автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка автоматизированной технологии исследования и построения многоприводных мехатронных систем

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. МЕХАТРОНИКА И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТРОЕНИЯ МНОГО

ПРИВОДНЫХ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ.

1.1 Общие сведения о мехатрониых системах.

1.1.1. Сущность понятия «мехатроника».

1.1.2. Обобщенная архитектура, агрегатирование мехатрониых систем.

1.1.3. Системы управления мехатронными объектами.

1.1.4. Управляемый модуль и многоприводных мехатрониых систем ММС.

1.2. Анализ методов и средства проектирования и управления многоприводных мехатрониых систем (ММС).

1.2.1. Автоматизированная технология для разработки и исследования ММС.

1.2.2. Проектирование управляющий модуль на ПК или на микроконтроллере управления ММС.

1.3. Анализ и рассмотрение автономный электрогидравлический привод (АЭГП) как мехатронный объект управления.

1.3.1. Проблема проектирования электрогидравлических мехатрониых модулей движения.

1.3.2. Автономные электрогидравлические приводы (АЭГП).

1.3.3. Схемотехнические решения автономных электрогидравлических приводов.

1.3.4. Автономные электрогидравлические приводы с цифровым управляющим устройством как объект мехатрониых систем.

1.4. Анализ современных средств управления мехатрониых систем.

1.4.1. Микропроцессорные устройства управления.

Результат по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ.

2.1. Мехатронная модель гидропривода.

2.1.1. Виртуальное моделирование МС и основные сведения для построения мехатронной системы автономного электрогидравлического привода (АЭГП).

2.1.2. Конструкция электромеханический преобразователь (ЭМП).

2.1.3. Модели золотникового гидрораспределителя и гидроцилиндра.

2.1.4. Модели системы управления гидропривода.

2.2. Мехатронная модель электропривода насоса.

2.2.1. Основные характеристики объёмных насосов.

2.2.2. Математическое описание, передаточные функции и структурные схемы двигателей постоянного тока.

2.2.3. Моделирование транзисторных ШИП и электромагнитные процессы в системе ШИП-ДПТ.

2.2.4. Моделирование системы управления вращательной скоростью двигателя насоса.

2.3. Разработка моделей электропривода насоса и гидропривода и объединение в мехатронной системе. Рассмотрение задачи комбинирование управления ими.6S

2.3.1. Обобщение структур моделей автономного электрогидравлического следящего привода.

2.3.2. Исследование динамических характеристик модели автономного электрогидростатического привода.

Результат по главе 2.

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ, ПОЛУНАТУРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АВТОНОМНЫХ

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ.

3.1. Метод полунатурное управление и модель автономных электрогидравлических приводов в реальном времени.

3.1.1. Метод полунатурное управление.

3.1.2. Средства реализации моделирования в реальном времени.

3.1.3. Имитация модели автономного электрогидравлического привода в реальном времени.

3.2. Аппаратное средство в полунатурном управлении Приложение дискретные управляющие устройств.

3.2.1. Полунатурное управление с использованием персональный компьютер.

3.2.2. Дискретные алгоритмы управления и проблемы при разработке цифровые сигналы.

3.2.3. Полунатурное управление с использованием однокристальные микроконтроллеры и синтез алгоритма управления АЭГП для однокристального микроконтроллеры.

Результат по главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ И СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЙ ОЦЕНКИ КОМБИНИРОВАННЫЕ ЦИФРОВЫЕ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОПРИВОДНЫМИ НА СИСТЕМЕ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА.

4.1. Построение стенд систем управления автономными электрогидравлическими следящими приводами.

4.1.1 Технические характеристики стендовые АЭГП.

4.1.2. Элементы и принципы построения канал гидропривода

АЭГП.

4.1.3. Управление скоростью двигателя насоса. Элементы и принципы управления энергическим каналом.

4.1.4. Измерительные устройства.

4.2. Исследование АЭГП с использованием дискретной системой и результаты эксплуатация и оценки системы управления АЭГС.

4.2.1. Структура цифровое управляющее устройство контроллер АЭГП.

4.2.2. Результаты эксплуатация и оценки системы управления АЭГС.

Результат по главе 4.

ЗАКЛЮЧЕНИЯ.

Актуальность роботы Мехатронные системы стремительно расширяют область применения. Они начинают интенсивно использоваться для реализации высокотехнологичных процессов в различных отраслях промышленности, качественного улучшения характеристик транспортных, авиационных и космических объектов. Применение мехатронного подхода при создании устройств и машин определяет их основные преимущества по сравнению с традиционными электромеханическими системами: высокую точность реализации сложных движений, высокую степень интеграции, высокую надежность, долговечность и помехозащищенность.

В работе рассматривается класс многодвигательных мехатронных объектов, в которых интегрируются в единую систему два или более приводов, возможно, различной физической природы. Создание таких систем влечет необходимость разработки новых компьютерных методов и средств для их проектирования и исследования. Компьютерные технологии должны обеспечивать непосредственную реализацию всех этапов создания многодвигательных мехатронных систем (ММС) - от построения математической модели до управления функциональным движением в реальном времени.

Таким образом, разработка компьютерной технологии построения ММС является весьма актуальной.

Диссертационная работа основывается на результатах исследований, отраженных в трудах Е.П. Попова, И.М. Макарова, В.М Лохина., B.C. Кулешова, Н.А. Лакоты, Б.К. Чемоданова, А.С. Ющенко, Е.И. Юревича, Ю.А Борцова, В.В.Путова, Н.Д. Поляхова, А.Л. Фрадкова, Б.Р. Андриевского, ИВ. Мирошника, В.М. Шестакова и других российских ученых, а также зарубежных: Вукобратовича М., Железова Ж. Й., Исии Т., Сига М., Уэда М. и ДР

Целью настоящей диссертационной работы является создание методических, алгоритмических, аппаратно-программных средств исследования и разработки многоприводных мехатронных систем (ММС).

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи исследования:

1. Разработка методики исследования динамики ММС.

2. Построение комплекса аппаратно-программных средств для виртуального, полунатурного и экспериментального исследования ММС, ориентированных на анализ управления ММС.

3. Разработка и исследование методов анализа и отладки цифрового управления электрическими, гидравлическими и электрогидравлическими приводами ММС.

4. Разработка способов реализации микроконтроллерного управления ММС.

5. Оценка эффективности взаимосвязанного управления по двум каналам автономного электрогидравлического привода.

Методы исследования. При разработке теоретических положений диссертационной работы использованы методы теории автоматического управления, теории электрических машин, математического моделирования динамических систем, теоретической механики.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Методика компьютерного исследования динамики ММС базируется на оригинальной технологии компьютерного конструирования динамических моделей ММС, что позволяет проводить исследования без утраты информации.

2. Комплекс аппаратно-программных средств для построения и исследования управления ММС охватывает все этапы разработки от анализа динамики исходной системы до отладки управления и обеспечивает гибкий переход между ними внутри выбранной программной среды MATLAB.

3. Методика автоматизированного анализа и отладки цифрового управления исполнительными приводами ММС обеспечивает полноту учета динамических взаимосвязей исполнительных приводов и ориентирована на реализацию в реальном времени.

4. Методы реализации управления и оценки качества работы ММС базируются на оригинальных моделях ММС и ориентированы на программную среду MATLAB, предусматривающую расширение базы аппаратно-программных решений.

5. Оценки динамики и экономичности мехатронного электрогидравлического привода показывают совокупность динамических и энергетических характеристик привода при взаимосвязанном управлении со стороны электропривода насоса и со стороны электрогидравлического усилителя.

На защиту выносится

1. Методика компьютерного исследования динамики ММС, ориентированная на графическую систему программирования МАТ-LAB/SIMULINK.

2. Комплекс аппаратно-программных средств для построения и исследования ММС, охватывающий все основные этапы от анализа динамики исходной системы до отладки управления, реализованный в единой программной среде MATLAB и обеспечивающий гибкий переход от одного этапа исследования к другому.

3. Методика автоматизированного анализа и отладки цифрового управления исполнительными приводами ММС с учетом совокупности сложных взаимосвязей процессов различной физической природы (электрические, гидравлические, электрогидравлические ММС).

4. Технологически обусловленные методы реализации управления средствами современной микроконтроллерной техники в совокупности с автоматизированными методами оценки качества работы ММС. Методы ориентированны на непрерывно расширяющуюся базу аппаратно-программных решений.

5. Оценки энергетической эффективности взаимосвязанного управления автономного электрогидравлического привода (АЭГТТ) со стороны электропривода насоса и со стороны электрогидравлического усилителя.

Практическая значимость представляемой диссертационной работы заключается в следующем:

1. Создании совокупности методических, алгоритмических и аппаратно-программных средств исследования и разработки многоприводных мехатронных систем для широкого спектра отраслей промышленности;

2. Построении технологически ориентированных методов реализации управления ММС современными микроконтроллерными средствами;

3. Создании программно-алгоритмических средств для анализа энергетической эффективности управления ММС;

4. Построении полунатурной системы управления и экспериментального контроля для стендовой отработки мехатронных электрогидравлических приводов с комбинированным управлением.

Все представленные результаты работы подтверждены в ходе экспериментальных испытаний на стенде автономного электрогидравлического привода.

Апробация. Основные теоретические и практические положения диссертации изложены:

- На 5-х международных и всероссийских научно-технических конференциях в 2004-2006 гг. (см. публикации);

- На ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (№ 57, 58, 59) Санкт-Петербург, 2004, 2005, 2006 гг.;

- На научных семинарах кафедры САУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2004-06 гг.

- Часть результатов была использована в рамках Федеральной Целевой Программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки" (проекты № 226).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих печатных работах:

1. Гаврилов С.В., Джаббаров А.Д., Киен Ч.С. Управление нелинейными колебательными системами с несколькими входами.// Сборник докл. Второй Всероссийской научной конференции "Управление и информационные технологии", 21-24 сентября 2004 г., г. Пятигорск. Том 1. Изд-во «Спецпечать», 2004. С. 106-110.

2. Джаббаров А.Д., Косолапов Д.С., Киен Ч.С. Использование высокоадекватных математических моделей динамики, при анализе многодвигательных мехатронных систем.// Труды Международной школы-семинара "Адаптивные роботы - 2004", 8-11 июня 2004 г., г. Москва-Санкт-Петербург, 2004. С. 100-104.

3. Chan Xuan Kien, Dmitry S. Kosolapov, Aivar D. Djabbarov. Effects and phenomenon in a two-motor vibration machine with microprocessor control. // Preprints 10th International Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad), 2004, Saint-Petersburg, Russia, p. 84.

4. Гаврилов C.B., Киен Ч.С., Фыонг Д.К., Чьен Н.К. Компьютерная технология построения управления мехатронными системами.// «Естественные и технические науки», № 1. Изд-во: «Компания Спутник +», 2006. С. 207-212.

5. Гаврилов С.В., Киен Ч.С., Фыонг Д.К., Данг Н.Х. Разработка автоматизированной технологии исследования автономных электрогидравлических приводов.// Труды Девятой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Том 5: «Экстремальная робототехника», 5-6 апреля 2006 года, г. Санкт-Петербург, Россия.

6. Гаврилов С.В., Киен Ч.С., Фыонг Д.К., Тунг Х.В. Разработка автоматизированной технологии исследования и построения многоприводных мехатронных систем.// «Техника и технология», № 3. Изд-во: «Компания Спутник +», 2006.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработано методическое, алгоритмическое и аппаратно-программное обеспечение для автоматизации процесса исследования, реализации и отладки управления электрическими, гидравлическими и электрогидравлическими приводами мехатронных систем.

В ходе работы получены следующие научно-технические результаты:

1) Методика компьютерного исследования динамики ММС, которая базируется на оригинальной технологии конструирования математических моделей ММС, позволяющей учитывать все особенности динамики систем, «заложенные» на начальном этапе.

2) Совокупность алгоритмических и аппаратно-программных средств для построения и исследования управления многоприводными мехатронными системами широкого спектра отраслей промышленности. Комплекс средств охватывает все основные этапы разработки и обеспечивает гибкий переход между ними внутри единой программной среды MATLAB.

3) Технологически ориентированные на современные микроконтроллерные средства методы реализации управления электрическими, гидравлическими и электрогидравлическими приводами ММС.

4) Алгоритмическое и программное обеспечение для автоматизированного анализа и отладки микроконтроллерного управления исполнительными приводами ММС, обеспечивающее полноту учета динамических взаимосвязей исполнительных приводов и ориентированное на реализацию в реальном времени.

5) Полунатурная система управления и контроля для стендовой отработки автономных мехатронных электрогидравлических приводов с комбинированным управлением.

6) Оценки энергетической эффективности автономного электрогидравлического привода, представляющие совокупность динамических и энергетических характеристик привода при взаимосвязанном управлении со стороны электропривода насоса и со стороны электрогидравлического усилителя.

1. Автоматизированный электропривод. Под ред. Н.Ф. Ильинского, М. Г. Юнькова. М., Энергоатомиздат, 1990.

2. Андриевский Б.Р., Блехман И.И., Борцов Ю.А., Гаврилов C.B. и др. Управление мехатронными вибрационными установками.- СПб.: Наука, 2001.-278 с.

3. Антонов Б.И., Филимонов Н.Б. Не «обо всем», а о мехатронике (о границах проблематики журнала) // Мехатроника. 2000.№6. С.43-47.

4. Аршанский М.М., Шалобаев Е.В. Мехатроника: основы глоссария // Мехатроника. 2001.№4. С.47-48.

5. Барашин. А. В., Новиков В. А, Соколовский Г. Г., Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат, 1982.

6. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат, 1982.

7. Башарин А.В., Постников Ю. В. Примеры автоматизированного электропривода на ЭВМ. Ленинград, Энергоатомиздат, 1990.

8. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления СПб, Изд-во «Профессия», 2003. -752 с.

9. Блейз Е.С., Бродовский В.Н., Введенский В.А. и др. Следящие приводы.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.-880 с.

10. ЮБродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. Справочник. Эком. 1999.

11. Гаврилов С.В., Кьен Ч.С., Фыонг Д.К. Компьютерная технология построения управления мехатронными системами. Тез. докл.// 16-йнаучно-технической конференции "ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ

12. РОБОТОТЕХНИКА", 11-13 апреля 2005 года, г. Санкт-Петербург, Россия.

13. Гаврилов С.В., Ч.С. Кьен, Д.К. Фыонг, Н.К. Чьен. Компьютерная технология построения управления мехатронными системами. // «Естественные и технические науки», № 1. Изд-во «Компания Спутник +», 2006. с. 207.

14. Густав Олссон, Джангунидо Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. -СПб: Невский Д. 2001.- 557 с.16Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы "ATMEL". Додэка. 2004.

15. Егоров В. Н., Шестаков В. М. Динамика систем электропривода. Л.: Энергоатомиздат, 1983.

16. Изерман Р. Цифровые системы управления. Москва. Мир. 1984г. 541с.

17. Казмиренко В.Ф. Электрогидравлические мехатронные модули движения. -М.: Радио и связь, 2001. 432 с.

18. Клир Дж. Системология: Автоматизация решения системных задач: Пер. с англ. -М: Наука, 1985. -343с.

19. Ковчин С. А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. Спб., Энергоатомиздат, 1994.

20. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода. СПб.: Энергоатомиздат, 2000.

21. Ковчин С.А. Теория электропривода: Учебник / Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. СПб.: Энергоатомиздат, 2000. - 496 с.

22. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М., Высшая школа, 1987

23. Методы робастного нейро-нечеткого и адаптивного управления. Под ред.д.т.н. Н. Д. Егупова. М., МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002.

24. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков A.JI. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. — СПб.: Наука, 2000. -549 с.

25. Пер. с япон./исии Т., Симояма И., и др. Мехатроника: -М.: Мир, 1988.-318е., ил.

26. Подураев Ю.В., Кулешов B.C. Принципы построения и современные тенденции развития мехатрониых систем // Мехатроника. 2000.№1.С.5-10.

27. Предко М. Руководство по микроконтроллерам в 2-х тт. Постмаркет. 2001.

28. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola. Додэка. 2000.

29. Р. Дорф., Р. Бишоп Современные системы управления. -М.Лаборатория Базовых Знаний, 2002.-832 с.

30. Следящий привод. Под ред. Б.К. Чемоданова. М., Энергия, 1976.

31. Тимофеев А.В. Роботы и искусственный интеллект. М.: Наука, 1978. 192 с.

32. Тимофеев А.В. Управление роботами. JI.: Изд-во ЛГУ, 1985. 218 с.

33. Тимофеев А.В. Адаптивные робототехнические комплексы. Л.: Машиностроение, 1988. 332 с.

34. Тимофеев А.В. Эволюция теории и средств управления в робототехнике и мехатронике. Мехатроника, №2, 2000.

35. Тугенгольд А.К. , Богуславский И.В., Лукьянов Е.А., Марынов В.В. Введение в мехатронику. Ростов н/Д: Издательский Центр ДГТУ, 2002 -162 с.

36. Управление мехатронными вибрационными установками. / Б. Р. Андриевкий., И. И. Блехман, Ю. А. Борцов, С. В. Гаврилов, В. А. Коноплев, Б. П. Лавров, Н. Д. Поляхов, О. П. Томчина, А. Л. Фрадков, В.

37. М. Шестаков; Под ред. И. И. Блехмана и A. JI. Фрадкова. Спб.: Наука, 2001-278с.

38. Шагурин И.И. Современные микроконтроллеры и микросхемы Motorola. Горячая линия-Телеком. 2004.

39. Шалоаев Е.В. К вопросу об определении мехатроники и иерархии мехатронных объектов // Датчики и системы. 2001. С. 103-113.

40. Шенфельд Р., Хабигнер Э. Автоматизированные электроприводы. Л.: Энергоиздат, 1985.

41. Chan Xuan Kien, Dmitry S. Kosolapov, Aivar D. Djabbarov. Effects and phenomenons in a two-motor vibration machine with microprocessor control. 10th International Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad). St. Petersburg. 2004.

42. Фомии B.H., Фрадков A.JI., Якубович B.A. Адаптивное управление динамическими системами. М.: Наука, 1981. 448с.

43. Гаврилов С.В., Киен Ч.С., Фыонг Д.К., Тунг Х.В. Разработка автоматизированной технологии исследования и построения многоприводных мехатронных систем.// «Техника и технология», № 3. Изд-во: «Компания Спутник +», 2006.