CC BY
34
УДК 62-523.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-417-424
РАЗРАБОТКА ВЫСОКОТОЧНОГО СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА С ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
О.В. Горячев, В.В. Воробьев, И.А. Меркулов, А.А. Шуркова
Рассмотрены вопросы использования метода интеллектуального управления при синтезе электрического следящего привода (ЭСП) с переменной структурой. Построен комплексный закон управления с нечеткой логикой, который обеспечивает высокое качество как в режиме переброски, так и в режиме слежения при плавном переключении структур. Достоверность полученных результатов подтверждена компьютерным моделированием. Разработан автоматизированный полунатурный стенд для экспериментальной отладки законов управления высокоточных высокодинамичных следящих приводов наведения и стабилизации. Полученные результаты внедрены в учебный процесс подготовки специалистов по системам автоматиче-скогоуправления на кафедре САУ ТулГУ.
Ключевые слова: следящая система, многокритериальность, динамика, точность, переменная структура, закон управления, нейро-нечёткий регулятор.
Актуальность развития прикладных методов проектирования высокоточных систем (ВТС) наведения и стабилизации обусловлена необходимостью обеспечения постоянно возрастающих требований по динамике, точности, энергопотреблению, помехозащищённости и др. Причем жесткие требования задания необходимо обеспечивать в условиях многокритериально-сти и неопределенности. Факторами неопределенности для ВТС, которые затрудняют синтез управления, являются неполнота математического описания объекта, его высокий порядок, наличие существенных нелинейностей, изменение параметров в широких пределах, неточности измерений переменных, произвольный характер начальных условий, задающих и возмущающих воздействий и др.
На сегодняшний день решены многие практически важные вопросы синтеза ВТС, в том числе синтеза управления с элементами искусственного интеллекта. Необходимо отметить, что на практике сложно синтезировать оптимальный более чем по одному критерию закон управления. Опыт разработок показывает, что ни один из полученных законов управления, как правило, не удовлетворяет одновременно высоким требованиям по быстродействию и точности. Поэтому для управления сложными динамическими системами целесообразно использовать комплексный закон, который сочетает в себе достоинства нескольких законов управления.
Сочетание нескольких способов управления возможно, например, в классе систем с переменой структурой (СПС) [1-3]. Однако такие системы не лишены недостатков. При переключении с одного режима управления на другой могут возникать нежелательные движения, например, близкие к периодическим колебания, скользящие режимы, не исключена потеря устойчивости системы [3]. Чтобы избежать нежелательных эффектов, функция переключения должна содержать как можно меньше разрывов, а в идеальном случае, должна быть гладкой. Добиться гладкой формы кривой переключения и плавного переключения структур классическими методами сложно. Поэтому применение методов искусственного интеллекта, в частности, нечеткой логики для этих целей является обоснованным.
Теоретическое исследование устойчивости СПС весьма затруднительно. В связи с этим выбор условий перехода системы с режима на режим и настройка блока переключения структуры должны производиться на основе экспериментальных данных, которые получают в процессе динамических испытаний СПС в виртуальном и/или полунатурном стендах.
Целью работы является формирование с использованием нечеткой логики комплексного закона управления электрическим следящим приводом (ЭСП), который обеспечивает высокое качество регулирования как в режиме переброски, так и в режиме слежения. На рис. 1 представлена функциональная схема комплексного закона управления приводом, реализованного на базе трёх регуляторов:
- регулятор 1 - реализует «быстродействующий» закон управления в режиме переброски;
- регулятор 2 - реализует «точный» закон управления в режиме слежения;
- нечеткий (либо нейро-нечеткий) регулятор - реализует устойчивое и плавное переключение с «быстродействующего» закона управления на «точный».
Рис. 1. Функциональная схема комплексного закона управления
Достоинствами нечетких регуляторов (НР) является их эффективность при управлении нелинейными объектами в условиях неопределенности, а также наглядность и относительная простота решения задачи синтеза управления для сложных динамических систем [4-7].
На вход НР в рассматриваемой задаче поступает вектор входных переменных, компонентами которого могут служить, например, модуль ошибки по положению (углового рассогласования) и модуль угловой скорости нагрузки. Синтез НР основывается на следующих практических рекомендациях: пока текущее значение модуля ошибки по положению велико, работает «быстродействующий» закон управления; когда положение нагрузки оказывается близким к требуемому, должно происходить плавное переключение на «точный» закон управления. Назначение НР - обеспечить устойчивость СПС и плавный переход от одного закона управления к другому с возможно меньшим количеством переключений.
Simulink-схема блока управления, который реализует комплексный закон управления, представлена на рис. 2. НР на схеме обозначен как Fuzzy Logic Controller. Блок управления формирует результирующий сигнал управления в соответствии с выражением для взвешенной суммы сигналов с выходов регуляторов 1 и 2 вида
и = u1 -a(s*) + u2 -(1 -a(sS), (1)
где и - результирующее управление; ui - управление на выходе регулятора i; a(s) - функция веса; s - вектор входных переменных; и2- управление на выходе регулятора 2.
Функция веса а(е) должна быть непрерывной гладкой функцией вектора входных переменных s . Зависимость (1) реализуется с помощью субструктуры, элементы которой выделены зеленым цветом на рис. 2.
Из выражения (1) следует, что во время работы ЭСП задействованы одновременно оба закона управления, причем доля (вес) их участия в совместной работе определяется нечеткой логической функцией , величина которой принимает значения из диапазона [0..1]. В самой
простой реализации функция формируется с использованием двух лингвистических пере-
менных: «модуль ошибки по положению» на входе и «альфа» на выходе НР (рис. 2).
Рис. 2. Simulink-схема блока управления 418
Для наглядности НР можно сравнить с водопроводным смесителем, поворотом ручки которого можно настраивать температуру воды (от холодной до горячей). Аналогично этому примеру НР в составе блока управления приводом регулирует степень влияния регуляторов 1, 2 на управление силовой подсистемой в текущий момент времени. На рис. 3. показана Simulink-схема ЭСП с переменной структурой.
Рис. 3. Simulink-схема следящего электропривода
Результирующее управление объектом формируется блоком управления, который выделен зеленым цветом; «быстродействующий» закон управления формирует регулятор 1, выделенный красным цветом; «точный» закон управления формирует регулятор 2, выделенный синим цветом. Регулятор 2 для своей работы использует гироскопический датчик угла (ГДУ), а также локальную обратную связь по току.
«Быстродействующий» и «точный» законы управления реализованы с помощью типовых линейных регуляторов 1 и 2 (частные случаи ПИД-регулятора). Синтез этих регуляторов производился согласно техническому заданию (ТЗ) в соответствии с требованиями к показателям качества ЭСП в режимах переброски и слежения. Настройка коэффициентов регуляторов 1, 2 производилась по отдельности методом численной параметрической оптимизации с использованием стандартного инструментария пакета Signal Constraint системы Matlab.
В работе в качестве объекта управления рассмотрена силовая система без редуктора, реализованная на базе трехфазного моментного двигателя серии ДБМ120-1.6-0.5-3. Важно подчеркнуть, что объект управления является сложной нелинейной системой. Его математическое описание учитывает наличие широтно-импульсной модуляции, ограничений управляющих сигналов в регуляторах 1 и 2, сухое трение. В качестве возмущающих воздействий учтены момент неуравновешенности, аэродинамический момент, воздействие гармонической качки носителя. ЭСП в целом представляет собой сложную нелинейную систему управления с квантованием сигналов по времени и уровню.
Компьютерное моделирование показало, что НР с одной входной лингвистической переменной является недостаточно эффективным для обеспечения высоких требований ТЗ по динамике, точности и плавности переключения структуры. На рис. 4. представлена усовершенствованная структура блока управления приводом. Здесь на входе блока Fuzzy Logic Controller действует двумерный вектор, компонентами которого являются модуль ошибки по положению и модуль ошибки по скорости нагрузки. НР выполнен в виде нейро-нечеткого контроллера. Синтез НР проводился на основе методов нечеткой логики и нейронных сетей с использованием пакета Fuzzy Logic системы Matlab [4-7].
Поверхность синтезированной функции веса a (s) представлена на рис. 5.
На рис. 5 использованы обозначения: alfa - функция веса; e - модуль ошибки по положению; w - модуль скорости нагрузки.
На рис. 6-8 представлены результаты компьютерного моделирования ЭСП с переменной структурой в рабочих режимах переброски и слежения. На осциллограммах сигналов по оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат - угол в радианах.
(X)
М одул ь скорости
Шк
zf
Fuzzy Logic Controller
Saturationl
GH
alfa
Product ►
►
Praductl
m-
Per_2
Рис. 4. Simulink-схема модифицированного блока управления
Рис. 5. Поверхность управления
0.12 0.1
/ А
ч/ /
/ /
0 У
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 8 0.9 1
Рис. 6. График переходного процесса по углу поворота нагрузки при ступенчатом входном сигнале 0,1 рад
Время регулирования при отработке ступенчатого сигнала 0,1 рад составляет 0,2 с, перерегулирование 1.7%.
Время выхода ЭСП на установившийся режим слежения при гармоническом входном сигнале 1*зт(1*0 составляет 0,5 с. Максимум модуля ошибки слежения в установившемся режиме составляет 1,1 мрад.
На рис. 8 показан график изменения функции веса а(0 за время четырех периодов входного сигнала 1*зт(1*0). Из графика следует, что в процессе регулирования отсутствуют лишние переключения регуляторов 1 и 2. Функция а( 0 не имеет разрывов и является гладкой, скользящих режимов не наблюдается. Заметим, что сложная форма функции а(0 в установившемся режиме слежения с повторяющимися интервалами совместного действия регуляторов 1, 2 обусловлена возмущающим воздействием качки носителя.
р.СВ 0.06 0.04 002 0 -0.02 -0.04 -0.06
О 5 10 13 20 25
Рис. 7. График переходного процесса по ошибке углового рассогласования при отработке
гармонического сигнала 1 *sin(l *()
А
р
1
/
А \
А А \
О 5 10 15 20 25
Рис. 8. График изменения функции веса при отработке гармонического сигнала 1 *sin(1
Достигнутые показатели динамики и точности удовлетворяет жестким требованиям ТЗ на разработку ЭСП как в режиме переброски, так и в режиме слежения. Блок комплексного управления приводом, построенный на базе нейро-нечеткого регулятора, обеспечивает устойчивость системы и плавное переключение структур.
Для экспериментальной отработки законов управления (в т.ч. комплексного) безредук-торных моментных приводов наведения и стабилизации разработан автоматизированный полунатурный нагрузочный стенд. Стенд позволяет отрабатывать ЭСП, которые реализованы на базе трех- и двухфазовых электроприводов серии ДБМ.
Лабораторно-стендовые динамические испытания ЭСП применяются на всех этапах их разработки и создания (НИР, НИЭР, ОКР, серийное производство). Полунатурные стенды позволяют адекватно воспроизводить основные эксплуатационные факторы, такие как внешние возмущения по моменту, сухое трение, многомассовость, нежесткость и люфт кинематической передачи, ударные взаимодействия, а также шумы, помехи и сбои в микропроцессорных информационно-измерительной и управляющей подсистемах привода. Указанные факторы существенно влияют на динамику, точность и помехоустойчивость систем, что обусловливает актуальность и практическую значимость разработки динамических стендов.
Полунатурный нагрузочный стенд для динамических испытаний силовых моментных ЭСП содержит нежесткую (упругую) кинематическую передачу. Принципиальная схема силовой системы стенда представлена на рис. 9.
}
7
Изменяемая инерционная
Рис. 9. Принципиальная схема силовой системы стенда
Стенд содержит двигатели ДБМ 70-0,16-3-2 (двухфазный) и ДБМ 120-1,6-0,5-3 (трехфазный), которые расположены соосно и связанны механически. В качестве датчиков положения роторов двигателей использованы высокоточные оптоэлектронные датчики типа ЛИР-ДА190А-3-Н-21-05-Я8-3-2.
Каждый из двигателей может функционировать в двух режимах:
- как исполнительный двигатель;
- как нагружающий двигатель, воспроизводящий заданную силовую нагрузку на исследуемый привод.
В стенде могут быть использованы физические модели ЭСП, которые работают на уменьшенные инерционную и силовую нагрузки. Такие модели в ряде случаев позволяют упростить динамические испытания мощных силовых ЭСП и снизить энергопотребление стенда.
Стенд является автоматизированным. На базе персонального компьютера (ноутбука) и микропроцессорных устройств реализованы цифровые управляющая и информационно-измерительная системы, которые обеспечивают реализацию заданной программы динамических испытаний, сбор, обработку и хранение экспериментальных данных.
Заданные характеристики силовой системы ЭСП реализуются в стенде с помощью настроек:
- момента инерции нагрузки путём подбора массогабаритных характеристик навешиваемых дисков;
- нежёсткости механической передачи путём подбора жёсткости и размера упругой пластины, соединяющий валы двигателей.
Выводы:
1. Рассмотрены вопросы использования метода интеллектуального управления при синтезе ВТС наведения и стабилизации. Показано, что использование нейро-нечеткого регулирования в комплексном законе позволяет повысить качество управления сложной динамической системой с переменной структурой.
2. Выполнено проектирование цифрового ЭСП с переменной структурой, функционирующего в условиях воздействий сухого трения, момента неуравновешенности, аэродинамического момента и качки носителя. Достигнутые показатели динамики и точности удовлетворяют требованиям ТЗ в режимах переброски и слежения. Разработан блок управления с нейро-нечет-ким регулятором, который в процессе функционирования ЭСП обеспечивает устойчивость системы и плавное переключение структуры.
3. Для динамических испытаний моментных следящих приводов наведения и стабилизации разработан автоматизированный полунатурный нагрузочный стенд. Стенд позволяет экспериментально отрабатывать цифровые законы управления ЭСП, которые реализованы на базе трех- или двухфазовых электроприводов серии ДБМ.
4. Полученные теоретические и практические результаты внедрены в учебный процесс подготовки специалистов по системам автоматического управления на кафедре САУ ТулГУ.
Список литературы
1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления: Учебное издание. 4-е изд., перераб. и доп. СПб: Профессия, 2004. 752 с.
2. Чемоданов Б.К. Следящие приводы: в 3 т., 2-е изд., доп. и перераб. / Б.К. Чемоданов [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 880 с.
3. Руднев С.А., Есипов А.Н. Комплексное управление силовым следящим гидроприводом // Научно-техн. сборник Системы автоматического управления и их элементы. Тула, ТулГУ, 1996. С. 83 - 86.
4. Демидова Г.Л., Лукичев Д.В. Регуляторы на основе нечеткой логики в системах управления техническими объектами. СПб: Университет ИТМО, 2017. 81 с.
5. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление / А. Пегат; пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 798 с.
6. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления: Учебник. / Под. ред. Н.Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. 744 с.
7. Воробьев В.В., Горячев О.В., Макаров Н.Н. Оптимизация следящих систем на классе входных сигналов с использованием нечеткой логики // Известия ТулГУ. Серия Проблемы специального машиностроения. Вып. 8. Тула, ТулГУ, 2005. С. 164 - 168.
Горячев Олег Владимирович, д-р техн. наук, профессор, ovg@sau.tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Воробьев Василий Викторович, канд. техн. наук, профессор, vasvikt@inbox.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Меркулов Илья Александрович, студент, hostel209@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шуркова Алина Антоновна, студент, shurkovalina@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF A HIGH-PRECISION TRACKING DRIVE WITH INTELLIGENT CONTROL O.V. Goryachev, V.V. Vorobyov, I.A.Merkulov, A.A.Shurkova
The questions of using the method of intelligent control in the synthesis of an electric tracking drive with a variable structure are considered. A complex control law is constructed using fuzzy logic, which provides high quality both in the transfer mode and in the tracking mode with a small number of switchings. The reliability of the results obtained was confirmed by computer modeling. An automated semi-natural stand has been developed for experimental debugging of control laws of high-precision highly dynamic servo guidance and stabilization drives. The obtained results are implemented in the educational process of training specialists in automatic control systems at the Department of ACS TSU.
Key words: tracking system, multicriteriality, dynamics, accuracy, variable structure, control law, fuzzy regulator, genetic algorithm.
Goryachev Oleg Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, ovg@sau.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vorobyov Vasiliy Viktorovich, candidate of technical sciences, professor, vasvikt@,inbox.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Merkulov Ilya Aleksandrovich, student, hostel209@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Shurkova Alina Antonovna, student, shurkovalina@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
