CC BY
56
4.СергеевС.Ф. Инженерно-психологическое проектирование сложных эрготехнических сред: методология и технологии // Актуальные проблемы психологии труда, инженерной психологии и эргономики. М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2009. С. 429-449.
5. Филимонов Н.Б. Эволюционные принципы самоорганизации функционирования систем управления // Управление и информационные технологии: сб. докл. 3-й Всероссийской науч. конф. Т. 1. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. С. 35-44.
S.F. Sergeev
AI-MECHATRONICS SYSTEM DESIGN METHODOLOGY
A basic overview of the classical mechatronics methodology is considered. The changes in the discipline, based on the transition from the primitive mechatronics systems designing to the complex AI systems are discussed. The main research fields for the complex mechatronics systems problem-solving are described.
Key words: mechatronics, artificial intelligence, environment, self-organization, postclassical views.
Получено 03.10.11
УДК 681.5.01
O.B. Горячев, д-р техн.наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-38-35, [email protected],
А.В. Чадаев, магистрант, (4872) 23-60-52, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
МЕТОДИКА АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ЭСИ НАВЕДЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ОБЪЕКТА,
БАЗИРУЮЩЕГОСЯ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ
Предлагается методика автоматизированного анализа и синтеза электрического следящего привода наведения и стабилизации объекта, расположенного на подвижном основании, базирующаяся на использовании интеллектуальных алгоритмов управления.
Ключевые слова: ЭСП, подвижное основание, нечеткий регулятор, оптимизация функций принадлежности.
Проблема проектирования электрических следящих приводов на подвижном основании актуальна для обширной группы современных технических систем. К этой группе относятся приводы систем, предназначенных для слежения за объектами, перемещающимися в пространстве (приводы систем радиолокационных камер, оптических визиров, координаторов, астроориентиров). При соизмеримости моментов инерции привода и основания можно говорить об их взаимном механическом влиянии
друг на друга. Данный аспект может серьезно влиять на динамику следящей системы, и требуется корректировка алгоритмов управления с целью компенсации или устранения последствий его негативного воздействия.
Обеспечение жестких требований, предъявляемых к характеристикам приводов наведения и стабилизации объектов перспективных технических комплексов, возможно как на основе классических методов управления, так и на основе реализации интеллектуальных алгоритмов управления, позволяющих оптимизировать характеристики приводов по совокупности критериев качества с учетом реализации предельных динамических возможностей исполнительных двигателей и ограничения мощности первичного источника энергии.
Необходимым условием для синтеза регулятора, реализующего управление, близкое к оптимальному, является наличие математической модели объекта управления, адекватной функционированию объекта в основных режимах работы. Наиболее удобными с инженерной точки зрения являются линейные модели, однако, зачастую они не способны обеспечить требуемую точность отображения физических процессов. В процессе выполнения работы производилось рассмотрение трех уровней математических моделей вентильного двигателя (ВД), используемого в качестве объекта управления:
1) линейная модель без учета инерционности канала ДПР-ПК-АИ (датчик положения ротора - преобразователь координат - автономный инвертор);
2) нелинейная модель без учета инерционности канала ДПР-ПК-
АИ;
3) нелинейная модель с учетом инерционности канала ДПР-ПК-АИ.
Нелинейная модель ВД с учетом инерционности канала ДПР-ПК-
АИ позволяет получить существенно отличающиеся от безынерционных моделей результаты при сравнительно больших значениях постоянной времени канала ДПР-ПК-АИ. На данный момент современный уровень развития техники позволяет реализовать малые величины постоянных времени (порядка 10-5 с). Это в свою очередь дает возможность принимать канал ДПР-ПК-АИ безынерционным и ограничиться рассмотрением простейшей линейной модели или нелинейной модели.
Рассмотрение динамических характеристик некоторых вентильных двигателей серии ДБМ, полученных путем анализа трех уровней математических моделей ВД, позволило сделать вывод об их идентичности. Это подтверждает предположение о целесообразности использования линейной модели, как наиболее простой.
Линейная математическая модель вентильного двигателя эквивалентна модели двигателя постоянного тока. Структурная схема объекта управления в таком случае имеет вид, представленный на рис. 1.
4»------------------------------------
Мул
Рис. 1. Структурная схема объектауправления
На рис. 1 приняты следующие обозначения: U - управляющее напряжение на обмотках якоря, Tem - электромагнитная постоянная времени, Rf - активное сопротивление якорной цепи, Mvn - внешний момент, cM -коэффициент двигателя по моменту, Jsum - приведенный момент инерции нагрузки, ce - коэффициент противо-ЭДС, fi - угол поворота вала нагрузки, omega - угловая скорость вала нагрузки, Idbm - ток двигателя, Mdbm -момент, развиваемый двигателем.
Математическая модель внешней нагрузки моделирует воздействие сухого трения на силовую систему привода:
при о = 0
МДБМ > МС ^ М CT ~ ~М C ' Sign(MДБМ )’
М ДБМ - MC ^ М CT = ~М ДБМ ;
при а ф 0
Mct = -Mc • sign(ra),
где Мдбм - момент, создаваемый двигателем, Н-м;Мс - момент сопротивления нагрузки, Н-м;Мст - момент сил сухого трения, Н-м; ю - угловая скорость вала нагрузки, рад/с.
Вращение платформы, на которой располагается объект управления, моделируется при помощи структурной схемы, представленной на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема, моделирующая вращение платформы
На рис. 2. приняты следующие обозначения: МуиЬ - внешний движущий момент, поступающий на платформу, Ір1а1; - момент инерции платформы, omega_platf - угловая скорость платформы, И - коэффициент вязкого трения.
Структурная схема системы управления приводом на базе вентильного двигателя с нечетким регулятором показана на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема системыуправления приводом на базе вентильного двигателя с нечеткимрегулятором
В соответствии с теоретическими разработками нечеткий регулятор можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема нечеткогорегулятора
252
Переходные процессы в системе с синтезированным нечетким регулятором и выбранными параметрами функций принадлежности приведены на рис. 5.
и, Б
са. ряд/с <Р: РЯД
2
1 3 0-5 эд
\ 1
0.05 0.25 Ъс
II, Б
со. рад/с
ф- ряд
—V ■■■■ 2
3 0.1 зад
V
г 1
0.02 0.1
Рис. 5. Переходные процессы в системе с синтезированным нечеткимрегулятором и произвольно выбранными параметрами функций принадлежности для двух вариантов входного сигнала (0,5рад и 0,1 рад):1 -управляющее напряжение;
2 - угловая скорость вала нагрузки; 3 - угол поворота вала нагрузки
Из анализа переходных процессов следует, что построенный таким способом нечеткий регулятор имеет значительно затянутое время регулирования. Объясняется это тем, что параметры функций принадлежности выбирались достаточно произвольно. В связи с этим актуальной является задача оптимизации нечеткого регулятора с целью достижения им максимально возможных показателей качества управления.
Операция оптимизации может быть произведена с применением генетических алгоритмов, используемых для решения задач нахождения экстремума сложных нелинейных функции многих переменных. Предлагаемая методика сводит оптимизацию нечеткого регулятора именно к такой задаче. Генетические алгоритмы, представляющие собой адаптивные методы поиска, основаны на подражании генетическим процессам, происходящим в популяциях биологических организмов. Формально рассматриваемый алгоритм можно описать набором генетических параметров (исходная популяция, размер популяции, длина хромосомы популяции) и функцией оптимальности, представленной как время переходного процесса при отработке ступенчатого сигнала заданной амплитуды. Так как требования технического задания включают в себя апериодический характер переходного процесса по отрабатываемому углу (отсутствие перерегулирования), то это условие также учитывается в функции оптимальности. Таким образом, в популяции решений те особи, которым соответствуют нечеткие регуляторы, отрабатывающие управляющие воздействия без пере-
регулирования, будут в результате ранжирования получать наибольшие шансы для воспроизведения потомков, что обеспечит получение требуемого решения задачи оптимизации.
Процедура оптимизации привела к коррекции функций принадлежности нечеткого регулятора (рис. 6).
Рис. б. Функции принадлежности нечеткогорегулятора до оптимизации (слева) и после оптимизации (справа)
На рис. б. приняты следующие обозначения: NEL, NES, ZE, PES, PEL - функции принадлежности по ошибке позиционирования; NWL, NWS, ZW, PWS, PWL - функции принадлежности по угловой скорости.
Расчетные характеристики исследуемого привода с оптимизированными параметрами нечеткого регулятора приведены на рис. 7.
IIB о. рад с
—_ \ 2
3 рэд
—
\
1 V/ 02В /
0.05 t,c
U, Б
со. рад с
Ф: рад
2 3 0.1 рад
\ \
\ /і
1
0.02 0.1 tfc
Рис. 7. Переходные процессы в системе с синтезированным нечеткимрегулятором и оптимизированными параметрами функций принадлежности для двух вариантов входного сигнала (0,5 рад и 0,1 рад): 1 -управляющее напряжение;
2 - угловая скорость вала нагрузки; 3 - угол поворота вала нагрузки
Поверхность переключения оптимизированного нечеткого
регулятора, особенностями которой являются сложная форма и «профилирование» под конкретный объект управления, показана на рис. 8.
Рис. 8. Поверхность переключения оптимизированного нечеткогорегулятора
«Профилирование» поверхности переключения позволяет учесть влияние основных факторов (ограничение развиваемого момента, момента трения, реальные характеристики источника питания и т.д.) на характеристики системы на этапе синтеза алгоритма управления.
Проведенное сравнение характеристик ЭСП с нечетким регулятором и с квазиоптимальным по быстродействию регулятором показало, что переходные характеристики приводов при отработке ступенчатого сигнала практически идентичны. На отработку управляющих воздействий в ЭСП с интеллектуальным алгоритмом управления затрачивается существенно меньшая мощность (до 25 %). Характеристики привода с нечетким управлением качественно не изменяются при отклонении величины питающего напряжения в широких пределах (±20 %), что для квазиоптимального алгоритма недостижимо, так как в закон управления в данном случае вводится величина номинального питающего напряжения. Функционирование привода с нечетким управлением в режиме стабилизации при воздействии внешнего момента возмущения, поступающего от колеблющейся платформы, удовлетворяет предъявляемым требованиям по точности.
Анализ характеристик показал, что нечеткий регулятор обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к характеристикам ЭСП систем наведения и стабилизации. Кроме того, он обладает рядом преимуществ по сравнению с регуляторами, синтезированными традиционными методами:
- позволяет оперативно корректировать параметры регулятора при изменении условий эксплуатации и характеристик объекта управления;
- дает значительный выигрыш в энергетических характеристиках;
- имеет низкую чувствительность к колебаниям питающего напряжения.
Список литературы
1. Горячев О.В., Шарапов М.А. Комплексная методика синтеза интеллектуального регулятора для следящего привода постоянного тока. М.: Изд-во «Новые технологии», 2006. С.30-35.
Goryachev O.V., Chadaev A.V.
ANALYSIS AND SYNTHESIS TECHNIQUE OF ELECTRIC TRACKING AIMING AND STABILIZATION DRIVE, STANDING ON THE MOVABLE BASE
The article comes up with a new technique of electric tracking aiming and stabilization drive analysis and synthesis. The drive stands on the movable base. This technique is grounded on the application of intelligent control algorithms.
Key words: electric drive, movable base, fuzzy regulator, optimization of the belonging functions.
Получено 03.10.11
УДК 533.1
A.C. Иванова, асп. (4872) 35-85-21, Selena [email protected],
B.И. Чекмазов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-61-44 (Россия, Тула, ТулГУ) ,
Е.М. Халатов, д-р техн. наук, проф., нач. расчетно-теоретического отдела, (4932) 95-2-53 (Россия, Ковров, КБ «Арматура»)
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПОДВИЖНОСТИ ОСНОВАНИЯ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ТРЕХСТУПЕНЧАТОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Исследовано влияние механических перегрузок на погрешности регулирования давления в линии газоснабжения, имеющей три ступениредуцирования.
Ключевые слова: система регулирования давления, линия газоснабжения, трехступенчатая система, механические перегрузки.
Элементы газоавтоматики, функционирующие на подвижном объекте, при движении испытывает действие механических перегрузок. Влияние данного фактора на характеристики одноступенчатой системы регулирования давления исследовались в работе [1]. В настоящей работе объектом исследования является трехступенчатая система, используемая в линии газоснабжения газотепловоза, моторным топливом которого является
