Title Kompenzacija učinaka elastičnosti i trenja u prijenosnim mehanizmima slijednih sustava Author Joško Deur Mentor Nedjeljko Perić (mentor)Committee member Branko Jeren (član povjerenstva)Committee member Nedjeljko Perić (član povjerenstva)Committee member Krešimir Ćosić (član povjerenstva)Committee member Petar Crnošija (član povjerenstva)Committee member Gorislav Erceg (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Granter University of Zagreb Defense date and country 1999-06-03, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 621.3 - Electrical engineering Abstract U ovom se radu prikazuje istraživanje, razvoj i eksperimentalno ispitivanje digitalnog sustava regulacije brzine vrtnje i položaja elektromotornog pogona s elastičnim prijenosnim mehanizmom i trenjem. Utjecaj elastičnosti prijenosnog mehanizma na vladanje regulacijskog kruga brzine vrtnje s PI regulatorom podešenim prema simetričnom optimumu analizira se primjenom algebarskog postupka temeljenog na svojstvima optimuma dvostrukog odnosa. Analiza se provodi za slučajeve povratne veze po brzini vrtnje motora i radnog mehanizma (tereta), te za široki opseg sljedećih karakterističnih parametara procesa: odnos momenata inercije tereta i motora, odnos vlastite frekvencije mehaničkog sustava i granične frekvencije nadomjesnog člana otvorenog regulacijskog kruga i relativni koeficijent prigušenja mehaničkog sustava. Rezultati analize interpretiraju se u frekvencijskom području pomoću Bodeovih dijagrama. Linearni regulacijski krug brzine vrtnje projektira se s ciljem prigušenja torzijskih vibracija prouzročenih elastičnošću prijenosnog mehanizma, tj. s ciljem postizanja brzog i dobro prigušenog odziva regulacijskog kruga uz učinkovitu kompenzaciju utjecaja momenta tereta. Razmatra se primjena različitih tipova regulatora brzine vrtnje: PI regulator, regulatori stanja punog i reduciranog reda, polinomski regulator s povratnom vezom po brzini vrtnje motora ili tereta i PI regulator s podređenim polinomskim regulatorom prijenosnog momenta. Optimiranje i usporedna analiza regulacijskog kruga brzine vrtnje provode se za široki opseg karakterističnih parametara procesa i različita vremena uzorkovanja, vodeći računa o osjetljivosti regulacijskog kruga brzine vrtnje na pogreške modeliranja podređenog regulacijskog kruga struje. Primjenjuje se analitički postupak optimiranja regulacijskog kruga temeljen na optimumu dvostrukog odnosa. Nadređeni regulacijski krug položaja realizira se pomoću P regulatora položaja neovisno o primijenjenom regulatoru brzine vrtnje. Pojačanje P regulatora položaja određuje se jednostavnim analitičkim postupkom s ciljem postizanja graničnog aperiodskog odziva sustava pozicioniranja, odnosno kvaziaperiodskog odziva slijednog sustava. U granu referentne veličine ugrađuje se pretkompenzator koji smanjuje vrijeme odziva regulacijskog kruga položaja s obzirom na referentnu veličinu, odnosno smanjuje pogrešku slijeđenja referentne trajektorije položaja. Optimiranje parametara pretkompenzatora proizvoljnog reda provodi se u vremenski kontinuiranom ili diskretnom području primjenom modulnog optimuma. Učinci djelovanja trenja u reguliranim elektromotornim pogonima analiziraju se u vremenskom području pomoću simulacije na računalu. Primjenom Karnoppovog modela trenja moguće je zasebno analizirati vladanje regulacijskog sustava u intervalima mirovanja i gibanja pogona u kojima je vladanje mehaničkog sustava linearno. Analiza se provodi za pogone s krutim i elastičnim prijenosnim mehanizmom, različite statičke modele trenja (Coulombov, statički+Coulombov i poopćeni Stribeckov model) i različite regulacijske zadatke (regulacija brzine vrtnje, pozicioniranje i slijeđenje). S ciljem smanjenja značaja negativnih učinaka djelovanja trenja, linearni regulatori brzine vrtnje i položaja proširuju se nelinearnim kompenzatorom utjecaja trenja temeljenim na Karnoppovom statičkom+Coulombovom modelu trenja. Kompenzator djeluje preko referentnog signala brzine vrtnje, te se kao dio nadređenog algoritma upravljanja može primijeniti i u pogonima s regulatorom brzine vrtnje ugrađenim u servo-uređaj. Kompenzator se razvija za pogon s krutim prijenosnim mehanizmom, te se zatim modificira za pogon s elastičnim prijenosom reliziran s različitim tipovima regulatora brzine vrtnje. Adaptivni sustav regulacije brzine vrtnje s regulatorom stanja punog reda projektira se s ciljem smanjenja osjetljivosti regulacijskog sustava na promjene parametara mehaničkog sustava. Prema načelu eksplicitne samopodešavajuće regulacije, parametri regulatora brzine vrtnje i kompenzatora trenja računaju se u realnom vremenu na temelju procijenjenih parametara mehaničkog sustava. Procjena parametara temelji se na fizikalnom modelu mehaničkog sustava uz pretpostavku mjerljivosti položaja motora i tereta. Eksperimentalna provjera razvijenih regulacijskih algoritama provodi se na laboratorijskom modelu elektromotornog pogona, koji ima mogućnost nezavisnog podešavanja opterećenja, odnosa inercija, krutosti prijenosnog mehanizma, trenja i zračnosti. Prethodno se provodi niz identifikacijskih eksperimenata kojima se određuju parametri procesa.
Abstract (english) Research, design and experimental examination of a digital speed and position control system for electrical drives with elastic transmission and friction are presented in the thesis. The influence of the transmission elasticity on the behavior of the speed control loop with a PI controller tuned according to the symmetrical optimum is analyzed using an algebraic method based on the damping optimum properties. The analysis is carried out for the cases of motor speed feedback and load speed feedback, and for a wide range of characteristic process parameters: the ratio of the moment of inertia of the load to the motor, the ratio of the mechanical system resonant frequency to the bandwidth of the equivalent lag term of the open-loop system and the mechanical system damping ratio. The results of the analysis are interpreted in the frequency domain by Bode diagrams. The linear speed control loop is designed with the aim of damping torsional vibrations caused by the transmission elasticity, i.e. achieving fast and well-damped system response with efficient compensation of the load torque effect. Application of different types of speed controller is considered: a PI controller, full and reduced-order state controllers, a polynomial controller utilizing the motor or the load speed feedback and a PI controller combined with inner polynomial torque controller. Optimization and comparative analysis of the speed control loop for a wide range of characteristic process parameters and different sampling times are carried out, taking into account the sensitivity of the speed control loop to modeling errors of the inner current control loop. An analytical procedure of the speed control loop optimization based on the damping optimum is applied. The superimposed position control loop is realized using the proportional position controller independently of the applied speed controller. The gain of the position controller is determined by a simple analytical procedure in order to achieve the critically damped step response of the pointing system, i.e. the quasiaperiodic step response of the tracking system. A feedforward controller is introduced in the reference branch with the aim of decreasing the reference response time of the position control loop, i.e. reducing the position tracking error. The feedforward controller of any order is optimized in the continuous-time or discrete-time domain applying the magnitude optimum. Friction effects in controlled electrical drives are analyzed in the time-domain by computer simulation. By applying the Karnopp friction model, it is possible to analyze the control system behavior separately for stick and slip intervals in which the mechanical system behavior is linear. The analysis is carried out for drives with stiff and elastic transmission, different static friction models (Coulomb model, static+Coulomb model and generalized Stribeck model) and different control tasks (speed control, positioning and tracking). In order to reduce friction effects, the linear speed and position controllers are expanded with a nonlinear friction compensator based on the Karnopp static+Coulomb friction model. The compensator acts through the speed reference, so that it can be applied as part of the superimposed control algorithm in drives with a speed controller built in the servounit. The compensator is developed for the electrical drive with stiff transmission, and then it is modified for the drive with elastic transmission realized by different types of speed controller. An adaptive speed control system utilizing the full-order state controller is designed in order to decrease the sensitivity of the control system to variations of the mechanical system parameters. According to the principle of explicit self-tuning control, the parameters of the speed controller and the friction compensator are calculated on-line based on the estimated parameters of the mechanical system. Parameter estimation is based on the physical model of the mechanical system, assuming that the drive and the load position are measurable. The developed speed and control system is experimentally examined on a laboratory model of the electrical drive with the capability of independent adjustment of the load torque, inertia ratio, transmission stiffness, friction and backlash. Prior to control experiments, a series of identification experiments is carried out in order to obtain the process parameters.
Keywords
Regulacija
elektromotorni pogon
slijedni sustav
elastičnost prijenosnog mehanizma
trenje
optimum dvostrukog odnosa
modulni optimum
Keywords (english)
Control
electrical drive
servosystem
transmission elasticity
friction
double ratios optimum
magnitude optimum
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:168:857173 Study programme Title: Doctoral study programme "Electrical Engineering and Computing" Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Closed access Terms of use Created on 2019-07-19 10:54:17
