CC BY
36
СООБЩЕНИЯ REPORTS
УДК 67.05:007.52-026.66 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-3-111-114
АДАПТИВНОЕ НЕЧЕТКОЕ УСТРОЙСТВО СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОРГАНАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И РОБОТОВ С ПНЕВМОПРИВОДОМ
ADAPTIVE FUZZY DEVICE CONTROL SYSTEMS TO EXECUTIVE BODIES OF TECHNOLOGICAL MACHINES AND ROBOT WITH PNEUMO-ACTUATOR
© 2016 г. В.Е. Аль Гбури
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», Pla-
Российский государственный политехнический университет tov South-Russian State Polytechnic University (NPI), No-
(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. vocherkassk, Russia. Ph. 8635) 25-52-46. E-mail: aprim.srstu@
(8635) 25-52-46. E-mail: [email protected] mail.ru
Рассмотрено адаптивное нечеткое устройство пневматических систем управления технологическими машинами и роботами, построенное на базе электромагнитных клапанов с использованием метода широтно-импульсной модуляции. Обоснована целесообразность использования электромагнитных клапанов в адаптивном нечетком устройстве с широтно-импульсной модуляцией сигнала управления. Представлены функциональная схема устройства, схема модели нечеткого устройства системы управления и результаты моделирования. Проведены исследования систем управления с предложенным устройством и традиционными регуляторами. На основании выполненных исследований показана эффективность использования предложенного устройства.
Ключевые слова: технологическая машина; робот; пневмопривод; электромагнитный клапан; широтно-импульсная модуляция; нечеткая логика; моделирование.
Considered fuzzy adaptive pneumatic device technology of machine control systems and robots, built on the base of electromagnetic valves using the method of pulse-width modulation. The expediency of the use of electromagnetic valves in the adaptive fuzzy device with pulse width modulated control signal. Is a functional diagram of the device, the circuit model of fuzzy control system devices and simulation results. The research of control systems with the proposed device and traditional regulators. On the basis of the research shows the effectiveness of the use of the proposed device.
Keywords: technological machines; robots; pneumo-actuator; solenoid valve; pulse width modulation; fuzzy logic, modeling.
Во многих областях производства приме- тем являются плохое демпфирование и большие
няется технологическое оборудование и роботы с нелинейности из-за механического трения и вы-
пневмоприводом. Пневматические приводы по сокой сжимаемости воздуха. Для преодоления
сравнению с электрическими и гидравлически- этих недостатков необходима разработка уст-
ми, обладают более высокой полезной нагрузкой, ройств управления пневмоприводом. простотой, надежностью, низкой стоимостью, В настоящее время наибольшее примене-
возможностью работы в агрессивной, пожаро- и ние имеют электропневматические системы
взрывоопасной среде, просты в обслуживании. управления пневмоприводом [1, 2], которые ис-
Основными недостатками пневматических сис- пользуются в различных отраслях промышлен-
ности [3]. Для регулирования массового расхода воздуха в пневмосистеме широко применяются пневмораспределители, которые имеют сложную структуру и требуют высокой точности изготовления [4, 5]. Альтернативой пневмораспределе-нию может быть электромагнитный (соленоидный) клапан, который является дешевым, надежным и хорошо переносит жидкие примеси [6]. Но уравнение движения клапана носит нелинейный характер и он имеет только два возможных положения: открыт и закрыт. Используя метод ши-ротно-импульсной модуляции (ШИМ) в системе управления, можно получить результат, близкий к пропорциональному регулированию потока воздуха. Большая нелинейность за счет механического трения и высокой сжимаемости воздуха требует использования адаптивного управления пневматических систем. В данной работе предлагается использовать адаптивные электропневматические устройства на базе нечетких микроконтроллеров. Адаптивные нечеткие системы делят на две категории [7, 8]: прямые и косвенные. Прямая система делает оценку только параметров регулятора. Косвенная система позволяет оценить динамику оборудования [9]. Схема
адаптивного электропневматического нечеткого устройства приведена на рис. 1. Исполнительным пневмодвигателем является пневмоцилиндр 1. Подача воздуха в рабочую емкость цилиндра и выход из нерабочей полости идет через электромагнитные клапаны 2, 3, 4, 5. Скорость движения пневмодвигателя регулируется путем изменения расхода воздуха на входе и выходе клапанов с помощью контроллера 6, датчиков давления 7, датчиков положения 8 и датчиков контроля внешней среды ВС. Контроллер имеет связь с устройствами управления верхнего уровня ВУ.
Уравнение движения поршня (рис. 1):
(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; Р,, - давление питания.
Рис. 1. Адаптивное электропневматическое нечеткое устройство
Уравнение для массового потока через отверстия эффективной площади:
CfÄvClpL, если pUPc,
Pd
^ Pf( P )" l H P
(k-1)/k
P
, если P>Pcr,
Pu
где ту - массовый расход через отверстие клапана; Сf - безразмерный коэффициент; Ри - давление на входе; Ра - давление на выходе; Т -температура; Рсг - критическое значение давление; Сь С2 и k - постоянные коэффициенты.
Для определения эффективной площади отверстия А„ электромагнитного клапана можно
2 л
использовать выражение [3, 9]: Ач = а —, где а -
диаметр отверстия клапана. Выбор четырех клапанов позволяет увеличить количество возможностей в выборе вектора управления и в результате повышается качество управления. Как показано на рис. 1, каждая камера имеет два соленоидных клапана. Клапаны 2 и 5 соединены с источником сжатого воздуха, в то время как клапаны 3 и 4 соединены с атмосферой. Управляющие напряжения клапанов являются дискретными (1 или 0).
На основании уравнений движения поршня пневмоцилиндра, скоростей изменения давлений в полостях цилиндра и массового потока воздуха разработана модель с использованием приложения нечёткой логики и широтно-импульсной модуляции (ШИМ) системы МА^АВ. Входным сигналом клапана является напряжение с ШИМ. Частота сигнала 50 Гц. Это означает, что клапаны открываются и закрываются каждые 20 мс при запуске [10, 11]. Вход-
ными 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 переменных имеют треугольный вид. Схема модели электропневматического устройства в системе MATLAB-SIMULINK показана на рис. 2, в которой использован закон управления:
u(k) = Kpe(K)+Ki Jke(K) dk+
где K = t/T; t - текущее время; T - период дискретизации; Кр - коэффициент усиления регулятора; KD - коэффициент дифференцирующего элемента; К - коэффициент передачи интегрирующего элемента. Моделирование проводилось с использованием следующих параметров пневмоцилин-дра: ход поршня - 0,15 м, диаметр поршня -0,042 м, диаметр штока - 0,022 м, масса для поршня, штока и внешней нагрузки равна 1,150 кг. Линейное движение поршня управляется клапанами. Полученный результат распределений ШИМ и нечеткого вывода позволяет установить зависимость выходной величины от значений входных переменных нечеткого вывода.
Исследования показали, что в системе с ПИД-регулятором ошибка позиционирования составляет 0,0015 м, в нечеткой системе ошибка позиционирования менее 0,0008 м, в ПИД-нечеткой системе ошибка позиционирования менее 0,0003 м, быстродействие выше.
Использование клапанов и метода широт-но-импульсной модуляции в адаптивном нечетком устройстве системы управления исполнительными органами технологических машин и роботов с пневмоприводом показало улучшение качества системы регулирования.
Рис. 2. Модель адаптивного нечеткого устройства системы управления исполнительными органами
m v =
Литература
1. Rafiuddin Syam. Fuzzy Logic Control for Pneumatic Excavator Model // International Journal of Applied Engineering Research. ISSN 0973-4562. 2015. Vol. 10, № 9. P. 21647 -21657.
2. Vladislav Blagojevi'c, Miodrag Stojiljkovi'c, Vlastimir Nikoli'c. Experimental Model for Energy Efficiency Examination of Pneumatic System // FACTA UNIVERSITATIS , SER.: ELEC. ENERG. April 2011. Vol. 24, № 1. P. 23 - 32.
3. Глебов Н.А., Аль Гбури В.Е. Aдаптивный электропневматический модуль системы управления манипуляционным роботом // Материалы 8-й Всерос. мультиконф. по проблемам управления, 28 сентября - 3 октября 2015 г., с. Дивноморское, Геленджик, Россия, 2015. Т. 2. C. 234 -236.
4. Minh-Quyen LE. Development of bilateral control for pneumatic actuated teleoperation system // Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes - Laboratoire Ampère Ecole doctorale: Electronique, Electrotechnique et Automatique (EEA) Spécialité: Automatique Industrielle thesis Submitted on 13 Jul 2012.
5. Cajetinac S., Seslija D., Aleksandrov S., Todorovic M. PWM
Control and Identification of Frequency Characteristics of a Pneumatic Actuator using PLC Controller // ELECTRONICS AND ELECTRICAL ENGINEERING, AUTOMATION, ROBOTIC , SISSN 1392 - 1215, 2012. № 7(123).
6. Jaakko Rekola. Development of digital pneumatic exhaust gas wastegate // Master of Science Thesis. January 2011.
7. Адаптивное управление, 03.12.2008. URL: http://www. starsprals.net/ttu/materjalid/Automaatjuhtimissusteemid/kon tro lltood/2/k_vastused_1_osa.pdf (дата обращения 10.06.2016).
8. Chin Yang, M. Sc. thesis. Adaptive Fuzzy Modeling Control of Uncertain Nonlinear Systems with an Unknown Dead-Zone. Tatung University, July 2005.
9. Klas Hakansson och Mikael Johansson. Modeling and Control of an Electro-Pneumatic Actuator System Using On/Off Valves LITH-ISY-EX--07/3971—SE Linkoping 2007.
10. ШИМ — широтно-импульсная модуляция, URL: http://www.joyta. ru/7532-shim-shirotno-impulsnayamodul-yaciya/ (дата обращения 10.06.2016)
11. Zeljko Situm, Tihomir Zilic and Mario Essert. High Speed Solenoid Valves in Pneumatic Servo Applications / Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architec-ture.Department of Robotics and Automation of Production Systems, 2007. http://advantech.gr/med07/papers/T06-001-456.pdf. (дата обращения 12.06.2016).
References
1. Rafiuddin Syam , "Fuzzy Logic Control for Pneumatic Excavator Model", International Journal of Applied Engineering Research. ISSN 0973-4562, 2015, Vol. 10, № 9, Pp. 21647-21657.
2. Vladislav Blagojevi'c, Miodrag Stojiljkovi'c, and Vlastimir Nikoli'c , "Experimental Model for Energy Efficiency Examination of Pneumatic System", FACTA UNIVERSITATIS , SER.: ELEC. ENERG. 2011, vol. 24, no. 1, Pp. 23-32.
3. Glebov N.A., Al' Gburi V.E. [Adaptivny electropneumatic module of control system of manipulator robot]. Materialy 8-i Vseros-siiskoi mul'ti-konferentsii po problemam upravleniya [Materials of the 8th All-Russian multi-conference on problems of management]. Gelendzhik, 2015, pp. 234-236. [In Russ.]
4. Minh-Quyen L.E. Development of bilateral control for pneumatic actuated teleoperation system. Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes - Laboratoire Ampère Ecole doctorale: Electronique, Electrotechnique et Automatique (EEA) Spécialité: Automatique Industrielle thesis Submitted on 13 Jul 2012.
5. Cajetinac S., Seslija D., Aleksandrov S., Todorovic M. PWM Control and Identification of Frequency Characteristics of a Pneumatic Actuator using PLC Controller. Electronics and electrical engineering, automation, robotic. ISSN 1392 - 1215, 2012, No. 7(123).
6. Jaakko Rekola. Development of digital pneumatic exhaust gas wastegate. ,Master of Science Thesis , January 2011.
7. Adaptivnoe upravlenie [Adaptive control]. Available at: http://www.starspirals.net/ttu/materjalid/Automaatjuhtimissusteemid/ kontrolltood/2/k2_vastused_1_osa.pdf (accessed 10.06.2016).
8. Chin Yang, M. Sc. thesis. Adaptive Fuzzy Modeling Control of Uncertain Nonlinear Systems with an Unknown Dead-Zone. Tatung University, July 2005.
9. Klas Hâkansson och Mikael Johansson "Modeling and Control of an Electro-Pneumatic Actuator System Using On/Off Valves"LITH-ISY-EX—07/3971 —SE Linkoping 2007.
10. ShIM — shirotno-impul'snaya modulyatsiya [PWM — pulse width modulation]. Available at: http://www.joyta.ru/7532-shim-shirotno-impulsnaya-modulyaciya / (accessed 10.06.2016).
11. .Zeljko Situm, Tihomir Zilic and Mario Essert , " High Speed Solenoid Valves in Pneumatic Servo Applications", Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture .Department of Robotics and Automation of Production Systems, 2007. http://advantech.gr/med07/papers/T06-001-456.pdf. (accessed 12.06.2016).
Поступила в редакцию 13 июля 2016 г.
