CC BY
2
УДК 681.586 https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2023.2.21
Г. В. КУЛ1НЧЕНКО
кандидат техшчних наук, доцент, доцент кафедри комп'ютеризованих систем yправлiння Сумський державний yнiверситет ORCID: 0000-0002-8501-5636
п. В. лЕОнтьеВ
кандидат технiчних наyк, завiдyвач кафедри комп'ютеризованих систем yправлiння Сумський державний yнiверситет ORCID: 0000-0002-9494-9078
А. В. САВЕНКО
студент кафедри комп'ютеризованих систем управлшня Сумський державний ушверситет ORCID: 0000-0002-7621-2777
О. В. ЛЕВКОВСЬКИЙ
асшрант, асистент кафедри комп'ютеризованих систем управлшня
Сумський державний ушверситет ORCID: 0009-0005-3073-2952
МОДЕЛЮВАННЯ АЛГОРИТМ1В КЕРУВАННЯ ПОЗИЦ1ОНУВАННЯМ ПЛАТФОРМИ БУДГВЕЛЬНОГО ПРИНТЕРА
У бyдiвельнiй zmy3i, викоржтання бyдiвельних 3D принтерiв рaдiaльного типу тае вcе бшьш попyлярним. Ц iнновaцiйнi принтери вже утшно зacтоcовyютьcя в п'яти крашах cвiтy. Вони дозволяють зменшити витра-ти людских, енергетичних i чатвих рееурйв, в порiвняннi з традицшними методами бyдiвництвa. Рaдiaльнi принтери компактт й не потребують додаткових карка^их кожтрукцш. Яккть та швидк^ть бyдiвництвa залежать вiд прaцездaтноcтi принтера та точноcтi його позицюнування. До^дники активно працюють над вдоcконaленням цих пaрaметрiв, з метою полiпшення резyльтaтiв бyдiвництвa.
Керування вжотою тдйому платформи грае важливу роль y доcягненнi вжоко'1' точноcтi позицiонyвaння принтера, враховуючи вимоги до якоcтi бyдiвництвa. Для ефективного розв'язання цих завдань зacтоcовyютьcя передовi iнформaцiйнi технологи, так як iмiтaцiйне моделювання, автоматизоване керування. Результати ек<c-периментiв i до^джень викориcтовyютьcя для вдо^оналення функщональних характержтик cиcтеми тдйому бyдiвельного принтера i можуть бути зacтоcовaнi при розробщ cиcтем керування для тших тдйомних мехашз-мiв, таких як гiдрaвлiчний пiдйомник, гiдрaвлiчний преc або телеcкопiчний вантажний кран.
Отовною метою проведення до^джень е пiдвищення точноcтi пози^ювання платформи бyдiвельного принтера в умовах ди збурень. У рамках роботи було проведено анализ технологiчних пaрaметрiв об'екта керування, cформyльовaно вимоги до регyляторiв, розроблена iмiтaцiйнa модель cиcтеми тдйому та налаштоват регулятори моделi позицiонyвaння платформи. Результатом до^дження е опрацювання методики cтрyктyрно параметричного еинтезу керуючих приcтроïв позицюнуванням платформи бyдiвельного принтера.
Ключовi слова: алгоритм, режими керування, гiдрaвлiчний привод, нечткий регулятор, cиcтемa керування, позицiонyвaння, Р1Дрегулятор, iмiтaцiйнa модель.
H. V. KULINCHENKO
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Computerized Management Systems
Sumy State University ORCID: 0000-0002-8501-5636
P. V. LEONTIEV
Candidate of Technical Sciences, Head of the Department of Computerized Management Systems
Sumy State University ORCID: 0000-0002-9494-9078
A. V. SAVENKO
Student at the Department of Computerized Management Systems
Sumy State University ORCID: 0000-0002-7621-2777
O. V. LEVKOVSKYI
Postgraduate Student, Assistant at the Department of Computerized Control Systems
Sumy State University ORCID: 0009-0005-3073-2952
MODELING OF CONTROL ALGORITHMS POSITIONING OF THE CONSTRUCTION
PRINTER PLATFORM
In the construction industry, the use of radial-type construction 3D printers is becoming more and more popular. These innovative printers are already successfully used in five countries of the world. They make it possible to reduce the costs of human, energy and time resources, compared to traditional construction methods. Radial printers are compact and do not require additional frame structures. The quality and speed of construction depend on the performance of the printer and the accuracy of its positioning. Researchers are actively working on improving these parameters in order to improve construction results.
Platform lift height control plays an important role in achieving high printer positioning accuracy, taking into account build quality requirements. Advanced information technologies, such as simulation modeling and automated control, are used to effectively solve these tasks. The results of experiments and research are used to improve the functional characteristics of the lifting system of the construction printer and can be applied in the development of control systems for other lifting mechanisms, such as a hydraulic lift, a hydraulic press or a telescopic loading crane.
The main goal of the research is to increase the accuracy of the positioning of the construction printer platform under conditions of disturbances. As part of the work, the technological parameters of the control object were analyzed, the requirements for regulators were formulated, a simulation model of the lifting system was developed, and the regulators of the platform positioning model were adjusted. The result of the study is the elaboration of the method of structural parametric synthesis of control devices by positioning the construction printer platform.
Key words: algorithm, control modes, hydraulic drive, fuzzy controller, control system, positioning, PID controller, simulation model.
Постановка проблеми
Можливосп реaлiзaцil заданих napaMeTpiB систем позицюнування визначаються ввдповщно до результапв моделювання ще! системи [1]. KpiM виршення задач розробки регулятора, який забезпечуе необхдт параметри роботи приводу, при модершзаци зaсобiв пвдйому будiвельноl платформи доводиться оптимiзувaти конструктивно - технолопчш параметри цього обладнання. Шдхвд до оптимiзaцil пaрaметрiв технолопчного обладнання, заснований на представленш об'екта керування (ОК) у виглядi мехатронного агрегату [2], дозволяе визначити структуру регулятора. Анaлiзуючи результата моделювання, можна узагальнити критерш керування, який би вра-ховував взаемовплив технолопчних пaрaметрiв мехатронного модуля. Це узагальнення дозволяе збалансувати вимоги до складових системи керування та задовшьнити вимоги до пaрaметрiв регулятора без ускладнення сис-теми керування приводом.
Жорстш вимоги до точносл позицшвання платформи, що розглядаеться, випкають iз специфiки технологи контурного будiвництвa та забезпечення надшносп будiвлi, що створюеться за вибраною технолопею. Прагнення спростити реaлiзaцiю системи керування платформою обумовлюе певний функцюнальний розподш мiж окре-мими складовими системи (техшчна та програмна). Тому формулювання меж та об'емiв розпод^ функцш системи керування визначае актуальшсть таких дослщжень.
Анал1з останшх дослщжень та публшацш
Виконавчим органом системи тдйому платформи е привод, який складаеться з електромехашчно! i гiдрaвлiч-но! частини. Розглядаючи вaрiaнти побудови систем пвдйому, можна констатувати, що вони в основному вико-ристовуються в системах спрямованих на шдйом великих вантаж1в [3]. Враховуючи необхiднiсть точного позицюнування системи пвдйому будiвельного принтера, на ввдмшу ввд згаданих систем, рух штошв гiдроцилiндрiв здiйснюеться за рахунок подaчi малих фiксовaних об'емiв пдрамчно! рiдини. Точне дозування малих об'емiв робочо! рiдини в гiдрaвлiчну систему можна отримати, якщо керувати обертами насоса певного об'ему [4].
Звертаючи увагу на енергозберiгaюче керування електроприводом насоса гiдрaвлiчного крана, в якому вико-ристовуеться асинхронний двигун з частотним перетворювачем [5], розглядаються вaрiaнти налаштування робо-чих швидкостей головного насоса. При цьому за допомогою моделi «дослiджуються можливостi збiльшення штенсивносп перехiдних процесiв з метою скорочення часу розгону насосу до технолопчно припустимих
значень. Б№ш точне керування головним насосом може бути ре^зоване шляхом завдання в системi тиску, необ-хiдного для роботи з конкретним значения моменту навантаження кожного з механiзмiв».
Одним iз недолiкiв використання такого типу двигуна у гiдравлiчних системах е його м'яка механiчна характеристика. Тому тд час рiзко! змiни мехашчного навантаження на пдромотор спостерiгаються збурення моменту асинхронного двигуна. Для подолання проватв обертаючого моменту доводиться використовувати асинхроннi двигуни велико! потужностi, що суттево знижуе ККД системи.
Порiвняно з двигуном змiнного струму, двигун постiйного струму мае вiдмiннi характеристики регулювання швидкостi, великий крутний момент, добру продуктившсть на низьк1й швидкосп та високу ефективнiсть [6]. Проте, вплив умов експлуатаци - наявшсть вологи, пилу та вiбрацi!, що характерно для будiвельних робiт, зна-чно обмежуе можливостi його використання в системi пiдйому будiвельного принтера. До того ж, при виршенш задач точного дозування робочо! рвдини необхiдно використовувати додатковi гальмiвнi елеменпв, якi дозволя-ють запобiгти утворенню надлишкового тиску в гiдравлiчнiй система
Альтернативою до згаданих двигунiв при побудовi приводу точних насосiв може бути кроковий двигун (КД), який мае фасований кут повороту i момент утримання положення валу, незалежно вiд наявностi живлення [7].
Отже, вибiр КД в якостi приводу пдрамчно! системи шдйому дозволяе сформувати завдання досл1джень системи керування позицюнуванням платформи будiвельного принтера.
Мета i завдання дослiдження
Метою роботи е розробка математично! моделi системи керування платформи будiвельного принтера на базi КД, а також оцiнка можливостей розробки алгоритму керування мiкропроцесорними засобами системи, який забезпечить максимальну точшсть позицiонування платформи.
Для досягнення поставлено! мети необхвдно дослiдити взаемозв'язок конструктивно-технолопчних параме-трiв системи шдйому.
На основi аналiзу результатiв моделювання оцшити характеристики побудованого приводу та здшснити пара-метричний синтез регулятора, який забезпечить рiвномiрний пiдйом платформи iз заданою точнiстю.
Виконання цих завдань сприяе вщпрацюванню взаемодi! апаратно! та програмно! складових системи в аспекл розподiления !! функцiй.
Крiм того, дослвдження методiв та каналiв керування елементами i апаратами подачi гiдравлiчно! рiдини дае змогу оптимiзувати параметри мехаиiчно! частини установки пвдйому та сформувати шляхи подальшо! модернiзацi!.
Матерiали дослiдження
Схема ОК, що представляе собою систему шдйому платформи будiвельного принтера зображена на рис. 1. Ця схема складаеться з двох частин: гiдравлiчно! пвдсистеми та електромехашчного приводу.
О
Рис. 1. Функщональна схема гiдравлiчноТ системи пiдйому: 1 - КД; 2 - драйвер; 3 - давач струму в обмотках КД; 4 - давач тиску; 5 - контролер розподшьника; 6 - давач висоти пщйому платформи; 7 - контролер клапана зливноТ мапстралц 8 - давач швидкост обертання валу КД; 9 - давач кута повороту валу КД; 10 - диференщальний давач тиску
Електромехашчний привод будуетъся на 6a3i КД, який, мехашчно зв'язаний з насосом. При ïx o6epTaHHi в нaпiрнiй мaгiстрaлi системи створюеться необх1дний тиск гiдрaвлiчноï рвдини, якого достатнъо для руху платформи. Для опускання платформи конструктивно передбачена зливна мапстраль, в якш встановлено електричний клапан. Ввдкриття клапану 7 (рис. 1) знижуе тиск, в результат чого тиск в мaгiстрaлi зменшуеться, i платформа принтера змiнюе напрямок руху. Стaбiлiзaцiя положення здiйснюетъся за рахунок компенсaцiï втрат тиску, який контролюеться давачем тиску 4.
Структурна схема системи тдйому (СП) платформи будiвелъного принтера представлена на рис. 2.
Частота керуючих iмпульсiв fi, що надходять з мшроконтролера (МК), задае швидк1сть обертання œ КД, який обертае шестершчастий насос (НШ). Тиск гiдрaвлiчноï рщини Р, що утворюеться в трубопроводi гiдроприводу, визначае перемiщення штоку гидроприводу. В1д тиску P i витрати q залежить швидк1сть перемiщення штоку пд-роцилiндрa V та висота тдйому платформи h.
Рис. 2. Структурна схема СП
Електромехашчний модуль складаетъся з наступних функцюнальних вузлiв: приводний КД; шестерiнчастий насос (НШ); трубопровщ; гiдропривод.
Вiдповiдно до вщомих методiв моделювання КД [8] в середовищi MATLAB побудовано функцiоналъний блок «ПРИВОД», який входить до складу пвдсистеми електромехатчного перетворювача. Схема електромехатчного перетворювача зображена на рис. 3. До складу mei схеми також входить блок «Speed controller», який через блок «ПРИВОД» видае керукш впливи до гiдророзподiлювача пiдйомника.
Схема моделювання пдрамчного пiдйомника, яка використовуе мнемонiку MATLAB Simhydraulic [9], зображена на рис. 4. На схемi показана взаемод1я гiдронасосу, пдроцилшдру i гiдророзподiлювача. Керуючий вплив на насос надходить iз пiдсисгеми електромехатчного перетворювача.
Рис. 3. ¡ммацшиа модель електромехатчного перетворювача
В процеС дослвджень iмiтацiйноï моделi виявилося [10], що процес перемiщеннi платформи супроводжуеться коливаннями, як1 виникають в результатi взаемоди елементiв конструкцiï платформи будiвельного принтера.
Рис. 4. ¡ммацшна модель гiдравлiчного пщйомника
Як видно iз осцилограм, що показанi на рис. 5, коливання задано1 висоти (рис. 5а) виникають шд час рiзкоl змiни швидкостi руху платформи (рис. 5б). Коливання висоти, що спостер^аються, мають певний час згасання i залежать ввд сталих часу ОК. Зменшення величини коливань яш впливають на точнiсть позицiонування, вщпо-ввдно, на як1сть роботи будiвельного принтера, е додатковим завданням регулятора цього параметру.
Рис. 5. Осцилограми змiми висоти пщйому платформи: а - осцилограма заданоТ висоти;
б - плимме значення висоти платформи
Традицшний пiдхiд щодо компенсаци збурень шляхом використання П1Д регулятора висоти по каналу витрат виявляеться неефективним, як це видно iз рис. 6.
Одною i3 причин, що впливають на яшсть регулювання, може бути вiдмiннiсть сталих часу каналу керування по висотi та каналу збурень. Така ситуацiя обумовлюе побудову додаткового каналу керування, який би забезпе-чив компенсацiю коливань.
5
а
е
о
ад
а а:
£ а
е S
Э яэ
а г t
I
Input Н eight
прц|НЕ»дм|-
а!
д! г— ejm Нн qH
Час (с)
Рис. 6. Осцилограми змши висоти з використанням П1Д регулятора: а - осцилограма задано'1 висоти;
б - плинне значення висоти платформи
Недостатня ефектившсть традицшних П1Д регуляторiв пояснюеться тим, що змiна параметрiв ОК або змша характеру зовнiшнiх збурень вимагае ручного налаштування коефiцiентiв регулятора. Додатковi складнощi нала-штувань виникають у випадках, коли необхвдно забезпечити взаемодш цього регулятора i3 шшими контурами, наприклад, пов'язаного керування. Нелшшшсть та нестацiонарнiсть рiвнянь, що описують реальт перемiщення в ОК, призводять до того, що при керуванш такими перемщеннями параметри налаштувань регулятора вибира-ють шляхом компромiсу. Оптимшщя системи здiйснюеться у декiлькох точках, вщповвдно до вибраного режиму шляхом корегувань параметрiв регулятора.
Враховуючи, що коливальнють перехгдних процесiв перемщення платформи залежить ввд дек1лькох взаемопов'язаних параметрiв гидроприводу, можна припустити, що аналтичний опис додаткового каналу керування буде мати складний характер. Тому для реатзацд внутрiшнього контуру керування системи вибрано регулятор з нечгг-кою лопкою (Fuzzy Controller), який на першому етапi розробки будуеться в програмному середовищi MATLAB Simulink. Схема моделювання нечiткого регулятора тиску (контур стабшзаци тиску пдроприводу) зображено на рис. 7.
Рис. 7. Схема керування з використанням Fuzzy регулятора
Цей Fuzzy Controller на входi приймае два параметри: V - рiзниця мiж висотою на початку руху платформи i плинною висотою, C - керуючий вплив регулятора висоти (завдання Fuzzy регулятора тиску Р).
Для мш]шзацп коливань висоти пвдйому формуеться набiр правил, що дозволяють змiнювати вихвдне значення тиску в залежносп ввд рiзницi плинно! висоти платформи вщ задано! i коливань тиску в пдрамчному цилiндрi. Ефективнiсть дп регуляторiв iлюструеться рис. 8, де показано рiвень коливань з використанням регулятора та без нього.
Час (с)
Рис. 8. Воображения процесу перемiщення платформи
Результати тестування вiдпрацювання заданих значень висоти платформи показаш на рис. 9.
Час (с)
Рис. 9. Осцилограми змiми задамо'1 i плиммоТ висоти платформи
На осцилограмi рис. 9 видно, що тд час iмiтацiï перемiщення платформи на висоту 5 i 15 см коливання висоти мiнiмiзованi в результат адаптацiï виконавчого механiзму до змiн швидкостi перемщення платформи. При цьому значення висоти платформи на виникнення коливань не впливають.
Пiдсумовуючи результати моделювання руху платформи будiвельного принтера, можна констатувати, що точ-шсть позицiонування платформи забезпечуеться наступними вимогами:
- регулятор перемщення будуеться за багатоконтурною структурою;
- регулювання позицюнуванням платформи повинно реал1зовувати процедури адаптаци при змiнi параметрiв ОК;
- вибiр енергетичних показник1в швидкiсть/вага повинен здшснюватися, виходячи iз ККД, що досягаеться при реалiзацiï системи керування.
Висновки
1. Розроблена модель перемщення платформи будiвелъного принтера радiалъного типу з урахуванням коли-вань висоти платформи.
2. На б^ моделi проведена оцшка динамiчних характеристики ОК, що дало змогу сформулювати вимоги до системи керування насосом та клапаном гадражично! системи тдйому платформи.
3. Даш, що отримаш в результат моделювання, забезпечили проведення структурно параметричний синтез регуляторiв.
4. В результал використання нечiткого регулятора мiнiмiзовано рiвень коливань платформи, що викликанi зовшшшми збуреннями.
Список використаноТ лiтератури
1. Лупина 1.Б., Клочко Т.Р., Скицюк В.1. Моделювання багатокрш^ально! системи контролю роботи мета-лообробного cnc-обладнання. Ки!в : Bicnux Кшвського полiтехнiчного шституту. Серiя Приладобудування. 2021. № 61(1). С. 52-60.
2. Panchenko A., Voloshina A., Kiurchev S. and others. Development of the universal model of mechatronic system with a hydraulic drive. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. № 4/7(94). P. 51-60. DOI: 10.15587/1729-4061.2018.129577
3. Stastny J. Motycka V. Design Optimization of Lifting Mechanisms. WMCAUS 2018. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 471 (2019) 062032. D0I:10.1088/1757-899X/471/6/062032
4. Андренко П. М. Гiдравлiчнi пристро! мехатронних систем. Хартв: НТУ «ХП1». 2014. С. 7-34.
5. Мельникова Л.В., Шестака А.1., Калшш О.Г. Енергозберiгаюче керування електроприводом насоса гiдравлiчного крана . Елекгротехнiчнi та комп'ютерш системи. 2018. № 27. С. 82-90.
6. Morales R., Somolinos J.A., Sira-Ramirez H. Control of a DC Motor using Algebraic Derivative Estimation with Real Time. Experiments Measurement. 2014. Vol. 47. P. 401-417.
7. Култенко Г.В, Леонтьев П.В., Панич А.О., Савенко А.В. Керування тдйомом платформи будiвельного принтера. Information Technology: Computer Science, Software Engineering and Cyber Security. Видавничий дiм «Гельветика». 2022. Вип. 1. С. 30-38.
8. Кухарчук В. В., Ведмщький Ю. Г., Граняк В. Ф. Вишрювання параметрiв обертального руху електромехашчних перетворювачiв енергп в перехiдних режимах роботи. Вшниця : УНIВЕРСУМ-Вiнниця. 2018. С. 35-45.
9. Vechet, Stanislav, Jiri Krejsa. Hydraulic arm modeling via matlab simhydraulics. Svratka, Czech Republic : National Conference with International Participation. Engineering Mechanics 16.4. 2009. С. 287-296.
10. Култенко Г.В., Леонтьев П.В, Савенко А.В., Папета А.О. Керування стршою будiвельного принтера з допомо-гою крокового двигуна. Кременчук : XX Мжнародна науково-технiчна конференцiя '^зичт процеси та поля техшч-них i бюлопчних об'екпв": матерiали конференцп. 2021. С. 14-16.
References
1. Lupina I. B., Klochko T. R., Skytsyuk V. I. (2021) Modeliuvannia bahatokryterialnoi systemy kontroliu roboty metaloobrobnoho cnc-obladnannia. [Modeling of a multi-criteria control system for the operation of metalworking CNC equipment]. Kyiv: Visnyk Kyivskoho politekhnichnoho instytutu. Seriia Pryladobuduvannia. № 61(1). P. 52-60.
2. Panchenko A., Voloshina A., Kiurchev S. and others. (2018) Development of the universal model of mechatronic system with a hydraulic drive. [Development of the universal model of mechatronic system with a hydraulic drive]. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. № 4/7(94). P. 51-60. DOI: 10.15587/1729-4061.2018.129577
3. Stastny J., Motycka V. (2019) Design Optimization of Lifting Mechanisms. [Design Optimization of Lifting Mechanisms]. WMCAUS 2018. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 471 062032. DOI: 10.1088/1757-899X/471/6/062032
4. Andrenko P. M. (2014) Hidravlichni prystroyi mekhatronnykh system. [Hydraulic devices of mechatronic systems]. Kharkiv: NTU "KhPI". P. 7-34.
5. Melnikova L. V., Shestaka A. I., Kalinin O. G. (2018) Enerhozberezhennia keruvannia elektropryvodom nasosa hidravlichnoho krana. [Energy-saving control of the electric drive of a hydraulic crane pump]. Elektrotekhnichni ta kompiuterni systemy. № 27. P. 82-90.
6. Morales R., Somolinos J. A., Sira-Ramirez H. (2014) Control of a DC Motor using Algebraic Derivative Estimation with Real Time. [Control of a DC Motor using Algebraic Derivative Estimation with Real Time]. Experiments Measurement. Vol. 47. P. 401-417.
7. Kulinchenko H. V, Leontiev P. V, Panych A. O., Savenko A. V. (2022) Keruvannia pidiomom platformy budivel-noho druku. [Control of platform lifting for a construction printer]. Information Technology: Computer Science, Software Engineering and Cyber Security. Vidavnichyi dim "Helvetika". Vyp. 1. P. 30-38.
8. Kukharchuk V. V., Vedmitskyi Yu. H., Graniak V. F. (2018) Vymiriuvannia parametriv obertalnoho rukhu elek-tromekhanichnykh peretvoriuvachiv enerhii v perekhidnykh rezhymakh roboty. [Measurement of parameters of rotational motion of electromechanical energy converters in transient modes of operation]. Vinnytsia: UNIVERSUM-Vinnytsia. P. 35-45.
9. Vechet, Stanislav, Jiri Krejsa. (2009) Hydraulic arm modeling via Matlab SimHydraulics. [Hydraulic arm modeling via Matlab SimHydraulics]. Svratka, Czech Republic: National Conference with International Participation. Engineering Mechanics 16.4. P. 287-296.
10. Kulinchenko H. V., Leontiev P. V., Savenko A. V., Papeta A. O. (2021) Keruvannia striloiu budivelnoho druku z dopomohoiu krokovoho dvyhuna. [Control of the boom of a construction printer using a stepper motor]. Kremenchuk: XX Mizhnarodna naukovo-tekhnichna konferentsiia "Fizychni protsesy ta polia tekhnichnykh i biolohichnykh obiektiv": materialy konferentsii. P. 14-16.
