Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Омский государственный технический университет"

А.В. Федотов

Использование методов теории автоматического управления при разработке мехатронных систем

Учебное пособие

Омск 2007

УДК 621.865.8:681.51(075)

ББК 32.816+32.965я73

Ф34

Рецензенты:

В.Д. Парадаев, к.т.н., доцент, президент компании

«Арматурно-фланцевый завод»

Ю.П. Котелевский, к.т.н., ген. директор ООО «АДЛ-Омск»

А.В. Федотов

Ф34 Использование методов теории автоматического управления при разработке мехатронных систем: учеб. пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 92 с.

ISBN5-8149-0399-6

Рассматриваются основы мехатроники и методы теории автоматического управления, применяемые при анализе проектируемых мехатронных устройств, вопросы математического описания мехатронного устройства как системы автоматического управления, вопросы исследования устойчивости и качества системы автоматического управления, а также вопросы синтеза системы с заданными показателями качества.

В основу учебного пособия положены базовые методы обыкновенных линейных систем автоматического управления.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 220401 – Мехатроника.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.

УДК 621.865.8:681.51(075)

ББК 32.816+32.965я73

ISBN5-8149-0399-6Федотов А.В., 2007

 Омский государственный технический университет, 2007

Список сокращений

АВМ – аналоговая вычислительная машина

АФЧХ – амплитудно-фазовая частотная характеристика

Г – генератор

Д – электродвигатель

Зд – задатчик

И-регулятор – интегральный регулятор

ИМ – исполнительный механизм

ИУ – измерительное устройство

ЛАХ – логарифмическая амплитудная характеристика

ЛФХ – логарифмическая фазовая характеристика

ЛХ – логарифмическая характеристика

Об – объект управления

ОС – обратная связь

ОУ – объект управления

П-регулятор – пропорциональный регулятор

ПИ-регулятор – пропорционально-интегральный регулятор

ПИД-регулятор – пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор

Р – регулятор

РИН – регулируемый источник напряжения

САУ – система автоматического управления

ТАУ – теория автоматического управления

Тг – тахогенератор

У – усилитель

УУ – устройство управления

ЭВМ – электронная вычислительная машина

ЭМУ – электромашинный усилитель

Введение в мехатронику

В процессе автоматизации производства создан класс машин, в которых электронное и компьютерное управление сочетается с механическими органами, реализующими необходимые физические действия. Типичным представителем таких машин является современный промышленный робот. Теоретическую основу выделившегося класса машин составляют теория механических устройств (теория механизмов и машин) и теория вычислительных управляющих систем (электроника). Эти два направления объединяются в новую отрасль науки, названную мехатроникой.

Термин мехатроникаозначает совокупность двух научно-технических направлений и образован сочетанием частей названий этих направлений – механика и электроника. Основные идеи мехатроники начали формироваться по мере того, как в состав обычных машин, состоящих из разнообразных механизмов, стали входить электронные устройства. Эти устройства преобразили облик машин, расширили их функции и положили начало новому этапу в машиностроении и других сферах деятельности человека.

Мехатроника связана с автоматизацией производства, промышленной автоматикой и робототехникой, автоматизацией транспортных и складских функций производства. Мехатроника позволяет создавать технические устройства с расширенным набором функций; устройства, обладающие элементами интеллекта; устройства, обладающие повышенной надёжностью и лучшими потребительскими свойствами, а также др.

Достижения мехатроники широко используются в таких изделиях, как часы, фотоаппараты, кинокамеры, кондиционеры, швейные машины, холодильники и многих других. Так, например, применение электронных устройств в часах существенно изменило их конструкцию и технологию производства и придало часам много новых функций, вплоть до функций калькулятора.

Мехатронные устройства – это выделившийся в последние десятилетия класс машин или узлов этих машин, базирующийся на использовании в них точной механики, электропривода, электроники, компьютерного управления. Мехатронное устройство обладает следующими характерными признаками.

1. Наличие управляемого механизма с приводами.

2. Наличие измерительных и сенсорных устройств, позволяющих контролировать состояние механизма.

3. Наличие электронной системы управления, как правило, использующей средства вычислительной техники (микропроцессоры, микроконтроллеры и др.).

4. Минимум преобразований информации и энергии в устройстве. Устройство отвечает принципу минимума преобразований.

3. Многофункциональность устройства в целом и его компонентов. Реализуется принцип совмещения функций.

4. Интеграция электронных и механических элементов в единую конструкцию устройства.

Примерами современных мехатронных устройств являются модули станков и промышленных роботов, устройства внешней памяти компьютеров, принтеры, бытовая техника и т.п. Мехатронное устройство может быть либо машиной, либо узлом (функциональный элемент, модуль) машины.

Обобщенная структура мехатронного узла представлена на рис. 1, где приняты следующие обозначения: СЭ – силовой элемент, ВМЗ – выходное механическое звено, ССО – сенсор (датчик) состояния объекта, СВС – датчик параметра внешней среды, ИП – измерительный преобразователь, ЦАП – цифроаналоговый преобразователь, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЛУ – логическое устройство.

Целью функционирования мехатронного устройства является обеспечение заданной последовательности состояний и траектории движения ВМЗ. Для решения этой задачи состояние ВМЗ контролируется. Информация о состоянии поступает в устройство управления (ЛУ или ЭВМ), которое сравнивает текущее состояние ВМЗ с заданным и определяет отклонения от заданного состояния.

На основе этой информации (с использованием информации о состоянии окружающей среды, если это предусмотрено) устройство управления формирует необходимые для приведения ВМЗ в заданное состояние управляющие воздействия. Эти воздействия реализуются с помощью силовых элементов (исполнительных механизмов).

Для передачи информации от объекта управления управляющей ЭВМ используются АЦП и преобразователи уровня. Обратная передача управляющих сигналов обеспечивается ЦАП и преобразователями уровня.

Использование для реализации алгоритма управления управляющей программы позволяет легко изменять рабочий цикл мехатронного устройства простым перепрограммированием. Использование ЭВМ для управления позволяет усложнять алгоритмы обработки информации и управления, обеспечивая реализацию устройством интеллектуальных функций.

В случае применения адаптивного управления возникает необходимость в контроле параметров окружающей среды, и в устройство вводятся датчики параметров окружающей среды СВС, вырабатывающие соответствующую информацию. Информационные сигналы таких датчиков могут быть как аналоговыми, так и дискретными.

З

Интерфейс

НГМД

адачами управления мехатронным устройством могут быть: задача автоматического регулирования, задача логико-программного управления, задача адаптивного управления. Для управления служит электронное логическое устройство ЛУ или компьютерное устройство управления. Управление осуществляется в соответствии с управляющими программами и заданными значениями управляемых величин (уставками).

На рис. 2 показан пример мехатронного устройства в виде накопителя на гибком магнитном диске (НГМД), широко используемого в компьютерах в качестве внешнего запоминающего устройства. НГМД представляет собой органический комплекс механических и электронных устройств и является типичным мехатронным устройством.

Механическая часть НГМД включает: 1 – гибкий магнитный диск, являющийся носителем информации; 2 – привод вращения гибкого магнитного диска; 3 – конечный выключатель защиты записи; 4 – фотодатчик начала записи (начала дорожки); 5 – блок головок записи-считывания с электромагнитом прижима головок к поверхности диска; 6 – шаговый привод для позиционирования головок в радиальном направлении.

Электронные устройства предназначены для управления рабочим циклом НГМД, для преобразования и усиления информационных сигналов и для связи НГМД с ЭВМ: БУПВД – блок управления приводом вращения диска; БУЭМ – блок управления электромагнитом прижима головок; СБ – схема блокировок; БУПМГ – блок управления шаговым приводом позиционирования магнитных головок; УУ – устройство общего управления с интерфейсными схемами.

Конструктивно НГМД выполнен в виде единого блока, который можно встраивать в корпус ЭВМ или других устройств. Печатные платы электронных устройств и механические устройства жестко соединены между собой. В результате НГМД представляет собой законченный электронно-механический модуль, выполняющий функции записи, хранения и чтения информации, представляемой в виде электрических сигналов.