автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Разработка и исследование цифровых регуляторов с самонастройкой для электрогидравлических следящих приводов, управляющих положением массивных объектов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ)

/ На правах рукописи

' \ ■ / [? N • УДК 62-523

Макаренков Сергей Александрович

Разработка и исследование цифровых регуляторов с самонастройкой для электрогидравлических следящих приводов, управляющих положением массивных объектов

05.02.03 - системы приводов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

л п л Научный руководитель -

^С^Сч/) заслуженный деятель науки РФ,

' д.т.н., проф. МАИ

Ермаков С. А.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВВДЕНИЕ..................................................................5

ГЛАВА 1. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕГУЛЯТОРА СОСТОЯНИЯ И НАБЛЮДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА.......................25

1.1. ОБЩАЯ ЗАДАЧА СИНТЕЗА РЕГУЛЯТОРА СОСТОЯНИЯ СЛЕДЯЩЕГО ГИДРОПРИВОДА..........................................25

1.2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ УСТАНОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ И СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ ПОЗИЦИОННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА СТРУКТУРУ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА................................40

1.3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЦИФРОВОЙ РЕАЛИЗАЦИИ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ................................................................................72

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ НАСТРОЙКИ РЕГУЛЯТОРА СОСТОЯНИЯ И МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА НА ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЫХОДНОЙ ЧАСТИ ПРИВОДА................................................................................79

2.1. АЛГОРИТМ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ................................................................................79

2.1.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИДЕНТИФИКАЦИИ

ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА79

2.1.2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ

ФИЛЬТРАЦИИ ДАННЫХ......................................................93

2.1.3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ГЕНЕРАТОРА ТЕСТОВОГО

СИГНАЛА................................................................................99

2.2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРА СОСТОЯНИЯ

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА.....................103

2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССОРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА НАСТРОЙКИ РЕГУЛЯТОРА СОСТОЯНИЯ И МОДЕЛИ...................................................111

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

РАЗРАБОТАННЫХ КОРРЕКТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ 116

3.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА, РЕАЛИЗУЮЩЕГО НАБОР ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ ПО КООРДИНАТАМ СОСТОЯНИЯ.........................................................................116

3.2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ МАКЕТИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ КОРРЕКТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ

ПРИВОДОВ............................................................................130

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С

АЛГОРИТМОМ САМОНАСТРОЙКИ..................................151

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА МЕТОДОМ

МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.....................172

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................183

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................186

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..........................................................................191

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...........................................................................199

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..........................................................................201

ВВЕДЕНИЕ

В качестве рулевых приводов систем управления положением инерционных объектов, таких как управление положением больших рулевых поверхностей самолетов (переднее горизонтальное оперение, стабилизаторы, элевоны и т.п.), отклонением двигателей ракет-носителей при управлении вектором тяги, антенны радаров, систем подвижности испытательных стендов и робототехничееких систем в большинстве случаев используются электрогидравлические приводы. Такие приводы представляют собой следящие системы с механической или электрической позиционной обратной связью. Динамика приводов, управляющих положением массивных объектов во многом зависит от жесткости конструкции узлов крепления приводов, которая изменяется от изделия к изделию, а часто и в процессе эксплуатации привода. Упругость элементов конструкции летательного аппарата, на которых крепится рулевой привод и упругость собственно рулевой поверхности приводит к тому, что при оценке динамических показателей привода учет только сжимаемости рабочей жидкости в полостях гидроцилиндра оказывается недостаточным, и требуется рассмотрение привода, управляющего положением инерционного объекта как упруго-массовой системы с эквивалентной жесткостью опоры (Соп), на которую крепится привод, и эквивалентной жесткостью механической передачи от поршня к центру масс органа управления (Сп) (рис. 1).

золотник гидрораспределителя

обмотка электрогидравлического усилителя

инерционныи \ объект

а\

Рис. 1. Электрогидравлический привод с

механической позиционной обратной связью.

Таким образом, собственная частота выходной части привода и относительно низкий уровень диссипативных сил в системе приводит к появлению мало демпфированного резонансного всплеска. Высокие требования к эксплуатационным характеристикам систем управления полетом определяют жесткие требования к показателям динамики рулевых гидроприводов. В реальных конструкциях тяжелых приводов, например, в рулевых системах управления вектором тяги путем отклонения реактивных двигателей, собственная частота выходной части составляет 4 - 8 Гц, а резонансный пик на амплитудно-частотных характеристиках в реальном масштабе

может принимать значение = 4 + 5, Авых, Авх - амплитуды

Да:

выходного и приведенного входного сигналов. Допустимое значение этого показателя во многих случаях должно быть не более двух (рис. 2)

А С1

аых < 2 4гх

От изделия к изделию вследствие влияния конструкторско-технологических факторов собственная частота выходной части привода может изменяться в 1,5-2 раза. Кроме этого, большая инерционность объекта и ограниченность жесткости конструкции узлов крепления привода обуславливают относительную близость частоты, на которой происходит резонансный всплеск (/р = 4 -8 Гц) и частоты изменения управляющего сигнала, на которой ограничиваются фазочастотные искажения (/у = 1 - 2 Гц) привода Допустимое значение этого показателя должно быть (рис. 2)

Рис. 2. Требования к частотной характеристике привода.

ф > -27° + -25° (2)

Для обеспечения требований к амплитудно-частотным и фазочастотным характеристикам приводов, управляющих положением инерционных объектов необходимо применение дополнительных корректирующих устройств. Однако, возникающая задача подавления резонанса вблизи частоты управления без искажений фазочастошых характеристик иногда не может быть решена в рамках получивших широкое распространение типовых корректирующих устройств гидроприводов [1,2], реализующих обратную связь по давлению инерционного объекта, поскольку такие корректирующие устройства вносят существенные фазочастотные искажения на частотах управления.

Электрощдравлические приводы, применяемые [3] в настоящее время для управления положением инерционных объектов, таких как камеры сгорания ракет-носителей, рулевые поверхности маневренных самолетов, системы подвижности тяжелых роботов-манипуляторов, характеризуются рядом особенностей формирования сигналов рассогласования, построения цепей управления и, как следствие, способом включения регуляторов, используемых для улучшения их динамических характеристик. Эти особенности могут заключаться в невозможности подачи корректирующего сигнала в прямую цепь управления, как, например, в получивших широкое распространение приводах с механической обратной связью (рис. 3), и в сложности получения сигнала

вход сигнала коррекций

вход сигнала управления

рычаг обратной связи

золотник гидро распределителя

Рис. 3. Электрогидравлический привод с

механической позиционной обратной связью.

рассогласования в виде, пригодном для использования в электронных регуляторах, улучшающих динамические характеристики приводов.

Общие свойства рассматриваемых приводов, являющихся объектами исследования, характеризуются следующими основными особенностями:

- относительно низкая собственная частота выходной части привода /о, в реальных конструкциях рулевых приводов /о =4...8 Гц,

- малое собственное демпфирование инерционного объекта, коэффициент демпфирования выходной части привода в большинстве случаев составляет

=0,05...0,1.

Кроме этого, для рассматриваемых приводов является характерным высокое быстродействие предварительных каскадов усиления управляющих сигналов, определяемое частотой среза электрогидравлического усилителя мощности ю^ такой, что

«Ьгу > 3-2л#>. @

Целью данной работы является разработка и исследование структурной схемы, алгоритма коррекции динамики "тяжелых" электрогидравлических приводов с целью подавления резонансных явлений при обеспечении требуемых фазочастотных искажений на частотах управления в системе электрогидравлических приводов, управляющих положением инерционного объекта, в условиях нестабильности жесткости узлов крепления приводов. Эта научно-техническая задача решается путем разработки и создания макетных образцов

электронных корректирующих устройств промышленных образцов электрогидравлических приводов с механической и электрической обратной связью. В разработанных регуляторах реализуется набор обратных связей по переменным состояния привода с использованием наблюдающего устройства, они отличаются от известных возможностью самонастройки на изменяющуюся собственную частоту привода, методом и технологией реализации.

В специальной технической литературе по теории и практике электрогидравлических приводов был опубликован ряд работ, содержащий материалы, связанные с проектированием корректирующих устройств, предназначенных для улучшения динамических свойств рассматриваемого класса приводов. Известный путь решения данной проблемы основан на введении обратной связи по перепаду давления [1,2]. Недостатком таких корректирующих устройств является внесение существенных фазочастотных искажений на частоте управления, особенно для приводов рассматриваемого класса, в которых собственная частота выходной части оказывается близка к частоте управления.

Другим подходом к разработке требуемого корректирующего устройства является использование теории модального управления [4,17], которая, в принципе, позволяет обеспечить любую желаемую динамику системы. Корректирующее устройство, реализующее набор обратных связей по координатам состояния, предназначенное для улучшения динамики электрогидравлического привода, управляющего положением инерционного объекта, было

рассмотрено в работах [4-6]. В этих работах было показано преимущество корректирующего устройства, реализующего набор обратных связей по координатам состояния, перед таловыми корректирующими устройствами, реализующими обратную связь по давлению инерционного объекта, поскольку первые вносят гораздо меньшие фазочастошые искажения. Однако, в этих работах связь привода с инерционным объектом и неподвижным основанием полагались жесткими, а фактором нестабильности системы являлась переменная масса инерционного объекта. Эта предположения оказываются неприемлемыми при рассмотрении динамики рулевых гидроприводов, поскольку эквивалентная жесткость опоры Сот, на которую крепится привод, и эквивалентная жесткость механической передачи от поршня к центру масс органа управления Сп (рис. 1) оказывают существенное влияние на систему в целом. Кроме этого, в указанных работах рассматривается привод, позволяющий ввести сигнал коррекции в прямую цепь управления исполнительным механизмом, что позволяло строить наблюдающее устройство только на основе исполнительного механизма. При наличии механической позиционной обратной связи такая возможность теряется. Это является важным обстоятельством, существенно влияющим на структуру регулятора.

Нестабильность параметров выходной часта привода требует, чтобы корректирующее устройство обладало свойством самонастройки на изменяющиеся параметры. Известны [7] структуры систем с самонастройкой, позволяющие управлять объектами определенного порядка, параметры которых не

определены. Это свойство систем с самонастройкой, описанное в [8], предоставляет возможность изменения коррекции для компенсации возможных изменений в динамике системы периодически, если процесс самонастройки инициируется извне системы, или постоянно, если процесс самонастройки выполняется совместно с коррекцией динамических параметров объекта управления.

Для построения систем с самонастройкой обычно используются две базовые схемы [7]:

- адаптивная система с эталонной моделью (рис. 4)

- адаптивная система с настраиваемой моделью (рис. 5).

Основная проблема при разработке адаптивной системы с

эталонной моделью состоит в определении адаптивного механизма так, чтобы получить устойчивую систему с ошибкой е, стремящейся к нулю. Эталонная модель, используемая в системе, имеет фиксированные параметры, и со временем реакция системы приближается к реакции этой модели.

В работе [9] для коррекции гидропривода, с переменной массой нагрузки использовалась структурная схема (рис. 6), которая представляет собой адаптивную систему с эталонной моделью. Использование такой схемы позволило получить эффективную коррекцию в широком диапазоне значений массы нагрузки. Эта схема описывает вычислительно простой алгоритм, который был реализован на ibm xt. Требование к наилучшей модели слежения определяется приравниванием передаточных функции эталонной модели и замкнутого контура системы. Подходящим выбором цепей коррекции f{zx) и g(zl) количество нулей передаточной функции системы должно быть сокращено, а

Рис. 4. Адаптивная система с эталонной моделью

изменение параметров регулятора

Рис. 5. Адаптивная система с настраиваемой моделью

выходная координата модели привода

у

-и -

ошибка выходной коррдинаты привода

входной управляющий сигнал

СИ

у

измеряемая выходная координата привода

механизм адаптации

о\

Рис. 6. Реализация адаптивной системы с эталонной моделью

сами нули перемещены в соответствии с количеством и расположением нулей эталонной модели. Одновременно характеристическое уравнение передаточной функции системы должно совпадать с уравнением эталонной модели. Недостатком этого метода является тот факт, что любая попытка компенсации нулей вне единичного круга на г-плоскости приводит к неустойчивости системы.

Так как коэффициенты полинома Дг"1) меняются во времени, корни его не могут оставаться неподвижными. Следовательно, возможна неустойчивость замкнутой системы, если один или более корней пересекут единичную окружность. Чтобы сохранить устойчивость замкнутого контура, выполняется проверка этого полинома. Если самый последний набор коэффициентов приводит к тому, что замкнутая система становится неустойчивой, то эти коэффициенты отбрасываются. Вместо них используется предыдущий набор коэффициентов.

Основная идея [10,11] адаптивных систем с настраиваемой моделью состоит в том, что алгоритм идентификации системы определяет параметры модели объекта управления и на основе полученной информации вычисляет новые параметры регулятора, рассматривая вычисленные параметры модели как истинные. Процесс идентификации параметров модели объекта управления может осуществляться как однократно [8] (перед началом эксплуатации привода), так и во время его работы. Несомненным достоинством второго подхода является возможность реагировать на изменения параметров привода независимо от времени, когда эти изменения происходят. С другой стороны, поскольку алгоритмы оценивания

параметров требуют значительных, по сравнению с корректирующим устройством, вычислительных затрат, этот подход предъявляет высокие требования к производительности процессора, встроенного в состав корректирующего устройства процессора. Учитывая тог факт, что корректирующее устройство, реализующее набор обратных связей по координатам состояния, может сохранять эффективность в довольно широком диапазоне частот привода [9], использование первого подхода позволяет значительно уменьшить требования к производительности процессора при определенном сохранении свойства локальной самонастройки. Именно этот подход и был выбран при разработке алгоритма самонастройки корректирующего устройства.

Основываясь на минимизации различных критериев ошибки, можно построить различные алгоритмы идентификации параметров. Наиболее простой идентификатор может быть построен на методе наименьших квадратов. Этот метод заключается в минимизации суммы квадратов ошибок. Более общим методом является метод максимального правдоподобия, который может быть применен к моделям, нелинейным относительно оцениваемых параметров. Однако, этот метод [12] требует больших вычислительных затрат по сравнению с методом наименьших квадратов, который остается предпочтительн�