CC BY
42
УДК 621.517.917 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-15-20
АДАПТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ И РОБОТАМИ С ПНЕВМОПРИВОДОМ
ADAPTIVE ELECTRO - PNEUMATIC MODULE TO CONTROL THE TECHNOLOGICAL EQUIPMENT AND ROBOTS WITH PNEUMO-ACTUATOR
© 2016 г. Н.А. Глебов, В.Е. Аль Гбури
Глебов Николай Алексеевич - д-р техн. наук, профессор, Glebov Nikolay Alexeevich - Doctor of Technical Sciences,
кафедра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно- professor, department «Mechatronics and Hydropneumoauto-
Российский государственный политехнический университет matics», Platov South-Russian State Polytechnic University
(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-52-46. E-mail:
Тел. (8635)25-52-46. E-mail: aprim.srstu@mail.ru aprim.srstu@mail.ru
Аль Гбури Висам Ессмат Абдул Латиф - аспирант, кафед- AL Gburi Wisam Essmat Abdul Latiff - post-graduate student,
ра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно- department «Mechatronics and Hydropneumoautomatics»,
Российский государственный политехнический университет Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI),
(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-52-46. E-mail: aprim.
Тел. (8635)25-52-46. E-mail: aprim.srstu@mail.ru srstu@mail.ru
Рассмотрена задача разработки и исследования электропневматического модуля систем управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом. Плохое демпфирование и большие нелинейности из-за механического трения и высокой сжимаемости воздуха обусловливают применение адаптивного управления пневматическими системами. Адаптивное управление электропневматическим модулем осуществляется на основе использования нечеткой логики. Приведены уравнения движения поршня пневмоцилиндра, скорости изменения давлений в полостях цилиндра и массового потока. Представлены результаты математического моделирования системы управления роботом с пневмоприводом. На основании выполненных исследований показана эффективность использования адаптивных электропневматических модулей для управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом.
Ключевые слова: технологическое оборудование; робот; пневмопривод; электропневматический модуль; нечеткая логика; моделирование; функции принадлежности.
Is examined the task of development and research of the electro-pneumatic module of control systems by technological equipment and by robots with pneumo-actuator. Because the poor damping and large nonlinear-ity of the air which due to the mechanical friction and high compressibility of air, for this reason the application of adaptive control pneumatic systems. Adaptive control of electro- pneumatic module is based on the use offuzzy logic. Presents the equations of motion of the piston of the air cylinder, the rate of change ofpressure in the cylinder chamber and the mass flow. The results of mathematical modeling of robot control system pneumatically are presented. Based on the investigations ostentatious efficiency adaptive electro modules for control of equipment and pneumatic robots.
Keywords: technological equipment; robot; pneumo-actuator; electro-pneumatic module; fuzzy logic; modeling, membership functions.
Введение рый наряду с электрическим и гидравлическим
является одним из основных современных видов Различное технологическое оборудование, привода. Он состоит из пневматического двига-используемое в горнодобывающей, нефтеперера- теля и устройств управления его движением. батывающей и химической промышленности, в Существенное расширение функциональ-
медицинской, автомобильной, строительной от- ных возможностей технологического оборудова-расли, на упаковочных линиях и т.д., использует ния и роботов достигается за счет введения в их пневматический привод (пневмопривод), кото- систему управления элементов адаптации и ис-
кусственного интеллекта. На пути создания и совершенствования адаптивных систем возникает много научно-технических проблем, связанных с разработкой теоретических основ адаптивного управления и искусственного интеллекта, создание датчиков внешней и внутренней информации, микропроцессорных систем для обработки этой информации и аппаратно-программной реализации адаптивного управления [1]. Применение пневматических приводов объясняется простотой, надежностью, низкой стоимостью, возможностью работы в агрессивной, по-жаро- и взрывоопасной среде и при экстремальных температурах (как низких, так и высоких). Однако плохое демпфирование и большие нелинейности из-за механического трения и высокой сжимаемости воздуха обусловливает трудности реализации следящего привода для позиционных и контурных систем управления и требует применения адаптивного управления пневматическими системами. Поэтому задача разработки адаптивных электропневматических модулей систем управления манипуляционными роботами является актуальной [2].
Одна из научно-технических задач создания адаптивного электропневматического модуля систем управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом рассмотрена в статье с учетом накопленного отечественного и зарубежного опыта. Данная задача может быть решена с использованием нечеткой логики.
Уравнения динамики электропневматического модуля
Схема электропневматического модуля приведена на рис. 1. Исполнительным пневмо-двигателем является пневматический цилиндр 1 с прямолинейным движением поршня. Подача воздуха в рабочую полость цилиндра и выход из нерабочей полости идет через электромагнитный пневмораспределитель 2. Скорость движения пневмодвигателя регулируется путем изменения расхода воздуха Рж на входе и выходе Ра пневмо-распределителя с помощью нечеткого контроллера 3. На вход нечеткого контроллера поступает информация от датчика положения 5, датчиков давления 4 и датчиков контроля внешней среды ВС. Контроллер имеет связь с устройствами управления верхнего уровня ВУ.
Уравнение движения поршня (рис. 1) может быть записано [3, 4]:
(Ыь + Мр )х+рх+Ff + FL = р А - Р2 А2 - Ра Аг,
где х - ускорение привода; Мг - масса внешней нагрузки; Мр - масса поршня и штока; х - положение поршня; р - коэффициент вязкого трения; Ff - общая сила трения; FL - внешняя сила; Р1 и Р2 - абсолютные давления в полостях цилиндра; Ра - абсолютное давление окружающей среды; А1 и А2 - эффективные площади поршня; Аг - площадь поперечного сечения штока.
■Fi
т
Ву
Рис. 1. Электропневматический модуль
Скорости изменения давлений в полостях цилиндра описываются следующими уравнениями [5]:
ЯТ . ч ±АР
P =
-iminain -m ta 1) -а
V1 + ' V1 + Alx
tj тл , Л ..
x ;
P2 =
RT
V + A2( L - x)
im
t)-
± А2 Р2
-а-^^-х ,
У2 + А2( Ь - х)
где Я - газовая постоянная; Т - температура; тш, тоШ - массы потока на входе и выходе полости цилиндра соответственно; х - скорость привода; аг„ = 1,4; ^ = 1; а =1, 2; Ь - длина хода привода; У1, У2 - неактивные объемы цилиндра; Аь А2 - эффективные площади поршня.
Важным компонентом модуля системы управления пневмоприводом является электромагнитный распределитель. Для расчета массового расхода воздуха нужно вычислить эффективную площадь А„ отверстия распределителя. Падение давления на отверстии распределителя, как правило, велико, а поток должен рассматриваться как сжимаемый и турбулентный [6, 7]. Уравнение для массового потока через отверстия эффективной площади А„ можно записать:
P P
CfAvC,-^ , если — <Pcr;
f ЧГ Pu
P
fv V/kf r d \(kfkf
CfAvC2 JT
P
P
V u у
1-
P
P
V u у
P
если P)Pcr,
где ту - массовый расход через отверстие распределителя; Сf - безразмерный коэффициент; Ри - давление на входе; Ра - давление на выходе; Сь С2 и kf - постоянные коэффициенты.
Для определения эффективной площади отверстия распределителя можно использовать
. 2 ^ ТТ
выражения: Ау = —; = , где х^ - перемещение сердечника катушки электромагнита;
- входное напряжение; С„ - коэффициент пропорциональности.
Уравнения движения поршня пневмоци-линдра, скорости изменения давления в полостях цилиндра и массового потока воздуха через отверстия пневмораспределителя являются нели-
нейными. Поэтому управление пневмораспреде-лителем рекомендуется осуществлять на основе нечеткой логики. Нечеткие правила управления позволяют моделировать процесс управления электропневматическим модулем без построения его количественной математической модели.
Управление электромагнитным распределителем реализует нечеткий контроллер, который осуществляет планирование траектории манипулятора и управление скоростью его движения. Нечеткий контроллер способен успешно справиться с процессами адаптивного управления.
Моделирование работы адаптивного
электропневматического модуля с нечеткой логикой
Разработка нечеткой модели выполнена с использованием приложения Fuzzy Logic пакета MatLab. Входными переменными модели систем управления являются ошибка управления e и скорости ее изменения de, а выходной переменной - положение поршня пневмоцилиндра х. Функции принадлежности входных и выходных параметров имеют треугольный вид. Для записи термов входных и выходных параметров использованы следующие сокращения [8]: PB - большое положительное; PM - среднее положительное; PS - малое положительное; Z - нуль; NS - малое отрицательное; NM - среднее отрицательное; NB - большое отрицательное.
База нечетких правил управления системы нечеткого вывода содержит 49 правил вида:
1. Если «е есть NB» и «de есть NB», то «х есть NB»;
2. Если «е есть NB» и «de есть NM», то «х есть NB»;
3. Если «e есть NB» и «de есть NS», то «х есть NB»;
49. Если «e есть PB» и «de есть NS», то «х есть PB».
Для сокращения записи полная база нечетких правил управления, полученная в процессе исследования, приведена в таблице.
Схема модели электропневматического модуля в системе MatLab SIMULINK показана на рис. 2, в которой использован закон управления
[9 - 11]:
u( K)=Kpe( K)+K/-fl = Kpep (K)+Kded (K),
m v =<
где К = Тр; t - текущее время; Тр - период дискретизации; Кр - коэффициент усиления регулятора; К( - коэффициент дифференцирующего элемента.
Моделирование проводилось с использованием следующих параметров пневмоцилиндра робота: ход поршня - 0,15 м, диаметр поршня -0,042 м, диаметр штока - 0,022 м. Линейное движение поршня управляется пропорциональ-
ным пневмораспределителем 5/3.
Вид диалогового окна задания функций принадлежности входных переменных е, de и выходной переменной изображен на рис. 3.
После заданий функций принадлежности входных и выходной переменной создается система правил, по которым осуществляется принятие решений о значении выходной переменной. На рис. 4 показан вид настроечных правил.
База нечетких правил управления
de e NB NM NS Z PS PM PB
NB NB NB NB NB NB NB NB
NM NB NB NB NM NM NM NS
NS NB NM NS NS Z NS PS
Z NB NM NS Z PS PM PB
PS NS PS Z PS PS PM PB
PM NB PS PM PM PB PB PB
PB PB PB PB PB PB PB PB
Дисплей
Ext ^ SP -
о
I-*Ж—в^НЗ
MX Fuzzy Logic
gain Saturation
Скорость
Пневматическая система
-►jdu.dtj-
Derivative Kdf
Рис. 2. Модель электропневматического модуля
И Membership Function Editor ExtFuz4 [ a | IhJ
File Edit View
FIS Variables Membership function plots ркроге igi
} NM NS Z PS PM P xxxxxx 1
e x
XX
de 0
0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0,15 input variable "e"
Current Variable Name e Type input Current Membership Function (сйск on MF to select) Name NB ТИ* trtalf Params [-0 2133-0 16-0 10671
Range [-015 0.15]
Display Range [-0.15 0.15] Help | Cbse
Ready
Рис. 3. Вид диалогового окна задания функций принадлежности входных переменных е, (е и выходной переменной х
Используя полученные множества, построим трехмерный график нечеткого регулятора электропневматического модуля по заданным параметрам (рис. 5).
Рис. 4. Настроечные правила
Рис. 5. Трехмерный график нечеткой модели управления электропневматическим модулем
Полученный график распределений нечеткого вывода позволяет установить зависимость выходной величины от значений входных переменных нечеткого вывода. На рис. 6 представлены графики, характеризующие реакцию систем автоматического регулирования положения поршня пневмоцилиндра на ступенчатое задающее воздействие.
Кривая (а) соответствует системе автоматического регулирования с ПД-регулятором, а кривая (б) - с нечетким регулированием. В системе с ПД-регулятором точность позиционирования составляет 0,0033 м. В нечеткой системе точность позиционирования - 0,0008 м, быстродействие выше.
Положение, м
ОД 6 п-!-!-г
0,12
0,08
0,04
J_I_
4 5
Время, с
0,16
0,12
0,08
0,04
Положение, м
4 5
Время, с
б
Рис. 6. Реакция системы автоматического регулирования положения поршня пневмоцилиндра на ступенчатое задающее воздействие
Вывод
На основании выполненных исследований показана целесообразность и эффективность использования для управления технологическим оборудованием и роботами с пневмоприводом адаптивных электропневматических модулей с регуляторами на основе нечеткой логики. Моделирование работы адаптивного электропневматического модуля с нечеткой логикой показало улучшение качества системы автоматического регулирования в сравнении с традиционным регулятором. Адаптивные электропневматические модули с нечетким контроллером могут применяться в различных пневматических системах, практически во всех сферах жизнедеятельности человека.
Литература
1. Тимофеев А.В. Адаптивные робототехнические комплексы. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1988. 332 с.
2. Глебов Н.А., Аль Гбури В.Е. Адаптивный электропневматический модуль системы управления манипуляцион-
0
1
2
3
а
0
1
2
3
ным роботом // Материалы 8-й Всерос. мультиконф. по проблемам управления 28 сентября - 3 октября 2015 г., Дивноморское, Геленджик, Россия, 2015. Т. 2, C. 234 - 236.
3. Shadi Mohammad Munshi. Ph.D thesis. Analysis, invest-tigation and design of flexible universal pneumatic industrial manipulators involving cartesian and joint control in the basis of economic feasibility and appropriate technology, University of new south Wales, 2012. URL: http://www.unsworks.unsw.edu.au/primo_library/libweb/act ion/dl Display (дата обращения: 15.01.2016).
4. Edmond Richer and Yildirim Hurmuzlu. «А high performance pneumatic force actuator system part 1- nonlinear mathematical model», southern methodist university school of engineering and applied science mechanical engineering department Dallas, TX75275, February 12, 2001. URL: https://www.researchgate.net/publication/2406459 (дата обращения: 15.01.2015).
5. Vladislav Blagojevic, Miodrag Stojiljkovic. Mathematical and simulink model of the pneumatic system with bridging of the dual action cylinder chambers, Facta universitatis Series: Mechanical Engineering. 2007. Vol. 5, No. 1, P. 23 - 31.
6. Kothapalli G., Hassan M.Y. Design of a neural network based intelligent pi controller for a pneumatic system // Iaeng
international journal of computer science, 2008. Vol. 35. P. 217 - 222.
7. M.F. Rahmat, N.H. Sunar and Sy Najib Sy Salim, Mastura Shafinaz Zainal Abidin, A.A. Mohd Fauzi and Z.H.Ismail. Reaiew on modeling and controller design in pneumatic and actuator control system // International journal on smart sensing and intelligent systemc. 2011. December. Vol. 4, No. 4.
8. Бобырь М.В., Титов В.С., Емельянов С.Г. Теоретические основы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами на основе нечеткой логики: монография. Старый Оскол: ТНТ, 2011. 232 с.
9. Kunbo Zhang. Ph.D thesis, «Fault detection and diagnosis for a multi-actuator pneumatic system», Mechanical engineering, stony brook university. May 2011. URL: http://dove.eng.sunysb.edu/~kunbo/Doc/Kunbo_Ph.D_Disse rtation.pdf (дата обращения: 15.01.2016).
10. Vineet Kumar, K.P.S. Rana and Vandna Gupta. RealTime performance evaluation of a fuzzy pi + fuzzy pd controller for liquid-level process // International journal of intelligent control and systems. 2008, Vol. 13, No. 2, june. P. 89 - 96.
11. Ryszard Dindoorf, Jaub Takosoglu. Teaching - playback control of electro - pneumatic servo-drive // mechanics. 2009. Vol. 28, No. 1.
References
1. Timofeev A.V. Adaptivnye robototekhnicheskie kompleksy [Adaptive robotic complexes]. Leningrad, Mashinostroenie. Leningr. otd., 1988, 332 p.
2. Glebov N.A., Al Gburi V.E. Adaptivnyi elektropnevmaticheskii modul' sistemy upravleniya manipulyatsionnym robotom [Adap-tivny electropneumatic module of control system of manipulator robot]. Materialy 8-i Vseross. mul'tikonf. poproblemam uprav-leniya [Materials of the 8th All-Russian multiconference on problems of management]. Divnomorskoe, Gelendzhik, 2015, pp. 234-236. [In Russ.]
3. Shadi Mohammad Munshi. Ph.D thesis. Analysis, investigation and design of flexible universal pneumatic industrial manipulators involving cartesian and joint control in the basis of economic feasibility and appropriate technology, University of new south Wales, 2012. http://www.unsworks.unsw.edu.au/primo_library/libweb/action/dl Display (accessed 15.01.2016).
4. Edmond Richer and Yildirim Hurmuzlu. A high performance pneumatic force actuator system part 1- nonlinear mathematical model, southern methodist university school of engineering and applied science mechanical engineering department Dallas, TX75275, February 12, 2001. https://www.researchgate.net/publication/2406459.
5. Vladislav Blagojevic, Miodrag Stojiljkovic. Mathematical and simulink model of the pneumatic system with bridging of the dual action cylinder chambers, Facta universitatis Series: Mechanical Engineering, Vol. 5, No. 1, 2007, Pp. 23 - 31.
6. Kothapalli G., Hassan M.Y. Design of a neural network based intelligent pi controller for a pneumatic system, Iaeng international journal of computer science, 2008, Vol. 35, pp. 217-222.
7. Rahmat M.F., Sunar N.H., Sy Najib Sy Salim, Mastura Shafinaz Zainal Abidin, Mohd Fauzi A.A., Ismail Z.H. Reaiew on modeling and controller design in pneumatic and actuator control system, International journal on smart sensing and intelligent sys-temc, 2011, Vol. 4, No. 4.
8. Bobyr M.B., Titov V.S., Emelyanov S.G. Teoreticheskie osnovy postroeniya avtomatizirovannykh sistem upravleniya tekhnologicheskimi protsessami na osnove nechetkoi logiki [Theoretical the bases of the construction of automated control systems by technological processes on the basis of the fuzzy logic]. Old Oskol, TNT, 2011, 232 p.
9. Kunbo Zhang. Ph.D thesis. Fault detection and diagnosis for a multi-actuator pneumatic system, Mechanical engineering, stony brook university. May 2011. http://dove.eng.sunysb.edu/~kunbo/Doc/Kunbo_Ph.D_Dissertation.pdf (accessed 15.01.2016).
10. Vineet Kumar, Rana K.P.S., Vandna Gupta. Real-Time performance evaluation of a fuzzy pi + fuzzy pd controller for liquidlevel process, International journal of intelligent control and systems, 2008, Vol. 13, No. 2, Pp. 89-96.
11. Ryszard Dindoorf, Jaub Takosoglu. Teaching - playback control of electro - pneumatic servo-drive, mechanics, 2009, Vol. 28, No. 1.
Поступила в редакцию 8 февраля 2016 г.
