CC BY
40
ТРИБОЛОГИЧЕСКАЯ ПАРА КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ М.А. Сапожков
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В. М. Мусалимов
В статье рассматривается построение управления системы в условиях неполной информации, в связи с чем используется концептуально новый подход к управлению, мониторингу трибологических процессов на установке ТРИБАЛ-2 и обработке полученных данных.
Введение
Студентами и аспирантами УИТМО была собрана установка ТРИБАЛ-2, работа которой основывается на применении компьютерных и мехатронных технологий [1]. Эта установка постоянно совершенствуется, в ходе чего, в последнее время были разработаны средства и методы модельных исследований процессов циклического изнашивания в реальном режиме времени с использованием мехатронных технологий, когда в процессе лабораторных испытаний трибологическая система идентифицируется при заданных сигналах. Принципиальная схема установки ТРИБАЛ-2 представлена на рис. 1. К настоящему времени назрела проблема автоматического управления трибол-гическим процессом.
Рис. 1. Установка ТРИБАЛ-2
Узел трения как объект управления
Описываемая трибологическая система имеет следующие технические характеристики:
• в системе привода двигатель с повышающим редуктором может приводить нижнюю платформу в возвратно-поступательное движение с частотой / = 2,19-4,77 Гц и амплитудой I = 0,1-28 мм;
• система нагружения позволяет перемещать винтовои домкрат на расстояние до 33 мм со скоростью 2,5 мм/сек и нагружать трибопару до «жесткого нагружения»;
• сигналы с опто-механических датчиков, присоединенных к верхней и нижней платформам, поступают в ЭВМ со специальным программным обеспечением, где можно как наблюдать в реальном времени за сигналами, так и записывать сигналы и обрабатывать их в различных прикладных программах, в том числе MatLab [3].
Три режима работы описываемой установки реализуют оценочную базу для действий автоматической системы управления нагружением.
• Режим полного отсутствия трения (Етр=0). Образец, лежащий на платформе, движется, не касаясь контробразца (см. рис. 2, а). Графики горизонтальных перемещений во времени этого режима представлены ниже (см. рис. 2, б). Продукты изнашивания здесь отсутствуют.
а) б)
Рис. 2. Режим - отсутствие трения (5 - перемещение, 1 - время)
Режим жесткого тела. Усилие, действующее на верхнюю платформу, таково, что образец и контробразец движутся как одно целое, без сдвига фаз (см. рис. 3, а). В данном случае график горизонтальных перемещений выглядит иначе (рис. 3, б). Из графика видно, что отсутствует сдвиг фаз, а, следовательно, образцы движутся одновременно.
а) б)
Рис. 3. Режим - жесткое тело (5 - перемещение, 1 - время)
г
• Режим, представленный на рис. 4, а. При работе установки в этом режиме образцы перемещаются относительно друг друга. При исследовании графиков горизонтального перемещения этого режима наблюдается сдвиг фаз сигналов перемещений (см. рис. 4, б). Сдвиг фаз означает что существует «проскальзывание» одного образца относительно другого при трибологическом взаимодействии.
а) б)
Рис. 4. Режим - трение (5 - перемещение, 1 - время, Д - разность фаз)
Автоматическое управление узлом трения
В дипломной работе Васильевой М. (2003 г.) был рассмотрен метод нагружения установки «Трибал» термоприводом, обеспечивающий движение контробразцов в режиме трения скольжения (сдвиг фаз). Термопривод обеспечивал нагружение трибопар таким образом, чтобы был реализован режим трения скольжения. При этом величина сдвига фаз Дф на этом этапе исследования не рассматривалась - лишь бы этот сдвиг был осуществлен. Дополнительные исследования динамики трибометрического взаимодействия [3] показали, что возможно уменьшение или увеличение величины Дф за счет увеличения или уменьшения нагрузочного усилия, что должно приводить к разным качественным характеристикам формирования класса шероховатости поверхностей взаимодействующих трибопар и может служить базой автоматизации процесса обработки поверхностей.
В настоящее время общепринятой можно считать концепцию автоматического -«адаптивного» управления как управления в условиях неполной (априорной, текущей) информации о моделях объекта и учитываемых воздействий внешней среды на систему. Рядом специалистов такая ситуация характеризуется термином «немоделируемая динамика». Адаптивность как свойство в этом случае означает способность удерживать поведение реальной системы управления в каком-нибудь смысле близким к желаемому, как бы ни изменялись неконтролируемым образом динамика объекта и воздействие внешней среды.
Использование принципов подобного управления позволило построить систему в соответствии с предъявляемыми требованиями к ее качеству при ограниченной начальной (априорной) информации о свойствах объекта управления и внешних воздействий. При исследовании динамики узла трения естественно используются понятия передаточной функции и частотной характеристики, которые характеризуют свойства объекта регулирования в области комплексного переменного в частотной области.
Узел трения совместно с системой стабилизации образует замкнутую систему автоматического регулирования. В качестве входного сигнала в блок стабилизации Р(^) принята разность фаз между сигналом датчика перемещений нижней платформы «Три-бала» и сигналом датчика его верхней платформы. Этот сигнал проходит через все звенья блока стабилизации и поступает на вход исполнительного органа системы нагру-жения (двигатель). Отношение изображений по Лапласу 8(5) и Р(5) при нулевых начальных условиях, как известно, принято называть передаточной функцией автомата стабилизации
5(5)/ Р(5) = ЖАС (5).
Поступающий на вход узла трения сигнал 8(5), в свою очередь, определяет величину Р(5), отношение в(5)/ 5(5) = Жо( 5)
при нулевых начальных условиях носит название передаточной функции узла трения, а передаточной функцией объекта регулирования является узел трения.
Общая идея состоит в том, чтобы через определенные промежутки времени определять в трибопаре передаточные функции, сопоставлять их с качеством поверхности в эти же промежутки времени, установить закономерность изменения передаточных функций и тем самым описать особенности эволюции динамической системы. В результате мы получаем последовательность функций Ж2, ... Ж„, каждая из которых на промежутке № соответствует линейному дифференциальному уравнению. В целом эволюция передаточных функций реализуется как нелинейная закономерность. Таким образом, мы осуществляем «кусочно-линейную аппроксимацию» в пространстве функции Щ. Эти функции относятся к классу дробно-рациональных функций в пространстве
отображений и образуют соответствующее функциональное пространство. Блок-схема управления показана на рис. 5.
u
Рис. 5. Блок-схема управления установкой ТРИБАЛ-2
Заключение
К настоящему времени построена автоматическая система управления узлом на-гружения установки с использованием эталонной передаточной функции, полученной в результате экспериментальных исследований работы узла трения. Таким образом, используя сдвиг фаз выходных сигналов трибопары как сигнал управления, мы реализовали управление.
Литература
1. Исмаилов Г.М., Соханов Б.В., Мусалимов В.М. Устройство для испытаний материалов на трение. / А.С. №1821689. Опубл. в Б.И. 1993. Бюл. №22
2. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. / Специальный справочник. СПб: Питер, 2002.
3. Musalimov V.M., Lisitsin Y.V., Orlov S.V. Dynamic Characteristics and Monitoring of Rubbing Surfaces Quality. // Institution of Problems of Mechanical Engineering, Russia 2004.
4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972.
