CC BY
36
ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ FEED-FORWARD РЕГУЛЯТОРА В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫМИ СЕРВОПРИВОДАМИ
Куц М.С.1, Мартынов Д.С.2 ®
1 Ассистент, каф. МТ-1, МГТУ им. Н.Э. Баумана;
2Студент, каф. МТ-1, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация
В статье рассматриваются основные преимущества использования feed-forward регуляторов по сравнению со стандартными ПИД-регуляторами в системах управления сервоприводами. Проводится исследование влияния feed-forward регулятора на точность выдерживаемого параметра.
Ключевые слова: регулятор, сервопривод, металлорежущий станок, ЧПУ. Keywords: regulator, servodrive, metalcutting machine tool, CNC.
В настоящее время в станкостроении и робототехнике широкое применение получили сервоприводы. Современные сервоприводы содержат комплекс аппаратных мер для достижения требуемой скорости и точности воспроизведения траектории [1]. Однако в условиях современного темпа развития вычислительной техники, наиболее предпочтительным методом достижения высоких показателей движения является совершенствование информационной части сервоприводов.
Наиболее широкое распространение для регулирования выходных параметров движения сервоприводов получили классические системы с линейными регуляторами координат электропривода. К их числу относится пропорционально - интегрально -дифференциальный регулятор положения, который имеет ограниченную область применения. В тоже время зарубежные аналоги таких систем управления сервоприводами в своем составе используют feed-forward регулятор [2]. Темой данной статьи является изучение основных отличий и преимуществ feed-forward регулятора перед стандартным ПИД-регулятором.
Настройка систем управления сервоприводом осуществляется за счет применения усилителей, помогающих скорректировать ошибки между требуемым значением выходного параметра системы (скорость, ускорение или крутящий момент) и его действительным значением. В стандартных системах на основе ПИД-регуляторов для настройки используется три основных типа усилителя: пропорциональный, интегральный и дифференциальный усилитель. В тех случаях, когда использование ПИД-регулятора вызывает нестабильность и колебания применяется feed-forward регулятор, позволяющий заранее предсказывать возникающие ошибки.
Пропорционально - интегрально - дифференциальный регулятор управляет величиной коррекции ошибки, возникающей при несовпадении действительного значения выходного параметра системы и значения, заданного управляющей командой.
Пропорциональный усилитель (Кр), в общем случае, предназначен для контроля жёсткости системы. Он определяет количество возобновляемой силы, которая должна быть приложена в приводе для преодоления ошибки положения. Величина ошибки умножается на коэффициент усиления пропорционального усилителя и определяет величину выходного сигнала, необходимого для корректировки данной ошибки.
Интегральный усилитель (Ki) предназначен для контроля нагрузки системы статическим моментом. Величина (Ki) «переводит» систему в положение с нулевой ошибкой в конце движения, при этом сумма ошибок, накапливаемая за некоторое время, умножается интегральным усилителем для последующей корректировки этих ошибок.
® Куц М.С., Мартынов Д.С., 2017 г.
Дифференциальный усилитель (Кё) характеризует демпфирующие свойства системы. Работа дифференциального усилителя параллельно с пропорциональным усилителем приводит к снижению перерегулирования и колебаний. Данный усилитель выдает сигнал, пропорциональный величине скорости изменения (производной) ошибки [3].
Рис. 1. Структурная схема ПИД-регулятора
Одним из недостатков использования ПИД-регуляторов в системах регулирования параметров сервопривода, является их свойство реактивности. Для начала работы ПИД-регулятора ему требуется провести накопление сигнала ошибки, что существенно снижает отклик системы. Такое условие работы может привести к появлению нестабильности системы, повышению её перерегулирования и возникновению колебаний.
Для решения этой проблемы имеется возможность использования feed-forward регулятора. В отличие от ПИД-регулятора, feed-forward регулятор обладает свойством проактивности - возможности предварительного предсказания возникающих ошибок. Этот регулятор вводит команду в контур управления на основе предсказанной ошибки без ожидания возникновения этой ошибки.
Существует два основных типа feed-forward регуляторов: регулятор по скорости и регулятор по ускорению. Регулятор по скорости снижает ошибку рассогласования за счет постоянной добавки скорости движения и работает против вязкого трения (трение, пропорциональное скорости движения). Регулятор по ускорению снижает ошибку в процессе торможения и ускорения системы и, за счет этого, компенсирует её инерцию (инерция заставляет объект сопротивляться любому изменению скорости). Требуемые значения скорости и ускорения умножаются на скорость и ускорение от feed-forward регулятора, что позволяет определить их полную составляющую в контуре управления.
Рис. 2. Структурная схема feed-forward регулятора
Исследования преимуществ feed-forward регулятора перед ПИД-регулятором проводилось на станке, разработанном на кафедре МТ1 МГТУ им. Н.Э. Баумана. В экспериментах происходило управление линейным двигателем Kollmorgen IL12075 при помощи сервоконтроллера AKD P00606. Сервоконтроллером формировался управляющий сигнал для двигателя на перемещения +10 мм со скоростью 32 мм/с и ускорением 500 мм/с2 и -20 мм со скоростью 5 мм/с и ускорением 500 мм/с . Временной график управляющего сигнала представлен на рисунке 3.
/..........
/
/
/
■ Vy..................................
О 2000 4000 6000 8000 10000
Время (мс)
Рис. 3. Временной график управляющего сигнала
На основании проведенных исследований были получены значение ошибки положения в случае отключенного feed-forward регулятора, и в случае, когда он присутствовал в системе управления (рисунок 4). Как видно из этих двух графиков, использование feed-forward регулятора позволило в значительной мере снизить возникающую при использовании стандартного ПИД-регулятора статическую ошибку, а также зашумленность сигнала скорости, которая оказывает негативное влияние на точности выдерживаемого параметра.
■13.865 -18.375
-22.884 -1-.-1-1-1-1-.-1-.-1-1-1-1-.-1-.-1-1-.-1-.-1-.-1-1-.-1-.-1-1-1-1-.-,-1-1-.-1-1-1-,-.-1-.-1-1-.-,-.-р
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 №00 9000 10000
Время (мс )
а)
598.735 519.963 441.192 362.420 i
^ 283.649 ::
1"
204.877 -u
% 126.105 С 47.334 -31.438
-110.209 -r- ■■■.......................................... ...........................................:.......................................... ..........................................:......................................-
-188.981 ÍL-Í-.-+-.-♦-¡-.-+-.-♦-¡-.-.-+-♦-¡-+-.-+-♦-¡-+-+-+-i-¡-+-+-+-i-¡-.-+-.-1-¡-.-+-.-1-¡-♦-.-+-1-¡-♦-.-+-+
О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Время (мс)
б)
Рис. 4. График ошибки положения: а) - с использованием Feed-forward регулятора; б) - с использованием стандартного ПИД-регулятора.
Выводы: feed-forward регуляторы являются важным инструментом для снижения отклика системы, они работают вне контура обратной связи и не вносят в систему нестабильности. В отличие от реактивных ПИД-регуляторов, feed-forward регуляторы проактивны, а значит, предсказуемы и практически мгновенны, поэтому их применение в современных системах управления очень востребовано.
Литература
1. Л.Н. Рассудов - Разработка и исследование методов улучшения точности и динамики электропривода: диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. - Москва, 2016.- 55с.
2. О. Толстых - Разработка и исследование калиброванного электропривода с вентильным двигателем: диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. - Москва, 2010.- 49с.
3. Danielle C. How to tune servo systems for high dynamic response? // Motion control tips [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.motioncontroltips.com/faq-tune-servo-system-high-dynamic-response/
