Разработка и сравнительное исследование семейства адаптивных систем управления двух-и трехмассовыми упругими электромеханическими объектами

Актуальность работы. Развитие современной техники и технологий невозможно представить без примененияспециальных мехатронных комплексов, в состав которых входят электромеханические объекты с протяженной геометрией и упругими деформациями. К таким мехатронным комплексам как объектам управления относятся конструкции высокоточных металлорежущих станков, экстремальных роботов-манипуляторов, быстроходных наземных и морских подвижных объектов, высокоманевренных летательных аппаратов, испытательных стендов, мобильных установок аэродромного обслуживания и т. д. При этом в условиях, когда возможности современного.' конструирования и> применения новейших материалов с целью достижения" высокой точности и' высокой производительности сложных электромеханических объектов исчерпываются, дальнейшее повышение их эффективностиможет быть, достигнуто применением сложных аналитических с параметрической и сигнальной настройками или нейросетевых адаптивных систем управления:

Проектированиеаналитических с параметрической и сигнальной настройками и нейросетевых адаптивных систем.' управления" электромеханическими объектами с упругими деформациямисвязано с решением, задач снижения, влияния различных факторов на качество управления: отсутствие априорной информации означениях массоинерционных и упругих параметровслучайное изменение нагрузкивзаимовлияние степеней подвижности объектовварьирование параметров объектов управления.

Упругие деформации звеньев механических конструкций и передач являются одним из факторов, препятствующих повышению эффективности управления электромеханическими объектами и подлежащих подавлению средствами управления. Многостепенные упругие электромеханические объекты с собственными частотами, лежащими в полосе пропускания исполнительных приводов, определяемой их максимально возможным быстродействием, характеризуются тем, что упругие колебания возбуждаются в них при любой попытке реализовать предельное быстродействие, что приводит к снижению качественных показателей объектов, их повышенному износу, поломкам и авариям, тормозит рост их производительности[42].

В рамках метода подчиненного управления предельно возможное быстродействие, отвечающее идеализированному представлению одной степени подвижности объекта в виде жестко присоединенной к исполнительному приводу нагрузки с неизменной инерционной характеристикой, соответствует полосе пропускания следящей системы до 100−250 рад/с, т. е. 16−40 Гц [34, 40, 42]. Таким образом, при наличии упругих деформаций с частотами, лежащими в пределах 2−15 Гц, реальное быстродействие систем должно быть снижено многократно, что приводит к значительному недоиспользованию потенциальных возможностей современных исполнительных приводов. Очевидно также, что снижение быстродействия систем не решает проблему устойчивости к возникновению упругих колебаний, так как последние’могут беспрепятственно возбуждаться под действием ударной нагрузки.

Другой необходимой предпосылкой создания аналитических и нейросетевых адаптивных систем^ автоматического управления электромеханическими объектами с упругими деформациями является переход от аналоговой элементной базы электронных блоков систем управления к современной высокопроизводительной микроконтроллерной технике промышленного и бортового применения.

Внедрение на предприятиях цифрового оборудования создает предпосылки к разработке и использованию специализированных программ по расчету, моделированию и настройке адаптивных систем управления и аппаратных средств их реализации на базе промышленных контроллеров. Однако такие программы требуют от настройщиков оборудования знаний специализированного программного обеспечения (МаНаЬ, ЬаЬУ1еу и др.), а аппаратные средства недостаточно эффективны в условиях, когда параметры системы точно не известны.

Таким образом, задачи, связанные с разработкой и настройкой аналитических и нейросетевых адаптивных систем автоматического управления электромеханическими объектами с упругими деформациями, неполными измерениями, быстро и в широких пределах изменяющимися параметрами, а также разработка комплекса программ расчета, моделирования и настройки адаптивных систем управления такими объектами являются актуальными и решаются в данной работе в рамках аналитического (беспоискового) и интеллектуального адаптивных подходов, получивших в последнее время значительное теоретическое и теоретико-прикладное развитие в. отечественной и зарубежной научно-технической литературе [4, 25, 32, 49, 52,.62, 72, 73-, 77].

Цель диссертационной работы — разработка и сравнительное исследование аналитических с параметрической и сигнальной настройками и нейросетевых адаптивных систем управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами, а также разработка комплекса программ для их расчета, моделирования и настройки.

В диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Построить и исследовать аналитические адаптивные системы с параметрической и сигнальной настройками для управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами.

2. Построить и исследовать нейросетевые адаптивные системы управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами.

3. Провести сравнительное исследование разработанного семейства аналитических и нейросетевых адаптивных систем управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами.

4. Разработать комплекс программ расчета, моделирования и настройки семейства аналитических и нейросетевых адаптивных систем управления двухи трехмассовыми электромеханическими объектами с упругими деформациями.

Методы исследования основаны на использовании теории управления, теории матриц, теории адаптивного управления, теории нейронных сетей. Проверка эффективности полученных теоретических результатов производилась в среде моделирования МаЙаЬ — ЗтшНпк.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Аналитические адаптивные системы с параметрической и сигнальной настройками для управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами и результаты их исследования.

2. Нейросетевые. адаптивные системы управления, двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами и результаты их исследования.

3. Результаты сравнительного исследования семейства аналитических и нейросетевых адаптивных систем управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами.

4. Комплекс программ расчета, моделирования и настройки семейства аналитических и нейросетевых адаптивных систем управления двух-и трехмассовыми «упругими электромеханическими объектами. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны и проанализированы аналитические адаптивные системы с параметрической и сигнальной настройками для управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами и определены области их применения.

2. Построены и исследованы нейросетевые адаптивные системы управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами, в качестве обучающей выборки для которых использовались входные и выходные сигналы аналитических адаптивных систем управления.

3. Получены новые результаты сравнительного исследования аналитических и обученных по аналитическим алгоритмам нейросетевых адаптивных систем управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами.

4. Построенное и изученное семейство аналитических и нейросетвых адаптивных систем используется в качестве библиотеки для разработки комплекса программ их инженерного расчета, моделирования и настройки.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных программных средств моделирования (МайаЬ-ЗшшНпк) и среды разработки приложений (МаИаЬОшёе), а также подтверждается результатами компьютерного моделирования построенных в работе аналитических и нейросетевых адаптивных систем управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами.

Значимость полученных результатов для теории и практики:

• Теоретическаязначимость диссертационной, работы состоит в том, что обобщены известные аналитические методы и выдвинут новый подход к обучению нейросетевых структур для построения семейства аналитических и нейросетевых адаптивных систем управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами, проведен сравнительный анализ их достоинств и недостатков и определены области их целесообразного использования.

• Практическая полезность результатов диссертационной работы состоит в том, что полученные теоретические результаты по разработке и исследованию семейства аналитических и интеллектуальных адаптивных систем применены в разработке комплекса программ расчета, моделирования и настройки адаптивных систем для конкретных инженерных приложений в различных областях техники.

Построенный в диссертации комплекс программ расчета, моделирования и настройки открывает перспективы разработки нового поколения аналитических и нейросетевых систем управления реальными упругими электромеханическими объектами и их промышленной и бортовой микроконтроллерной реализации.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в 4 НИОКР:

• «Теоретические основы технологий безопасности движения подвижных объектов» (2006 — 2007 г. г.). Шифр — ФИЕТ/САУ-77. Источник финансирования — федеральный бюджет;

• «Создание автоматизированных методов синтеза и тестирования интеллектуальных мехатронных модулей» (2006 — 2008 г. г.). № гос. регистрации — 1.11.06 САУ-76. Источник финансирования — федеральный бюджет;

• «Разработка новой технологии измерения коэффициента сцепления аэродромных и автодорожных покрытий, основанной на электромеханическом способе торможения измерительного колеса» государственный контракт от 15 июня*2009 г. № 02.740.11.0010 (2009 — 2011 гг.);

• «Создание автоматически управляемых электромеханических систем торможения колес воздушных и ' наземных транспортных средств» государственный контракт № П 548 от 05 августа 2009 г.(2009 — 2011 гг.).

Результаты диссертационной работы использованы также в двух дисциплинах профессионального цикла подготовки магистров по направлению «Управление в технических системах».

Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 9 международных и всероссийских научно-технических конференциях: на XIV, XV, XVI всероссийских научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» (2003, 2004, 2005 годы, ЦНИИ РТК г. Санкт-Петербург) — на.

IX, XI, XII конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (2007, 2010, 2011 годы, «Электроприбор» г. Санкт-Петербург) — на Третьей международной научно-практической конференции «Дни науки -2007» (2007 год, г. Днепропетровск) — на международной научно-технической конференции «Проблемы информационно-компьютерных технологий и мехатроники» (2007г. Дивноморское) — на XIV международной конференции по интегрированным навигационным системам (2007) — на внутривузовских научно-технических конференциях в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2003 — 2011гг., а также на научных семинарах кафедры систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Публикации.Основные результаты диссертации опубликованы в 27 статьях и докладах, среди которых 5 статей включены в перечень изданий, рекомендованных ВАК, 7 статей в других изданиях, 4 свидетельства на программы ЭВМ, 11 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами и заключения. Основный материал диссертации изложен на 148 страницах машинописного текста, включает 133 рисунка, 9 таблиц и содержит список литературы из 88 наименований, среди которых 62 отечественных и 26 иностранных авторов.

4.4 Выводы к четвертой главе.

1. Разработанный комплекс программ моделирования и настройки систем управления двухи трехмассовыми упругимимеханическими и электромеханическими объектамиобладает встроенной библиотекой, содержащей структуры типовых регуляторов, что существенно упрощает процесс моделирования.

2. Разработанныйкомплекс программ моделирования и настройки систем управления двухи трехмассовыми упругимимеханическими иэлектромеханическими объектами может быть усовершенствован путем дополнения его новыми объектами управления, нелинейностями и новыми системами управления (например, нейронечеткие адаптивные системы управления).

3. Разработанныйкомплекс программ моделирования и настройки систем управления двухи трехмассовыми упругимимеханическими и электромеханическими объектамиможет быть использован в учебном процессе для выполнения самостоятельных работ по курсу «Системы управления многомассовыми механическими объектами с упругими деформациями».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с целью и задачами диссертации проведены теоретические, вычислительные и экспериментальные работы. Основные результаты исследований, выполненных автором:

1. Построены и исследованы аналитические адаптивные системы с параметрической и сигнальной настройками для управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами.

2. Построены и исследованы нейросетевые адаптивные системы управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами, в качестве обучающей выборки для которых используются входные и выходные сигналы аналитических адаптивных систем управления с сигнальной и параметрической настройками.

3. Проведено сравнительное исследование аналитических и нейросетевых адаптивных систем управления двухи трехмассовыми упругими электромеханическими объектами.

4. Разработан комплекс программ расчета, моделирования и настройки аналитических и нейросетевых адаптивных систем управления двухи трехмассовыми электромеханическими объектами с упругими деформациями.

Полученные при написании диссертации результаты были использованы в исследовательских и конструкторских разработках кафедры САУ опубликованных в [15, 28−30, 35−37, 43−46, 56 — 59], а также при создании учебно-методических материалов [6, 10].