автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез закона управления системой силовых следящих приводов с учетом ограниченной мощности источника энергии

Введение.

1. Математическая модель системы силовых следящих приводов

1.1. Общая схема системы силовых следящих приводов.

1.2. Математическая модель механизма управления.

1.3. Математическая модель дизельного двигателя.

1.4. Математическая модель гидравлического привода с нагрузкой.

1.5. Структурные схемы системы.

2. Оптимальное по быстродействию управление следящим гидроприводом.

2.1. Основные положения метода оптимального управления объектом с фазовыми ограничителями.

2.2. Синтез квазиоптимального по быстродействию управления гидроприводом.

2.3. Анализ квазиоптимального по быстродействию управления гидроприводом.

2.4. Синтез квазиоптимального по быстродействию управления объектом с фазовыми ограничениями.

3. Оптимальное по точности управление следящим гидроприводом

3.1. Основные положения метода гарантированной точности

3.2. Синтез закона управления высокой точности.

4. Моделирование системы силовых следящих приводов.

Одним из наиболее важных и наиболее распространённых видов систем автоматического управления являются следящие системы. В данном классе систем выходная величина воспроизводит изменение входной величины. Однако в большинстве случаев требуется максимально точное отслеживание задающего воздействия. Конкретная форма входного сигнала обычно не известна заранее не только на стадии проектирования, но и при эксплуатации. Представляется логичным, оценивая точность системы, говорить именно о точности отработки сигналов из некоторого заранее предопределенного класса.

Улучшение динамических свойств системы автоматического управления может осуществляться двумя способами. Первый способ основан на улучшении качества составляющих агрегатов и блоков системы. Это достигается путем применения высокоточных датчиков, более энергоемких источников питания, увеличения мощности привода и т.д. Однако это ведет к увеличению стоимости как изготовления, так и эксплуатации системы. Альтернативным способом является синтез рационального закона управления, при котором достигается максимальная точность слежения и быстродействие. Таким образом может быть достигнуто снижение энергетических и экономических затрат, но этот метод требует больших вычислений.

Вопросу синтеза высококачественных следящих гидроприводов посвящено немало исследований. Здесь нужно упомянуть работы Н.А. Лакоты, Б.В. Чемоданова, Н.С. Гамынина и других учёных. Эта задача рассматривалась также в ряде диссертаций, выполненных на кафедре САУ Тульского государственного университета Н.В. Фалдиным, Н.Н. Макаровым, А.Н. Дёшиным, А.Н. Есиповым. Этими и рядом других авторов разработаны методы синтеза быстродействующих законов управления, автоколебательных законов управления высокой точности, устойчивости автоколебательных приводов. Существенно меньше разработана теория управляемых гидроприводов с ограниченным источником мощности. Здесь в первую очередь должны быть упомянуты работы В.Ф. Казмиренко и А.Н. Геращенко. Однако методика синтеза, позволяющая сочетать высокое быстродействие и высокую точность в режиме слежения при ограниченной мощности источника энергии к настоящему времени отсутствует, что делает актуальной тему настоящей диссертации.

Целью исследования в данной работе является разработка закона управления, обеспечивающего высокое качество регулирования при ограниченной мощности источника энергии. Такую задачу приходится решать, например, при проектировании как стационарных, так и мобильных управляемых систем вооружения.

Потребление энергии управляемым следящим гидроприводом в режиме слежения за гладким входным сигналом определяется в основном формой входного сигнала. Поэтому основное внимание было направлено на исследование режима переброса, который, во-первых, допускает более широкий простор в формировании закона управления, и, во-вторых, является наиболее энергоёмким режимом работы.

К режиму переброса предъявляются достаточно жёсткие требования по быстродействию, поэтому представляется естественным использовать в этом режиме оптимальное по быстродействию управление. Потребное для переброса количество энергии существенно зависит от способа формирования управления.

Доминирующее значение имеет способ учёта ограниченности перепада давлений в силовых гидромагистралях. Это ограничение обеспечено конструктивно с помощью ограничительных перепускных клапанов, настроенных на предельное допустимое давление. В модели это ограничение может быть рассмотрено либо как ограничитель, либо как фазовое ограничение, не имеющее непреодолимого характера, а обеспечиваемое лишь за счёт соответствующего формирования управляющего воздействия.

Первый вариант, наиболее точно соответствуя реальному объекту управления, позволяет более полно использовать динамические возможности привода и обеспечить наиболее короткое время переброса. При этом никак не контролируется непродуктивный расход энергии, связанный с перекачкой жидкости через сработавшие (открытые) перепускные клапаны.

Второй подход, при котором ограничение перепада давления обеспечивается управлением, непродуктивный расход энергии, связанный с перекачкой жидкости через открытые перепускные клапаны, полностью исключается. Однако такой подход сопряжён с некоторой потерей быстродействия, а также с усложнением закона управления.

Представляется целесообразным исследовать оба варианта, для того, чтобы можно было сделать обоснованный выбор между ними. Именно такое исследование и составляет основное содержание работы.

Точность отслеживания задающего воздействия можно осуществить двумя способами. Первый вариант, наиболее трудоемкий - организация автоколебаний с требуемой частотой. Второй подход - построение закона управления, реализующего скользящий режим.

Так как последний имеет ряд преимуществ, таких как, высокая точность слежения, инвариантность к возмущающим воздействиям и к вариациям параметров объекта, то целесообразнее использовать второй подход.

В соответствии с поставленными задачами в диссертации была разработана новая методика синтеза регулятора следящего гидропривода, работающего в скользящем режиме, с использованием метода гарантированной точности, а также решена задача синтеза квазиоптимального по быстродействию закона управления объемным следящим гидроприводом как объектом с фазовыми ограничениями. 6

Методики синтеза закона управления следящим приводом, содержащиеся в диссертации, представляют несомненный практический интерес. Их применение в практике проектирования управляемых комплексов позволит сократить объём проектировочных расчетов и повысить надёжность проектирования, а их хорошая сочетаемость с методами конечномерной оптимизации и простая программная реализация позволяют получать системы с предельно возможными показателями качества. Диссертация может представлять интерес для предприятий и организаций, занятых разработкой и модернизацией управляемых систем и комплексов.

Заключение

В диссертации решена задача анализа и синтеза следящего гидропривода с источником энергии ограниченной мощности.

С помощью метода оптимального управления объектом с фазовыми ограничениями построен квазиоптимальный по быстродействию закон управления следящим гидроприводом и предложена схема его реализации. При этом в качестве фазовых ограничений рассматривались ограничения по перепаду давлений в гидромагистралях и по углу перемещения регулирующего органа гидронасоса.

Моделирование показало, что полученный закон управления, по сравнению с точным оптимальным управлением, существенно снижает нагрузку на приводящий дизельный привод (просадка оборотов дизеля уменьшилась с 5% до 1%). Время переброса на максимальный угол при этом возросло незначительно (менее 3%).

С применением метода гарантированной точности и фазового годографа получен закон управления, обеспечивающий высокую точность слежения в скользящем режиме за входными сигналами из заданного класса.

Предложена схема реализации комплексного закона управления, включающего законы высокой точности и быстродействия.

Исследование проводилось с использованием вычислительной техники. Моделирование моделей осуществлялось с помощью среды Matlab. В той же среде было разработано программное обеспечение, осуществляющее автоматизированный поиск точек переключения и расчёт коэффициентов поверхности переключений.

1. Автоматизированное проектирование следящих приводов и их элементов /, М.В. Баранов, Ю.В. Илюхин и др.; Под ред. В.Ф. Казмиренко. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 306 с.

2. Александровский Н.М. Элементы теории оптимальных систем автоматического управления. М.: Энергия, 1969. 127 с.

3. Анализ и оптимальный синтез на ЭВМ систем управления./ Под ред. А.А. Воронова и И.А. Орурка. М.: Наука, 1984. - 343 с.

4. Антомонов Ю.Г. Синтез оптимальных систем. Киев: Наукова думка, 1972.-316 с.

5. Атанс М., Фалб П. Оптимальное управление. М.: Машиностроение, 1968. 764с.

6. Барковский В.В., Захаров В.Н., Шаталов А.С. Методы синтеза систем управления. М.: Машиностроение, 1969. - 328 с.

7. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1973. 632 с.

8. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования.- М.: Наука, 1975. 768 с.

9. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. -М.: Наука, 1969. С. 36-64.

10. Ю.Брайсон А., Хо Ю-Ши. Прикладная теория оптимального управления. М.: Мир, 1972. 544 с.

11. П.Булгаков Б.В. О накоплении возмущений в линейных колебательных системах с постоянными коэффициентами. //Доклады АН СССР, 1946, т 51, вып. 5.

12. Ван-Трис Г. Синтез оптимальных нелинейных систем управления. -М., Мир, 1964.- 167 с.

13. Варнавский С.О. Синтез оптимальной системы управления при наличии ограничителей // Международная молодежная научнаяконференция «XXV Гагаринские чтения» М.: Изд-во «Ламтэс», 1999. Том 2. С 767-768.

14. Н.Варнавский С.О. Синтез быстродействующего закона управления следящим гидроприводом с учетом фазовых ограничений // Всероссийская молодежная научная конференция "VI Королевские чтения". Тезисы докладов.- Самара, 2001,Т. 1.- С 39-40.

15. Варнавский С.О., Воробьев В.В., Макаров Н.Н. Один метод синтеза следящего гидропривода // Известия ТулГУ. Серия «Проблемы специального машиностроения». Выпуск 5. Материалы региональной научно-технической конференции. 2002. С 81-85.

16. Волков Е.Ф. Оптимальная по быстродействию электромеханическая система 3-го порядка с учетом ограничений, наложенных на координаты системы. В сборнике "Известия ЛЭТИ", вып. 90, 1970.

17. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Энергия. Ленинградское отделение. 1970. 328 с.

18. Габасов P.P., Кириллова Ф.М., Ружицкая Е.А. Решение классической задачи регулирования методами оптимального управления. М.:Автоматика и телемеханика, 2001. № 6 - С. 18-29.

19. Гамынин Н.С. Гидравлический привод систем управления. М.: Машиностроение, 1972. - 376 с.

20. Гамынин Н.С. Основы следящего гидравлического привода. М.: Государственное научно-техническое издательство ОБОРОНГИЗ, 1962. - 294 с.

21. Гамынин Н.С., Жданов Ю.К., Климашин A.JL. Динамика быстродействующего гидравлического привода. М.: Машиностроение, 1979.-80 с.

22. Демьянов В.Ф. К нахождению оптимального управления в задачах автоматического регулирования. // Вестник ЛГУ, 1965, т. 13, вып. 3. -С. 26-35.

23. Дунаев В.И. Квазиоптимальные по быстродействию системы автоматического регулирования. М.: Энергия, 1970. 63 с.

24. Иванов В. А., Фалдин Н.В. Теория оптимальных систем автоматического управления. М.: Наука, 1981. - 336 с.

25. Кичатов Ю.Ф. Аналитический метод решения задачи оптимизации нелинейных систем одного класса // Автоматика и телемеханика, 1967, № 8, С.1348-1356.

26. Клюев А.С., Колесников А.А. Оптимизация автоматических систем управления по быстродействию. М.: Энергоиздат, 1982. 237 с.

27. Красовский Н.Н. Управление динамической системой. М.: Наука, 1985.-520 с.

28. Кринецкий И.И. Регулирование двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1965. 232 с.

29. Лазарев Ю.Ф. MatLAB 5.x. К.: Издательская группа BHV, 2000. - 384 с.

30. Макаров Н.Н. Гарантированная точность в проектировании линейных следящих систем. //Известия высших учебных заведений. Серия «Электромеханика» , № 7, 1980, С 661-722.

31. Макаров Н.Н. Методы анализа и синтеза систем управления высокой динамической точности. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Тула, ТулГУ, 2001.

32. Макаров Н.Н., Варнавский С.О. Гарантированная точность идентификации. Известия ТулГУ. Серия «Проблемы специального машиностроения » Выпуск 2. 1999. С 281-284.

33. Макаров Н.Н., Варнавский С.О. Учёт малых постоянных времени при синтезе систем управления методом гарантированной точности // Известия ТулГУ. Серия «Вычислительная техника. Автоматика. Управление» Том 2. Выпуск 3. Управление. 2000. С 37-41.

34. Макаров Н.Н., Макарова Н.Н. Синтез регулятора методом гарантированной точности. //ММЕЕ 12. Сб. трудов Международной научной конференции в 5-ти т. Т 5. Великий Новгород. Новгородский государственный университет. 1999. - С145-147.

35. Макаров Н.Н., Макарова Н.Н. О методе гарантированной точности следящей системы. Сборник «Управление в технических системах», материалы научно-технической конференции. Ковров; КГТА, 1998. -С. 209-210.

36. Макаров Н.Н., Макарова Н.Н. Построение областей достижимости для типовых задающих устройств в методе гарантированной точности. //Известия ТулГУ. Серия «Вычислительная техника. Автоматика. Управление» Том 1. Выпуск 3. Управление. 1999- С 131-140.

37. Макаров Н.Н., Макарова Н.Н. Синтез регулятора методом гарантированной точности. Известия ТулГУ. Серия «Вычислительная техника. Автоматика. Управление» Том 2. Выпуск 3. Управление. 2000. С 41-52.

38. Медведев В .С., Потёмкин В .Г. Со ntrol System Tool box. M.: "Диалог МИФИ". 1999г. 287с.

39. Методы автоматизированного проектирования нелинейных систем /Под ред. Топчеева Ю.И. М.: Машиностроение, 1993. - 575 с.

40. Некоторые особенности динамики гидропривода /Прокофьев В.Н., Казмиренко В.Ф., Подпоркин Г.Е. и др. Вестник машиностроения, 1973, №3.

41. Олейников В.А., Смирнов Т.М. Оптимальное по быстродействию управление нелинейными объектами // Автоматика и телемеханика. 1970, №12. С. 167-170.

42. Основы автоматического управления. 3-е изд./ Под ред. B.C. Пугачева. -М.: Наука, 1974.-720 с.

43. Основы проектирования следящих систем. Под редакцией Н.А. Лакоты. М.: "Машиностроение". 1978 г. 391 с.

44. Пискунов Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисление. М.: Наука, 1985.-360 с.

45. Понтрягин J1.C., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1976. -391с.

46. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука. ГРФМЛ. 1989. 304 с.

47. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1979. - 255 с.

48. Прокофьев В.Н., Казмиренко В.Ф. Проектирование и расчет автономных приводов, /под ред. Прокофьева В.Н. М.: Машиностроение, 1978. - 232 с.

49. Пупков К.А., Егупов Н.Д., Трофимов А.И. Методы теории автоматического управления. Учебное пособие/ Под ред. Н.Д. Егупова.- М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998. 562 с.

50. Пученков Н. В. Метод фазового годографа для систем с ограничителями в объекте управления и его применение для синтеза газовых рулевых приводов.: Дис. к-та техн. наук: 05.13.01. Тула, 1995.- 163 с.

51. Рабинович Л.В., Петров Б.И., Терсков В.Г., Сушков С.А., Панкратьев Л.Д. Проектирование следящих систем. М.: Машиностроение, 1969. -500 с.

52. Садовой А.В., Сухинин Б.В. Сохина Ю.В. Системы оптимального управления прецизионными электроприводами. Киев.: ИСИМО. 1996 г. 298 с.

53. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука. - 1989. -432 с.

54. Системы силовых следящих приводов / В.Ф. Казмиренко, А.Г. Лесков, В.А. Введенский; под ред. В.Ф. Казмиренко. М.: Энергоатомиздат, 1993.-304 с.

55. Следящие приводы: В 3-х т. 2-е изд., доп. и перераб. / Под ред. Б. К. Чемоданова. Т. 1: Теория и проектирование следящих приводов /

56. Е.С. Блейз, А.Е. Зимин, Е.С. Иванов и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. - 904 с.

57. Следящие приводы / Е.С. Блейз, Ю.А. Данилов, В.Ф. Казмиренко и др.; Под ред. Б.К. Чемоданова. М.: Энергия, 1976. 506 с.

58. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 1. Математическое описание, анализ устойчивости и качества систем автоматического регулирования. Под ред. В.В. Солодовникова. М.: Машиностроение. 1967. 770 с.

59. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 1. Анализ и синтез линейных непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования. Под ред. В.В. Солодовникова. М.: Машиностроение. 1967. 682 с.

60. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. -М.: Наука. 1981.-368 с.

61. Фалдин Н.В. Достаточные условия оптимальности в одной задаче с ограниченными фазовыми координатами // Изв. вузов. Радиофизика, 1969. №7. С. 1067-1075.

62. Фалдин Н.В. Линейные быстродействия при ограниченных фазовых координатах // Автоматика и телемеханика, 1967. №1. С. 23-33.

63. Фалдин Н.В. Оптимальное по быстродействию управление линейным объектом//Изв. вузов. Электромеханика. 1981, №2. С. 1351-1356.

64. Фалдин Н.В. Синтез оптимальных по быстродействию замкнутых систем управления Тул. политехи, ин-т. Тула, 1990. - 100 с.

65. Фалдин Н.В., Пученков Н.В., Руднев С.А. Фазовый годограф релейной системы при наличии ограничителя в объекте управления. // Системы управления и их элементы. Тула: ТулГТУ, 1994. С. 96 - 106.

66. Фалдин Н.В., Руднев С.А. О существовании фазового годографа релейной системы // Моделирование и оптимизация систем автоматического управления. Тула: ТПИ, 1985. - С. 53 - 71.103

67. Фалдин Н.В., Руднев С.А. Оптимизация в конечномерном пространстве. Тула. Тульский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт. 1986. 72 с.

68. Фельдбаум А.А. Основы теории оптимальных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1963. 552 с.

69. Фельдбаум А.А., Бутковский А.Г. Методы теории автоматического управления. М.: Наука. ГРФМЛ. 1971. 744с.

70. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. М.: Наука, 1974. -576 с.

71. Чемоданов Б.К. Следящие приводы. Книга первая. М.: Энергия, 1976. -480 с.

72. Чемоданов Б.К. Следящие приводы. Книга вторая. М.: Энергия, 1976. -384 с.