим приводом в режиме жёсткого реального времени.

Таким образом, показано, что ЭПСП должен рассматриваться как мехатронная система, предполагающая синергетическое объединение компонентов различной физической природы и разного функционального назначения для получения более высоких показателей качества такой системы в результате эффективного применения методов компьютерного управления.

В третьей главе даны результаты исследования динамических свойств мехатронного регулятора давления как компонента ЭПСП. Вскрыга внутренняя структура МРД (рис. 2) на примере регулятора давления компании Сашогг) и разработана его математическая модель.

а) 6)

Рис. 2. Структура (а) и расчётная схема силовой части (б) мехатронного электропневматического регулятора давления

Входящее в состав МРД микропроцессорное устройство управления (МУУ) вырабатывает воздействия, поступающие на электропневматические распределители (ДР) для регулирования давления в промежуточной (пилотной) камере (ПК) (ряс. 2а). В зависимости от рассогласования между задающим воздействием и сигналом обратной связи на выходе датчика давления (ДД), распределители осуществляют наполнение и сброс давления, а также запирание пилотной камеры. Давление в ПК создаёт усилие, действующее на исполнительный орган - поршень регулятора (рис. 26), а положение запорного клапана, жёстко связанного с поршнем, влияет на расход проходящего через регулятор воздуха и интенсивность изменения давления, создаваемого на выходе. Для улучшения динамических свойств МРД предусмотрена система механических пружин (МП) и дополнительных миниатюрных полостей (ДП), оказывающих демпфирующее действие.

Нелинейная математическая модель МРД характеризуется системой из 6 дифференциальных уравнений в форме Коши и учитывает динамику движения пневмомеханических элементов, изменения давлений в полостях регулятора

давления, особенности течения воздуха через дросселирующие отверстия п докритнческом и надкритическом режимах, влияние сухого и вязкого трения и специфику работы управляющих устройств и пневматических распределителен.

В результате экспериментов установлено, что длительность и характер переходных процессов регулирования давления на Еыходе МРД зависят от объёма присоединённого к его выходу ресивера, пропускной способности дросселирующих отверстий МРД и давления питания (рис. За). Выявлен адаптивный характер автоматической подстройки параметров устройства управления в составе МРД, что оказывает существенное влияние на его свойства. Исследование частотных характеристик регулятора давления (рис. 36) показало, что полоса пропускания исследуемого МРД достигает 18...25 рад/с. Поэтом) он может рассматриваться как перспективный компонент МСА в составе ЭПСП, к которому предъявляются повышенные требования по точности и быстродействию.

-^.■исмыл урорсн. дав/сш^ ^ ¿|ГГЛ,,(у«)|. дБ ,-рсш

^-225 рек)/с

Рис. 3. Реакции МРД на ступенчатое входное воздействие (а) и ЛАЧХ и

ЛФЧХ МРД (б)

На основании результатов экспериментов предложена упрощённая линейная модель МРД. характеризующаяся передаточной функцией (ПФ)

И'^и) = (7№4'" + 1) со значениями параметров, зависящими от объема

V выходной полости. Для V, равных 0.01, 2 к 4 л, постоянная времени ткп равна соответственно 0.030, 0.050, 0.065 с, а коэффициент демпфирования равен соответственно 0.6, 0.4, 0.35. При этом в полосе пропускания МРД для

вышеуказанных значений V максимальные различия JI4X модели и реального МРД невелики: по амплитуде 1.3. 1.5 и 2.3 дБ и по фазе 6.0, 8.5 и 7.6 градусов. Поэтому упрощённая модель МРД рекомендуется для использования в математических моделях МСА и ЭПСП.

Математическая модель МРД реализована в программе моделирования в среде Matlab Simulink. Результаты компьютерного исследования согласуются с результатами, полученными экспериментально, что свидетельствует о корректности математической и компьютерной моделей МРД, являющихся эффективными средствами исследования его динамических свойств.

В четвёртой главе изложены результаты аналитических и экспериментальных исследований динамических свойств мехатронного силового агрегата. Математическая модель МСА представляет собой систему' из 14 нелинейных дифференциальных уравнений в форме Коши. В модели отражены динамические свойства двух согласованно функционирующих МРД, алгоритм распределения управляющих воздействий, процессы формирования давлений в полостях пневмоцилиндра и развиваемой им силы с учётом сил трения и возмущающих воздействий. Для повышения эффективности синтеза мехатронных ЭПСП целесообразна разработка линеаризованной математической модели МСА, отражающей его динамические свойства и основанной на результатах экспериментальных исследовании. Для получения такой модели (рис. 4) выполнена линеаризация исходных нелинейных описаний МСА и применена полученная выше упрощенная математическая модель МРД.

Рис. 4. Структурная схема упрощённой линеаризованной модели МСА

Переменные ASp, Ахр, AFBII представляют собой изображения по

Лапласу отклонений входного воздействия, положения, скорости поршня и внешней силы от их опорных значений, принятых при линеаризации, соответственно. Параметрами модели являются п - показатель политропы, R -универсальная газовая постоянная, Т - температура газа, Ар - средняя площадь порш]ш, Vg и р0 - исходные значения объёмов полостей и давлений в них, принятые при линеаризации, >пр - масса подвижных частей; kv - коэффициент динамической вязкости. Значения параметров введённой в модель передаточной функции H^t(i) = /i1/it(rIMj + l) 1 найдены на основании экспериментально установленных зависимостей параметров rKD и ¿jRD модели МРД от объёма полости V при применении метода наименьших квадратов. Показано, что наибольшую точность аппроксимации можно получить при использовании зависимостей tRD = krV + lr, g,:ll = а Л'2 + b,V + cf. В этом случае

= =(kt.V + lT)(2(aiV2 +bfV + с,))~';

Km = V(2nRTTm{FO)"' = v(2nRT{ay- +b(V + c{)(kzV + lT)f.

Результаты экспериментального исследования MCA подтвердили его работоспособность. Исследование выполнено с использованием разработанного стенда, в состав которого вошли МСА, управляющая ЭВМ, бесконтактный датчик положения поршня, АЦП и аналоговый вычислитель скорости на базе операционного усилителя. Управление от ЭВМ осуществлено в жёстком реальном времени.

Сравнение реакций МСА в виде скорости движения поршня на гармоническое входное воздействие, полученных путём моделирования и экспериментально, показало, что при круговой частоте 3.8...31.4 рад/с эти реакции хорошо согласуются друг с другом. Различия реакций не превышают 2%. В результате выделения первой гармоники колебаний скорости получены ЛАЧХ

и ЛФЧХ МСА, в частности, характеристики (рис. 5), соответствующие амплитуде входного воздействия, эквивалентного амплитуде желаемого давления 0.5 бард.

/.^,.,(./'4 дБ

argH^jOVy), град

..........| -210

со, рад/с ' -180

Рис. 5. JIA4X и ЛФЧХ МСА. (Выходная неременная - скорость поршня) Для проектирования ЭПСП наряд)' с подробной математической моделью МСА предложена его упрощённая линейная модель, построенная на основании экспериментальных данных. Связь положения поршня с входным воздействием МСА характеризуется передаточной функцией

—iff—т^

где КМСА - коэффициент усиления МСА, учитывающий коэффициент передачи аналогового дифференциатора; г, и г, - постоянные времени апериодических звеньев. Оценки значений г, =0.1 с и т2 =0.03 с для МСА на базе МРД серии ER-200 получены методом наименьших квадратов. При круговой частоте 3.8 ... 25.1 рад/с различия расчётных и экспериментальных характеристик минимальны.

Анализ математической модели и частотных характеристик МСА позволил сделать вывод о том, что регулятор ЭПСП должен иметь интегральную составляющую закона регулирования для увеличения точности привода и возможности противодействовать силовым возмущениям.

Пятая глава посвящена разработке алгоритмов компьютерного управления и исследованию динамических свойств мехатронных электропневматических

следящих приводов с помощью ЭВМ. Для этого разработана компьютерная модель мехатронного ЭПСП, которая реализована в виде программы моделирования в среде Matlab Simulink. Программа отражает динамические свойства МСА, цифровых устройств управления и фильтров, учитывает дискретизацию сигналов по времени и уровню.

Разработанный комплекс алгоритмов реализует линейные и нелинейные законы управления, обеспечивает устойчивость ЭПСП, его работу без автоколебаний, высокую статическую и динамическую точность и малую длительность переходных процессов при выполнении жёстких требований к перерегулированию и количеству колебаний в течение переходного процесса.

Исследования показали, что благодаря интеграции мехатронныч компонентов для расширения полосы пропускания и увеличения точности ЭПСП без коррекции по скорости в качестве ядра его управляющей части целесообразно применить ПИД-регулятор положения, отличающийся наличием фильтра нижних частот в канале дифференциальной составляющей регулирования. Управляющее воздействие предложено вычислять, используя разностные уравнения

где Г - период квантования по Бремени; ¡' - номер такта; г (0 - воздействие на входе регулятора; г; (¿) - величина, зависящая от гр(/) и используемая для вычисления интегральной составляющей регулятора; £ь(() и - текущие

значения интегральной и дифференциальной составляющих регулирования соответственно; К„ - коэффициент усиления регулятора положения; К.р и КПр -

коэффициенты усиления интегральной и дифференциальной составляющих; г,);1 -постоянная времени фильтра. Предложенное реализуемое в ЭВМ ядро ПИД-

«МО = [2K,)pTbr(rp(i) - rp(i-l))-SDp (i-1)(7- - 2rJ](r + 2r„)",

регулятора положения обеспечивает частот)' среза разомкнутого ЭПСП, равную 13.1 рад/с при запасах устойчивости: по амплитуде 9.88 дБ и по фазе 61 град.

Установлено, что в ЭПСП, имеющем контур подчинённого регулирования скорости, целесообразно применять П-регулятор положения и в контуре скорости ПИД-регулятор или два программно реализованных интегро-дифференцируюших звена. Это способствует ослаблению влияния внешней силы на точность привода и обеспечивает наиболее короткий переходный процесс и отсутствие перерегулирования. Исследование показало, что полоса пропускания разомкнутого ЭПСП с коррекцией по скорости равна 14 рад/с при запасах устойчивости по амплитуде &55 дБ и по фазе 62.9 град и приблизительно равна полосе пропускания ЭПСП, не имеющего подчинённого контура регулирования скорости. Поэтому сделан вывод, что вариант ЭПСП без коррекции по скорости является более предпочтительным.

Для снижения перерегулирования и времени переходного процесса предложены алгоритмы, реализующие коррекцию задающего воздействия и нелинейный закон формирования коэффициентов пропорциональной К„ и интегральной К, составляющих регулирования положения ЭПСП:

где Кт и К,гК - постоянные коэффициенты; Кш. и КАШ - коэффициенты

передачи датчика положения и АЦП. Высокое качество процессов регулирования обеспечивается при значениях параметров кек= 0.1, кд-,р=0 и Д£ = 40лш. Показано, что высокая точность позиционирования достигается при использовании нелинейного закона формирования г, (¡):

при|гр(0|<Д<Ж^А'дт6; 1при |гр(0|> ДЗКВ„КАШ-,

о при |г,(*)|<КШгКАВ166хР\

г'"(/) = г -1 ||

/,(') - КвиКАп^р ■ при > КшКшиЬхр,

где Ахр = 0.1 лш - параметр, значение которого выбирается из условия отсутствия автоколебаний, обусловленных сухим трением. Процессы регулирования в ЭПСП, полученные с применением описанных алгоритмов, (рис. 6) свидетельствуют об их высоком качестве.

а) б)

Рис. 6. Результаты компьютерного моделирования реакций ЭПСП с ПИД-регулятором положения на ступенчатое входное воздействие при действии внешней силы F = 3500 Н (а) и на гармоническое входное воздействие [со=Ърад!с) (б)

Согласованность результатов синтеза и компьютерного моделирования ЭПСП свидетельствует о корректности компьютерной модели ЭПСП и целесообразности применения описанного в диссертации метода синтеза.

Для увеличения точности ЭПСП обоснована целесообразность применения каскада аналоговых и цифровых фильтров в каналах передачи сигналов обратных связей. Предложено использовать многократное считывание и усреднение сигнала ОС в течение одного такта работы программы управления, фильтр, корректирующий сигнал ОС с учётом максимально допустимого его изменения в соответствии с физическими возможностями системы, и фильтры экспоненциального сглаживания.

В шестой главе приведены результаты экспериментального исследования мехатронного ЭПСП с МСА и компьютерным управлением. Для проведения

экспериментов разработан лабораторный стенд, включающий в себя МСА, управляющую ЭВМ и привод-нагружатель, создающий нагрузку на шток пневмоцилиндра ЭПСП. Интерфейсы между ЭВМ и исполнительными элементами реализованы с помощью промышленных плат ACL82J6 и A812PG, которые содержат двенадцати- и шестнадцатиразрядные АЦП, двенадцатиразрядные ЦАП, дискретные входы и выходы. Программа управляющей ЭВМ написана на языке С++, содержит подпрограмму-обработчик прерываний и работает под управлением операционной системы MS-DOS7.1 в режиме реального времени с периодом квантования Т = 1 мс. МСА реализован на базе цилиндра с длиной хода 320 мм и диаметром поршня 125 мм, двух МРД серии ER 200 компании Camozzi, датчика положенггя компании Balluff серии BTL с погрешностью не более 4 мкм и аналогового дифференциатора. Для создания внешней силы использован пневмоцилиндр, закреплённый соосно с испытуемым и направленный ему навстречу, и МРД, подключёшгый к бесштоковой полости привода-нагружателя.

В результате экспериментального исследования мехатронного ЭПСП без коррекции по скорости установлено, что значения параметров регулятора положения, которые позволяют достигать высокой точности и быстродействия, близки к значениям параметров, полученных аналитически и путём компьютерного моделирования. Экспериментально полученные реакции ЭПСП согласуются с реакциями, которые даёт компьютерная модель. Поэтом}' для практического применения рекомендуются разработанные модели, программы, алгоритмы и методика выбора значений параметров регуляторов ЭПСП.

Как показало экспериментальное исследование, ЭПСП, содержащий контур подчинённого регулирования скорости, обладает высокой точностью и быстродействием при использовании П-регулятора положения и ПИД-регулятора скорости. Эксперименты подтвердили целесообразность использования нелинейных закоггов управления и коррекции задающего воздействия для повышения точности привода и качества процесса регулирования (рис. 7). При

действии внешней силы до 3500 Н погрешность позиционирования не превышает 0.1 лш. Ошибка воспроизведения гармонического воздействия с круговыми частотами 0.3 и 3.0 рад/с и амплитудой 50 лш не превышает 4 и 9 мм соответственно (рис. 7). При перемещении поршня на 150 лш длительность переходного процесса равна 0.4 с, а перерегулирование не превышает 5 %.

6 2 2.5 3 3.5 4

а) б)

Рис. 7. Результаты экспериментального исследования реакций ЭПСП на ступенчатое воздействие при действии внешней силы до 3500 Н (а) и на гармоническое (¿У=3рад!с) воздействие (б)

Экспериментально установлено, что у разработанного типа ЭПСП по сравнению с приводом-прототипом погрешность позиционирования и время регулирования уменьшены в 50 и 10 раз соответственно, а полоса пропускания и максимальная скорость в режиме слежения возросли в 30 и 15 раз соответственно. Круговая частота входного сигнала, при которой динамическая ошибка не превышает 10 мм, увеличилась в 30 раз и составляет 3 рад/с. Подтверждена эффективность предложенных операций фильтрации, которые позволяют уменьшить интенсивность помех в сигналах обратных связей более чем в 50 раз.

Таким образом, результаты экспериментального исследования подтвердили высокие динамические свойства мехатронных ЭПСП, имеющих предложенные структуры и построенных с применением разработанных линейных и нелинейных алгоритмов компьютерного управления.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Решена актуальная научно-техническая задача повышения точности и быстродействия промышленных мехатронных электропневматических следящих приводов с компьютерным управлением.

2. Для повышения точности и быстродействия электропневматических следяших приводов целесообразно формировать их как мехатронные системы, содержащие мехатронные силовые агрегаты, образующие подсистемы регулирования давлений в полостях пневмоцилиндра на основе мехатронных регуляторов давления, и средства компьютерного управления.

3. Результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований подтвердили основные теоретические положения и показали, что предложенные структура системы управления и алгоритмы, реализующие компьютерные регуляторы, корректирующие устройства и фильтры, обеспечивают высокое быстродействие и малые статическую и динамическую погрешности мехатронных электропнсвматических следящих приводов.

4. В результате применения предложенных структуры и алгоритмов управления мехатронный привод обладает высокой динамической точностью. Погрешность позиционирования по сравнению с погрешностью существующих следящих приводов на основе распределителей дискретного действия уменьшена в 50 раз и не превышает 0.1 мм, скорость движения объекта управления повышена в 15 раз и достигает 0.5 м/с при выполнении требований к качеству переходных процессов. Погрешность ЭПСП при отработке синусоидального входного воздействия с амплитудой 50 мм снижена более чем в 10 раз и составляет 4 и 9 мм при круговых частотах 0.3 и 3 рад/с.

5. Установлено, что время регулирования при перемещении на 150 мм при отработке приводом ступенчатых задающих воздействий сократилось в 10 раз по сравнению с существующими следящими приводами на основе распределителей дискретного действия и составляет не более 0.4 с.

6. Эффективным« средствами анализа динамических сбойств мехатронных электропневматических приводов и их компонентов с помощью ЭВМ являются разработанные программы компьютерного моделирования привода, мехатронного силового агрегата и мехатронных пропорциональных регуляторов давления. Экспериментально полученные реакции ЭПСП хорошо согласуются с реакциями компьютерных моделей ЭПСП, что свидетельствует об их корректности.

7. Разработанные мехатронные следящие приводы обладают повышенной экономичностью благодаря использованию мехатронных регуляторов давления, регулирующие пневмомеханические элементы которых обладают положительным перекрытием. Они могут быть легко защищены от действия агрессивных факторов окружающей среды и рекомендуются для промышленного применения в жёстких условиях эксплуатации.

8. Эффективным средством увеличения точности и качества переходных процессов ЭПСП является применение комплекса разработанных алгоритмов, реализующих линейные и нелинейные законы управления.

9. Разработанные структура ЭПСП, математические модели и алгоритмы управления внедрены в ООО «Камоцци Пневматика» в практику проектирования мехатронных приводов для флотационных технологических установок. Полученные результаты рекомендуются для применения на предприятиях, разрабатывающих и применяющих ЭПСП в составе робототехнических и технологических систем, работающих в жёстких производственных условиях: на машиностроительных предприятиях, в металлургии, горнодобывающих и горноперерабатывающих отраслях, в производстве продуктов питания, в экстремальной робототехнике, нефтегазовой отрасли, деревообработке и упаковке.

Но теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Харченко А.Н. Математическая модель и исследование свойств пропорционального электропневматического регулятора давления. / Материалы XI научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике: Сборник докладов. / Под. ред. Казакова O.A.. - М.: ИЦ ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». 2008. - с.289-292.

2. Харченко А.Н. Разработка электропневматических следящих приводов для технологических систем на базе мехатронных компонентов. / XXXIV ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. Научные труды Международной молодёжной научной конференции в 8 томах. Москва, 1-5 апреля 2008 г. / Ответственный редактор Сердюк Н.И. - М.: МАТИ, 2008.-Т.1-с. 212-215.

3. Харченко А.Н. Разработка электропневматических следящих приводов для транспортных роботов на базе мехатронных компонентов. / Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды Одиннадцатой Всероссийской научно-практической конференции. (1-4 апреля 2008 г.). Том 5. «Экстремальная робототехника», 618стр., 90 докладов, 161 автор. СПб.: НПО Специальных материалов, 2008 - с. 449-454.

4. Харченко А.Н., Илюхин Ю.В. Разработка и исследование электропневматических следящих приводов на основе мехатронного силового агрегата. / ВЕСТНИК Воронежского государственного технического университета ISSN 17296501, главный редактор Фролов В.Н. / ГОУ ВПО «Воронежский Государственный технический университет» / Том 4 № 11 2008 г. - с.80-84.

5. Харченко А.Н., Илюхин Ю.В. Современные электропневматические следящие приводы в промышленности и робототехнике. / Вестник МГТУ «СТАНКИН». Гл. редактор Григорьев С.Н. Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «СТАНКИН», № 4 (4), 2008. - 208с.:ил. - с.101-106.

6. Харченко А.Н., Илюхин Ю.В. Электропневматические пропорциональные регуляторы давления компании Камоцци. / Новости приводной техники. 2008, №2 (82) -с.3-4.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харченко Александр Николаевич

Повышение точности и быстродействия промышленных мехатронных электропневматических следящих приводов на основе аппаратной и программной интеграции мехатронных компонентов

Подписано в печать 11.03.10. Формат 60x801/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 110 экз. Заказ 47.

Отпечатано в издательском центре

ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» 127055, Москва, Вадковский пер. 3-а. Тел. 8 (499) 973-31-93

ВВЕДЕНИЕ

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ЗАДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ДЛЯ РОБОТОВ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1. Анализ областей и условий применения электропневматических приводов в составе технологических систем различных отраслей промышленности.

1.2. Особенности применения электропневматических приводов в робототехнике.

1.3. Обобщённые требования к промышленным электропневматическим приводам роботов и технологических систем.

1.4. Анализ исследований и технических решений в области построения промышленных электропневматических позиционных и следящих приводов.

1.5. Выводы по первой главе, цель и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКОГО СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ МЕХАТРОНИКИ.

2.1. Концепция формирования структуры электропневматического следящего привода на основе принципов мехатроники.

2.2. Анализ вариантов структур устройств компьютерного управления в составе мехатронных электропневматических следящих приводов.

2.3. Выводы по второй главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАТРОННОГО РЕГУЛЯТОРА ДАВЛЕНИЯ КАК КОМПОНЕНТА ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКОГО СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА

3.1. Анализ устройства и особенностей функционирования пропорционального электропневматического регулятора давления.

3.2. Нелинейная математическая модель мехатронного электропневматического регулятора давления.

3.3. Разработка стенда для экспериментального исследования свойств мехатронного регулятора давления компании Сашогг1.

3.4. Экспериментальное исследование переходных процессов и частотных характеристик мехатронного электропневматического регулятора давления.

3.5. Формирование упрощённой математической модели мехатронного регулятора давления на основе результатов экспериментального исследования.

3.6. Компьютерное моделирование мехатронного регулятора давления.

3.7. Выводы по третьей главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕХАТРОННОГО СИЛОВОГО АГРЕГАТА.

4.1. Нелинейная математическая модель мехатронного силового агрегата с компьютерным управлением.

4.2. Линеаризованная модель мехатронного силового агрегата.

4.3. Компьютерное моделирование мехатронного силового агрегата

4.4. Разработка стенда для экспериментальных исследований свойств мехатронного силового агрегата.

4.5. Экспериментальное исследование динамических свойств мехатронного силового агрегата.

4.6. Упрощённая математическая модель мехатронного силового агрегата, основанная на результатах экспериментальных исследований.

4.7. Выводы по четвёртой главе.

5. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ И КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕХАТРОННЫХ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ

5.1. Разработка алгоритмов компьютерного управления мехатронными электропневматическими следящими приводами.

5.2. Пример синтеза алгоритмов управления мехатронным электропневматическим следящим приводом на основе линеаризованной модели мехатронного силового агрегата.

5.3. Повышение точности и быстродействия следящего электропневматического привода в результате коррекции задающего воздействия, использования нелинейных законов регулирования и фильтрации сигналов обратных связей.

5.4. Компьютерное моделирование мехатронных электропневматических следящих приводов.

5.5. Выводы по пятой главе.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ С МЕХАТРОННЫМИ СИЛОВЫМИ АГРЕГАТАМИ И КОМПЬЮТЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

6.1. Режимы испытаний и лабораторный стенд для экспериментального исследования динамических свойств электропневматического следящего привода с мехатронным силовым агрегатом.

6.2. Экспериментальное исследование динамических свойств замкнутого по скорости электропневматического привода с учётом особенностей формирования и фильтрации сигнала обратной связи.

6.3. Исследование свойств электропневматического следящего привода, замкнутого по положению поршня и дополненного корректирующей обратной связью по скорости.

6.4. Исследование свойств электропневматического следящего привода, замкнутого по положению поршня, с подчинённым контуром регулирования скорости.

6.5. Исследование свойств электропневматического следящего привода с коррекцией задающего воздействия и нелинейными законами регулирования.

6.6. Выводы по шестой главе.

Современные мировые тенденции развития робототехнических и промышленных технологических систем приводят к ужесточению требований к быстродействию, точности и экономичности исполнительных электропневматических следящих приводов, функционирующих в жёстких условиях промышленной эксплуатации. Перспективные направления совершенствования таких приводов основаны на применении мехатронного подхода, в соответствии с которым основная роль в достижении более высокой точности и быстродействия электропневматических приводов отводится совершенствованию алгоритмов компьютерного управления движением и более высокому уровню системной интеграции в результате применения мехатронных компонентов.

В связи с этим данное исследование направлено на достижение главной цели, заключающейся в повышении точности и быстродействия промышленных электропневматических следящих приводов с компьютерным управлением, построенных на основе мехатронного подхода и применения мехатронных компонентов, обладающих повышенной экономичностью и ориентированных на промышленное применение в жёстких условиях эксплуатации. Для достижения поставленной цели разработана концепция построения и предложена новая структура промышленных электропневматических следящих приводов как мехатронных систем на базе мехатронных силовых агрегатов с мехатронными пропорциональными электропневматическими регуляторами давления.

Принципиально важным является то, что современные электропневматические следящие приводы представляют собой сложные нелинейные мехатронные системы, функциональность которых ограничена, главным образом, из-за влияния сжимаемости воздуха, что вызывает колебательные процессы и принципиально затрудняет создание следящих систем. Упругие свойства полости, заполненной воздухом, проявляются как 4 эффект движения массивного объекта, находящегося на двух пружинах. По этой причине необходимо вводить дополнительные средства коррекции, превращающие весь привод в систему автоматического демпфирования этих колебаний и направленные на повышение точности и быстродействия. Кроме того, характерное для пневмоцилиндра соотношение сил трения покоя и движения, особенно при наличии резиновых уплотнений, приводит к резкому нарастанию скорости в начальный момент движения, вызывая большие ускорения, что усложняет систему управления. Поэтому в диссертации большое внимание уделено формированию математических моделей и исследованию свойств пропорциональных электропневматических регуляторов давления, мехатронных силовых агрегатов и следящих приводов как мехатронных систем в целом. Помимо подробных нелинейных описаний компонентов приводов разработаны редуцированные математические модели, существенно упрощающие процесс синтеза следящих систем. На основе полученных моделей выполнена разработка алгоритмов компьютерного управления и исследование динамических свойств мехатронных электропневматических следящих приводов с помощью ЭВМ.

С учётом сложности и нелинейности изучаемого объекта большая роль в выполненном исследовании отведена экспериментальным исследованиям динамических свойств мехатронных компонентов приводов и электропневматических следящих приводов в целом с разработанными алгоритмами компьютерного управления.

При выполнении диссертационного исследования использованы методы мехатроники, теории автоматического управления, газовой динамики, теории электропневматических систем, линейной алгебры, математического моделирования динамических систем, математической обработки экспериментальных данных, электротехники и микроэлектроники.

По мнению автора, достоверность научных результатов проведённых исследований определяется корректным использованием положений мехатроники, математического аппарата, методики синтеза „ систем управления и подтверждается согласованностью результатов, полученных аналитически, средствами математического компьютерного моделирования и в ходе натурных экспериментов. Кроме того, результаты исследования успешно внедрены в производство и практику проектирования электропневматических приводов в компании ООО «Камоцци Пневматика» (стр. 193-194), а также в учебный процесс в МГТУ «СТАНКИН» при проведении занятий со студентами по дисциплине «Компьютерное управление мехатронными системами».

Работа выполнена на кафедре «Робототехника и мехатроника» МГТУ «СТАНКИН». Результаты исследования доведены до научной общественности. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе в журнале «Вестник Воронежского государственного технического университета», входящем в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ.

Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах кафедры «Робототехника и мехатроника» МГТУ «СТАНКИН», на Х1-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике (Москва, 23-25 апреля 2008 г.), на одиннадцатой Всероссийской научно-практической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 8-9 апреля 2008 г.), на XXXIV Международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 1-5 апреля 2008 г.), на первой научно-методической конференции МГТУ «СТАНКИН» «Машиностроение, традиции и инновации» (МТИ 08) (Москва, 18 ноября 2008 г.), на международной конференции «Тенденции развития робототехники и мехатроники» в рамках выставки «Робототехника-2008», (Москва, 5 ноября 2008 г.).

Автор выражает благодарность и признательность профессору Ю.В. Илюхину за выбор направления исследования, научные консультации, предоставление материалов, моральную поддержку, ценные рекомендации при выполнении исследований и анализ материалов диссертации, а также коллективу кафедры «Робототехника и мехатроника» МГТУ «СТАНКИН» за активное участие в обсуждении результатов данной работы.

Автор благодарит компанию ООО «Камоцци Пневматика» за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований на базе промышленного электропневматического оборудования Сатоггь

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований, направленных на повышение точности и быстродействия мехатронных электропневматических следящих приводов на основе мехатронных силовых агрегатов, обладающих повышенной экономичностью и ориентированных на промышленное применение в «жёстких» условиях эксплуатации, получены следующие основные новые научные результаты:

1. Структура мехатронного промышленного электропневматического следящего привода повышенной точности и быстродействия, которая объединяет управляющую ЭВМ, реализующую разработанные алгоритмы компьютерного управления, и мехатронный силовой агрегат на основе пропорциональных регуляторов давления с электронным управлением как мехатронных компонентов.

2. Математические и компьютерные модели мехатронного электропневматического следящего привода, мехатронного силового агрегата и мехатронного регулятора давления, учитывающие нелинейность их характеристик, особенности компьютерного управления, течения сжатого воздуха через дросселирующие устройства и влияние сил трения.

3. Упрощённые линейные математические модели мехатронного электропневматического регулятора давления и мехатронного силового агрегата как мехатронных компонентов электропневматических следящих приводов, основанные на результатах экспериментальных исследований и рекомендуемые для синтеза алгоритмов компьютерного управления и анализа свойств ЭПСП.

4. Комплекс алгоритмов компьютерного управления мехатронным электропневматическим приводом, реализующих линейные и нелинейные законы регулирования, компьютерные средства динамической коррекции, распределение управляющих воздействий на мехатронные регуляторы давления^ и фильтрацию сигналов информационно-измерительных устройств.

На основании полученных результатов исследования сделаны следующие выводы:

1. Решена актуальная научно-техническая задача повышения точности и быстродействия промышленных мехатронных электропневматических следящих приводов с компьютерным управлением.

2. Для повышения точности и быстродействия электропневматических следящих приводов целесообразно формировать их как мехатронные системы, содержащие мехатронные силовые агрегаты, образующие подсистемы регулирования давлений в полостях пневмоцилиндра на основе мехатронных регуляторов давления, и средства компьютерного управления.

3. Результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований подтвердили основные теоретические положения и показали, что предложенные структура системы управления и алгоритмы, реализующие компьютерные регуляторы, корректирующие устройства и фильтры, обеспечивают высокое быстродействие и малые статическую и динамическую погрешности мехатронных электропневматических следящих приводов.

4. В результате применения предложенных структуры и алгоритмов управления мехатронный привод обладает высокой динамической точностью. Погрешность позиционирования по сравнению с погрешностью существующих следящих приводов на основе распределителей дискретного действия уменьшена в 50 раз и не превышает 0.1 мм, скорость движения объекта управления повышена в 15 раз и-достигает 0.5 м/с при выполнении требований; к качеству переходных процессов. Погрешность ЭПС11 при отработке синусоидального входного воздействия с амплитудой; 50 мм. снижена более чем в 10 раз и составляет 4 и 9 мм при круговых частотах 0.3 и 3 рад/с.

5. Установлено, что время.; регулирования при перемещении на 150 мм при отработке приводом ступенчатых задающих воздействий сократилось в

10 раз по сравнению с существующими следящими приводами на основе распределителей дискретного действия и составляет не более 0.4 с.

6. Эффективными средствами анализа динамических свойств мехатронных электропневматических приводов и их компонентов с помощью ЭВМ являются разработанные программы компьютерного моделирования привода, мехатронного силового агрегата и мехатронных пропорциональных регуляторов давления. Экспериментально полученные реакции ЭПСП хорошо согласуются с реакциями компьютерных моделей ЭПСП, что свидетельствует об их корректности.

7. Разработанные мехатронные следящие приводы обладают повышенной экономичностью благодаря использованию мехатронных регуляторов давления, регулирующие пневмомеханические элементы которых обладают положительным перекрытием. Они могут быть легко защищены от действия агрессивных факторов окружающей среды и рекомендуются для промышленного применения в жёстких условиях эксплуатации.

8. Эффективным средством увеличения точности и качества переходных процессов ЭПСП является применение комплекса разработанных алгоритмов, реализующих линейные и нелинейные законы управления.

9. Разработанные структура ЭПСП, математические модели и алгоритмы управления ЭПСП рекомендуются для применения в составе робототехнических и технологических систем, работающих в жёстких производственных условиях: на машиностроительных предприятиях, в металлургии, горнодобывающих и горноперерабатывающих отраслях, в производстве продуктов питания, в экстремальной робототехнике, нефтегазовой отрасли, деревообработке и упаковке.

Результатами исследования, обладающими практической полезностью, являются новая структура и рекомендации по построению гаммы, мехатронных электропневматических приводов нового класса, на базе которых создан образец ЭПСП, обладающий повышенной точностью, быстродействием, экономичностью и способный работать в жёстких промышленных условиях.

Разработанные алгоритмы и программы управления дают возможность реализовать компьютерное управление мехатронным приводом в реальном времени при применении управляющих ЭВМ и микропроцессорных контроллеров.

Компьютерные модели и программы моделирования могут использоваться для анализа динамических свойств приводов и проведения проектных расчётов, направленных на поиск наилучших значений параметров компьютерных средств управления, обеспечивающих повышение точности и рост быстродействия ЭПСП.

1. Абрамцев A.A. Флотационные методы обогащения. Учебник для вузов. М.: Недра, 1984,383 с.

2. Ахромеев Ж.П., Дмитриева Н.Д., Лохин В.М. и др. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. В 9-ти кн. Кн. 2. Приводы робототехнических систем: Учеб. пособие для втузов / под ред. И.М. Макарова. М.: Высш. шк., 1986. - 175 е.: ил.

3. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. : Наука, 1976.- 576 с.

4. Бесекерский В. А., Ефимов Н.Б., Знатдинов С.И. и др. Микропроцессорные системы автоматического управления. Под общ. ред. Бесекерского В.А. Л.: Машиностроение, 1988. - 365 с.

5. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. М.: Наука, Гл. ред. физ-мат. лит., 1987. - 320 с. (Теоретические основы технической кибернетики)

6. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления Изд. 4-е, перераб. и доп. - СПб, Изд-во «Профессия», 2004. -752 с.

7. Блейз Е.С., Баранов М.В., Зимин A.B. и др. Следящие приводы: В-3 т.2-. е изд., доп и перераб. / Под ред. Б.К. Чемоданова. Т. 1: Теория и проектирование следящих приводов / М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1999. - 904 с.

8. Блекборн Дж., Ритхоф Г., Шерер Дж.Л. Гидравлические и пневматические системы управления. Перевод с англ. Дворецкого В.М., Плунгяна A.M. Под ред. к.т.н. Хохлова В.А. Москва: Издательство иностранной литературы, 1962.

9. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М.: Наука, 1986. - 544 с.

10. И Брюханов В.Н., Косов М.Г. и др. Теория автоматического управления: Учебник для втузов по специальностям «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» / Под. ред. Соломенцева Ю.М. -М.: Машиностроение, 1992. 172 е.: ил.

11. Вентцель Е.С. Исследование операций. М., «Советское радио», 1972.- 552 с.

12. Воронов A.A., Ким. Д.П., Лохин В.М. и др. Теория автоматического управления: Учебник для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика». В 2-х ч. Ч. II; Под ред. Воронова A.A. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш.шк., 1986. - 504 е.: ил.

13. Востриков A.C., Французова Г. А. «Теория автоматического моделирования»: Учебное пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2004. - 365 с.

14. Гельман В.Я. Решение математических задач средствами Excel. -Практикум. Спб.: Питер, 2003. - 240 е.: ил.

15. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. Спб.: Корона принт, 2001. - 320 е.: ил.

16. Герц Е.В. Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. Сборник статей. Вып. 5. М.: «Машиностроение», 1978. - 280 е.: ил.

17. Герц Е.В., Зенченко В.П., Крейнин Г.В. Синтез пневматических приводов. -М.: Машиностроение, 1966.

18. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчёт пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1975. - 272 с.

19. Горнаков С.Г. DirectX 9: Уроки программирования на С++. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 400 е.: ил.

20. ГОСТ 7.32^-2001 Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления. Введ. 01.07.2002.

21. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки дипломированного специалиста 652000 Мехатроника и робототехника / Министерство образования РФ. - М.: 2000.

22. Градецкий В.Г., Дмитриев В.Н. Основы пневмоавтоматики. М.: «Машиностроение», 1973. - 360 с.

23. Градецкий В .Г., Парой A.A. Пневматический робот с плавным торможением движения пневматического исполнительного механизма. // Вестник машиностроения, 1981, № 3, с.5-8

24. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю: Роботы вертикального перемещения. М.: Тип. Мин. Образования РФ, 1997, 233 с.

25. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я.- Высшая математика в упражнениях и задачах. Ч. 2: Учеб. пособие для студентов втузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1980. - 320 с.

26. Денисов A.A., Нагорный B.C. Пневматические и гидравлические устройства автоматики. Пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1978. -214 с.

27. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. - 541 с.

28. Илюхин Ю.В. Компьютерное управление мехатронными системами. Конспект лекций для студентов 5-го курса ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по специальности «Мехатроника», 2009.

29. Илюхин Ю.В. Синергетический (мехатронный) подход к проектированию систем управления технологических роботов // Мехатроника, № 2, 2000. с.7-12.

30. Илюхин Ю.В. Создание высокоэффективных систем управления исполнительными движениями роботов и мехатронных устройств на основе технологически обусловленного метода синтеза. Диссерт. д.т.н. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2001. - 378 с.

31. Илюхин Ю:В. Электромеханические и мехатронные системы. Конспект лекций для студентов 4-го курса ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по направлению «Автоматизация и управление», 2009.

32. Илюхин Ю.В., Арфикян С.А. Позиционные и следящие электропневматические приводы. Мехатронные решения Камоцци. / Новости приводной техники. 2009, №7-8 (96).

33. Илюхин Ю.В., Малышев А.Б., Подураев Ю.В. Синтез линейных исполнительных систем роботов методом логарифмических частотных характеристик: консп. лекций. М.: Мосстанкин, 1988. - 56 с.

34. Илюхин Ю.В., Подураев Ю.В. Проектирование исполнительных систем роботов. Линеаризованные системы: Учебное пособие М.: Издательство МПИ, 1989. - 75 с.

35. Исии Т. Мехатроника М.: Мир, 1988.

36. Казмиренко В.Ф., Баранов М.В., Илюхин Ю.В. Автоматизированное проектирование следящих приводов и их элементов. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 240 е.: ил.

37. Казмиренко В.Ф. Электрогидравлические мехатронные модули движения. Основы теории и системное проектирование. Учеб. пос. М.: Радио и связь, 2001. - 211 с.

38. Казмиренко В.Ф., Ковальчук А.К. Метод непрерывного прототипа в проектировании цифровых следящих электрогидравлических приводов. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1990. 102 с.

39. Карнаухов Н.Ф. Электромеханические и мехатронные системы. -Ростов н/Д: Феникс, 2006. 320 с.

40. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Ленинград, 1986.

41. Коу Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. М.: Машиностроение, 1986. -448 с.

42. Крейнин Г.В., Челышев В.А. Гидравлические и пневматические приводы промышленных роботов / Центр, правл. НТО приборостроит. пром-сти им. С.И. Вавилова. -М.: б. и., 1986. 67 е.: ил.

43. Крейнин Г.В. Пневматические приводы промышленных роботов. -Станки и инструмент, 1978. № 7, с.24—27.

44. Крейнин Г.В., Кривц И.Л. Электропневматический позиционный привод с широтно-импульсным управлением. В кн. Пневматика и гидравлика. Приводы и СУ. Вып.11. -М.: Маш., 1984. с.73-80.

45. Крейнин Г.В., Кривц И.Л., Солнцева К.С. Франк В., Ульбрихт А. Позиционный пневматический привод линейного перемещения. / (Москва, СССР Дрезден, ГДР) - Машиноведение, №2, 1986. с.42-48.

46. Крейнин Г.В., Шорников Е.Е., Солнцева К.С. Пневматический привод. A.c. 114823 (СССР) Опубл. Б.И. №35, 1984.

47. Лакота H.A. Проектирование следящих систем. / Под ред. Лакоты H.A. М.: Машиностроение, 1992. - 352 с.

48. Ласточкин A.A., Трофимович А.Г., Смотраков Д.В. Пневмооборудование SMC для пропорционального управления и позиционирования: Учебное пособие. СПб.: ООО «ЭС ЭМ СИ Пневматик», 2003. - 104 е.: ил.

49. Лепешкин A.B. Гидравлические и пневматические системы: учебник для студ. учреждений сред. проф. Образования / A.B. Лепешкин, A.A. Михайлин; под. ред. проф. Ю.А. Беленкова. 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 336 с.

50. Ломака М.В., Медведев И.В. Микропроцессорное управление приводами промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1990. - 96 с.

51. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры. Редакция литературы по новой технике. Перевод на русский язык. Изд-во «МИР», 1982. 592 с.

52. Макаров И.М., Менский С.М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал). 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 19821 - 504 с.

53. Мартинов Г.М., Сосонкин В.Л. Концепция числового программного управления мехатронными системами: проблема реального времени // Мехатроника, 2000. № з, с.37-41.

54. Мозжечков В.А. Пневматические элементы и приводы роботов: Учебное пособие. Тула: ТулПИ, 1989.

55. Моль Р. Гидропневмоавтоматика. Пер. с франц. М.: «Машиностроение», 1975.

56. Наземцев A.C. Гидравлические и пневматические системы. Часть 1. Пневматические приводы и средства автоматизации: Учебное пособие. -М.: ФОРУМ, 2004. 240 е.: ил.

57. Нечаев М.С. Реферат по дисциплине «Системы реального времени», на тему: «Основные понятия и программное обеспечение систем реального времени». Красноярск: 2007.

58. Пашков Е.В., Осинский Ю.А., Четверкин A.A. Электропневмоавтоматика в производственных процессах. Учеб. пособие. — 2-е изд. перераб. и доп. Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2003. - 456 е.: ил.

59. Пелевина A.A. Методические указания по дисциплине «Теория управления» для студентов направления 550200 «Автоматизация и управление» очной и заочной форм обучения. Нелинейные системы. Метод гармонической линеаризации. Тюмень: 2002.

60. Погорелов Б.В. Пневматические позиционеры фирмы Камоцци // Новости приводной техники. 2006, №1.

61. Погорелов В.И. Газодинамические расчеты пневматических приводов. -Д.: Машиностроение, 1971. 184 с.

62. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение. М.: Машиностроение, 2006. - 256 с.

63. Подураев Ю.В. Основы мехатроники: Учебное пособие. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2000. - 80 е.: ил.38, табл.5, библ. 66 назв.

64. Подураев Ю.В., Кулешов B.C. Принципы построения и современные тенденции развития мехатронных систем // Мехатроника. 2000. №1. с.5-10.

65. Позиционирование исполнительных механизмов с помощью пневмооборудования SMC Corporation // Гидравлика и пневматика. 2008. №31.

66. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г. и др. «Математическая теория оптимальных процессов» -М.: Наука, 1969.

67. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 320 е.: ил.

68. Попов.Е.П. Автоматическое регулирование и управление. Редактор Соболев O.K. М.: Физматгиз, 1962. - 388 е.: ил.

69. Прокофьев В.Н., Скрицкий В .Я., Водопьян П.О. Гидравлика и пневматика в промышленных роботах. Вестник машиностроения, № 5, 1976.

70. Пупков К.А., Егупов Н. Д. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5-и тт.; 2-е изд., перераб. и доп.

71. Т.4: Теория оптимизации систем автоматического управления. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 744 с.

72. Рачков М.Ю. Мультисенсорный робот для гуманитарного разминирования / Статья в журнале «Мехатроника, Автоматизация, Управление» №7, 2004.

73. Решетников Е.М., Саблин Ю.А., Григорьев В.Е. и др. Электропневматические преобразователи гидравлических и газовых приводов. -М.: Машиностроение, 1982. 145 с.

74. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители. Справочное руководство. Под ред. к.т.н. Гальперина M.B. М.: Изд-во «МИР», 1978.

75. Саяпин В.В. Пневматический (гидравлический) следящий привод и струйный двигатель (варианты). Патент Российской Федерации. Номер патента: 2089756. Класс(ы) патента: F15B9/03, F15B11/08. Номер заявки: 95113625/06. Дата публикации: 10.09.1997.

76. Солодовников В.В., Филимонов Н.Б. Проблема динамического качества систем автоматического управления: Учеб. пособие. М.: МВТУ, 1987.

77. Тугенгольд А.К., Богуславский И.В., Лукьянов Е.А. и др. Введение .в мехатронику: Учеб. пособие. Ростов н/Д: Издат. центр ДГТУ, 1999. - 175 с.

78. Туманов М.П. Теория управления. Теория линейных систем автоматического управления: Учебное пособие. М.: МГИЭМ, 2005. - 82 с.

79. Филиппов И.Б., Бежанов Б.Б., Ронжин О.В. Следящий позиционный пневмопривод. Авторское свидетельство, 720197.

80. Фу К. , Гонсалес Р., Ли К. «Робототехника». / пер. под ред. Градецкого В.Г.-М.: «Мир», 1989.

81. Харченко А.Н. Разработка электропневматических следящих приводов для технологических систем на базе мехатронных компонентов. / XXXIV

82. ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. Научные труды Международной молодёжной научной конференции в 8 томах. Москва, 1-5 апреля 2008 г. / Ответственный редактор Сердюк Н.И. М.: МАТИ, 2008. - Т.1 - 240 е., с.212-215.

83. Харченко А.Н., Илюхин Ю.В. Электропневматические пропорциональные регуляторы давления компании Камоцци. / Новости приводной техники. 2008, №2 (82), с.3-4.

84. Хитров А.И. Учебное пособие по курсу «Основы числового программного управления» для студентов специальности 140604 «электропривод и автоматика промышленных установок». Синтез цифровых систем. Псков: 2006.

85. Хортон А. Visual С++ 2005: базовый курс Текст. / Айвор Хортон; перевод с англ. М.: ООО «И.Д. Вильяме», 2007. - 1152 е.: ил.

86. Чемоданов Б.К., Иванов В.А., Медведев B.C., Ющенко A.C. / Математические основы теории автоматического управления: Учеб. пособие: В 3 т./ под ред. Чемоданова Б.К. 3-е изд., перераб. и доп. - Т. 2. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 616 е.: ил.

87. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. 1-е издание, 2007. 288 с.

88. Шифрин А.Я., Бабич A.B., Баранов А.Г. Промышленная робототехника. М.: Машиностроение, 1982. - 415 с.

89. Эккель Б. Философия С++. Введение в стандартный С++. 2-е изд. -СПб.: Питер, 2004. - 572 е.: ил.

90. Юревич Е.И. Основы робототехники: Учебник для втузов. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 271с.: ил.

91. Юревич Е.И. Управление роботами и робототехническими системами: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. - 168 с.

92. Coldstein S.R. A new type of all pneumatic pulsed servomechanism. ScD thesis. March 17-18, 1976.

93. Iserman R. Modelling and Design Methodology for Mechatronics Systems. // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 1, 1996.

94. Raparelli Т., Manuello Bertetto A., Mazza L. Experimental and numerical study of friction in an elastomeric seal for pneumatic cylinders. // Tribology International, 1997, №30.

95. Shih Ming-chang, Hwang Chneu-gney. Futty PWN control of the positions of pneumatic robot cylinder using high speed solenoid valve. // JSME Int. J. C. -1997. 40, № 3. - c.469-476.

96. Tokaus I., Hawath F. Lagepositionierung von pneumatischen linearutrieben. II koll. uber industrieroboter, Vortrage, Szeged, 26-28, VI, 1979, c.421^29.

97. Датчики линейного перемещения Gefran Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.gefran.ru/catalog/sensor/potentiometer/linear/pmel2/. Дата доступа: 02.04.2009.

98. Датчики давления Motorola Электронный ресурс. Режим доступа:-http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data sheet/MPX5700.pdf; http://www.efo.rU/doc/Freescale/Freescale.pl72288#nl. - Дата доступа: 23.11.2009.

99. Датчики линейного перемещения Balluff Электронный ресурс. -Режим доступа: http://balluff.ru/pdf/btl/P002.pdf. Дата доступа: 23.10.2009.

100. Каталог продукции Camozzi. 2008-2009. Электронный ресурс. -Режим доступа:http://www.camozzi.ru/index.php?option=com content&task=view&id=489&Ite mid=341. Дата доступа: 12.11.2009.

101. Каталог продукции SMC Corporation. Пневматические цилиндры, приводы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.smc-pneumatik.ru/cat.php?raz=21. - Дата доступа: 03:04.2007.

102. Компьютерные платы управления A812PG Электронный ресурс. -Режим доступа: http://f.ipc2u.ru/files/add/doc/203/A812PG.pdf. Дата доступа: 23.11.2009.

103. Компьютерные платы управления ACL8216 Электронный ресурс. -Режим доступа: http://f.ipc2u.ru/files/add/doc/258/A8216Manual.pdf. Дата доступа: 23.11.2009.

104. Котеров Д. Программирование таймера Электронный ресурс. -Режим доступа: http://dklab.ru/doc/timer.htmi. Дата доступа: 12.05.2009.

105. Математический анализ. Ряд Фурье. Теоретическая справка Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.exponenta.ru. - Дата доступа: 12.11.2009.

106. Механика жидкостей и газов. Формула Пуазейля Электронный ресурс. Режим доступа: http://alexandr4784.narod.ni/sdvmpdfl/smgll2 97.pdf. - Дата доступа: 23.11.2009.

107. Многоязычная универсальная энциклопедия Википедия Электронный ресурс. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org. - Дата доступа: 23.11.2009.

108. Модульные пневмомеханические флотационные машины Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.rivs.ru/oborudovanie/flotacionnoe oborudovanie/. - Дата доступа: 12.05.2009.

109. Преобразователи сигналов на операционных усилителях Электронный ресурс. Режим доступа: http://de.ifmo.ru/bk netra/page.php?index=12&layer=l&tutindex=36#19. - Дата доступа: 12.11.2009.

110. Среднеквадратическая аппроксимация функций и метод наименьших квадратов Электронный ресурс. Режим доступа: http://vtit.kuzstu.ru/books/shelf/132/doc/glava2.html. - Дата доступа: 23.11.2009.

111. Цифровые системы автоматического управления. Основы теории управления Электронный ресурс. Режим доступа: http://prodav.exponenta.ru/otu/doc/manreg05.doc. - Дата доступа: 23.11.2009.

112. Электронный учебник Maple Электронный ресурс. Режим доступа: http://math-guru.ru. - Дата доступа: 12.11.2009.

113. Электронный учебник Matlab & Toolboxes Электронный ресурс. -Режим доступа: http://matlab.exponenta.ru/. Дата доступа: 12.11.2009.