Основы мехатроники
![]()
|
« 20 85 ![]() ![]() 0,3 0,5 0,8 1,0 (а) - непрерывная числовая функция принадлежности |е| - модуль сигнала рассогласования а - максимальная величина ошибки 1,0 0,9 ± 0,8} 0,7 | 0,6 0,5 0,4 + 0,3 { 0,2 т 0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 (б) - дискретная числовая функция принадлежности ИСТИНА ПОЧТИ ИСТИНА НЕ ЗНАЮ е„=|е|/а ► ПОЧТИ ЛОЖЬ ЛОЖЬ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 (в) - дискретная лингвистическая функция принадлежности Рис. 5.8 Графическое представление функций принадлежности ![]() ![]() ![]() Исключаемый интерфейс И2 преобразования, выполняемого данным модулем. В идеальном для пользователя варианте мехатронный модуль, получив на вход информацию о цели управления, должен исполнить с заданными показателями качества программное функциональное движение. Сущность мехатронного подхода состоит в том, что он направлен на интеграцию конкретного класса элементов (механических, электронных, компьютерных, электротехнических, интерфейсных и др.), которые имеют принципиально различную физическую природу и предназначены для реализации сложного функционального движения. Аппаратное объединение элементов в единые конструктивные модули должно обязательно сопровождаться разработкой интегрированного программного обеспечения. Программные средства МС должны обеспечивать непосредственный переход от замысла системы через ее математическое моделирование к управлению функциональным движением в реальном времени. Таким образом, проектирование МС предполагает разработку комплекса аппаратно-программных средств, ориентированных на конкретные прикладные задачи (подробнее этот вопрос рассмотрен в гл. 4,5). Для реализации сформулированного мехатронного подхода следует определить локальные точки интеграции элементов в единый функциональный модуль. Для этого вернемся к рассмотрению блок-схемы на рис.2.4. Потенциально возможные точки аппаратной интеграции и структуры соответствующих мехатронных модулей представлены в табл. 1. Таблица! Исходные элементы Базовый элемент Дополняющий элемент Микропроцессор Мехатронный Модуль Силовой преобразователь Интеллектуальны й силовой преобразователь ИЗ Механическое устройство Микропроцессор Исполнительный двигатель Сенсор Приводной модуль И4 Интеллектуальны й сенсор ИЗ.И5 Сенсор Приводной модуль Рабочий орган Мехатронный модуль движения И6 Сенсор Очувствленный рабочий орган Целесообразность применения методов нечеткой логики при управлении мехатронными системами обусловлена отмеченными в п.5.1 особенностями постановки задач управления, которые заключаются в априорной неопределенности возмущающих воздействий, переменности параметров мехатронных объектов управления и в сложности построения аналитических моделей систем. Характерно, что теория нечетких множеств была предложена проф. Л.Заде именно для решения проблем управления сложными техническими системами. Структурная схема нечеткого регулятора с параметрической адаптацией приведена на рис.5.7. Нечеткий контроллер функционирует на основе экспертной базы знаний и выполняет следующие основные операции:
Рис. 5.7. Блок-схема нечеткого регулятора. Для математического представления нечеткой информации используются нечеткие множества, состав объектов которых зависит от мнения экспертов, цели и времени формирования множества. Состав множества задается с помощью функций принадлежности, имеющих вероятностный характер. Так, выражение тА (Х)= С означает, что элемент А принадлежит множеству X с вероятностью С. 24 81 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рассмотрим основные виды однокоординатных модулей движения, разработанных для решения задач автоматизированного 'машиностроения. Мехатронные модули движения (ММД) являются функциональными "кубиками", из которых затем можно компоновать сложные мехатронные системы, примеры которых рассматриваются в гл.4. Общая схема, поясняющая эволюцию развития мехатронных модулей движения от моторов-редукторов до перспективных интеллектуальных модулей, приведена на рис.3.1. Предлагаемая схема, несмотря на ее очевидную условность, разработана с целью систематизации известных ММД по составу и степени интеграции элементов. 3.1. Моторы-редукторы Моторы- редукторы являются, по-видимому, исторически первыми по принципу своего построения мехатронными модулями, которые стали серийно выпускаться и нашли очень широкое применение в приводах различных машин и механизмов. Мотор-редуктор представляет собой компактный конструктивный модуль, объединяющий электродвигатель и редуктор. По сравнению с традиционным соединением двигателя и редуктора через муфту моторы- редукторы обладают целым рядом существенных преимуществ:
Конструктивное исполнение модуля определяется типами используемых редуктора и электродвигателя. В зависимости от технических требований задачи применяются цилиндрические, насадные, конические, червячные и другие виды редукторов. В качестве электродвигателей наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемыми преобразователями частоты вращения, однофазные двигатели и двигатели постоянного тока. Общий вид одноступенчатого червячного мотора-редуктора (изготовитель АО "Завод Редуктор", С-Петербург) показан на рис.3.2,а. Редуктор выпускается для общемашиностроительного применения. Особенность конструкции состоит в том, что в ступице червячного колеса 26 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Основные технические характеристики данного мотора-редуктора (типоразмер МРЧс-82): мощность электродвигателя - 0.27 кВт, номинальная скорость вращения выходного вала - 0.28 с"1, максимальный момент на выходном валу - 50 Нм, передаточное число редуктора - 86, габаритные размеры модуля - 500 х 255 х 245 мм, масса модуля - 35 кг. На рис.3.2,6 показан насадной мотор-редуктор фирмы "Бауэр", который насаживается непосредственно на вал ведомого механического устройства и поэтому является быстросъемным модулем. Блочно-модульный принцип конструирования позволяет комбинировать в модуле двигатели и редукторы различных типов и мощностей, обеспечивая таким образом широкий спектр механических характеристик модуля: по частоте вращения от 0.2 до 160 об/мин, по мощности от 0.015 до 75 кВт. ![]() Рис. 3.2. а) общий вид червячного мотора-редуктора; б) общий вид насадного мотора-редуктора. Стоимостной анализ, проведенный фирмой "Бауэр" [28], показал, что применение моторов-редукторов рентабельно в машинах с низкой скоростью перемещения рабочего органа (особенно при частотах вращения ниже 500 1/мин ). Таким образом, потребитель приобретает и эксплуатирует мотор-редуктор как единый модуль, догадываясь о наличии в его составе зубчатых передач только из названия и при смене масла. 28 ![]() Основной недостаток вентильных двигателей - наличие дорогостоящих магнитов и блока управления коммутацией обмоток, отсюда пониженный показатель мощность/цена и повышенные габариты. В современных модификациях эта проблема решается путем построения этих блоков на базе относительно дешевых интегральных микросхем. В табл.2 приведены технические характеристики отечественных бесконтактных двигателей серии ДБМ (разработчики и изготовители ЗАО "Машиноаппарат" и ТОО "МЭЛМА", г. Москва) [2]. Таблица 2
В состав современных мехатронных модулей движения на основе ВМД обязательно входят также датчики обратной связи и иногда управляемые тормоза, что позволяет отнести такие ММД ко второму поколению (см.рис.3.1). В качестве датчиков наиболее часто применяются фотоимпульсные датчики (инкодеры), тахогенераторы, резольверы и кодовые датчики положения. Принципиально важно, что модуль "двигатель-датчик" имеет единый вал, что позволяет сочетать высокие технические параметры и низкую стоимость. Конструктивная схема модуля "двигатель постоянного тока - встроенный тахогенератор", иллюстрирующая эту идею, приведена на рис.3.3. устройство компьютерного управления должно выполнять в реальном времени следующие основные функции:
- умножение обратной матрицы Якоби на вектор-столбец программной скорости рабочего органа; - выдача программы управления на исполнительный уровень. Назначением исполнительного уровня управления является расчет и выдача управляющих сигналов на блок приводов мехатронной системы в соответствии с программой управления с учетом технических характеристик силовых преобразователей. Типичные алгоритмы регулирования исполнительного уровня приведены в п.5.4. Для иерархических систем управления в мехатронике действует принцип, сформулированный проф. Саридисом (8апшз О.К) , согласно которому по мере продвижения от высших к низшим уровням управления понижается интеллектуальность системы, но повышается ее точность (данный принцип в англоязычной литературе имеет аббревиатуру ГРШ -1псгеа$ш§ Ргесшоп мйш Оесгеазтд 1п1еШ§епсе). При этом под "интеллектуальностью" понимается способность системы приобретать специальные знания, позволяющие уточнить поставленную задачу и определить пути ее решения, а под "неточностью" - неопределенность в операциях по решению данной задачи. Рассмотрим несколько примеров мехатронных модулей и систем с интеллектуальным управлением, обладающих некоторыми из перечисленных признаков. 5.4. Системы управления исполнительного уровня Контроллеры движения, архитектура и технические характеристики которых рассмотрены в п.3.5.1, являются устройствами управления исполнительного уровня согласно принятой иерархии управления движением мехатронных систем (рис.5.4). Назначение устройства управления состоит в обеспечении заданных требований по устойчивости, точности и качеству переходных процессов в системе при достижении цели управления движением, которая поступает с тактического уровня управления. При этом необходимо учитывать специфику мехатронных объектов управления, отмеченную в п.5.1. Структурная схема системы управления движением, реализуемая типовым контроллером, представлена на рис.5.5. В состав системы входят |