И.А. Штефан Компьютерное управление

10

Литература: [1, с. 73-124; 2, с. 289-301; 316-319; 5, с. 408-415; 4, с. 96-140; 6, с. 13-86; 9, с. 66-107; 10, с. 41-64; 12, с. 5-33; 28, с. 8-9; 29, с. 98-100; 30, с. 15-24; 31, с. 101-109].

Методические указания

Изучение данного раздела следует начинать с рассмотрения требований к синтезу ЦСУ, которые определяются типом используемого регулятора и критерием управления. При синтезе ЦСУ используется два типа регуляторов: параметрически-оптимизируемые и структурнооптимизируемые. При изучении первого класса регуляторов студенты должны рассмотреть вопросы, связанные со способами математического описания ПИ- и ПИД-регуляторов. Один способ связан с получением моделей цифровых регуляторов путем перехода от аналоговых на основе разностных уравнений, а второй способ с получением моделей цифровых регуляторов при синтезе ЦСУ низкого порядка с учетом заданного критерия.

При изучении структурно-оптимизируемых регуляторов основное внимание следует уделить компенсационным регуляторам, а именно: условиям их реализуемости, ограничениям и их синтезу по разомкнутой и замкнутой схемам.

Изучение вопросов реализации цифровых регуляторов следует начать с рассмотрения физической реализуемости их передаточных функций. Основное внимание следует уделить реализации цифровых регуляторов в виде импульсных фильтров и на ЭВМ. В первом случае цифровые регуляторы реализуются аппаратным путем, что имеет свои достоинства и недостатки. При этом надо рассмотреть реализацию цифровых регуляторов в виде фильтров, включенных в систему последовательно, в цепи обратной связи и комбинированно. Во втором случае надо рассмотреть способы программирования цифровых регуляторов на ЭВМ и достоинства, особенно такие, как быстродействие и точность.

При рассмотрении вопросов реализации ЦСУ основное внимание следует уделить вопросам выбора такта управления, факторам, влияющим на этот выбор, способам реализации управляющих воздействий и возникающим вычислительным задержкам. При изучении вопросов моделирования ЦСУ наряду с математическим моделированием следует рассмотреть натурно-математическое моделирование систем управле-

11

ния, его достоинства, области применения и преимущества, особенно при настройке и эксплуатации ЦСУ.

Изучение систем ЧПУ станками следует начать с рассмотрения преимуществ систем ЧПУ по сравнению с системами программного управления и их классификации. Классификация систем ЧПУ по виду движения исполнительных механизмов необходима при знакомстве с методами расчета систем ЧПУ, так как студенты должны уметь рассчитывать позиционные и контурные системы ЧПУ. Классификация по числу потоков информации необходима при рассмотрении функций систем ЧПУ и анализе их точности функционирования. Дополнительно студенты должны изучить ошибки дискретизации систем ЧПУ и факторы, влияющие на их величину. При анализе функций систем ЧПУ студенты должны изучить четыре группы функций, выделенных в виде геометрической, логической, технологической и терминальной задач ЧПУ. По каждой задаче ЧПУ необходимо изучить назначение, области применения и способы реализации.

При изучении адаптивных систем управления (АДСУ) основное внимание следует уделить тем методам адаптивного управления, которые используются в системах управления металлообработкой. К ним относятся системы управления начальной установкой детали, статической и динамической настройками детали. Также необходимо рассмотреть вопросы, связанные с управлением шероховатостью поверхности, состоянием поверхностного слоя и температурными деформациями технологической системы, позволяющие повысить точность и производительность обработки.

Контрольные вопросы

1.На какие два класса делятся линейные цифровые регуляторы?

2.Что представляют собой параметрически-оптимизируемые регуляторы?

3.К каким регуляторам относятся цифровые ПИ- и ПИДрегуляторы?

4.Методы синтеза ЦСУ на основе параметрическиоптимизируемых регуляторов.

5.Что представляют собой структурно-оптимизируемые регуля-

торы?

6.Основные типы структурно-оптимизируемых регуляторов.

12

7.Методы синтеза ЦСУ на основе структурно-оптимизиремых регуляторов.

8.Какие критерии преимущественно используют при синтезе

ЦСУ?

9.Методы расчета параметров структурно-оптимизируемых регуляторов.

10.Основная задача синтеза компенсационного регулятора.

11.Структура компенсационного регулятора с обратной связью.

12.Условия физической реализуемости параметрическиоптимизируемых регуляторов.

13.Что представляет собой импульсный фильтр, реализующий цифровой регулятор?

14.Условия реализуемости последовательного импульсного фильтра.

15.Свойства передаточной функции цифрового регулятора, реализуемого в виде импульсного фильтра в цепи обратной связи.

16.Достоинства импульсных фильтров комбинированного типа.

17.Основное преимущество реализации цифровых регуляторов на

ЭВМ.

18.Недостатки непосредственного программирования цифровых регуляторов на ЭВМ.

19.Достоинства последовательного и параллельного программирования цифровых регуляторов на ЭВМ.

20.Чем отличается такт управления от шага дискретизации?

21.Основные факторы, влияющие на выбор такта управления.

22.Способы реализации управляющих воздействий, влияющих на величину вычислительной задержки.

23.Назначение и особенности натурно-математического моделирования.

24.Назначение пересчетной модели при натурно-математическом модулировании систем управления.

25.Что представляет собой система ЧПУ станком?

26.Чем характеризуется система ЧПУ?

27.Преимущества систем ЧПУ.

28.Чем обусловлен дискретный характер управляющих воздействий в системах ЧПУ?

29.От чего зависит ошибка дискретизации в системах ЧПУ?

13

30.Какие условия учитываются при расчете позиционных систем

ЧПУ?

31.От чего зависит коэффициент передачи в системах ЧПУ?

32.Какой метод синтеза САР используется при расчете систем

ЧПУ?

33.Назначение геометрической задачи ЧПУ.

34.Что представляет собой процесс интерполяции в системах

ЧПУ?

35.От чего зависит сложность решения геометрической задачи

ЧПУ?

36.Назначение логической задачи ЧПУ.

37.Что является обобщенной моделью решения логической задачи ЧПУ?

38.Какие режимы реализует система управления системой цикловой автоматики?

39.Назначение терминальной задачи ЧПУ.

40.Оптимальный режим работы оператора с системой управле-

ния.

41.Назначение технологической задачи ЧПУ.

42.Что такое точность детали?

43.Отличие динамической настройки детали от статической.

44.Особенность решения технологической задачи ЧПУ, связанной

сэффективностью обработки.

2.5. Исполнительная подсистема

Структура канала вывода аналоговых управляющих воздей-

ствий. Общая схема исполнительной подсистемы станков с ЧПУ. Привод главного движения. Приводы подач. Требования к приводу главного движения и приводам подач. Электропривод с двигателем постоянного тока. Электропривод c асинхронным двигателем. Преимущества цифрового электропривода по сравнению с аналоговым.

Структура электроприводов с микропроцессорным управле-

нием. Структура систем управления цифровыми и аналоговыми электроприводами. Анализ и синтез ЦСУ электроприводами. Синтез ЦСУ электроприводами на основе параметрически-оптимизируемых регуляторов. Одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные ЦСУ электроприводами. Моделирование и настройка ЦСУ электроприводами.

14

Литература [5, с. 5-37; 61-111; 210-218; 237-283; 7, с. 5-82; 131140; 16, с. 280-289; 324-335; 29, с. 15-20; 31, с. 22-39; 43-52; 32, с. 42-52; 99-104].

Методические указания

Изучение данного раздела начинается с рассмотрения общей структуры канала вывода управляющих воздействий с аналоговыми и цифровыми электроприводами и преимуществ цифрового электропривода по сравнению с аналоговым. При изучении исполнительной подсистемы станка с ЧПУ рассматриваются требования к электроприводам, типы используемых двигателей, а также особенности привода главного двигателя и приводов подач для различных типов станков. При рассмотрении динамики систем управления следящими электроприводами анализируются ошибки, возникающие при отработке управляющих воздействий, и факторы, влияющие на их величину.

При анализе и синтезе ЦСУ электроприводами рассматриваются одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные САР электроприводами, а также алгоритмы настройки цифровых П-, ПИ- и ПИДрегуляторов.

Контрольные вопросы

1.Из каких элементов состоит канал вывода аналоговых управляющих воздействий?

2.Отличие канала вывода аналоговых управляющих воздействий от канала вывода цифровых управляющих воздействий.

3.Отличие привода главного движения от приводов подачи с точки зрения управления.

4.Достоинства и недостатки электроприводов с двигателем постоянного тока.

5.Достоинства и недостатки электроприводов с асинхронным двигателем.

6.Основные преимущества цифрового электропривода по сравнению с аналоговым.

7.Почему апериодический закон является наиболее предпочтительным в системах управления электроприводами станков с ЧПУ?

8.Причины появления скоростной ошибки при отработке управляющих воздействий.

15

9.Факторы, влияющие на величину скоростной ошибки.

10.Факторы, влияющие на величину контурной ошибки при обработке поверхностей типа окружностей.

11.Какие контуры управления включают САУ электроприводами

сдвигателями постоянного тока?

12.Какие типы регуляторов используются в САУ электроприводами станков с ЧПУ?

13.Методы настройки регуляторов в одноконтурных САР электроприводами.

14.Как настраиваются параметры регуляторов в двухконтурных и трехконтурных САР электроприводами?

2.6.Практические занятия, их наименование и объем в часах

1.	Расчет позиционных систем ЧПУ	- 2 часа.
2.	Натурно-математическое моделирование ЦСУ	- 2 часа.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

3.1. Цель работы

Цель работы – закрепить полученные теоретические знания и ознакомить студентов-заочников с основными методами и алгоритмами аналоговой и цифровой фильтрации натурных и модельных сигналов.

3.2. Выбор варианта контрольной работы

Вариант контрольной работы студенту задает преподаватель. Всего контрольная работа содержит 30 вариантов. Каждый вариант состоит из четырех задач.

Задача 1. Фильтрация натурных аналоговых сигналов противоподменными фильтрами Баттерворта.

Задача 2. Сглаживание цифровых сигналов фильтрами текущего среднего и текущей медианы.

Задача 3. Выбор параметра сглаживания для фильтров экспоненциального сглаживания.

16

Задача 4. Сглаживание цифровых сигналов слоистыми фильтрами экспоненциального сглаживания.

3.3. Методические указания

Перед выполнением контрольной работы следует изучить соответствующие разделы теоретического курса «Компьютерное управление». Для этого достаточно воспользоваться учебниками [1, 2, 8], в которых содержатся необходимые данные для выполнения работы. Расчеты и моделирование алгоритмов фильтрации должны выполняться с использованием Microsoft Excel. Исходные сигналы, результаты исследования и фильтрации должны быть представлены в виде графиков или временных рядов, а расчетные данные должны быть представлены в приложении.

3.4. Порядок выполнения контрольной работы

Последовательность выполнения каждой задачи описывается в виде алгоритма ее решения.

Задача 1

1. Определить в соответствии с заданным вариантом по данным из табл. 3.1 порядок n противоподменного фильтра Баттерворта, удовлетворяющего требуемым условиям фильтрации по формуле

Таблица 3.1

Исходные данные для задачи 1

Номер	Номер		Параметры фильтра
варианта	сигнала	ε		δ		k
1	1	0,04		0,04		5
2	2	0,07		0,04		6
3	3	0,04		0,05		7
4	4	0,05		0,05		5
5	5	0,06		0,06		6
6	6	0,05		0,06		7
7	7	0,04		0,07		7

17

Продолжение табл. 3.1

Номер	Номер		Параметры фильтра
варианта	сигнала	ε		δ		k
8	8	0,07		0,07		6
9	9	0,08		0,08		5
10	10	0,06		0,08		7
11	1	0,05		0,09		6
12	2	0,04		0.09		5
13	3	0,07		0,1		5
14	4	0,09		0,6		6
15	5	0,07		0,07		7
16	6	0,06		0,04		5
17	7	0,04		0,1		6
18	8	0,05		0,04		7
19	9	0,09		0,05		7
20	10	0,1		0,05		6
21	1	0,05		0,06		5
22	2	0,07		0,06		7
23	3	0,08		0,07		6
24	4	0,06		0,1		5
25	5	0,06		0.07		5
26	6	0,05		0,1		6
27	7	0,05		0,08		7
28	8	0,04		0,07		5
29	9	0,09		0,06		6
30	10	0,07		0,05		7

	n =		lnη	,	(3.1)
			2ln k
где k (k>1) – коэффициент запаса;
η =	(1−ε	2 ) (1−δ)2			(3.2)
	2	;
	ε δ(2 −δ)

18

где δ – величина максимального ослабления мощности сигнала в полосе пропускания; ε - минимальное ослабление мощности сигнала в полосе задерживания.

2. Получить передаточную функцию фильтра Баттерворта:

Wф( p) =		1		.	(3.3)
	1+a p +a p2		+... +a pn
	1	2	n

Для этого необходимо передаточную функцию записать в виде

	Wф( p) =	1		,	(3.4)
		( p − p1)( p − p2 )...( p − pn	)

где pn - полюсы (корни) характеристического уравнения фильтра Баттерворта, определяемые по формуле

p	= −sin(	2k −1		π) + j cos(	2k −1	π) ,	(3.5)
k		2n			2n

где k=1,n. Если порядок фильтра нечетный, то Wф( p) имеет n-1 ком-

плексно-сопряженных полюсов и один вещественный полюс, а если порядок четный, то все полюсы комплексно-сопряженные.

3.Получить алгоритм фильтрации по передаточной функции (3.3) путем перехода к разностному уравнению, выбирая минимальный шаг дискретизации.

4.Выбрать в соответствии с заданным вариантом натурный сигнал из табл. 3.2.

5.Профильтровать натурный сигнал по полученному алгоритму фильтра Баттерворта заданного порядка.

6.Представить результаты фильтрации в виде таблицы в приложении, а исходный x(t) и отфильтрованный ~x (t)сигналы представить в

виде временных рядов на одном рисунке.

Задача 2

1. Выбрать натурный цифровой сигнал из табл. 3.3 в соответствии с заданным вариантом, пользуясь табл. 3.1.

					19
			Натурные сигналы									Таблица 3.2
№ сигнала					Графики сигналов
	84
	83
	82
	81
1	80
	79
	78
	77
	76
	75
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
	80
	70
	60
	50
2	40
	30
	20
	10
	0
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
	80
	70
	60
	50
3	40
	30
	20
	10
	0
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120