Анализ структур и разработка методов оценки качества прецизионных электромеханических следящих систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Смагина, Ирина Анатольевна

• Смагина, Ирина Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смагина, Ирина Анатольевна

Введение.

Глава 1.

Электромеханические следящие системы.

1.1 Традиционные следящие системы.

1.2 Повышение качества работы электромеханических следящих систем.

1.3 Итерационные следящие системы.

Выводы к главе 1.

Глава 2.

Анализ и синтез итерационных систем в линейном представлении.

2.1 Анализ точности работы линейных итерационных систем.

2.1.1 Исследование точности линейных многоканальных систем с помощью аналитических методов.

2.1.2 Исследование точности линейных многоканальных систем с помощью моделирования.

2.2 Синтез систем с параллельными ветвями.

2.2.1 Метод приближенных логарифмических амплитудно-частотных характеристик.

2.2.2 Особенности синтеза итерационных систем.

2.2.3 Разработка методики синтеза итерационных систем.

Выводы к главе 2.

Глава 3.

Исследование итерационных систем в нелинейном представлении.

3.1 Выбор и обоснование метода исследования

3.2 Исследование влияния нелинейных элементов с однозначными статическими характеристиками на свойства контура управления

3.3 Исследование влияния нелинейных элементов с неоднозначными характеристиками на свойства контура управления

3.4 Квазиитерационные системы в нелинейном представлении.

Выводы к главе 3.

Глава 4.

Исследование точности многоканальных следящих систем в нелинейном представлении.

4.1 Исследование влияния нелинейных элементов с однозначными статическими характеристиками на точность работы многоканальных систем.

4.2 Исследование влияния нелинейных элементов с неоднозначными статическими характеристиками на точность работы многоканальных систем.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ структур и разработка методов оценки качества прецизионных электромеханических следящих систем»

Настоящая работа посвящена решению вопросов структурного построения и анализа прецизионных электромеханических следящих систем.

Развитие новых областей техники и новых технологий, совершенствование параметров и технических характеристик приборов, машин и механизмов ставит на одно из первых мест решение вопросов создания современных быстродействующих прецизионных следящих приводов. Так, например, развитие лазерной техники, применение которой невозможно без высокоточных систем управления положением лазерного луча и его интенсивностью, оказало значительное влияние на широкое внедрение новых высокотехнологичных процессов в машиностроении. Аналогичная задача решается при создании лазерных локационных систем, погрешность которых по угловому положению луча не должна превышать десятых долей секунды. При этом точность и разрешающая способность систем, к которым предъявляются столь высокие требования, должны обеспечиваться в реальных условиях эксплуатации при наличии возмущающих воздействий, обеспечивая при этом также необходимое быстродействие и динамические характеристики.

Однако, несмотря на широкое практическое применение высокоточных следящих систем, степень их теоретической изученности еще недостаточна для достоверного определения их характеристик в совокупности и последующего их направленного изменения. Не решен один из наиболее важных вопросов анализа и синтеза высокоточных систем - вопрос возможности использования наиболее развитых в теории автоматического управления приближенных методов исследований. Имеющиеся публикации по указанным вопросам носят в основном частный характер, практически отсутствует анализ возможных структурных построений высокоточных систем и их синтеза по заданным параметрам качества регулирования [18, 23, 32, 33, 35, 41, 42, 62, 74]. Следует отметить также крайнюю необходимость проведения сопоставительного анализа и синтеза различных структурных построений.

Тем не менее, современный уровень развития информационных технологий и расширение теоретических возможностей исследования различных видов систем позволяет на нынешнем этапе провести анализ комбинированных систем с целью выявления их неисследованных ранее характеристик и разработки методики анализа и синтеза прецизионных систем.

В этой связи представляется актуальным:

- исследовать точностные свойства различных структурных построений прецизионных систем с применением различных методов;

- разработать методику синтеза систем с параллельными ветвями с учетом их особенностей;

- исследовать частотные свойства систем при наличии в контуре управления элементов с нелинейной статической характеристикой;

- выявить влияние наличия таких элементов на динамику работы систем, и, в первую очередь, на точность отработки задающего воздействия при различном количестве каналов и параметрах систем.

Указанные предпосылки и определили научную ценность настоящей диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка инженерных методов анализа и синтеза прецизионных следящих систем, используемых для решения «одного класса задач», под которым понимаются следящие системы, в которых невозможно или, по крайней мере, чрезвычайно трудно выделить в чистом виде или измерить входные и возмущающие сигналы. Это свойство не позволяет вводить дополнительные компенсирующие связи по основным воздействиям, которые применяются в инвариантных системах.

В практическом прикладном применении к классу задач, для которых характерны чрезвычайно высокие требования по точности и другим показателям качества, могут быть отнесены следующие:

- построение систем наведения, когда реально может быть выделен только сигнал ошибки наведения, а истинное положение цели или объекта в пространстве координат не поддается измерениям;

- системы инерциальной навигации, когда невозможно в полной мере с высокой точностью определить все возмущения, приложенные к объекту стабилизации;

- ведение телескопа наблюдения с качающимся основанием при решении задач астроориентации, в судовой и космической навигации;

- программное управление с лазерными исполнительными элементами, когда база является неподвижной - наиболее часто встречающаяся задача программного нацеливания при стрельбе.

В соответствии с основной целью исследований, состоящей в поиске эффективных путей повышения точности прецизионных электромеханических систем, в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ известных подходов к созданию прецизионных следящих систем по литературным источникам и выявление резерва по качеству управления.

2. Анализ точностных свойств многоканальных систем как в линейном, так и в нелинейном представлении.

3. Разработка методики синтеза итерационных систем, учитывающей их особенности, с использованием логарифмических частотных характеристик.

4. Сравнительный анализ и исследование наиболее рациональных структур с учетом типовых нелинейностей, их параметров и места включения.

5. Разработка рекомендаций по определению наличия в конкретном месте контура управления элементов с нелинейными статическими характеристиками, их параметров.

Наиболее существенные результаты, полученные лично автором

1. Разработана методика синтеза многоканальных итерационных следящих систем.

2. Исследовано влияние нелинейных звеньев в структурах итерационного типа на их динамику и точность работы.

Степень научной новизны полученных результатов

1. Для решения задачи синтеза предложено использование огибающих асимптотических логарифмических частотных характеристик, что позволяет учесть влияние на динамику системы параметров различных каналов.

2. Проведено исследование влияния ошибок контуров электромеханических следящих систем на ошибку системы в целом в линейном и нелинейном представлении, что позволило упростить исходные структуры.

3. Показано, что наиболее существенное влияние на динамику систем оказывают нелинейности точного канала.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII, XIII, XIV и XV международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г.Алушта) в 2003, 2004, 2005 и 2006гг., Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» в 2005г., Двенадцатой международной конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ) в 2006г. Краткое содержание работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Смагина, Ирина Анатольевна

Выводы к главе 4

В главе были рассмотрены динамические ошибки нелинейных итерационных следящих систем. На основании результатов проведенной работы можно сделать выводы о том, что:

1. динамическая ошибка системы в любом случае является частотно-зависимой величиной, причем с ростом частоты входного сигнала она увеличивается нелинейно;

2. наличие нелинейных элементов в точном контуре двухканальной системы приводит к значительному увеличению динамической ошибки, а наличие нелинейностей в грубом контуре практически полностью компенсируется точным контуром и не приводит с существенному увеличению ошибки системы в целом.

3. тем не менее, в рабочем диапазоне частот увеличение динамической ошибки не превышает 1 порядка (в смысле среднеквадратичной оценки), что с учетом очень высокой точности работы линейных систем позволяет обеспечить высокое качество работы систем рассматриваемого класса и в нелинейном представлении.

Заключение

Итак, приведем основные результаты, полученные в соответствии с поставленными задачами в рамках диссертационной работы:

1. Проведен анализ известных подходов к созданию прецизионных следящих систем по литературным источникам, исследование основных структурных построений высокоточных следящих систем в линейной постановке с точки зрения обеспечения высоких требований к качеству управления. Выявлен резерв структурных методов, позволяющий проводить анализ различных - построений прецизионных электромеханических следящих систем. Рассмотрен алгоритм работы итерационных систем, сделаны выводы о целесообразности применения данного типа структур.

2. Рассмотрены вопросы точности работы прецизионных систем в линейном представлении, аналитическими методами и с помощью моделирования проведен анализ зависимости точности работы итерационных систем от количества каналов; показано, что если, например, добавление второго канала при использовании итерационной структуры приводит к повышению точности работы системы приблизительно на 1,5 порядка, то введение третьего канала повышает точность в несколько раз, а четвертого - на 30-40%.

3. Исследованы основные проблемы, возникающие при решении задачи синтеза систем с параллельными ветвями. Экспериментально показана применимость некоторых классических методов синтеза следящих систем для рассматриваемого случая.

4. Разработана методика синтеза систем исследуемого класса, позволяющая учесть их особенности, связанные во-первых, с наличием в системе нескольких каналов параметрами каждого из которых определяется динамика системы в целом, во-вторых, с нетиповым видом желаемой ЛАЧХ скорректированной системы.

5. Проведен анализ наиболее рациональных структур с учетом наличия в контуре управления типовых нелинейностей, их параметров и места включения; разработаны рекомендации по определению наличия в конкретном месте контура управления элементов с нелинейными статическими характеристиками, их параметров; сделаны выводы о том, что влияние наличия нелинейных элементов в контурах итерационной системы, кроме последнего, компенсируется работой последнего канала.

6. Описаны преимущества комбинированных (квазиитерационных) систем с точки зрения влияния нелинейных элементов на качество управления; сделаны выводы о целесообразности применения таких структур с точки зрения устойчивости работы.

7. Рассмотрены вопросы точности работы прецизионных систем в нелинейном представлении, проведено исследование влияния различных видов нелинейностей, их параметров и мест включения в контур управления на точность отработки системой задающего воздействия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смагина, Ирина Анатольевна, 2007 год

1. Автоматизированное проектирование следящих приводов и их элементов. Под ред. В.Ф. Казмиренко.-М. Энегроатомиздат, 1984г.

2. Андрющенко В.А. Следящие системы автоматизированного оборудования. -JI.: Машиностроение, 1979.

3. Анхимюк B.JI. Теория автоматического управления. Минск: Дизайн ПРО, 2002.

4. Ахметжанов А.А., Кочемасов А.В. Следящие системы и регуляторы.-М.: Энегроатомизрат, 1986.

5. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами.-Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1982.

6. Беленький Ю.М., Епифанов Л.И. и др., Бесконтактный моментный привод для замкнутой системы автоматического управления.-Электротехника, 1986.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.:Профессия, 2003.

8. Биммбербеков Б.Л. Частотный метод определения параметров регулятора для линейной системы с двумя сепаратными подсистемами.//АиТ, 1996, №8.

9. Биттар А.Б., Колосов О.С. Корневые методы синтеза двусвязных систем управления. //Вестник МЭИ, 1996, №6.

10. Ю.Брюханов В.Н. под ред. Ю.М. Соломенцева. Теория автоматического управления: учебник для ВУЗов.-М.: Машиностроение, 1992.

11. Брюханов В.Н., Косов М.Г., Протопопов С.П. Теория автоматического управления: Учебник для ВУЗов./ под. ред. Соломенцева Ю.М. М.: Высш. Школа, 2001.

12. Бутенко В.И., Захарченко А.Д., Косов И.В., Ретивова Д.Л., Сущенко А.А. Механика машин, механизмов и приборов. Информационно-справочное пособие. Таганрог.ю изд-во ТРТУ, 2000.

13. З.Вавилов А.А. Частотные методы расчета нелинейных систем.-М.: Высшая школа, 1977.

14. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы.-М.:Энергоиздат, 1981.

15. Гагин Ю.Л., Ефанов В.Н., Крымский В.Г. Синтез многоцелевого регулятора для многосвязной системы автоматического управления. //Известия ВУЗов. Приборостроение, 1993,№1.

16. Грузов B.JI. Вентильно-электромеханические системы автоматизированных электроприводов: Учебное пособие.-Вологда: ВоПИ, 1996.

17. Гультяев А.Визуальное моделирование в среде MatLab.-СПб: Питер, 2000.

18. Динамика следящих приводов под ред. JI.B. Рабиновича,-М.Машиностроение, 1982.

19. Динамика электромашинных следящих систем. Под ред. Н.М. Якименко.-М.: Энергия, 1967.

20. Душин С.Е., Зотов Н.С., Яковлев В.Б. Теория автоматического управления. М.: Высш. школа, 2002.

21. Дмитриева Е.А., Колосов О.С., Цепляев А.А. Анализ двухканальных систем с перекрестными связями в частотной области. Теория автоматического управления и регулирования, МИРЭА, МежВУЗовский сборник трудов под ред. Макарова И.М. 1996.

22. Ерофеев А. Теория автоматического управления: Учебник для ВУЗов. М.: Политехника, 2001.

23. Зайцев Г.Ф., Стеклов В.К. Комбинированные следящие системы.-Киев: Техника, 1978.

24. Иванов Е.С. Динамические свойства силовой части следящего электропривода с частотно-токовым управлением моментом асинхронного двигателя.// Электричество, Москва, 2005., №3.

25. Кацман М.М., Юферов Ф.М., Электрические машины автоматических систем.- М.: Высшая школа, 1979.

26. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985.

27. Ковин С.А., Сабинкин Ю.А. Теория электропривода. Учебник для ВУЗов. М.: Энергоатомиздат, 1992.

28. Колосов О.С., Подольский Д.С. Устойчивость систем с перекресными симметричными связями.// Труды международной конференции «Информационные средства и технологии» М.: Янус-К, 2004.

29. Колосов О.С., Хризолитова С.А. Приближенный метод суммирования логарифмических частотных характеристик САУ. Теория и техника автоматического управления УНГПС «Кибернетика» Томского политехнического университета.-Томск, 1990.

30. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики.-М.: Энергия, 1972.

31. Красовский А.А. Новые концепции общей теории управления.-Таганрог, 1995.

32. Красовский А.А. О двухканальных системах автоматического регулирования с антисимметричными перекрестными связями. Автоматика и телемеханика, t.XVIII №2,1957.

33. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики.- M.-JL: Госэнергоиздат, 1962.

34. Методы классической и современной теории автоматического упавления: учебник в 5-ти томах; изд. 2-е, переработанное и дополненное./ под. ред. К.А. Пупкова и Н.Д. Егупова.-М.: изд-во МГТУ им. Баумана, 2004.

35. Многосвязные системы управления, под ред. М.В. Меерова.-М.: Наука, 1990.

36. Морозовский В.Т. К теории однотипных связных систем автоматического регулирования.- М.: Изд-во Академии, 1959.

37. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулирования.-М.: Энергия, 1970.

38. Москаленко В.В. Электрический привод.- М.: Академия 2004.

39. Нелинейные системы автоматического управления. Пол общ. ред. Е.П. Попова. 1970.

40. Никольский А.А. Точные двухканальные следящие электромеханические приводы с пьезокомпенсаторами.-М.: Энергоатомиздат, 1988.42.0смоловский П.Ф. Итерационные многоканальные системы автоматического управления.- М.: Советское радио, 1969.

41. Основы теории автоматического регулирования./ под ред. Крутова С.М. М.: Высш. школа, 1984.44.0сновы автоматического управления. Под ред. B.C. Пугачева. М.: Наука, 1974.

42. Петров Б.Н. О реализуемости условий инвариантности, «Теория инвариантности и ее применение в автоматических устройствах», изд-во АН УССР, 1959.

43. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1979.

44. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1986.

45. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Идентификация нелинейных итерационных электромеханических следящих систем.// Труды XII международного научно-технического семинара. АЛУШТА, 2003.-М.: МЭИ, 2003.

46. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Исследование точности итерационных электромеханических следящих систем.//Москва, Вестник МЭИ, 2004. №3, стр. 50-54.

47. Прамнэк И.А., Хризолитова С.А. Точность многоканальных следящих систем при наличии возмущений.// Труды XIII международного научно-технического семинара. АЛУШТА, 2004.-М.: МГУ, 2004г.

48. РойтенбергЯ.Н. Автоматическое управление.-М.: Наука, 1982.

49. Сабинин Ю.А. Электромашинные устройства автоматики.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.

50. Сборник лабораторных работ по курсу «Электромеханические системы»-М.: МЭИ, 1997.

51. Скворцов Л.М. Алгоритм преобразования математических моделей многомерных систем управления.// Известия Академии Наук. Теория и системы упрвления. 1997., №2.

52. Следящие приводы. Под ред. Б.К.Чемоданова.-М.: Энергия, 1976г.

53. Смагина И.А., Хризолитова С.А. Анализ динамических свойств многоканальных приводов.// Труды XV международного научно-технического семинара. АЛУШТА, 2006.-М: МИФИ, 2005.

54. Смагина И.А. Динамика квазиитерационных электромеханических следящих систем.//Радиоэлектроника, электротехника и энергетика.

55. Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Том 1.-М.: МЭИ, 2006.

56. Смагина И.А., Хризолитова С.А. Устойчивость прецизионных квазимногоканальных электромеханических следящих систем при наличии нелинейных элементов.//Москва, Вестник МЭИ, 2007. №1.

57. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами.-М.: МГТУ, 1993.

58. Соболев О.С. Однотипные связные системы регулирования.-М.:Энергия 1973.

59. Соболев О.С. Методы исследования линейных многосвязных систем.-М.: Энергоатомиздат, 1985.

60. Соколов Т.Н. Электромеханические системы автоматического управления M.-JI.: Госэнергоиздат, 1952.

61. Справочник по теории автоматического управления под ред. А.А. Красовского -М.: Наука, 1987.

62. Тарарыкин С.В., Тюбиков В.В. Элементы структурной оптимизации следящих электротехнических систем с модальным управлением.// Известия ВУЗов. Электромеханика, 1994, №1-2.

63. Теория автоматического управления. Под ред. А.А. Воронова.-М.: Высшая школа, 1986.

64. Теория автоматического управления. Под ред. А.В. Нетушила.-М.: Высшая школа, 1980.

65. Теория автоматического управления. Под ред. Яковлева В.Б.-М.: Высшая школа, 2003.

66. Теория электропривода: Учебник для ВУЗов.-СПб: Энегроатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 1994.

67. Толчеев В.О., Ягодкина Т.В. Методы идентификации одномерных линейных динамических систем. М.: Изд-во МЭИ, 1997.

68. Филиппов В.Г. Разработка и исследование двухканального электропривода точного позиционирования с интерометрическим датчиком положения. 05.09.03 Электрооборудование. Диссертация кандидата технических наук/МЭИ.-М., 1983.

69. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: перевод с англ.-М.: Мир, 1989.

70. Хризолитова С.А. Инженерная методика оценки качества линейных прецизионных систем управления с параллельными ветвями. IV Всесоюзная конференция «Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТП»-Тула, 1990.

71. Цепков А.С., Хризолитова С.А. Сравнительная оценка двух схем построения следящей системы с двумя исполнительными устройствами. //Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 1988, №7.

72. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977г.

73. Цыпкин Я.З. Теория нелинейных систем автоматического регулирования.-М.: Гостехиздат, 1955.

74. Штейнберг Ш.Е. Идентификация в системах управления. М.: Энергоатомиздат, 1987.

75. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств,- М.: Высшая школа, 1988.

76. International symposium of methods and models in automation and robotics (5; 1998; Miedzyzdroje) Processing of the MMAR-98 vol.1, Control theory/ Modeling and simulation. 1998.

77. Mathews M.V., Trans AIEE, Part II 74, 114-123,1955.