Управление следящими мехатронными системами с жесткими кинематическими звеньями при ограничениях основных координат состояния
Н.А. Курносов, С.В. Тарарыкин
Вестник ИГЭУ, 2026 г. выпуск 4, сс. 64—75
Скачать PDF
Состояние вопроса. Следящие мехатронные системы должны обеспечивать высокое качество управления рабочими машинами в широком диапазоне скоростей при значительных изменениях управляющих и возмущающих воздействий, максимальное ускорение переходных процессов в условиях ограничений координат состояния, а также плавные переходы из линейной зоны малых в нелинейную зону больших отклонений координат и обратно. При высокой жесткости кинематики системы строят по принципу подчиненного регулирования основных координат состояния (тока, скорости, положения) с использованием типовых регуляторов, а ограничения координат реализуют путем ограничений выходных сигналов регуляторов. Однако наличие нелинейных элементов типа «насыщение» («ограничение») может вызывать опасные автоколебания и приводить к потере работоспособности систем даже при большом запасе устойчивости «в малом» всех контуров регулирования. В наибольшей степени проблема обостряется с увеличением степени астатизма следящих систем и количества интегрирующих элементов в контурах управления. В связи с этим актуальным является детализированное исследование динамики следящих МС при значительных изменениях режимов функционирования, связанных с переходами из линейной зоны малых в нелинейную зону больших отклонений координат состояния, обусловленных ограниченными возможностями силовых исполнительных элементов, и разработка более эффективных методов управления системами в этих условиях.
Материалы и методы. Исследование проведено с использованием операторных методов структурного представления объектов и систем в соотношениях «вход-выход», а также метода гармонического баланса, основанного на гармонической линеаризации нелинейностей. Параметрический синтез регуляторов и настройка контуров управления выполнены методами подчиненного (каскадного) регулирования координат с последовательной коррекцией контуров обратных связей. Оценка эффективности полученных результатов проведена методами детализированного цифрового моделирования.
Результаты. Синтезированы и исследованы 3 варианта следящих мехатронных систем постоянного тока с различной степенью астатизма по управляющему воздействию. Получены выражения передаточных функций их линейных частей и выполнено наглядное представление характеристик линейных и нелинейных блоков на комплексной плоскости при ограничениях тока, скорости двигателя и его питающего напряжения. На основе их анализа разработан метод изменения структуры каждого регулятора с интегрирующими элементами при ограничении соответствующей координаты и принудительного насыщения всех интегрирующих элементов регулятора положения при ограничении любой из контролируемых координат состояния, дополняемый при необходимости безынерционной коррекцией петлевого усиления в контуре положения.
Выводы. Применение известных технических решений в виде установки статических элементов «насыщение» на выходах регуляторов положения и скорости, а также использование механизмов локального «противонакопления» сигналов интегрирующих элементов регуляторов сохраняет возможность появления автоколебаний и потери работоспособности исследованных систем. Разработанный метод управления оказывается более эффективным, повышая качество работы следящих мехатронных систем и исключая возможность возникновения аварийных ситуаций в различных режимах их функционирования.
1. Следящие приводы: в 3 т. Т. 1: Теория и проектирование следящих приводов / Е.С. Блейз, А.В. Зимин, Е.С. Иванов и др.; под ред. Б.К. Чемоданова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. – 904 с.
2. Справочник по автоматизированному электроприводу / под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 616 с.
3. Ключев В.И. Теория электропривода: учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 2001. – 704 с.
4. Усынин Ю.С. Системы управления электроприводов: учеб. пособие. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. – 328 с.
5. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов: учебник для вузов / под ред. В.М. Терехова. – М.: Изд. центр «Академия», 2005. – 304 с.
6. Электротехника: учеб. пособие для вузов: в 3 кн. Кн. III. Электроприводы. Электроснабжение / под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. – 639 с.
7. Масандилов Л.Б. (ред.). Машиностроение. Энциклопедия. Электроприводы. Т. IV-2. – М.: Машиностроение, 2012. – 520 с.
8. Проектирование систем сопровождения и приводов наведения и стабилизации комплексов вооружения: учеб. пособие / М.В. Грязев, И.В. Степаничев, Н.И. Хохлов и др. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. – 245 с.
9. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: учеб. пособие для вузов. – Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1982. – 392 с.
10. Кочергин В.В. Следящие системы с двигателем постоянного тока. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988. – 168 с.
11. Боровиков М.А. Расчет быстродействующих систем автоматизированного электропривода и автоматики. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1980. – 290 с.
12. Калачев Ю.Н., Самохвалов Д.В. Основы регулируемого электропривода. – М.: ДМК Пресс, 2024. – 256 с.
13. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. – М.: Энергоиздат, 1982. – 416 с.
14. Johnson M.A., Moradi M.H. PID Control. New Identification and Design Methods. – London: Springer, 2005. – Р. 543.
15. Hippe P. Windup in Control. It’s Effects and Their Prevention. – London: Springer, 2006. – P. 315.
16. Тарарыкин С.В., Аполонский В.В. Управление следящим электроприводом при наличии зазора в кинематической передаче высокой степени жесткости // Электротехника. – 2022. – № 1. – С. 17–27.