РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
Институт проблем машиноведения РАН
На правах рукописи
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Алгоритмы управления прохождением через зону резонанса в мехатронных вибрационных установках
Специальность 05.11.16 Ї Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)
Томчин Дмитрий Александрович
Санкт-Петербург -- 2006
Работа выполнена в Институте проблем машиноведения
Российской академии наук (ИПМаш РАН)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Фрадков Александр Львович
Официальные оппоненты: доктор технических наук., профессор
Городецкий Андрей Емельянович
Кандидат технических наук, доцент
Гаврилов Сергей Викторович
Ведущее предприятие:
Санкт-Петербургский Университет информационных технологий,
механики и оптики (СПбГУИТМО)
Защита состоится “____” ______________ 2006 г. в _____ час. ____ мин.
На заседании диссертационного совета Д 002.075.01 при Институте проблем машиноведения РАН по адресу: 199178, Санкт-Петербург, Большой пр. В.О., д. 61, ИПМаш РАН
С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ ИПМаш РАН
Автореферат разослан “____” ______________ 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук В.В. Дубаренко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современный этап развития машиностроения характеризуется широким применением средств информатики и вычислительной техники и новых информационных технологий при построении машин и установок на всех этапах: от проектирования до эксплуатации. Современные машины все чаще оснащаются реализованными на компьютерах информационно-измерительной и управляющей подсистемами. Информационно-измерительная подсистема позволяет оперативно решать задачи оценки состояния, диагностики неисправностей машины, а управляющая подсистема позволяет реализовать сложные алгоритмы управления, обеспечивающие существенное повышение качества, надежности и экономичности работы установки. Необходимость тесного взаимодействия методов механики, электроники, вычислительной техники и теории управления при проектировании машин привела к появлению новой отрасли науки - мехатроники, изучающей процессы создания и функционирования сложных компьютерно-управляемых механических систем.
Широкие перспективы открывает использование элементов мехатроники при проектировании современных вибрационных установок. Вопросы анализа и синтеза алгоритмов управления колебательными режимами рассматривались в работах Л.Д. Акуленко, Б.Р. Андриевского, В.К. Асташева, В.И. Бабицкого, И.И. Блехмана, А.Л. Фрадкова, К.В. Фролова, Ф.Л. Черноусько, В.М.Шестакова и др. Одной из важных задач управления мехатронными вибрационными установками является обеспечение прохождения через зону резонанса при пуске и разгоне вибровозбудителей, когда область рабочих режимов находится в зарезонансной зоне. Эта задача возникает, если мощность двигателя недостаточна для прохождения через зону резонанса в связи с проявлением эффекта Зоммерфельда. Перспективный подход к решению основан на применении алгоритмов управления с обратной связью по результатам измерений. Для практической реализации важно разработать алгоритмы управления прохождением через зону резонанса, обладающие свойством робастности: сохранения высокого качества системы при изменении параметров объекта (установки) и внешних условий, прежде всего изменения нагрузки.
Алгоритмы управления прохождением зоны резонанса механических систем рассматривались в работах М.Е.Герца, В.В.Гортинского, А.С.Кельзона, Л.М.Малинина, А.А.Первозванского и др. Однако предложенные ранее алгоритмы не обладали достаточной робастностью в условиях неопределенности и отличались сложностью расчета при проектировании. В ряде работ для синтеза алгоритмов управления использовался метод скоростного градиента, предложенный А.Л. Фрадковым в 1979г. Однако в известных работах рассматривались лишь задачи, в которых несущее тело совершает одномерное движение.
На этапах предпроектных исследований, проектирования и разработки мехатронных установок, а также при подготовке специалистов в области мехатроники важнейшую роль играют современные информационные технологии. В частности, эффективным инструментом исследования являются так называемые виртуальные лаборатории - интерактивные сайты, зайдя на которые, обучающийся или исследователь может самостоятельно не только получать необходимые теоретические сведения, но и выполнять моделирование и анализ установок, а также настройку разработанных алгоритмов управления, т.е. проводить дистанционные вычислительные эксперименты. Подобные лаборатории интенсивно разрабатываются в ведущих университетах многих стран, однако в области систем управления в настоящее время известен лишь ряд зарубежных сайтов, а русскоязычные виртуальные лаборатории практически отсутствуют.
Использование Интернет-технологий позволяет существенно ускорить поиск и сбор информации, необходимой разработчику систем управления. Хотя в Интернете содержится огромное количество информационных ресурсов по всем отраслям знаний, поиск их, как правило, затруднен, и часто дополнительные временные затраты сводят на нет преимущества использования информации, извлеченной из сетевых источников. Выходом является использование специализированных информационных сайтов: Интернет-порталов, Интернет-архивов, аккумулирующих ссылки на известные ресурсы по данной специальности. В области систем управления в мире имеется всего несколько подобных информационных сайтов, а на русском языке до 2000г. не имелось ни одного.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка новых алгоритмов управления прохождением через зону резонанса для однороторных и двухроторных вибрационных установок, а также разработка прототипа виртуальной лаборатории для исследования динамики синтезированных систем управления. Исходя из поставленной цели, в работе решаются следующие задачи.
1. Постановка задачи управления прохождением через зону резонанса для механических систем с несколькими степенями свободы и разработка алгоритмов управления в случае, когда несущее тело совершает не одномерные движения, а колебания в плоскости.
2. Исследование работоспособности разработанных алгоритмов, получение рекомендаций по выбору настроечных параметров алгоритмов и оценок робастности синтезированных систем.
3. Разработка прототипа виртуальной лаборатории для дистанционного анализа алгоритмов управления и информационного Интернет-портала для поддержки создания новых систем управления и систем мехатроники.
Методы исследования. В работе использованы методы линейной и нелинейной теории управления, методы математического и компьютерного моделирования, методики JAVA-технологии и веб-дизайна.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные положения, выносимые на защиту.
1. Впервые предложена постановка задачи управления прохождением через резонанс как задачи управления энергией вращающейся подсистемы механической системы при ограничении на величину энергии несущей подсистемы.
2. Предложены новые алгоритмы управления прохождением через зону резонанса для нескольких типовых задач: управление разгоном ротора на упругом валу, управление однороторной и двухроторной вибрационными установками.
3. Разработаны рекомендации по выбору настроечных параметров алгоритмов и впервые даны качественные оценки робастности синтезированных систем.
Практическая значимость. На основе полученных результатов разработано программное обеспечение виртуальной лаборатории для исследования прохождения через резонанс в случае однороторного вибрационного стенда. Разработана информационная структура и программное обеспечение Интернет-портала РУСИКОН - Российского архива по системам и управлению, обеспечивающего информационную поддержку Интернет-технологии разработки систем управления. Разработанные методы управления и информационные системы позволяют повысить качество систем управления мехатронными вибрационными установками, сократить сроки их разработки, повысить уровень подготовки специалистов.
Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы управления прохождением через резонанс для двухроторного мехатронного вибрационного стенда и виртуальная лаборатория исследования прохождения через резонанс для однороторного вибрационного стенда использованы в разработках Санкт-Петербургского учебно-научного центра "Проблемы машиностроения, механики и процессов управления". Виртуальная лабораторная работа «Управление однороторным вибрационным стендом» вошла в состав центра коллективного пользования «Мехатронные и мобильные комплексы» и размещена в Интернете по адресу http://www.ipme.ru/ipme/labs/ccs/virtlab/. Алгоритмы управления прохождением через резонанс для гибкого вала использованы в совместных разработках ИПМаш РАН и НПО "Механобр-техника" по перспективным вибрационным установкам, выполняемым в рамках программы комплексных исследований Президиума РАН "Управление механическими системами и мехатроника".
Интернет-портал РУСИКОН размещен по адресу http://www.rusycon.ru и успешно функционирует с 1999 года. За это время зарегистрировано более 130000 посещений, а в 2004-2005гг архив посещало в среднем 2000 посетителей в месяц.
Работа выполнялась по планам госбюджетных НИР ИПМаш РАН (гос.рег. №№ 01.200.201870), по проектам ФЦП «Интеграция» (A0151, Б-0026) по программе Президиума РАН №19 "Управление механическими системами и мехатроника", по грантам РФФИ (проекты 99-01-00672, 02-01-00765, 05-01-00869).
Апробация работы. Результаты диссертации доложены и обсуждены на семинарах лаборатории "Управление сложными системами ИПМаш РАН", на конференциях «20-я европейская конференция по моделированию», 2006 г., Бонн; «16-й Всемирный конгресс Международной федерации по автоматическому управлению», 2005 г., Прага; «2-я международная конференция "Физика и управление"», 2005 г., С.-Петербург; «6-й Симпозиум ИФАК по нелинейным системам управления», 2004 г., Штутгарт; «10-я международная студенческая олимпиада по автоматическому управлению» , 2004 г., С.-Петербург; «4-я международная конференция "Средства математического моделирования"», 2003 г., С.-Петербург; 3-я и 4-я конференции молодых ученых "Навигация и управление движением"», 2001г, 2002 г., C.-Петербург; «Всероссийская объединенная конференция "Технологии информационного общества - Интернет и современное общество"», 2001 г., С.-Петербург.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, первая из которых вводная, заключения и списка литературы, содержит 91 страницу текста.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В первой главе, являющейся вводной, описано состояние проблемы управления прохождением через резонанс в вибрационных установках, обосновывается актуальность использования методов современной теории управления и информационных систем при проектировании новых образцов вибрационной техники.
Во второй главе описываются математические модели динамики нескольких типовых схем вибрационных систем, необходимых для разработки и исследования алгоритмов управления прохождением через зону резонанса. Представлены уравнения динамики вращающегося вала с неуравновешенным ротором, однороторного вибрационного стенда и двухроторного вибрационного стенда.
Третья глава, в которой приведены основные результаты работы, посвящена синтезу и исследованию алгоритмов управления прохождением через зону резонанса. Предложена общая постановка задачи управления прохождением через резонанс как задачи управления энергией одной (возбуждающей вибрации) подсистемы при ограничении на энергию другой (несущей) подсистемы. Приводятся решения задач управления прохождением через зону резонанса для ряда систем, в которых носитель совершает одномерное и двумерное движение: неуравновешенным ротором, вращающимся на упругом валу; однороторным и двухроторным вибрационными стендами.
Постановка задачи и синтез базового алгоритма управления. На этапе синтеза предполагается, что объект управления - консервативная система, т.е. потери энергии в системе отсутствуют. Для описания динамики механической системы используются уравнения Лагранжа второго рода, приводящие к модели динамики объекта управления с n степенями свободы (без учета потерь) вида
(1)
где - m-вектор управляющих воздействий (сил и моментов); , , - n-векторы обобщенных координат, скоростей и ускорений соответственно; A(q) - nxn-матрица массоинерционных параметров; C(q, q) - n-вектор кориолисовых и центробежных сил; G(q) - п-вектор сил тяготения; В - nxm-матрица управления. Для синтеза алгоритмов управления оказывается более удобным записать уравнения в гамильтоновой форме: