Оптимизация задачи сервоуправления с использованием адаптивного нелинейного алгоритма
Программное обеспечение сервоконтроллера улучшает его применения в приложениях, требующие точного отслеживания траектории перемещения и небольшое время установки привода, таких как ЧПУ станки, отслеживания конвейера, операции выбора и установки, сборку печатных плат, сваривания, а также в процессах покраски, нанесения покрытий и склеивания. Продуктивность портальных систем вырастает на 33% по сравнению с другими техническими решениями.
Рис. 1
Интеллектуальное программное обеспечение сервоприводов может повысить скорость и производительность систем с числовым программным управлением (ЧПУ), роботизированных и других систем управления движением. Контроллеры сервомеханизмов обычно используют каскадную конфигурацию, в которой контур скорости вложен в контур позиционирования. Такая конфигурация возникла в то время, когда контроллеры тока и скорости реализовывали на аппаратном уровне, а управление позиционирования реализовывали с помощью программного обеспечения и такая схема остается популярной и сегодня, преимущественно благодаря своей простоте. Сначала настраивается контроллер скорости, затем контроллер положения, при этом параметры управления обычно устанавливаются автоматически. Регулятор позиционирования обычно опирается на простой коэффициент пропорциональности(П-регулятор), в то время как регулятор скорости содержит пропорциональный коэффициент и интегральный член(ПИ-регулятор) (рисунок 1).
Недостатком такой конфигурации является внутренняя ошибка отслеживания при движении, которая пропорциональна скорости. Использование упреждающих методов позволяет снизить такую ошибку за счет перегулирования или более длительного времени установления положения (интегрирования).
Рис. 2
Алгоритм адаптивного нелинейного управления может преодолеть эти ограничения и оптимизировать работу сервомеханизма для применения в приложениях с высокой точностью перемещения. В проприетарном алгоритме, представленном здесь, используется параллельная конфигурация, в которой все ветви находятся на одном уровне и выполняются во время каждой выборки. На каждой ветке вводится переменный параметр усиления, который автоматически оптимизируется для обеспечения высокого коэффициента усиления и стабильности. В результате ошибка позиционирования и времени установления сводятся к минимуму до уровней, превосходящих показатели других контроллеров. Основными параметрами алгоритма являются модули с переменным коэффициентом усиления, который способствует небольшой ошибке позиционирования и модулю адаптивного упреждения, который обеспечивает небольшое время установки (рисунок 2).
Управление переменным усилением
Переменные усиления (VGd, VGp, VGiv, VGi) вычисляются и изменяются динамически в процессе работы алгоритма. Каждая переменная усиления есть специфическая функция от системных параметров, таких как скорость и рассогласование. В процессе движения коэффициенты усиления могут достигать значений до 10 раз больших, чем при остановке. Это увеличивает точность прохода по заданной траектории, и также снижает шум и увеличивает жесткость системы более чем втрое.
Четыре вида усиления сбалансированы по закрытому алгоритму, который поддерживает стабильность системы. Kd служит для снижения ошибки по скорости. Ветвь параметра Kp – пропорциональный коэффициент контура позиции, для снижения ошибки позиционирования. Ki – интегральный коэф. контура позиции, для устранения статической ошибки позиционирования.
Рис. 3
Параметр Kiv и относящаяся к нему ветка – особенность данного алгоритма, и совмещает эффекты Kp и Ki. Она создает жесткость более чем вдвое от Kp, без сопустствующий осцилляций. Он уменьшает рассогласование и в динамике, и в статике. А также устраняет статическую ошибку, подобно интегральному коэффициенту, но действует при этом со скоростью пропорционального (см. рис. 3)
Адаптивное упреждение
Модуль адаптивного упреждения служит для достижения минимального времени установления. Из-за исключительного влияния веток Kiv (интегральная составляющая контура скорости) и Ki(интегральная составляющая контура позиционирования), большая часть отклика обратной связи находится в интегральном члене. Во время движения постоянно контролируется соответствие между ускорением и крутящим моментом двигателя, и данная зависимость используется во время фазы торможения для обработки интегрального члена.
Рис. 4
В конце движения алгоритм адаптированного упреждения модифицирует содержимое интегрального члена в соответствии с ожидаемым путем ускорения, таким образом, обеспечивается нулевое время установления (рис.4)
Автонастройка программного обеспечения сервопривода
Алгоритм интегрируется в серию сервомеханизмов (Рис.5). Производительность интерфейсного программного обеспечение настраивается автоматически. Обычно автоматической настройки бывает достаточно, но для некоторых применений может потребоваться точная ручная настройка с целью оптимизации параметров управления.
Рис. 5
Автоматическая и ручная настройка основывается на одинаковом принципе. Во время автоматической настройки качество перемещения измеряется и оценивается приводом и программным обеспечением. Во время ручной настройки качество перемещения оценивается пользователем. В любом из методов настройки параметры сервоуправления изменяются постепенно, и, в итоге, выбирается значение, которое обеспечивает лучшую производительность. Настройка алгоритма проста и интуитивна и во многом выполняется подобно обычной настройке пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования. Каждый переменный коэффициент усиления увеличивается постепенно до тех пор, пока не начнется колебательное поведение системы, после чего коэффициент уменьшают на 10-20%, до безопасного значения.
ЧПУ, роботы и другие применения
Например, портальные применения, которые должны выдерживать максимальную точность в 2-3 мкм при максимальной скорости перемещения, использование сервопривода с описанным программным алгоритмом увеличивало максимальную скорость с 120 мм/с до 160 мм/с с сохранением требуемой точности и увеличивало производительность машины на 33%. В сравнительном тесте с другим сервоприводом со скоростью 160 мм/с, были достигнуты более высокая точность и более низкая пульсация (рисунок 6).
Использование усовершенствованного алгоритма оказывается особенно выгодным в приложениях, требующего точного отслеживания траектории и малого времени установки, таких как ЧПУ и резка, контроль конвейера, операции выбора и размещения, монтаж печатных плат, сварки и таких как окраска, нанесение покрытий и нанесение клея.