Sterowanie Napędów Maszyn i Robotó · 2017-02-28 · Projektowanie - 8 godzin ... Łopatka R.: Podstawy teorii sterowania, WNT, Warszawa, 2013 Jakub Możaryn Sterowanie Napędów

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Wykład 1 - Wprowadzenie, pojęcia podstawowe

Jakub Możaryn

Instytut Automatyki i Robotyki

Warszawa, 2017

Jakub Możaryn Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Zakres wykładu

2. Zakres wykładu


Dane dotyczące przedmiotu

Dane dotyczące przedmiotu

Prowadzący: dr inż. Jakub Możaryn, Gmach Mechatroniki, p. 346,e-mail: [email protected].

Strona www przedmiotu: http://jakubmozaryn.esy.es

Informacje o przedmiocie

Wykład - 16 godzin

Laboratorium - 6 godzin

Projektowanie - 8 godzin


Warunki zaliczenia

Warunki zaliczenia

Kolokwium zaliczeniowe lub prezentacja projektu 3 (1 kolokwium, naostatnich zajęciach) - 30% oceny końcowej

Projekty 1 i 2 (sprawozdanie z projektu) – 40% oceny końcowej

Laboratorium (obecność na zajęciach laboratoryjnych jestobowiązkowa) – 30% oceny końcowej

Liczba punktów ECTS - 3


Program

Cele przedmiotu

Nabycie umiejętności projektowania, realizacji, uruchomienia ieksploatacji układów sterowania napędów maszyn, urządzeńmechatronicznych i robotów z uwzględnieniem zachowaństatycznych i dynamicznych serwonapędów pneumotronicznych,hydrotronicznych i elektrycznych.


Program

Tematyka wykładów cz. 1

1: Wprowadzenie do aktuatoryki maszyn i robotów - Aktuatorykawspółczesnych maszyn i urządzeń mechatronicznych, z uwzględnieniem urządzeństowanych w robotach. Zadania układów sterowania. Sterowanie pozycyjne:przestawianie i nadążanie oraz sterowanie siłowe (momentowe). Budowaaktuatora: serwonapęd, przekładnia, sensoryka, sterownik procesorowy. Specyfikaróżnych rozwiązań napędowych. Dobór serwonapędu do określonych zadań.

2: Układy sterowania serwonapędów - Sterowanie zwykłe i adaptacyjne.Sterowanie proporcjonalno-całkowo-różniczkowe. Sterowanie kaskadowe.Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym od zmiennych stanu. Sterowaniesuboptymalne LQR i MPC. Metodyka projektowania sterowania.

3: Dynamika serwonapędów - Linearyzacja i upraszczanie opisu bilansowegozachowań dynamicznych. Modele z czasem ciągłym i z czasem dyskretnym.Modele predykcyjne. Modelowanie zachowań dynamicznych podstawowychserwonapędów.

4: Estymacja zachowań dynamicznych serwonapędów - Identyfikacjastatystyczna struktury i parametrów modelu na przykładzie wybranegoserwonapędu. Konwersja parametrów estymowanego modelu dyskretnego wparametry modelu ciągłego. Realizacja identyfikacji uruchomieniowej i w trakcienormalnej pracy.


Program

Tematyka wykładów, cz. 2

5: Odtwarzanie zmiennych stanu - Dostępność zmiennych stanu i sposoby ichodtwarzania. Kryteria oceny jakości odtwarzania zmiennych stanu. Odtwarzanieprzez różniczkowanie i obserwację. Niestandardowe metody odtwarzaniazmiennych stanu. Usuwanie opóźnień odtwarzania.

6: Projektowanie standardowego układu sterowania - Projektowanie układusterowania dla wybranego serwonapędu i wybór algorytmu sterowania. Kryteriaoceny jakości układu sterowania. Kompensacja nieliniowości. Metody doborunastaw regulatorów.

7: Optymalizacja sterowania zwykłego przez działania adaptacyjne ipredykcyjne - Iteracyjna modyfikacja nastaw sterowania. Modyfikacja nastaw zzastosowaniem logiki rozmytej. Nadążanie za zadanym modelem zachowań.Predykcyjne nadążania za zadaną trajektorią parametrów. Sterowania zidentyfikacją zachowań dynamicznych serwonapędu. Sterowanie ślizgowe.Sterowanie suboptymalne MPC i LQR/LQG.

8: Realizacja, uruchomienie i eksploatacja układu sterowania - Implementacjaprocedur sterowania na przykładzie wybranego sterownika procesorowego.Procedury uruchomienia na przykładzie wybranego aktuatora. Zasadyeksploatacji.


Program

Zakres ćwiczeń laboratoryjnych

Serwonapęd elektrohydrauliczny - Uruchomienieelektrohydraulicznego serwonapędu tłokowego w wersji dławienioweji objetościowej (wyporowej). Badanie wpływu obciążenia masowegona wybrany wskaźnik jakości pozycjonowania przestawnego.

Serwonapęd elektryczny - Uruchomienie elektrycznegoserwonapędu silnikowego prądu przemiennego z falownikiemimpulsowym i przekładnią ruchu obrotowego na liniowy. Badanieukładu regulacji wahadła odwróconego z regulatorem LQR/MPC.


Program

Zakres ćwiczeń projektowych

Projekt 1: Dobór układu kinematycznego i kinetycznegowybranej maszyny lub robota - Analiza zachowań statycznych idynamicznych napędzanego członu mechanizmu kinematycznegowybranej maszyny lub robota na przykładzie zadanych obciążeńmasowych i siłowych oraz parametrów ruchu.

Projekt 2: Projekt układu napędowego wybranego członumechanizmu maszyny lub robota - Wybór rodzaju i dobórelementów układu napędowego: silnika lub siłownika, mechanizmuprzekładniowego, sensoryki i sterowników/falowników. Szkicdokumentacji projektowej układu napędowego.

Projekt 3: Koncepcja, projekt i dobór parametrów układusterowania dla wybranego układu mechanicznego - Opracowaniemodelu zachowań dynamicznych wybranego układu mechanicznego inapędowego. Wybór koncepcji i struktury układu sterowania. Dobórnastaw układu sterowania. Sprawdzenie poprawności działaniaukładu z wykorzystaniem wybranego oprogramowaniasymulacyjnego.


Literatura

Olszewski M.: Basics of servopneumatics. VDI Verlag, Duesseldorf, 2007.

Olszewski M.: Sterowanie pozycyjne pneumatycznego napędu siłownikowego.OWPW, Warszawa, 2002.

Osowski S.: Modelowanie i symulacja układów i procesów dynamicznych,OWPW, Warszawa, 2007

Winnicki A.: Odporne na zakłócenia ślizgowe sterowanie pozycyjne napęduelektrohydraulicznego. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska,Warszawa, 2013

Heimann B., Gerth W., Popp K.: Mechatronika. Komponenty, metody,przykłady. WN PWN, Warszawa, 2001.

Pełczewski W., Krynke M.: Metoda zmiennych stanu w analizie dynamikiukładów napędowych. WNT, Warszawa, 1984.

Pizoń A.: Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe układy automatyki. WNT,Warszawa, 1995.

Pritschow G.: Technika sterowania obrabiarkami i robotami przemysłowymi.OWPWr, Wrocław, 1995.

Holejko D., Kościelny W.: Automatyka procesów ciągłych, Oficyna Wyd. PW,Warszawa 2012.

Kaczorek T., Dzieliński A., Dąbrowski W., Łopatka R.: Podstawy teoriisterowania, WNT, Warszawa, 2013


Wprowadzenie

2. Pojęcia podstawowe


Wprowadzenie

Aktuatoryka/aktoryka

Dziedzina mechatroniki zajmująca się budową i sterowaniem urządzeńwykonawczych, realizujących zadania ruchowe i siłowe eliminując tymsamym udział człowieka w sterowaniu.

Aktuator/aktor

(ang. actuator - urządzenie uruchamiające, nastawnik) – w technice,określenie urządzenia mechanicznego, występującego w układachregulacji, które na podstawie sygnału sterującego wypracowuje sygnałwejściowy do obiektu regulacji.

Do urządzeń wykonawczych można zaliczyć m.in.:

w mechanice – siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne, silniki,dźwignie hydrauliczne, wzmacniacze elektrohydrauliczne,

są to „odpowiedniki”: rąk, dłoni, nóg, palców człowieka.


Wprowadzenie

Rysunek : System mechatroniczny


Wprowadzenie

Rysunek : Wybrane urządzenia wykonawcze


Wprowadzenie

Rysunek : Budowa serwomechanizmu napędowego


WprowadzenieSterowanie

Sterowaniem nazywa się celowe oddziaływanie na obiekt sterowania,mające doprowadzić do pożądanych zmian w procesach w nimzachodzących. Poziom energetyczny sygnałów sterujących z regułyznacznie niższy niż sygnałów, na które wpływają.


Wprowadzenie

Zadania układów sterowania, cz.1

przeniesienia procedur sterowania na układ pozycyjny zestawiony ze sterownikaprocesorowego współpracującego z przetwornikiem (sensorem) położenia iewentualnie innymi sensorami (pomiar siły, temperatury, etc.),

pełna sutomatyzacja działań rozruchu i uruchomienia układu napędowego zzałożeniem niepełnej lub całkowitej nieznajomości przez operatora parametrównapędu,

zapewnienie bezpiecznego przejścia od fazy rozruchu i uruchomienia do fazynormalnej pracy układu (zapewnienie determinowanego zachowania napędu),

dobór nastaw startowych sterowania – automatycznie, z założeniemnieznajomości zasad parametryzacji sterowania przez operatora (z ewentualnymwymaganiem niedopuszczenia operatora do tej czynności), autotuning,

odporność sterowania pozycyjnego na skokowe zmiany warunków pracy:

zmiany wartości zadanych położeń i zakresów przemieszczeń,

zmiany kierunku ruchu napędu,

zmiany położenia układu napędowego,

zmiany wartości obciążenia (masowego).


Wprowadzenie

Zadania układów sterowania, cd.

kompensacja przez układ sterowania powolnych zmian wartości systemowych:temperatury otoczenia

parametrów zasilania (wartości napięć, ciśnień itp.)

właściwości ciernych napędu i napędzanego urządzenia (np. starzenie izanieczyszczenie smaru)

zjawisk tribologicznych wywołanych postojem układu napędowego,

Generalnie można także powiedzieć, że ogólnym zadaniem układu sterowania jestzwiększenie globalnego zysku przedsiębiorstwa.

Wyżej wymienione zadania są tylko elementami pośrednimi w realizacji tego głównegocelu. Dobrze dobrany układ sterowania pozwala osiągnąć:

wysoką dokładność wykonania towarów,

mniejsza liczbę braków,

bezpieczeństwo przebiegu procesu,

co znacząco wpływa zysk.


Wprowadzenie

Sterowanie pozycyjne (pozycjonowanie) układu napędowego

Celowe oddziaływanie na przebieg procesu ruchu elementu ruchomegonapędu dla zapewnienia żądanych zmian wartości jego położenia (drogi,pozycji, przemieszczenia liniowego lub kątowego) jako głównej wielkościsterowanej napędowego układu pozycyjnego.

Rozróżnia się dwa rodzaje pozycjonowania:

przestawianie – przemieszczenie elementu ruchomego do pozycjizadanej, z zapewnieniem określonej jakości realizacji procesu ruchu iutrzymanie zadanej wartości położenia pozycji w czasie z określonąodchyłką ustaloną,

nadążanie – przemieszczanie elementu ruchomego w sposóbokreślony zmianami wartości wielkości zadającej, z zapewnieniemokreślonej jakości realizacji procesu ruchu i określonej odchyłkinadążania.

Pomocniczymi wielkościami sterowanymi układu pozycyjnego są:prędkość, przyśpieszenie, jako kolejne, fazowe zmienne stanu.


Wprowadzenie

Sterowanie siłowe (momentowe)

Sterowanie siłowe (momentowe) jest oddziaływaniem siłowym na elementnapędzanego urządzenia


Wymagania stawiane współczesnym serwonapędom

W warunkach statycznych:

dysponowanie siłą lub momentem obrotowym potrzebnym dopokonania sił tarcia oraz obciążeń masowych, siłowych imomentowych,

dysponowanie dużym zakresem regulacji prędkości lub obrotów,

wykonywanie ruchu z minimalnymi przemieszczeniami(np.: od 0,1 µm do 1 mm),

ruch ze stałą prędkością (v ' const), także dla najmniejszychprędkości (roboczych, technologicznych, pełzania) – (rzędu 1 mm/s- 5 mm/s), brak drgań - zwłaszcza ciernych (tzw. tarciaprzylgowego, ang. stick – slip).


Wymagania stawiane współczesnym serwonapędom

W warunkach dynamicznych:

duże przyspieszenia (załączanie) i opóźnienia (hamowanie) ruchu –dysponowanie odpowiednio dużymi momentami przyspieszenia ihamowania,

dokładność odtworzenia toru ruchu przy zadanych prędkościachroboczych (1 µm - 1 mm) i prędkościach jałowych (1 mm - 10 mm).


Przykłady zastosowania serwonapędów

Rysunek : Operowanie materiałem.



Rysunek : Montaż.



Rysunek : Cięcie na wymiar.


Napędy w robotyce

Rysunek : Robot ATLAS - DARPARobotics Challenge(http://www.theroboticschallenge.org/).

We współczesnych robotachstosowane są 3 trzy rodzajeserwonapędów

pneumatyczne,hydrauliczne,elektryczne (obecnie50% robotów).

Każdy robot jest wyposa-żony w układ siłowników iprzekładni rozmieszczonychodpowiednio w jego połą-czeniach ruchowych, tworzącukład napędowy robota.


Napędy w robotyce - napędy hydrauliczne

Zalety:

łatwość uzyskiwania dużych sił przy małych rozmiarach i ciężarachurządzeń;

łatwość precyzyjnego sterowania położenia elementu wykonawczego;

bardzo dobre właściwości dynamiczne - małe momenty bezwładnościczęści ruchomych sprawiają, że siłowniki hydrauliczne odznaczają siębardzo dużą prędkością działania;

łatwość uzyskiwania ruchów jednostajnych;

możliwość uzyskania małych prędkości ruchu elementuwykonawczego bez konieczności stosowania przekładni

mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia, łatwośćzabezpieczenia przed przeciążeniami;

łatwość konserwacji (samoczynne smarowanie) i prostotaużytkowania;

duża pewność ruchowa.


Napędy w robotyce - napędy hydrauliczne

Wady:

duży hałas wytwarzany przez pompę;

zanieczyszczenia wywołane ewentualnym wyciekiem oleju.


Napędy w robotyce - napędy pneumatyczne

Zalety:

bardzo duża pewność ruchowa;

większa prostota konstrukcji w porównaniu do napędówhydraulicznych;

niska cena urządzeń w porównaniu z napędem hydraulicznym;

mała masa urządzeń i pomijalna masa czynnika roboczego wporównaniu z napędami hydraulicznymi;

powolne narastanie sił, bardzo istotne np. przy sterowaniuchwytaków (stąd często przy hydraulicznym lub elektrycznymnapędzie ramion manipulatora spotyka się napęd pneumatycznychwytaka;)

duża przeciążalność;

iskrobezpieczeństwo.


Napędy w robotyce - napędy pneumatyczne

Wady:

trudność uzyskiwania ruchów jednostajnych z powodu dużejściśliwości czynnika roboczego;

duża wrażliwość ruchu na zmiany obciążenia;

gwałtowny rozruch, szczególnie przy małym obciążeniu;

znacznie mniejsze siły i momenty w porównaniu z napędamihydraulicznymi;

konieczność zabezpieczania elementów przed korozją;

trudność sterowania położenia elementu wykonawczego.


Napędy w robotyce - napędy elektryczne

Zalety:

niska cena napędu i układu sterowania w porównaniu z napędemhydraulicznym;

prostota układu zasilania;

duża niezawodność;

duża prostota czynności konserwacyjnych;

praca bez hałasu;

małe wymiary układu sterowania i zasilania.


Napędy w robotyce - napędy elektryczne

Wady:

niekorzystny, w porównaniu z napędem hydraulicznym, stosunekmocy do masy urządzenia, szczególnie dla dużych mocy. Stąd teżprzy manipulatorach o bardzo dużym udźwigu nie stosuje się napęduelektrycznego;

właściwości dynamiczne napędu elektrycznego pomimo dużegopostępu w tej dziedzinie, wciąż są gorsze od właściwościdynamicznych napędu hydraulicznego;

wrażliwość na długotrwałe przeciążenia, mogące doprowadzić dospalenia silnika;

duże prędkości kątowe znamionowe wymagające stosowaniaprzekładni redukcyjnych.


Napędy w robotyce - podsumowanie

Napęd hydrauliczny, pozostaje nadal jednym z podstawowych napędów,szczególnie tam, gdzie chodzi o szybkie przemieszczanie przy znacznychobciążeniach robota.

Napęd pneumatyczny wykorzystuje środowisko ściśliwe, na ogół sprężonepowietrze. Zaletą tego typu napędu jest łatwość uzyskiwania powietrza dozasilania układu oraz możliwość łączenia układu z atmosferą po zakończe-niu cyklu pracy. Niskie ciśnienie w porównaniu z napędem hydraulicznymczyni ten rodzaj napędu bezpiecznym w eksploatacji. Ponadto powietrzenie ma własności lepkich i ma dobre własności dynamiczne i niewielkąsztywność (w porównaniu do cieczy).

W pierwszej fazie rozwoju robotów przemysłowych stosowano napędy pneu-matyczne i hydrauliczne. Wzrost wymagań w stosunku do robotów drugieji wyższych generacji spowodował rozwój napędów elektrycznych.

Szacuje się obecnie, że 50% robotów ma napęd elektryczny.


Popularność napędów na rynku polskim

Rysunek : Popularność napędów różnego rodzaju na rynku polskim(źródło:www.automatykab2b.pl)


Popularność napędów w robotyce

Rysunek : Udział procentowy różnego rodzaju siłownikow stosowanych wrobotach: a) rok 1977, b) rok 1990


Producenci napędów - hydraulika i pneumatyka

Polscy producenci napędów

Agromet ZEHS (cylindry hydrauliczne, Lubań),

Centrum Produkcyjne Pneumatyki Prema (spółka akcyjna,pneumatyka siłowa, Kielce),

Controlmatica Z AP-PNEFAL (różnorodna automatyka, w tymsiłowniki, Ostrów Wielkopolski),

FMB Bumar-Hydroma (cylindry i pompy hydrauliczne, Szczecin),

Gramet (siłowniki i cylindry, Jelenia Góra),

Hydroster (hydraulika, Gdańsk),

Hydrotor (hydraulika siłowa, Tuchola),

Pneumat System (siłowniki pneumatyczne, Wrocław),

Ponar Wadowice (hydraulika siłowa, Wadowice),

Zorin (siłowniki pneumatyczne, Dopiewo).

(źródło: http://www.automatykab2b.pl)Jakub Możaryn Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Producenci napędów - hydraulika i pneumatyka

Zagraniczni producenci napędów dostarczający produkty na rynekpolski

Bosch Rexroth (napędy elektryczne, hydraulika siłowa, pneumatyka,Warszawa),

Festo (pneumatyka i napędy elektryczne oraz rozwiązaniamechatroniczne, Janki),

IMI International Oddział Norgren Herion (pneumatyka, zawory,siłowniki, Warszawa),

Parker Hannifin (pneumatyka, hydraulika, zawory, pompy,Warszawa),

SMC Industrial Automation (pneumatyka, hydraulika, napędyliniowe, systemy, Warszawa).

(źródło: http://www.automatykab2b.pl)


Producenci napędów - napędy elektryczne

Rysunek : Najpopularniejsze w Polsce marki serwosilników i serwonapędówelektrycznych (źródło: http://www.automatykab2b.pl)


Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Wykład 1 - Wprowadzenie, pojęcia podstawowe

Jakub Możaryn

Instytut Automatyki i Robotyki

Warszawa, 2017


Documents

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotó · 2017-02-28 · Projektowanie - 8 godzin ... Łopatka R.: Podstawy teorii sterowania, WNT, Warszawa, 2013 Jakub Możaryn Sterowanie Napędów