Введение в теорию автоматического регулирования: Методические указания по выполнению лабораторной работы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

Введение в теорию

автоматического регулирования

Методические указания

по выполнению лабораторной работы

для студентов специальности 120100

всех форм обучения

Одобрено

                          редакционно-издательским советом

                Балаковского института  техники

              технологии и управления

Балаково  2008

Цель работы

          На основе рассмотрения системы управления положением руки промышленного робота освоить основные принципы и задачи исследования  систем управления с отрицательно обратной связью, основы математического моделирования систем управления в  системе Simulink  MatLab.

Система управления движением руки промышленного робота

Промышленные роботы нашли большое практическое применение. На рис. 1 приведен общий вид промышленного робота типа «Электроника НЦ ТМ 01», предназначенного для выполнения металлорежущих работ различными инструментами. Эффективность работы роботов в большой степени зависит от эффективности работы систем управления. Рассмотрим систему управления выдвижением руки робота, функциональная схема которой приведена на рис. 2. 

В корпусе 1 находится механизм винт-гайка 2, посредством которого рука робота 3 с рабочей головкой 4 движется в горизонтальной плоскости. Винт приводится во вращение электроприводом, включающим электрический двигатель 5 и редуктор 6.

Система управления скоростью движения рабочей головки включает датчики скорости движения 7, регулятор 9, включающий элемент сравнения 10, управляющее устройство 11, усилитель мощности 12, электрический двигатель 5, редуктор 6, объект управления, включающий систему привода робота от выходного вала редуктора до датчика скорости движения руки робота. При использовании датчика положения руки робота 8 система управления выводит рабочую головку робота в заданную точку.

Проведем функциональный анализ системы управления. Объект управления – система привода рабочей головки по одной из осей в горизонтальной плоскости. На положение рабочей головки влияют механические нагрузки обработки изделия, характеристики режимов обработки и состояния режущих инструментов, характеристики материала обрабатываемого изделия. Система привода руки  робота обеспечивает процесс резания по заданной траектории или движение с заданной скоростью.

Назначение системы управления – вывод скорости движения руки робота на заданное значение, вывод рабочей головки в заданное значение по положению руки робота, отработка возмущающих воздействий на положение руки робота и скорость ее движения.

Управляющее воздействие – момент вращения привода руки робота, который изменяется при  изменении тока якоря электродвигателя привода. При увеличении тока якоря электрического двигателя привода скорость движения ротора повышается.

Задающие воздействия задаются системой управления более высокого уровня в виде заданного значения скорости движения при управлении скоростью либо в виде координаты по оси движения, в которую надо перевести рабочую головку при управлении положением рабочей головки.

Датчики измерения управляемых параметров - датчик скорости движения руки робота, датчик положения руки робота (рабочей головки).

Возмущающие воздействия – колебания напряжения питания привода робота, нестабильность характеристик элементов робота, изменение допусков заготовок и характеристик материала обрабатываемого изделия.

Ошибка системы управления определяется элементом сравнения, входящим в структуру регулятора.

Управляющее устройство – электрический двигатель, изменение напряжения на якоре двигателя приводит к увеличению момента вращения двигателя и к изменению скорости привода или ускорению режима резания обрабатываемого изделия.

Промежуточными элементами системы является электронный усилитель, который усиливает выходной сигнал регулятора по мощности до уровня, достаточного для получения необходимого момента вращения электрического двигателя.

Постановка задачи исследования работы системы управления

При анализе работы системы управления представляют интерес устойчивость работы системы, качественные показатели системы при отработке заданных значений скорости или траектории движения, возможность отработки системой нестабильности  характеристик материала обрабатываемой детали  и других возмущающих воздействий. Изучение  принципов работы и анализ эффективности системы управления в различных условиях работы произведем методом математического моделирования в системе Simulink пакета прикладного матобеспечения MatLab.

Математическая модель системы управления

Для проведения исследования работы системы необходимо построить структурную схему системы и математические модели элементов системы. На рис. 3 приведена структурная схема системы управления, включающая:

УУ- управляющее устройство;

УМ – усилитель мощности;

ЭД – электрический двигатель;

Р – редуктор;

          ОУ – объект управления;

           Д – датчик скорости движения рабочей головки.

При исследовании работы системы управления каждый элемент системы описывается математической моделью в виде дифференциального уравнения, передаточной функции или другом виде. На структурной схеме (рис. 4) модели элементов системы представлены передаточными функциями.

 - передаточная функция ПИД регулятора, включающего пропорциональную составляющую с коэффициентом , интегральную составляющую с коэффициентом  и дифференциальную составляющую с коэффициентом .

      Передаточные функции остальных элементов системы определяются их конструкциями и характеристиками:

                 

Сигналы, действующие в системе управления:

- задающее воздействие в виде заданной скорости или положения